共射基本放大器的功率和效率

共射基本放大器的功率和效率

刁修睦

（潍坊学院 信息与控制工程学院，山东 潍坊 261061）

E-mail:ddxxmm_001@

摘 要：本文以共发射极基本放大器为例，对低频小信号电压放大器的输出功率和转化效率作了定量讨论，给出了在理想状态下的该电路输出功率和转化效率的定量计算公式，说明了该电路效率太低的原因及提高效率的方法。

关键词： 不失真输出功率；效率；尽限运用；阻抗匹配

模拟电子技术以放大器为主要研究对象，基本放大器是一切放大电路的基础，明确基本放大器优缺点，并找出提高其性能的措施，对增强整个教学过程的系统性至关重要。一般教材均侧重于对基本放大器的放大能力及输入、输出电阻的讨论，而对其功率及转化效率不予讲述。本文以共发射极基本放大器为例，对低频小信号电压放大器的输出功率和转化效率作了定量讨论，给出了在理想状态下该电路的输出功率和转化效率的定量计算公式，说明了该电路效率太低的原因及提高其效率的主要方法。通过讨论，进一步明确了放大器放大的实质，并可自然引出有关功率放大器的相关内容，使教材的系统性进一步加强，收到较好的教学效果。

一、电路及特性方程

共发射极基本放大器是最常用的小信号电压放大器之一。图一（a ）是阻容耦合共射基本放大器的原理图；图一（b ）是其交流通路；图二是由图解法得出的与该电路对应的直流负载线、最佳交流负载线及最大不失真输出信号的波形。假设所有元件均为理想元件。本文依据该电路及相应波形推导出放大器的输出功率和转化效率的数学表达式。为此，首先明确各相关量之间的关系。

(a)

(b)

R L

图一 共射基本放大电路

由图一(a)得该电路的直流负载方程为：

V CE =E C -I C ⋅R C -----------------------------------------------------------------------

(1)

对应于不失真的放大的最佳工作点Q ，有：

V CEQ =E C -I CQ

------------------------------------------------------------------------

(2)

由图二可得其相应的交流负载方程为：

V CE = E C ′- i C ⋅R L ′-----------------------------------------------------------------------(3) 以上各式中，V CE 为C 、E 极间的静态电压，V CEQ 为其最佳静态工作电压，V CE 为其动态瞬时电压；E C 为直流电源电压，E C ′为动态等效电源电压；I C 为静态集电极电流，I CQ 为最佳静态集电极电流，i C 为动态瞬时集电极电流；R L 为集电极负载电阻，R L ′为放大器交流通路的等效负载电阻（R L ′=R L // R C ）。

当静态工作点Q 选在最佳点时，且在忽略晶体管的饱和压降和截止区的一段压降的条件下，将Q 点选在教流负载线的中点。由图二可知：

E C ′= 2V CEQ ---------------------------------------------------------------------------------- (4)

且 V CEQ = I CQ ⋅ R L ′------------------------------------------------------------------------------- (5)

将(4)代入(3)得：

V CE =2 V CEQ - i C ⋅R L ′

-------------------------------------------------------

(6)

将(5)代入(2)并整理得：

CE (V)

I CQ

图二 共射放大电路输出波形

E C= I CQ⋅ (R L′+ R C) ----------------------------------------------------- (7)

二、功率

该电路所涉及的功率类型较多，大致有：直流电源供给的功率、三极管集电极交流不失真输出功率、放大器交流不失真输出功率等。现分述如下：

1、直流电源供给的功率：

直流电源供给的功率即直流电源对放大器所提供的电功率。又可分为静态损耗功率P C、动态瞬时功率p c和动态平均功率P c三种。

（1）静态损耗功率P C：

静态损耗功率即在无交流信号流经放大器的情况下，直流电源提供给放大器的电功率。此时有：

P C= E C⋅ I CQ -------------------------------------------------------------------------------（8）该功率用于保证放大器有合适的静态工作点，使放大器能进行正常放大，最终全部以热能的形式消耗在电路中。

严格的讲，直流电源提供的功率及包括集电极回路中的功率，也包括消耗在基极回路中的功率，但由于实际电路中后者要比前者小得多，通常忽略不计。而对结果并无多大影响。

（2）动态瞬时功率pc：

动态瞬时功率即在电路中有交流信号通过时，再任意时刻，直流电源所提供的功率。此时有：

p c= E C⋅ i C -------------------------------------------------------------------------------（9）由于此时的集电极电流为瞬时值，随时间不断变化，故瞬时功率也是随时间不断变化的。

（3）动态平均功率P c：

动态平均功率即瞬时功率在p c在一周期内的平均值。故：

P c = 1/T∫0T p c⋅dt=1/T∫0T E C⋅i C dt=1/T∫0T E C(I CQ+i c)dt

= E C⋅ I CQ + E C⋅1/T∫0T i c dt

其中i c为i C的交流分量。因为我们通常所说的动态一般是以放大器不失真放大为前提的，并且取用正弦波信号以简化分析，所以集电极瞬时电流的交流分量为正弦波，其在一周期内的平均值为零，所以：

P c = E C⋅ I CQ ---------------------------------------------------------------------------（10）