功率放大器的使用極限

如果信號(hào)是雙向的，比如一個(gè)以零點(diǎn)為中心的正弦波，則每個(gè)輸出晶體管“休息”半周，總的放大器功耗在兩個(gè)輸出晶體管之間均分，同時(shí)降低有效的封裝熱阻。

如果瞬時(shí)峰值損耗點(diǎn)在放大器的SOA內(nèi)，首先要關(guān)心的是提供足夠大的散熱器以防止過(guò)熱。由于這一峰值狀態(tài)只是在一個(gè)交流周期中短暫地通過(guò)，交流應(yīng)用能可靠工作，可更接近于SOA的極限值。

圖5 表示的是具有±40V電源和8Ω電阻性負(fù)載的功率放大器的功率曲線，此外，功率是相對(duì)于最大電壓輸出的百分率來(lái)標(biāo)繪的。正如直流的情況一樣，由電源提供的功率隨輸出電壓線性地增加，提供給負(fù)載的功率隨輸出電壓的平方而增加。由放大器所消耗的功率PD是前兩條曲線之差，PD曲線的形狀與直流信號(hào)的情形類似，但在100%輸出電壓時(shí)不能接近于零。這是因?yàn)樵跐M幅度交流輸出電壓下，輸出快速地橫掃圖4的整個(gè)曲線(0到100%)，圖5表示的是這種動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的平均損耗。

當(dāng)交流輸出波形的峰值約為電源電壓的63%時(shí)，放大器的損耗達(dá)到最大值。對(duì)于該正弦波的幅度，瞬時(shí)輸出電壓在交流周期的大部分區(qū)域，都是處在接近于電源電壓一半的關(guān)鍵數(shù)值上。

對(duì)任意電源電壓和負(fù)載電阻，可以利用由圖5中曲線右側(cè)標(biāo)明的歸一化值來(lái)度量。為了求出在給定信號(hào)電平下你的放大器的損耗，要用(V+)2/RL去乘取自右側(cè)刻度的讀數(shù)。

交流應(yīng)用很少有一定要在圖5的最大損耗點(diǎn)上經(jīng)受連續(xù)運(yùn)行的情形。例如，一個(gè)帶有語(yǔ)音或音樂(lè)的音頻放大器，其損耗一般要比這個(gè)最壞情形的值少得多，與信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。由于一種任意幅度的連續(xù)正弦波信號(hào)還是可能的，這種最壞情形的狀態(tài)是一種有用的基準(zhǔn)。依據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合，你或許需要就這種狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)。

電抗負(fù)載-交流信號(hào)

圖6 表示的是在純電感性負(fù)載中電壓和電流的關(guān)系曲線。電流滯后于負(fù)載電壓90°，在電流是峰值時(shí)，負(fù)載電壓是零。這就意味著放大器必定在導(dǎo)通晶體管兩端的電壓為滿幅V+(對(duì)于峰值電流的負(fù)半周為V-)時(shí)，提供峰值電流。這種情況對(duì)于電容性負(fù)載，同樣是嚴(yán)厲的，檢驗(yàn)這種狀態(tài)下SOA曲線上的電壓和電流。

重新考察圖5中的曲線，功率放大器的損耗等于來(lái)自電源的功率減去輸送給負(fù)載的功率。來(lái)自電源的功率PS不論負(fù)載阻抗是電阻性的還是電抗性的都是一樣的。但是，如果負(fù)載完全是電抗性的(電感或電容)，則輸送給負(fù)載的功率是零。所以，由放大器消耗的功率就等于來(lái)自電源的功率，在滿幅度輸出下，這約是具有電阻負(fù)載的放大器在最壞情況下?lián)p耗的三倍。

電抗性負(fù)載是一種損耗很大的情形，與電阻性負(fù)載相比，它要求有一個(gè)大的散熱器，幸虧純電抗性負(fù)載是罕見(jiàn)的。例如，一個(gè)交流電機(jī)不可能是純電感，否則它不能做任何機(jī)械功。

功率損耗

評(píng)價(jià)獨(dú)特的負(fù)載和信號(hào)可能是復(fù)雜的，利用放大器的功耗等于電源的功率減去負(fù)載功率的原理，由電源輸送的功率可以用如圖7所示的方法來(lái)測(cè)量，來(lái)自每個(gè)電源的功率等于平均電流乘它的電壓。如果輸出波形是不對(duì)稱的，要分別地測(cè)量和計(jì)算正和負(fù)電源，并把兩個(gè)功率相加。如果波形是對(duì)稱的，你可以測(cè)量一次并乘2。用平均值響應(yīng)儀表來(lái)測(cè)量電流，一種簡(jiǎn)單的帶有電流分流器裝置的D'Arsonval型儀表工作得很好，不要使用有效值響應(yīng)儀表。

對(duì)于正弦信號(hào)，很容易求負(fù)載的功率：

PLOAD=(Iorms)·(Vorms)·cos(θ)

式中θ是負(fù)載電壓和電流之間的相位角(見(jiàn)測(cè)量方法圖8)。

對(duì)于復(fù)雜波形，負(fù)載功率是更難測(cè)量的，你可能了解一些確定負(fù)載功率的有關(guān)負(fù)載的一些情況，不然的話，你可以使用乘法器集成電路，用順次地乘以電壓和電流的方法來(lái)建立一個(gè)測(cè)量負(fù)載功率的電路。乘法器的平均直流輸出與平均負(fù)載功率成比例。

獨(dú)特的負(fù)載

通常當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出為正時(shí)，它向負(fù)載提供電流(Q1導(dǎo)通，圖1)。根據(jù)所涉及的負(fù)載和電壓的形式，運(yùn)算放大器在正的輸出時(shí)可能不得不吸收電流(Q2導(dǎo)通)，或者在負(fù)的輸出電壓下要求運(yùn)放能提供電流。在這些情況下，導(dǎo)通晶體管兩端的電壓要比V+或V-更大。

這種情況的例子是一種被用作電流源的功率運(yùn)算放大器。在電流源的依從范圍(compliance range)內(nèi)，可以把它的輸出接到任意電壓電位上。使大電流流向負(fù)電位節(jié)點(diǎn)時(shí)，可能產(chǎn)生大的損耗，從而要求良好的SOA。

電機(jī)負(fù)載

評(píng)估電機(jī)負(fù)載可能是很棘手的，因?yàn)樗鼈兡軌虬褍?chǔ)存的能量(機(jī)械能)返回給放大器，所以它們很像是個(gè)阻抗負(fù)載。當(dāng)速度變化時(shí)，電機(jī)和負(fù)載的慣性可能引起放大器消耗非常大的功率。

機(jī)-電系統(tǒng)可以用電路來(lái)模擬，這本身就是一門學(xué)科(超出了本文的討論范圍)。

然而你可以在有效的負(fù)載狀態(tài)下測(cè)量電機(jī)(或任何其它的負(fù)載)的V-I消耗。圖8表示的是與負(fù)載串聯(lián)連接的一個(gè)電流檢測(cè)電阻，利用分別顯示在示波器掃描線上的負(fù)載電壓和電流，你就可以求出最大承載的條件。務(wù)必要考察導(dǎo)通晶體管兩端的電壓(VCE)，而不是放大器的輸出電壓，有最大承載的狀態(tài)可能出現(xiàn)在中等電流下，但負(fù)載電壓較低。

電壓和電流的X-Y方式顯示(圖8B)也可以幫助鑒別易出故障的條件。電壓和電流組合的更大功耗是那些偏離線性電阻負(fù)載的那些情形。

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