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初级模拟电路:5-3 变压器耦合型甲类功放

 Coder编程 2022-06-07 发布于北京

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      串馈型甲类功放的一个缺点是效率低,另一个缺点是,会有大量的直流电流分量经过负载RL,有时候我们在负载上仅仅需要被放大的交流分量,而不需要直流分量(比如扬声器)。这时就可以使用变压器耦合型甲类功放。

      变压器耦合型甲类功率放大器使用变压器耦合输出到负载,负载仅能收到放大的交流信号,而没有直流分量。其另一个好处是功率效率最大能达到50%,一个基本的变压器耦合甲类功放电路如下图所示:

图5-03.01 

 

 

1. 直流分析

      当没有输入电压Vi时,电路处于直流工作状态,此时的变压器中的电流没有交变,线圈绕组的电阻非常小(一般从零点几欧到几欧不等),次级线圈得不到任何功率,负载RL完全收不到任何功率输出。由于变压器线圈的直流电阻非常小,使得直流负载线的斜率非常大,近似于垂直,我们可以将其近似视为一条竖直的直线,其与x轴的交点近似为VCC,如下图所示:

图5-03.02 

      然后再对电路计算直流参量IBQ,算出IBQ后,直流负载线与这个IBQ对应的输出曲线的交点即为静态工作点Q。

 

 

2. 交流分析

      当输入电压Vi为正弦小信号电压时,此时的情况就完全不一样了。正弦交变的Vi会使得集电极电流IC也正弦交变,此时变压器就开始发挥作用,在变压器的次级线圈会感生出正弦电压,然后负载RL的阻值会被映射到变压器初级,其映射到变压器初级的等效电阻值为:

      只要存在正弦输入Vi,RL就会在变压器初级映射出RL'的阻值,且这个阻值不随Vi的频率和幅度的变化而变化,总是呈现出一个固定值。因此,当存在交流输入信号Vi时,BJT晶体管的集电极就相当于接了一个阻值不变的电阻RL'。这个电阻的特性是,只要存在交流输入信号Vi,它就相当于一个普通电阻那样存在;当没有交流输入信号Vi时,它就不存在(阻值变为近似于0)。

      因此,在存在交流输入信号Vi的情况下,由于集电极多了这个电阻RL',我们需要重新画一条负载线,如下图所示:

图5-03.03 

      一般的文献或模电书上都会将其称为:交流负载线。不过这个名词常常会令初学者感到困惑,严格来讲,它应该叫做:存在交流输入时RL映射成固定电阻RL'时的负载线,有点拗口,不过有助于厘清概念。

      现在来看这条交流负载线是如何得到的,由于这个共射电路仅存在一个集电极映射电阻RL',因此其斜率为-1/RL'。根据变压器理论,当交流正弦输入Vi通过0点的瞬间,变压器的初级线圈感生出的电势也正好为0,因此,此时的瞬时iB、iC、vCE正好等同于前面直流分析时计算出的IB、IC、VCE,因此交流负载线会与静态工作点Q相交。利用斜率和Q点,我们就可以用作图法画出这条交流负载线,如上图5-03.03中所示。

      需要注意的是,由于变压器的初级线圈会产生感生电势,叠加上VCC后,会使得交流负载线与x轴的交点大于VCC。因此还要验证波动电压没有超过晶体管CE端的承受能力

 

 

3. 功率分析

 

● 输入功率:

      当时输入信号为0时,放大电路消耗的即为维持静态工作点的偏置功率,此时从电源获得的输入功率为:

      当存在输入信号时,从电源获得的电流IC会在静态工作点上下波动,由于正弦信号的对称性,因此从电源获得的平均功率不变,仍然可用上式表示。

 

● 输出功率:

      当存在输入信号时,输出功率即为负载RL上消耗的功率,一般我们用有效值(rms)来表示交流电压和交流电流,输出功率表达式为:

 

 

4. 效率分析

      在最理想情况时,负载能得到最大的电压波动范围,静态工作点处于输出曲线的中间位置,由于静态工作点我们已经确定为VCC,那么最理想的情况时,交流负载线与x轴的交流为2VCC、与y轴的交点为2ICQ,此时可以最充分地利用交流负载线的全部范围且不使输出波形失真,如下图所示。

图5-03.04 

      在此理想情况下,输出电压有效值和输出电流有效值分别为:

      因此理论最大效率为:

      这个只是变压器耦合甲类功放的最理想情况上的理论最大效率,在实际应用中,一般很难使静态工作点正好位于交流负载线的正中位置,因此实际的变压器耦合甲类功放的工作效率都会低于50%。

     

 

 

 

( end of 5-3)


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