这一章在干嘛?
前面章节的放大器只负责「小信号」,这一章让信号有 驱动负载的力气 (音箱、电机、天线)。核心矛盾是效率与失真:甲类最线性但最费电,乙类省电却交越失真,甲乙类是折中方案。还要学散热计算——功率管不是烧在电上,而是烧在温度上。
12.1 放大器的「工种」分类
按导通角分类:甲类(360° 全程导通)、乙类(180° 半周导通)、甲乙类(略多于 180°)、丙类(<180°,射频专用):
原书图 12.1:各工作类别的导通情况示意
甲类理论最高效率 25%(串馈)/ 50%(变压器耦合);乙类最高 78.5%;丙类可超 90% 但失真大
12.2 甲类放大:最老实也最费电
串馈甲类:Q 点设在负载线中点,全程导通、失真最小,但静态电流一直消耗功率:
原书图 12.3:甲类负载线:Q 点居中,正负半周都有摆动余地
原书图 12.28:串馈甲类功率放大器
变压器耦合版把效率提到 50%,利用变压器的交流负载线斜率更陡:
原书图 12.6:变压器耦合甲类功放
原书图 12.8:变压器耦合的交流负载线:摆幅更大
为什么甲类费电?
没信号时管子也在流大电流(静态功耗 I CQ ·V CC ),这些电全变成了热。音质发烧友偏爱甲类,理由是「无交越失真」——代价是电费和散热。
12.3 乙类推挽:效率翻倍
推挽(Push-Pull):两颗管子分工,一个放大正半周、一个放大负半周,轮流上班:
原书图 12.12:推挽工作框图:两路半周信号在负载上合成完整波形
原书图 12.16:互补对称推挽:NPN 管正半周、PNP 管负半周
大电流场合用达林顿组合提高 β:
原书图 12.17:达林顿互补推挽:β≈β1·β2,驱动电流更省
交越失真:
乙类两管在 0.7 V 门槛附近都「罢工」,输出在过零处出现台阶。解决办法:给两管加一点点偏置(约 2×0.7 V),让它们微导通——这就是 甲乙类 ,实际功放几乎都这么干。
12.4 失真、散热与 D 类
谐波失真:大信号摆动进入非线性区,输出多出 2f、3f 等谐波成分,用 THD 衡量:
原书图 12.26:二次谐波失真:波形不对称时出现偶次谐波
热设计是生死线:Tj = TA + PD×θJA,热阻 θ 像电阻一样串联相加。功率管必须装散热器:
原书图 12.22:常见功率散热器:齿越密、面积越大,热阻越小
D 类(开关功放):管子只在全开/全关间切换,效率可达 90%+,靠 PWM + 低通滤波还原音频,是现代功放主流:
原书图 12.27:D 类功放框图:调制 → 开关放大 → 低通滤波
速记:
甲类=音质党(效率 25%),甲乙类=通用款(效率 50~70%),D 类=效率党(90%+)。发热 = 效率的反面,效率每差一点,散热就多一分。
1. 乙类推挽为什么有交越失真?怎么解决?
两管导通需要 |V_BE|≈0.7 V,输入信号过零附近两管都截止,输出出现「死区」台阶。解决:加 2×0.7 V 左右的静态偏置使两管微导通(甲乙类),常配合二极管或 V_BE 倍增电路。
2. 甲类放大器效率为什么低?
无论有无信号,静态工作点电流都持续从电源取电:P_S=V_CC·I_CQ 几乎恒定,而负载真正拿到的交流功率最大只有 25%(串馈),其余全变成管子的热。
3. 散热计算的核心公式是什么?
T_j = T_A + P_D·θ_JA,θ_JA 为结到环境总热阻(结-壳 θ_JC + 壳-散热器 θ_CS + 散热器-环境 θ_SA 串联相加)。要 T_j 低于管子最大额定(如 150 °C)并留余量。