初级模拟电路基础：5-1 稳压电路概述

Z时代
2024-01-10
分类：技术分享

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我们在前面第三、四章分析的所有放大器，都是信号放大器，主要用于微小的电压（或电流）信号的放大，一般我们不太需要对其功率限制做过多考虑。

但是另有一种类型的放大器，其目的主要是为了放大功率，来驱动一些大功率设备，比如扩音器等等，我们称之为功率放大器（power amplifier），有时也简称：功放。功率放大器的输出电压通常可达到几十瓦甚至几百瓦，其计算方式也和前面的信号放大器显著不同，所以需要单独一个章节来进行讲解。

如果回到上世纪60、70年代，功率放大器绝对是模拟电路中非常重要的一块，几乎所有的工业领域都会用到模拟功率放大器。但随着时代的发展，越来越多的大功率器件的驱动控制被数字输出控制技术所取代（比如：电机控制、大功率灯光控制等等），甚至最传统的扩音设备的功率放大输出，也逐渐被数字驱动所取代。由于模拟功率放大器在实际应用中的比重越来越低，在现在这个时代，如果不是专业搞这一领域工作的，一般我们仅需了解一下其大致的分类和基本的计算方法即可。

1. 功率管

功率放大器使用的BJT晶体管或FET场效应管称为功率管，为了适应大功率输出的需要，其内部的工艺结构和外部造型均和我们之前遇到的小信号器件不同。下图是功率管2N3055的数据规格书的头部简要介绍：

图5-01.01

可以从图上看出，为了散热的需要，功率管一般都会包有金属外壳，故其体积比一般的小信号器件要大。另外，功率管的电流增益h_FE都比较小，一般在20~100以内（图中的h_FE为20~70）。

在设计使用功率管时，除了要考虑其极限电压、极限电流、极限耗散功率以外，工作温度及周围散热条件也是需要非常仔细地考虑的。

功率管可以使用FET（场效应管），也可以使用BJT（双极型晶体管）。一般由于场效应管的输入阻抗非常高，因此它的驱动电路会比较简单。比如：一个10A的FET功率管其栅极可由一个普通的逻辑芯片的输出来驱动（一般的单片机I/O引脚都能胜任）。与此对比，一个电流放大系数为β=10的10A的BJT功率管，当集电极电流为10A时，基级电流需要1A，这个超出了大多数芯片的管脚输出能力，因此需要配套设计更加复杂的驱动电路。但BJT功率管也有它的好处，其优点是能比FET功率管输出更高的电流和功率，成本相对更低。

2. 功率放大器的分类

传统的功率放大器按其处理输入信号的方式，大致可分为：甲类、乙类、甲乙类、丙类、丁类（英文文献中一般对应称为：class A、class B、class AB、class C、class D），下面我们分别进行简述：

● 甲类：

甲类功率放大器是最基本的放大器，其输入信号的整个周期都能放大输出，导通周期为360°，其输出如下图所示：

图5-01.02

理论上来讲，我们前面分析的各种小信号放大电路，都属于甲类放大器的范畴。甲类功放的缺点在于：即便没有输入信号时，为了维持直流偏置电压，也要消耗相当大的功率，因此其工作效率很低。甲类功放常常用于小信号放大电路中，因为在小信号放大时，我们考虑的首要因素是信号的不失真，而不太需要考虑功耗与功率限制等问题。

● 乙类：

乙类功率放大器可以提供输入信号半个周期的放大，导通周期为180°，电路的直流偏置点是0V，如下图所示：

图5-01.03

由于直流偏置点为0V，所以乙类功放的维持功耗大大减小，故其工作效率比甲类功放大大提高。但是由于只能放大半个周期的输入信号，需要两个乙类功率放大器共同工作（一个工作在输入信号的正半周期、一个工作在输入信号的负半周期），才能实现对整个输入信号的放大，这种工作方式的电路一般称为：推挽式（push-pull ）工作电路。

● 甲乙类：

甲乙类功率放大器的直流偏置点略高于乙类功放的0V，主要是用来消除乙类功放的交越失真用的（交越失真后面我们会解释），其对输入信号的放大大于半个周期，即导通周期介于180°~360°之间，工作效率也介于甲类和乙类之间。其输出入下图所示：