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2010-11-2 15:06
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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: Again,this is the absolute maximum possible efficiency,and in general it will be lower . 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。