原创 剖析Transistor的5种工作状态

剖析Transistor的5种工作状态

Background : 在晶体管放大电路中，当输入信号为正弦波时，根据静态工作点的人为选取，我们可以使得功率管工作在5种不同的状态，即：甲类、乙类、甲乙类、丙类和丁类。由于晶体管的工作状态不同，管子的功率损耗不同，相应的最大集电极效率也就不同。本文将针对Transistor这5种工作状态的最大集电极效率分别进行直观清晰的分析。

首先来直观定义一下集电极效率：

Where：

Pout为负载所获得的功率；

Pdc为直流电源提供的功率。

1、甲类（Class A）

定义：当输入信号为正弦波时，晶体管在信号的整个周期内均导通，即导通角为360度，称之为甲类状态。

剖析：显而易见，由于晶体管在输入信号的整个周期内均导通，所以输入信号的全部信息都被加以利用了，通俗一点说就是：输入信号被完整地放大了（当然前提是此时功率管具有良好的静态工作点，没有截止失真和饱和失真的问题），理论上此时不存在信号的失真问题了。However，此时的集电极效率却“不尽人意”。经过简单分析可知，晶体管的最大不失真输出电压的有效值为：

且集电极电流交流分量的最大值的有效值为：

Then，在管子呈现理想状态下（即忽略饱和管压降），最大输出功率为：

可见，此时该电路的最大效率为：

2、乙类（Class B）

定义：当输入信号为正弦波时，晶体管仅仅在信号的正半周或者负半周导通，即导通角为180度，称之为乙类状态。

剖析：从晶体管的甲类工作状态的分析可知，在输入信号为零时，管子依旧导通，自然白白耗费了直流电源的功率，这是导致甲类电路效率不高的“罪魁祸首”。要想提高效率，我们可以在输入信号为零时，使得管子处于截止状态，这就“催生”了乙类推挽功率放大电路。和甲类工状状态一样，此时晶体管的最大不失真输出电压的有效值仍旧是：

即最大输出功率为：

由于基极回路电流极小，以致可以忽略不计，so，此时直流电源提供的电流近似为：

此时直流电源所消耗的平均功率如下所示：

So，电路的最大效率为：

显然，它比甲类工作时的效率要高。但是必须说明的是，这个数值只是理论上的推导结果，实际中是不可能实现的，必定会低于该值。

3、甲乙类（Class AB）

定义：当输入信号为正弦波时，晶体管的导通角大于180度，而小于360度，称之为甲乙类类状态。

 
剖析：考虑到晶体管的发射结必定客观存在一个开启电压Uon，当输入电压的数值|ui|时，TR1和TR2都处于截止状态，此时输出电压的波形即产生了所谓的“交越失真”。因此，我们应当设置更加合适的静态工作点，使得输入信号为零时，两只管子均处于临界导通状态，此即甲乙类工作状态。上图已经形象地说明了这个解决方案。经过简单分析可知，两个管子的导通时间都比输入信号的半个周期要长，即在输入信号电压很小时，两个管子同时导通。由此可知，甲乙类工作状态的效率一般要略低于乙类工作状态的效率，好处是消除了交越失真。

4、丙类（Class C）

定义：当输入信号为正弦波时，晶体管的导通角小于180度，称之为丙类状态。

 

剖析：C类工作状态的效率表达式与乙类工作状态时的几乎一样，只不过要把180度的导通角换成 θ（θ<180度，由电路设计者人为选取）。可以看出，由于丙类工作状态的导通时间比乙类更短，所以它的效率一般比乙类更高。

5、丁类（Class D）

定义：当输入信号为正弦波时，晶体管工作在开关状态，即管子在信号的半个周期内饱和导通，另半个周期内截止，称之为丁类状态。

 

剖析：此时管子工作在开关状态，

（1）当管子饱和导通时：管子的Vce接近饱和压降，也就说明管子的损耗接近最小值，负载所获得的功率自然最大值；

（2）当管子处于截止时：ic趋于零，管子的损耗Pc=ic*Vce也将在这半个周期内始终接近于零值，即此时管子损耗也接近最小值。

由此分析可知，集电极效率得到了很好的提高。However，这样一来，付出比较大的代价——集电极电流波形此时已经严重失真了！关于这个问题，我在网上淘到一篇比较好的文章，有兴趣的博友可以看一下（放在附件内）。

Final Word : 综上所述可知，在功率放大电路中，晶体管从甲类向乙类、甲乙类、丙类或丁类，目的都是为了高效率地输出功率。However，所谓“物极必反”，虽然电路的效率提高了，但是这也导致了集电极电流的波形严重失真。在实际电路设计中，一般可以采用引入负反馈的措施来减小失真，或者人为地限制输出功率，以此使得失真发生在允许的范围之内。只有这样，才有可能达到我们想要的“高效率”、“小失真”的效果。