功率放大器的工作状态优化方法

功放电路的输出功率、转换效率和非线性失真等性能均与放大管的工作状态有关。根据放大电路静态工作点Q在直流负载线上位置的不同，可将放大器的工作状态分为甲类、乙类、甲乙类和丙类等几种类型。

1.甲类工作状态

静态工作点位于直流负载线中点的放大器称为甲类放大器。工作在甲类状态下的晶体管，在输入信号的整个周期内都处于导通的状态，静态工作点电流I_CQ大于信号电流i_c的幅值，静态工作点电压U_CQ大于信号电压u_ce的幅值，如图11-1所示。

图11-1 甲类工作状态

工作在甲类状态下的放大器，在没有信号输入时，静态工作点的值为I_CQ和U_CEQ，电路消耗的功率为I_CQ和U_CEQ的乘积，即

P_E=I_CQU_CEQ （11-2）

说明甲类放大器在没有输入信号时，电路也要消耗能量，此时电路能量的转换效率为零。在有信号输入时，部分直流功率转换成信号功率输出，信号越大，输出功率越大，电路能量转换的效率也随着增大。由图11-1可见，若功放管的饱和管电压降U_CES可忽略，在理想的情况下，信号电流和信号电压的最大值约等于I_CQ和U_CEQ。根据有效值和最大值的关系可得在理想情况下，输出信号功率的最大值为

根据效率的定义式，可得甲类功率放大器的最高效率为50%。说明甲类功率放大器的能量转换效率较低。

因为甲类放大器能量转换的效率较低，所以甲类放大器主要用于电压放大，在功放电路中较少用。

2.乙类工作状态

因甲类放大器在没有输入信号时，电路也要消耗能量，所以甲类放大器的能量转换效率较低，为了提高功率放大器的能量转换效率，将电路的静态工作点移到直流负载线I_CQ为零的Q点，工作点位于如图11-2所示Q点的放大器称为乙类放大器。

图11-2 乙类工作状态

乙类放大器的特点是：功放管只在信号的半个周期内处于导通的状态，电路的静态工作点I_CQ等于零。处在乙类状态下工作的放大器静态功耗等于零，随着信号的输入，电源提供的功率、放大器的输出功率和转换效率也随着发生变化。(www.xing528.com)

由图11-2可见，若功放管的饱和管电压降U_CES可忽略，在理想的情况下，乙类放大器输出信号的最大值为U_cc，输出信号功率的最大值为

因为乙类放大器只在信号的半个周期内有功率输出，所以该放大器有信号输出时，电源消耗的功率P_E为电源电压和半波电流平均值的乘积，即

由此可得，在理想的情况下，乙类放大器的能量转换效率_η为

3.甲乙类工作状态

乙类放大器将静态工作点取在如图11-2所示的I_CQ为零的Q点上，工作在这种状态下的放大器虽然效率比较高，但在信号交接的时候会产生交越失真。为了消除交越失真，将静态工作点的值取在如图11-3所示的Q点，具有这种工作点特性的放大器称为甲乙类工作状态。

图11-3 甲乙类工作状态

甲乙类放大器的特点是，功放管处于导通状态的时间大于输入信号的半个周期，由于电路的静态工作点I_CQ较小，静态功耗也较小，在理想的情况下，甲乙类放大器的转换效率接近乙类放大器。

根据上面的分析可知，乙类和甲乙类放大器的能量转换效率较高，但都存在着波形失真的问题，既要提高效率，又要解决波形失真的问题，是功放电路结构的特点。

4.丙类放大器

根据乙类放大器效率的计算公式可知，乙类放大器晶体管导通的时间比甲类放大器小，描述功率放大器导通时间的参数称为导通角。甲类放大器的导通角为360°，乙类放大器的导通角为180°，乙类放大器的效率比甲类放大器大，说明导通角越大，功率放大器的效率越低，即导通角与功率放大器的效率成反比。在高频电路中，为了进一步提高发射机发射高频信号的效率，通常采用导通角比180°小的丙类放大器。

由导通角和静态工作点的关系可知，丙类放大器的静态工作点Q位于晶体管的截止区。在高频功率放大器的研究领域，除了有静态工作点位于截止区的丙类放大器外，还有晶体管工作在开关状态下的丁类和戊类功率放大器。