晶体管电路设计 第二十贴

李俊韬

大家好，在前面的贴子中我们认识了晶体管的共射极电路和共集电极电路（射随器）这两种电路及其变形也是我们在电路设计中使用量最大的基本电路。而射随器又是功率放大电路中最基本的一种应用方式。

为了让大家能更好的理解功率放大电路的工作原理，我们先来回顾几个公式。

      U=IR，P=UI，P=U＊U/R ，P=I*I*R

      这几个公式及其变形是以后我们在设计中经常用到的，希望大家要记住。

      我们再回想一下共射极电路的特点：有电压增益，有电流增益，有功率增益，输入阻抗约几K，输出阻抗约等于集电极电阻，一般在几K到几十K之间。

      射随器电路的特点是：电压增益略小于1，有电流增益，有功率增益，输入阻抗约几十K到上百K，输出阻抗在几十到几K左右，与负载与射极电阻的比率相关。

      推挽放大电路的特点是：电压增益略小于1，有电流增益，有功率增益，输入阻抗与射随器相当，输出阻抗在零点几欧姆和几欧姆之间。

      对于功率放大器来说，其主要目的就是在负载上得到尽可能大的输出，这个输出即包含电压的输出也包含电流的输出，根据公式P=UI，那么实际上就是要在负载上得到尽可能大的功率。而对于一个电路来说，再大的输出电压也不会超过电源的电压，那么当电源电压一定时，我们就需要尽可能的得到更大的输出电流来得到最大的功率。

      所以，对于常规意义上的功率放大器实际上就是在一个已知大小的负载，已知大小的电源电压时，尽可能的使负载得到更大电流的一个放大器。在这个定义中有两个前提条件，一是已知大小的负载，因为负载是与放大器的输出阻抗串联的，当输出阻抗确定时，负载的大小决定了其上流过电流的大小。

      另一个条件是已知大小的电源电压，这个问题应该不用多说了，当然是尽可能的在电源电压所允许的范围内输出更大的摆幅，从而使负载上得到更大的电压。我们知道，功放级的电压增益略小于1，所以使微弱的信号电压在进入功放级时达到电源电压限定范围内的最大振幅的工作就交给了前级电路来做。

      我们总结一下，一个完整的能够把微弱信号放大至能够推动喇叭的电路是由两部分组成的。电压放大部分和电流放大部分，进行电压放大的电路采用具有电压增益的共射极电路，它们只关心输出的电压幅度大小，而不关心电流。也就是说也许共射极电路能够输出一个振幅在正负10V的电压，但它所能提供的电流也许只有10个毫安，而一旦超出10mA的范围会导致输出电压急剧降低，甚至降到只有1-2V左右。

      电流放大部分则只关心输出电流的大小，因为电压的大小幅度在前级已经处理完了，只需要按照这个电压的模板在一定的负载上输出最大的电流就可以得到最大的功率输出了。与前面电压放大相比其特点就是，它能够输出更大的电流，也许是100mA，也许是1A甚至10A，在这个电流输出范围内，输出电压的摆幅仍能保持与输入一致。

      那么总结以上两种电路，可知对于电压放大部分来说，虽然其输出电压很高，但它的工作电流很小，因此其发热也很小，这个结论应该很容易得到，在初中物理上就有讲过。而对于末级的电流放大来说，输出的电压与前级相同，而且有相对于前级几倍甚至几十倍上百倍的电流流过，因此所产生的热量也不可小视。事实上，因为三极管本身是一个热敏感器件（Vbe有-2.5mV/摄氏度的特性），所以功率放大器的设计在很多情况下是与大电流所产生的高温做斗争的一个过程。

      我们来看一个典型的推挽放大电路：

      这个电路在前面我们已经分析过它的工作原理，现在我们来分析下在输出大电流时电路的状态。

      当电路没有信号输入时，电路处于平衡状态，VF等于Vbe，电路几乎处于一个完美的状态。

      当负载从电路中取出大电流时，这个电流会流经三极管Tr1与Tr2，因此不可避免的会导致两个三极管的温度升高，前面已经说过三极管的Vbe有-2.5mV/摄氏度的温度特性，假设由于电流流过三极管造成了40摄氏度的温升（不要惊讶，这个温升对于功率放大器来说是很一般的），由于这个温升会导致三极管固有的Vbe在原有基础上降低了100mV。而做为提供Vbe电压的二极管却因为仍是原大小电流流过而不会升成温度升高，因此其上的压降VF仍为原来大小。

      这时候，VF=Vbe的完美状态被破坏了，VF大于Vbe有100个mV，而根据三极管的另外一个固有特性：三极管的Ube每升高60mV其集电极电流增加10倍。（在这里要注意Vbe和Ube的区别，Vbe是三极管本身的固有特性，即三极管的基极发射极压降，这个压降是与生俱来的，会随着温度变化而变化的。Ube则是三极管在工作中所加到其基极发射极之间的电压。）

      很明显，由于温度的升高，导致加到三极管基极发射极的电压Ube比完美状态时增加了100mV，三极管的集电极电流因此增大了将近20倍，更大的集电极电流又导致了三极管温度的进一步升高，Vbe进一步减小，VF仍然不变，Ube进一步增大，集电极电流更大，如此恶性循环，最后集电极电流超过三极管的承受能力，Tr1和Tr2烧毁，这一过程说起来很慢，实际上却会发生在短短的几毫秒或几十毫秒内。这就是三极管的热击穿原理。

      很明显，要避免以上情况的发生，最简单的办法就是限制三极管中流过的电流，使其最大时也不会超出三极管的承受能力就可以了。对于小电流工作的电路来说，上面的电路是可行的，而对于要取出几百mA或者几A电流的电路来说，则必须要做一下处理，如下图。

      这个改进后的电路在两个三极管的发射极分别串入了一个电阻，这个电阻与三极管的Vbe共同分担VF所提供的电压，所以有VF=Vbe+VR，那么当温度上升而引起Vbe减小时，VF高出三极管Vbe的那部分电压就落在了电阻R上，因此只要我们选择合适的R，就可以限制流过三极管的电流而不会造成热击穿了。

      返回我们上面所举的例子，当因为三极管温度上升40度而造成Vbe与VF有100mV的压差时，这个100mV的压差就落在了电阻R上，如果我们要将集电极电流控制在10mA时，只要将电阻R取10Ω就可以了。

这样做对于简单的电路来说不失为一个成本低廉的解决办法。但它却有着自己的缺点。

      1、由于发射极串入电阻，而造成输出阻抗提高，输出阻抗至少为电阻R的值即10Ω，那么当负载从电路中取出大电流时，导致电阻R上消耗大量的信号电压，例如电路的负载为扬声器等低阻抗负载时（4至8欧姆），从而使负载得到的功率大大减少。

      2、加入电阻R只是分担了三极管因为温度上升而形成的100mV的压差，但是三极管空载电流仍然会随着温度的变化而变化，由此所造成的三极管静态工作点的变化会给放大器引入不可预测的失真。

      根本性的解决办法是让VF能够随着三极管的Vbe同样的变化，即Vbe降低VF也等量的降低，从而保持VF=Vbe的完美状态。这就要求做为提供偏压的器件与放大用的三极管具有相同的温度特性。于是有了下面的电路：

      关于这个电路，书中的分析已经很详细了，所以在贴子中我们就不再重复分析。需要补充的主要有两点：

      1、这个电路中仍然没有取消R的存在，是因为再完美的热耦合与配对都不可能使VB完美的等于Vbe1与Vbe2的和，因此在工作中会产生微小的交越失真，虽然只有几个或几十个毫伏，但对追求完美的设计者来说是不可忽视的，因此在电路中实际的做法是，加入发射极电阻R，并且取的很小，有的电路会取到0.05Ω或0.1Ω，以尽可能的减少其对输出阻抗的影响。同时，通过调整RA或RB的值，使VB略大于Vbe1与Vbe2的和，可以根据电阻R的大小来确定其多出多少。

      假设电阻R为0.1Ω，为了使该级空载电流控制在100mA（这个数值比较大，已经非常偏向甲类了），则有0.1ΩX100mA=10mV，所以调整RA或RB的大小使R上的压降为10mV就可以了。实际电路中，往往RA是串入一个微调电位器的，以专门进行此项调整。当然，如果想让空载电流小些，比如只有十几或几十mA（偏向乙类），电阻R可以适当的取的大些，0.5Ω或1Ω是一个较好的选择，这种情况一般出现在功率较小的放大器中。

      2、热耦合的做法，在书中只是讲了一句“预先将管壳靠近，使它们成为相同的温度”，相信许多初入门的朋友想象不出到底是怎么个使管壳靠近，又怎么个使它们成为相同的温度。所以，我找了几个在实际功放中所常用的热耦合实物图，让大家对此有个直观的印象。