功率放大器的使用極限

如果信號是雙向的，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，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電阻性負載的功率放大器的功率曲線(xiàn)，此外，功率是相對于最大電壓輸出的百分率來(lái)標繪的。正如直流的情況一樣，由電源提供的功率隨輸出電壓線(xiàn)性地增加，提供給負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(xiàn)之差，PD曲線(xiàn)的形狀與直流信號的情形類(lèi)似，但在100%輸出電壓時(shí)不能接近于零。這是因為在滿(mǎn)幅度交流輸出電壓下，輸出快速地橫掃圖4的整個(gè)曲線(xiàn)(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)，放大器的損耗達到最大值。對于該正弦波的幅度，瞬時(shí)輸出電壓在交流周期的大部分區域，都是處在接近于電源電壓一半的關(guān)鍵數值上。

對任意電源電壓和負載電阻，可以利用由圖5中曲線(xiàn)右側標明的歸一化值來(lái)度量。為了求出在給定信號電平下你的放大器的損耗，要用(V+)2/RL去乘取自右側刻度的讀數。

交流應用很少有一定要在圖5的最大損耗點(diǎn)上經(jīng)受連續運行的情形。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，與信號的幅度無(wú)關(guān)。由于一種任意幅度的連續正弦波信號還是可能的，這種最壞情形的狀態(tài)是一種有用的基準。依據應用的場(chǎng)合，你或許需要就這種狀態(tài)來(lái)設計。

電抗負載-交流信號

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

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

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

功率損耗

評價(jià)獨特的負載和信號可能是復雜的，利用放大器的功耗等于電源的功率減去負載功率的原理，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稱(chēng)的，要分別地測量和計算正和負電源，并把兩個(gè)功率相加。如果波形是對稱(chēng)的，你可以測量一次并乘2。用平均值響應儀表來(lái)測量電流，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儀表。

對于正弦信號，很容易求負載的功率：

PLOAD=(Iorms)·(Vorms)·cos(θ)

式中θ是負載電壓和電流之間的相位角(見(jiàn)測量方法圖8)。

對于復雜波形，負載功率是更難測量的，你可能了解一些確定負載功率的有關(guān)負載的一些情況，不然的話(huà)，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)測量負載功率的電路。乘法器的平均直流輸出與平均負載功率成比例。

獨特的負載

通常當運算放大器的輸出為正時(shí)，它向負載提供電流(Q1導通，圖1)。根據所涉及的負載和電壓的形式，運算放大器在正的輸出時(shí)可能不得不吸收電流(Q2導通)，或者在負的輸出電壓下要求運放能提供電流。在這些情況下，導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算放大器。在電流源的依從范圍(compliance range)內，可以把它的輸出接到任意電壓電位上。使大電流流向負電位節點(diǎn)時(shí)，可能產(chǎn)生大的損耗，從而要求良好的SOA。

電機負載

評估電機負載可能是很棘手的，因為它們能夠把儲存的能量(機械能)返回給放大器，所以它們很像是個(gè)阻抗負載。當速度變化時(shí)，電機和負載的慣性可能引起放大器消耗非常大的功率。

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

然而你可以在有效的負載狀態(tài)下測量電機(或任何其它的負載)的V-I消耗。圖8表示的是與負載串聯(lián)連接的一個(gè)電流檢測電阻，利用分別顯示在示波器掃描線(xiàn)上的負載電壓和電流，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)可能出現在中等電流下，但負載電壓較低。

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(xiàn)性電阻負載的那些情形。

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