甲类放大器（Class A Amplifier）

共射极放大器（Common Emitter Amplifier）是最常用的放大器类型之一，因为它能提供极高的电压增益。甲类共射极放大器的设计目标，是从仅有几毫伏的输入信号中产生较大的输出电压摆幅，因此这种电路主要被用作“小信号放大器（Small Signal Amplifier）”。

然而，在某些情况下，放大器必须驱动较大的电阻负载，例如扬声器或机器人中的电动机。这些应用场景需要较高的电流，因此必须使用功率放大器（Power Amplifier）。

功率放大器，也称为“大信号放大器（Large Signal Amplifier）”，其主要作用是向负载提供功率——即电压与电流的乘积。与电压放大器的主要区别在于，其输出端连接的负载电阻相对较小（例如4Ω或8Ω的扬声器），从而导致晶体管集电极中流过较大的电流。

因此，用于功率放大输出级的晶体管（如2N3055）必须具备更高的电压和功率额定值，而不能使用像BC107这类仅适用于小信号放大的晶体管。

在功率放大器中，我们希望在尽可能低的直流功率消耗下，获得最大的交流输出功率。为此，我们需要关注放大器的“转换效率（Conversion Efficiency）”。

但甲类放大器的主要缺点在于其效率极低，因为大电流会导致大量功率以热量形式损耗。放大器的效率定义为：

η% = (Pout / Pdc) × 100%

其中：

η% —— 放大器效率（百分比）

Pout —— 输出功率（传递至负载）

Pdc —— 从电源吸取的直流功率

对于功率放大器而言，电源的设计尤为关键，它必须能够提供持续且稳定的最大可用功率。

甲类放大器是最常用的功率放大器配置之一，也是结构最简单的一种。通常采用单个晶体管，以标准共射极方式工作，输出信号相对于输入信号反相。晶体管被偏置为“始终导通”状态，因此它在整个输入信号周期的360°范围内持续导通，从而保证输出波形失真最小、振幅最大。

这种全周期导通的方式使Class A放大器几乎不存在交越失真或关断失真，即使在输入信号的负半周，输出波形仍保持连续。

此电路使用单个晶体管作为输出级，负载电阻直接连接至集电极。当晶体管导通时，电流流过负载，集电极电压下降。由于发射极存在电阻，会产生电压降，限制了输出负向摆幅。

这种直接耦合的电路效率极低（通常小于30%），即使在无输入信号时也消耗相同的静态电流，因此需要大尺寸散热器。

为了提升电流驱动能力和功率增益，可以将单个输出晶体管替换为“达林顿晶体管（Darlington Transistor）”。该器件包含两个晶体管：一个小信号驱动管和一个大功率开关管，组合封装在同一芯片中。

达林顿结构的主要优点包括：

1. 输入阻抗高，输出阻抗低；

2. 功率损耗和热量减少；

3. 电流放大倍数（β）为两管倍数的乘积，可达数千。

因此，与单管结构相比，达林顿管能实现更高的输出电流与功率增益。

达林顿配置由两个晶体管串联组成，第一个管放大输入电流，第二个管进一步放大电流，使总体β值大幅提升。

为了进一步提升功率效率，可在集电极回路中引入变压器，从而形成“变压器耦合甲类放大器（Transformer-Coupled Class A Amplifier）”。变压器通过其匝数比n实现负载阻抗与输出阻抗匹配，从而改善效率。

当基极电流减小时，集电极电流也会下降，变压器磁通随之减弱并在初级绕组中产生感应电动势，使集电极电压瞬时升高至约2Vcc。此时集电极电流可达最大2Ic。

这种结构可显著提高功率输出。其效率计算如下：

集电极电压有效值：Vrms = Vcc / √2

集电极电流有效值：Irms = Ic / √2

输出功率：Pac = Vrms × Irms

直流功率：Pdc = Vcc × Ic

因此：η = Pac / Pdc = 0.5 → 理论最大效率为50%，实际约40%。

变压器的优点：

1. 改善阻抗匹配，提高功率传输效率；

2. 扩大输出电压摆幅；

3. 降低输出失真。

缺点：

1. 成本高、体积大；

2. 感性特性可能产生反电动势，若保护不足会损坏晶体管；

3. 高频响应较差。

放大器的“类别（Class）”依据晶体管的导通角（Conduction Angle）定义，即晶体管在一个周期内导通的时间比例：

Class A：导通角 = 360°（全周期导通，无失真）

Class B：导通角 = 180°（半周期导通，效率高但有交越失真）

Class AB：导通角 = 180°~360°（折中设计）

Class C：导通角

为提高效率，可使用互补晶体管（NPN与PNP）构成“推挽输出级（Push-Pull Stage）”，即Class B放大器。

Class A放大器特点：

- 输出线性度高，音质好；

- 无交越失真；

- 效率低（25%~40%），发热严重。

Class B放大器特点：

- 两个晶体管分别导通半周期，效率高；

- 存在交越失真；

- 适用于高功率音频系统。

Class A放大器在整个信号周期内保持导通，因此输出波形最平滑，失真最小。虽然效率不高，但其音质与线性特性优异，常用于高保真（Hi-Fi）音频放大电路。

通过采用达林顿结构或变压器耦合，可以在保持高保真度的同时，适度提升效率与输出功率。