甲類放大器（Class A Amplifier）

一、引言

共射極放大器（Common Emitter Amplifier）是最常用的放大器類型之一，因為它能提供極高的電壓增益。甲類共射極放大器的設計目標，是從僅有幾毫伏的輸入信號中產生較大的輸出電壓擺幅，因此這種電路主要被用作“小信號放大器（Small Signal Amplifier）”。

然而，在某些情況下，放大器必須驅動較大的電阻負載，例如揚聲器或機器人中的電動機。這些應用場景需要較高的電流，因此必須使用功率放大器（Power Amplifier）。

二、功率放大器與能量傳遞

功率放大器，也稱為“大信號放大器（Large Signal Amplifier）”，其主要作用是向負載提供功率——即電壓與電流的乘積。與電壓放大器的主要區(qū)別在于，其輸出端連接的負載電阻相對較?。ɡ?Ω或8Ω的揚聲器），從而導致晶體管集電極中流過較大的電流。

因此，用于功率放大輸出級的晶體管（如2N3055）必須具備更高的電壓和功率額定值，而不能使用像BC107這類僅適用于小信號放大的晶體管。

三、放大器的效率（Efficiency）

在功率放大器中，我們希望在盡可能低的直流功率消耗下，獲得最大的交流輸出功率。為此，我們需要關注放大器的“轉換效率（Conversion Efficiency）”。

但甲類放大器的主要缺點在于其效率極低，因為大電流會導致大量功率以熱量形式損耗。放大器的效率定義為：

η% = (Pout / Pdc) × 100%

其中：
η% —— 放大器效率（百分比）
Pout —— 輸出功率（傳遞至負載）
Pdc —— 從電源吸取的直流功率

對于功率放大器而言，電源的設計尤為關鍵，它必須能夠提供持續(xù)且穩(wěn)定的最大可用功率。

四、甲類放大器（Class A Amplifier）原理

甲類放大器是最常用的功率放大器配置之一，也是結構最簡單的一種。通常采用單個晶體管，以標準共射極方式工作，輸出信號相對于輸入信號反相。晶體管被偏置為“始終導通”狀態(tài)，因此它在整個輸入信號周期的360°范圍內持續(xù)導通，從而保證輸出波形失真最小、振幅最大。

這種全周期導通的方式使Class A放大器幾乎不存在交越失真或關斷失真，即使在輸入信號的負半周，輸出波形仍保持連續(xù)。

圖1 單級甲類放大器電路（示意）

此電路使用單個晶體管作為輸出級，負載電阻直接連接至集電極。當晶體管導通時，電流流過負載，集電極電壓下降。由于發(fā)射極存在電阻，會產生電壓降，限制了輸出負向擺幅。

這種直接耦合的電路效率極低（通常小于30%），即使在無輸入信號時也消耗相同的靜態(tài)電流，因此需要大尺寸散熱器。

五、達林頓晶體管（Darlington Transistor）結構

為了提升電流驅動能力和功率增益，可以將單個輸出晶體管替換為“達林頓晶體管（Darlington Transistor）”。該器件包含兩個晶體管：一個小信號驅動管和一個大功率開關管，組合封裝在同一芯片中。

達林頓結構的主要優(yōu)點包括：
1. 輸入阻抗高，輸出阻抗低；
2. 功率損耗和熱量減少；
3. 電流放大倍數（β）為兩管倍數的乘積，可達數千。

因此，與單管結構相比，達林頓管能實現更高的輸出電流與功率增益。

圖2 達林頓晶體管連接方式（示意）

達林頓配置由兩個晶體管串聯組成，第一個管放大輸入電流，第二個管進一步放大電流，使總體β值大幅提升。

六、變壓器耦合的甲類放大器

為了進一步提升功率效率，可在集電極回路中引入變壓器，從而形成“變壓器耦合甲類放大器（Transformer-Coupled Class A Amplifier）”。變壓器通過其匝數比n實現負載阻抗與輸出阻抗匹配，從而改善效率。

當基極電流減小時，集電極電流也會下降，變壓器磁通隨之減弱并在初級繞組中產生感應電動勢，使集電極電壓瞬時升高至約2Vcc。此時集電極電流可達最大2Ic。

圖3 變壓器耦合甲類放大器（示意）

這種結構可顯著提高功率輸出。其效率計算如下：

集電極電壓有效值：Vrms = Vcc / √2
集電極電流有效值：Irms = Ic / √2
輸出功率：Pac = Vrms × Irms
直流功率：Pdc = Vcc × Ic

因此：η = Pac / Pdc = 0.5 → 理論最大效率為50%，實際約40%。

七、變壓器的影響與限制

變壓器的優(yōu)點：
1. 改善阻抗匹配，提高功率傳輸效率；
2. 擴大輸出電壓擺幅；
3. 降低輸出失真。

缺點：
1. 成本高、體積大；
2. 感性特性可能產生反電動勢，若保護不足會損壞晶體管；
3. 高頻響應較差。

八、放大器分類與導通角

放大器的“類別（Class）”依據晶體管的導通角（Conduction Angle）定義，即晶體管在一個周期內導通的時間比例：

Class A：導通角 = 360°（全周期導通，無失真）
Class B：導通角 = 180°（半周期導通，效率高但有交越失真）
Class AB：導通角 = 180°~360°（折中設計）
Class C：導通角 < 180°（用于高頻放大）

九、Class A 與 Class B 的比較

為提高效率，可使用互補晶體管（NPN與PNP）構成“推挽輸出級（Push-Pull Stage）”，即Class B放大器。

Class A放大器特點：
- 輸出線性度高，音質好；
- 無交越失真；
- 效率低（25%~40%），發(fā)熱嚴重。

Class B放大器特點：
- 兩個晶體管分別導通半周期，效率高；
- 存在交越失真；
- 適用于高功率音頻系統(tǒng)。

十、總結

Class A放大器在整個信號周期內保持導通，因此輸出波形最平滑，失真最小。雖然效率不高，但其音質與線性特性優(yōu)異，常用于高保真（Hi-Fi）音頻放大電路。

通過采用達林頓結構或變壓器耦合，可以在保持高保真度的同時，適度提升效率與輸出功率。