甲類功率放大器工作點(diǎn)是在負(fù)載線的中心附近。它的效率不高，但它的失真常常是較低，設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單。
圖12－5顯示是一個(gè)甲類功率放大器。我們可利用負(fù)載線知道它能產(chǎn)生多大的信號(hào)功率。通過電源電壓ucc和飽和電流建立負(fù)載線。飽和電流是：
isat= ucc / rc= 16v/ 80ω= 200ma
負(fù)載線始于水平軸上的16v到達(dá)縱軸上的200ma。接著我們必需求出放大器的工作點(diǎn)。忽略求基極電流，得到：
ib＝ucc/rb = 16v/16kω= 1ma
圖12－5 甲類功率放大器三極管的β是100，集電極電流是：
ic＝β×ib ＝100×1ma＝100 ma
從圖12－6可知負(fù)載線具有100 ma的工作點(diǎn)。
在產(chǎn)生失真之前,放大器輸出信號(hào)能被驅(qū)動(dòng)到負(fù)載線的極限。電壓的最大幅值是16vp-p。電流最大幅值是200 ma p-p。這兩個(gè)最大值如圖12－6所示?，F(xiàn)在我們計(jì)算信號(hào)的功率。電壓的有效值換算如下：
urms=( up-p / 2)×0.707 =( 16v/ 2)×0.707 =5.66v
電流有效值換算如下：
irms=( ip-p / 2)×0.707 =( 200 ma/ 2)×0.707 =70.7 ma
信號(hào)功率由如下：
p = urms×irms=5.66v×70.7 ma =0.4w
最大功率是0.4w
與產(chǎn)生這樣信號(hào)功率有關(guān)的直流功率是多少？電源電壓16v，從電源上取得的電流包括基極與集電極電流，基極電流相當(dāng)小，可以忽略，集電極平均電流是100ma。因此平均功率是：
p = u×i =16v×100ma =1.6w
放大器為了產(chǎn)生0.4w信號(hào)功率從電源取得1.6w功率,放大器的效率是：
效率= (pac/ pdc) ×100 % = (0.4/1.6 ) ×100 % = 25 %
說明電阻負(fù)載甲類放大器最大效率是25%。只有當(dāng)放大器最大輸出時(shí)才能有這樣效率。當(dāng)放大器沒有足夠的驅(qū)動(dòng)功率，效率要下降。上面等式中的1.6w是不變的，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí),效率降低到零。從電源輸入的功率是輸出功率的四倍。這些功率的四分之三變作熱浪費(fèi)在負(fù)載和晶體三極管上，晶體三極管有時(shí)需要加一個(gè)大的散熱器。
例12-3
如圖12－5所示放大器產(chǎn)生一個(gè)8vp-p的正弦波，確定其效率。
首先求出信號(hào)電壓的有效值：
urms=(up-p/2) ×0.707 =(8/2) ×0.707 = 2.83v
計(jì)算輸出功率：
p = u2 / r =2.832/80 = 0.1w
在甲類放大器中直流輸入功率不變,，因此效率是：
η=(pac / pdc) ×100% =(0.1w/1.6w ) ×100% = 6.25%
例12－4
在例12－3的放大器的損耗是多少？在沒有輸入信號(hào)時(shí)它的損耗是多少？
損耗是輸入與輸出之差：
p損耗=pi n－po u t=1.6w－0.1w=1.5w
沒有輸入信號(hào)，就不存在輸出信號(hào)
p損耗= pin－pout=1.6w－0w=1.6w
甲類放大器將大量直流功率消耗在電阻上。
圖12－7所示是變壓器耦合甲類功率放大器，變壓器能把信號(hào)的能量耦合到負(fù)載上，現(xiàn)在負(fù)載上沒有直流流過。變壓器耦合允許產(chǎn)生兩倍信號(hào)功率。
如圖12－7與圖12－5有同樣的電源電壓，同樣的偏置電阻，同樣的晶體三極管和同樣的負(fù)載。不同的是使用耦合變壓器?，F(xiàn)在直流情況完全不同，變壓器線圈有很低的電阻，這意味著在工作點(diǎn)上電源的電壓都降落在晶體三極管上。用變壓器耦合的放大器的直流負(fù)載線如圖12－8所示，它是一根垂線，表示集電極電流變化時(shí)電壓不變。工作點(diǎn)電流還是100ma，這是因?yàn)榛鶚O電流和放大倍數(shù)β不變，與集電極串聯(lián)的80ω電阻沒有了，所有的電源電壓都降落在晶體三極管上。實(shí)際上,負(fù)載線不是完全垂直，變壓器甚至電源總有一點(diǎn)電阻。
在變壓器耦合的放大器中還存在第二根負(fù)載線,它是由于在集電極電路里有交流負(fù)載引出的結(jié)果，它被稱作為交流負(fù)載線。在圖12－7的集電極電路中交流負(fù)載不是80ω。記住變壓器是降壓型的，變壓器阻抗比等于匝數(shù)比的平方，因此在集電極電路中交流負(fù)載是：
rlac＝(1.41)2×80ω=160ω
注意在圖12－8中的交流負(fù)載線是從32v到200ma的連線。因?yàn)橐獫M足160ω的阻抗
z＝u/i＝32v/200ma＝160ω
還要注意，交流負(fù)載線要從靜態(tài)工作點(diǎn)通過，直流負(fù)載線和交流負(fù)載線必定通過同一個(gè)工作點(diǎn)。
為什么交流負(fù)載線要延伸到兩倍的電源電壓？可從兩個(gè)方面解釋。第一，如果它通過工作點(diǎn)并且滿足160ω的傾斜度，必定延伸到32v。第二，變壓器是典型的磁耦合器件，當(dāng)磁場(chǎng)減小，就產(chǎn)生一個(gè)電壓，添加到串聯(lián)的電源電壓上。這樣在變壓器耦合的放大器中，在達(dá)到阻抗匹配與滿激勵(lì)時(shí)uce 的最大值等于兩倍電源電壓。比較圖12－8與圖12－6，具有變壓器的輸出擺幅增大了一倍。因此信號(hào)的功率是：
pl=(0.707×16)2/160=0.8w
放大器直流功率沒有變。電源電壓還是16v，平均電流還是100ma。對(duì)于同樣直流輸入功率，具有變壓器耦合的甲類放大器有兩倍的信號(hào)功率。具有變壓器耦合的甲類放大器的最大效率是：
η＝(pac/pdc)×100％＝0.8/1.6×100%＝50%
然而，只有在輸入信號(hào)將輸出驅(qū)動(dòng)到最大電平時(shí)，才能達(dá)到這個(gè)效率。對(duì)于小信號(hào)效率要減少，當(dāng)放大器沒有信號(hào)驅(qū)動(dòng)效率下降到零。
在一些應(yīng)用中50％的效率是能夠接受的。有時(shí)甲類放大器應(yīng)用在中等功率的放大器（大約在5w以下）。變壓器可能是昂貴的器件，例如在高質(zhì)量的音頻放大器，輸出變壓器成本比放大器的其他部分總和還要多。現(xiàn)在大功率和高品質(zhì)的放大器，常用其他結(jié)構(gòu)形式的放大器。
上述計(jì)算忽略一些損失。首先，我們忽略了晶體三極管的飽和電壓。實(shí)際上uce不能降到0v。功放晶體三極管的飽和電壓是0.7v， 它必須從輸出擺幅值減去。第二，在變壓器耦合放大器中我們忽視了變壓器的損失。變壓器不能有百分之百的效率。在音頻中的小變壓器效率只有百分之75。百分之25和百分之50的計(jì)算效率是理論的最大值，實(shí)際上不能實(shí)現(xiàn)。
例12－5
如果變壓器的效率是百分之80圖12－7所示放大器的最大效率是多少?
解：系統(tǒng)的總效率是分效率之積 ：
η＝0.5×0.8×100%=40%
甲類放大器還存在另一個(gè)問題，就是即使在沒有放大信號(hào)，電源提供固定功率，在我們的例題中電源固定在1.6w。很多功率放大器需要調(diào)節(jié)信號(hào)的電平，例如在音頻放大器中要處理寬范圍音量電平，當(dāng)音量很低時(shí)甲類放大器的效率很低。