變壓器耦合甲類功率放大器

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如前一章所述，甲類功率放大器是在整個交流輸入電源週期內輸出電流都流動的電路。我們還了解了它的一些缺點，例如輸出功率和效率低。為了最大程度地減少這些影響，引入了變壓器耦合甲類功率放大器。

可以透過下圖瞭解甲類功率放大器的構造。這與普通的放大器電路相似，但在集電極負載中連線了一個變壓器。

這裡 R₁ 和 R₂ 提供分壓器配置。電阻 Re 提供穩定，C_e 是旁路電容，R_e 用於防止交流電壓。這裡使用的變壓器是降壓變壓器。

變壓器的高阻抗初級繞組連線到高阻抗集電極電路。低阻抗次級繞組連線到負載（通常是揚聲器）。

變壓器作用

集電極電路中使用的變壓器用於阻抗匹配。R_L 是連線在變壓器次級繞組上的負載。R_L’ 是變壓器初級繞組上的反射負載。

初級繞組的匝數為 n₁，次級繞組的匝數為 n₂。設 V₁ 和 V₂ 分別為初級和次級電壓，I₁ 和 I₂ 分別為初級和次級電流。下圖清楚地顯示了變壓器。

我們知道

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{n_1}{n_2}\: 和\: \frac{I_1}{I_2} = \frac{n_1}{n_2}$$

或者

$$V_1 = \frac{n_1}{n_2}V_2 \: 和\: I_1 = \frac{n_1}{n_2}I_2$$

因此

$$\frac{V_1}{I_1} = \left ( \frac{n_1}{n_2} \right )^2 \frac{V_2}{I_2}$$

但 V₁/I₁ = R_L’ = 有效輸入電阻

和 V₂/I₂ = R_L = 有效輸出電阻

所以，

$$R_L’ = \left ( \frac{n_1}{n_2}\right )^2 R_L = n^2 R_L$$

其中

$$n = \frac{初級繞組匝數}{次級繞組匝數} = \frac{n_1}{n_2}$$

可以透過在降壓變壓器中採用合適的匝數比來匹配功率放大器。

電路工作原理

如果由於訊號引起的集電極電流峰值等於零訊號集電極電流，則獲得最大的交流輸出功率。因此，為了實現完全放大，工作點應位於負載線的中心。

當施加訊號時，工作點顯然會發生變化。集電極電壓與集電極電流反相變化。集電極電壓的變化出現在變壓器的初級繞組上。

電路分析

假設初級繞組的功率損耗可以忽略不計，因為它的電阻非常小。

直流條件下的輸入功率將為

$$(P_{in})_{dc} = (P_{tr})_{dc} = V_{CC} \times (I_C)_Q$$

在甲類放大器的最大容量下，電壓從 (V_ce)_max 變化到零，電流從 (I_c)_max 變化到零。

因此

$$V_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(V_{ce})_{max}}{2}\right ] = \frac{2V_{CC}}{2\sqrt{2}} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}}$$

$$I_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(I_C)_{max} - (I_C)_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(I_C)_{max}}{2}\right ] = \frac{2(I_C)_Q}{2\sqrt{2}} = \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}}$$

所以，

$$(P_O)_{ac} = V_{rms} \times I_{rms} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}} \times \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2}$$

所以，

集電極效率 = $\frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$

或者，

$$(\eta)_{collector} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2 \times V_{CC} \times (I_C)_Q} = \frac{1}{2}$$

$$= \frac{1}{2} \times 100 = 50\%$$

甲類功率放大器的效率接近 30%，而使用變壓器耦合甲類功率放大器後，效率提高到了 50%。

優點

變壓器耦合甲類功率放大器的優點如下。

• 基極或集電極電阻器不會損失訊號功率。
• 實現了出色的阻抗匹配。
• 增益高。
• 提供直流隔離。

缺點

變壓器耦合甲類功率放大器的缺點如下。

• 低頻訊號的放大程度相對較小。
• 變壓器會引入哼噪聲。
• 變壓器體積大且成本高。
• 頻率響應差。

應用

變壓器耦合甲類功率放大器的應用如下。

• 此電路主要用於阻抗匹配。

• 它們用作驅動放大器，有時也用作輸出放大器。