功率放大器如何工作的？功率放大器的類別/基本元件/主要指標(biāo)

什么是功率放大器

在本文中，我們將主要討論功率放大器的工作原理及其類別和指標(biāo)。如今，無(wú)論是在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等民用領(lǐng)域，還是在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域，射頻功率放大器都被用作這些系統(tǒng)的前端設(shè)備。對(duì)低消耗、高效率和小尺寸的要求迅速提高。

功率放大器是一種能夠在給定失真率下產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)負(fù)載（例如揚(yáng)聲器）的放大器。功率放大器在“組織和協(xié)調(diào)”整個(gè)音頻系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。在一定程度上，它決定了整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的聲音輸出。

功率放大器如何工作

功率放大器的工作原理是利用晶體管的電流控制動(dòng)作或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制動(dòng)作，將電源的功率轉(zhuǎn)換為根據(jù)輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌?、不同頻率的波，也就是交流信號(hào)電流，所以三極管的集電極電流總是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大因子。如果將小信號(hào)注入基極，則流過(guò)集電極的電流將與基極電流的電流相等。然后用直電容隔離信號(hào)，電流（或電壓）是大信號(hào)，是原始信號(hào)的β倍。這種現(xiàn)象成為三極管的放大。恒流恒壓放大后，功率放大完成。

眾所周知，功率放大器在RF電路的許多模塊中具有最大的功率損耗。作為系統(tǒng)的核心和前端，其效率將直接影響系統(tǒng)的效率，因此效率成為現(xiàn)代功放研究的熱點(diǎn)。在大多數(shù)功率放大器中，功率損耗主要是由晶體管損耗引起的，晶體管損耗主要是由電壓和電流引起的。因此，提出了開關(guān)功率放大器，包括D類E類和F類。 F類功率放大器旨在通過(guò)設(shè)計(jì)諧波網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制漏極電壓和電流波形。理論上，F(xiàn)類功率放大器的漏極效率為100%，稱為新一代功率放大器。

由于輸出電路中的功耗，傳統(tǒng)功率放大器的效率非常低。為了提高傳統(tǒng)功率放大器的效率，理想的F類功率放大器使用輸出濾波器來(lái)控制晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分，并集成晶體管的輸出電壓和電流波形。那么集電極電流的角度參數(shù)為90°，即集電極波形為半正弦波，集電極電壓波形為方波，它們之間的相位差為λ/4。這樣，集電極的電壓和電流波形不會(huì)重疊，從而達(dá)到100%的理想效率。

功率放大器類別

3.1 語(yǔ)音播放系統(tǒng)

傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音播放系統(tǒng)由兩個(gè)主要過(guò)程組成：

1. 將數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬語(yǔ)音信號(hào)。（通過(guò)使用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實(shí)現(xiàn)）;

2. 使用模擬功率放大器放大模擬信號(hào)，例如 A 類、B 類和 AB 類放大器。自1980年代初以來(lái)，許多研究人員一直致力于開發(fā)不同類型的數(shù)字放大器。這種放大器用于直接從數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)放大功率，而無(wú)需模擬轉(zhuǎn)換。這種放大器通常被稱為數(shù)字功率放大器或D類放大器。

3.2 A 類放大器

A類放大器的主要特點(diǎn)是放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)置在負(fù)載線的中點(diǎn)附近，并且晶體管在整個(gè)輸入信號(hào)期間導(dǎo)通。放大器可以在單管或推挽上工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，因此瞬態(tài)失真和交替失真較小。該電路簡(jiǎn)單易調(diào)試，但效率低，晶體管功耗高。理論最大效率僅為25%，并且存在較大的非線性失真。

3.3 B 類放大器

B類放大器的主要特點(diǎn)是放大器的靜態(tài)點(diǎn)在（VCC，0）點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期中，Q1開啟，Q2關(guān)閉。輸出端接正半周期正弦波。同樣，當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波時(shí)，必須使用兩個(gè)管子進(jìn)行推挽工作。它的特點(diǎn)是效率更高（78%）。但是，由于放大器在非線性區(qū)域有一段工作，其缺點(diǎn)是“交叉失真”較大。也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)在-0.6V~0.6V之間時(shí)，Q1Q2不能接通。所以這種放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師拋棄了。

3.4 AB類放大器

AB類放大器的主要特點(diǎn)是晶體管的導(dǎo)通時(shí)間略長(zhǎng)于半周期，必須用兩個(gè)晶體管推挽操作，這樣可以避免交叉失真。交變失真大，可以抵消偶次諧波失真。它的特點(diǎn)是晶體管的效率和更低的功耗。

3.5 D 類放大器

D類（數(shù)字音頻功率）放大器是一種脈沖信號(hào)，可將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為PWM（脈寬調(diào)制）或PDM（脈沖密度調(diào)制）。然后利用PWM或PDM的脈沖信號(hào)來(lái)控制大功率開關(guān)器件的開關(guān)音頻功率放大器。D類放大器具有高效率的突出優(yōu)勢(shì)。數(shù)字音頻功率放大器似乎也是一個(gè)比特功率數(shù)模轉(zhuǎn)換器。放大器由輸入信號(hào)處理電路、開關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開關(guān)電路（半橋型和全橋型）和低通濾波器（LC）四部分組成。D類放大器或數(shù)字放大器通過(guò)使用超高頻開關(guān)電路來(lái)放大音頻信號(hào)。

優(yōu)勢(shì)：

效率非常高，通?？梢赃_(dá)到85%以上;

體積小，比模擬放大電路節(jié)省大量空間;

連接時(shí)無(wú)裂紋噪音;

低失真，良好的頻率響應(yīng)曲線，

周邊元件少，易于設(shè)計(jì)和調(diào)試

A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。與A類放大器相比，B類和AB類推挽放大器效率更高，失真更小，晶體管功率放大器更少，散熱更好。然而，B類放大器可能會(huì)因其較差的開關(guān)特性或在晶體管關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交變失真。D類放大器具有高效率和低失真。頻率響應(yīng)曲線良好。AB類放大器和D類放大器是音頻功率放大器的基本電路形式。

3.6 T類放大器

T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制與D類功率放大器相同。并且功率晶體管也在開關(guān)狀態(tài)下工作。功率晶體管的效率與D類功率放大器的效率相同。但是，它與普通的D類功率放大器不同。

首先，Tripath沒(méi)有使用脈寬調(diào)制，而是發(fā)明了一種稱為數(shù)字功率處理（DPP）的數(shù)字電源技術(shù)，這是T類功率放大器的核心。它采用自適應(yīng)算法和預(yù)測(cè)算法進(jìn)行通信技術(shù)中的小信號(hào)處理。輸入音頻信號(hào)和進(jìn)入揚(yáng)聲器的電流由DPP進(jìn)行數(shù)字處理，以控制功率晶體管的導(dǎo)通。因此音質(zhì)可以達(dá)到高保真線性放大。

其次，其功率晶體管的開關(guān)頻率不是固定的，無(wú)用元件的功率譜不是集中在載波頻率兩側(cè)的窄頻帶上，而是分散在很寬的頻帶上，這樣在整個(gè)頻帶上都能清晰地“聽到”聲音的細(xì)節(jié)。

此外，T類功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。DDP將數(shù)字時(shí)代的功率放大器帶到一個(gè)新的高度。在高保真度方面，線性度優(yōu)于AB類功率放大器。

4 功率放大器的基本元件

功率放大器通常由三部分組成：前置放大器、驅(qū)動(dòng)放大器和最終功率放大器。

4.1 前置放大器

前置放大器起到匹配作用，其輸入阻抗高（不小于10k Ω），可以吸收前面的大部分信號(hào)。它的輸出阻抗很低（低于幾十歐姆），可以將大部分信號(hào)傳出去。同時(shí)，它是一種電流放大器，它將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并適當(dāng)放大。

4.2 驅(qū)動(dòng)放大器

驅(qū)動(dòng)放大器充當(dāng)電橋，放大來(lái)自前置放大器的電流信號(hào)并將其放大為中等功率信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)最終功率放大器正常工作。如果沒(méi)有驅(qū)動(dòng)放大器，最終功率放大器無(wú)法發(fā)出高功率聲音信號(hào)。

4.3 最終功率放大器

最終的功率放大器起著關(guān)鍵作用。驅(qū)動(dòng)放大器發(fā)送的電流信號(hào)形成高功率信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。其技術(shù)規(guī)格決定了整個(gè)功放的技術(shù)規(guī)格。

功率放大器主要指標(biāo)

5.1 技術(shù)指標(biāo)

率功率

額定功率是指連續(xù)正弦波的功率輸出。在1kHz正弦波和一定負(fù)載的輸入下，諧波失真小于輸出功率的1%，用W/Ch（瓦特/通道）表示。一般來(lái)說(shuō)，額定功率越高，成本就越高。

總諧波失真 （THD）

總諧波失真是指基波中高次諧波的百分比。總諧波失真越小越好。一個(gè)好的功率放大器的總諧波失真可以達(dá)到0.02%。

壓擺率

壓擺率是指單位時(shí)間增加的電壓范圍。單位為 V/μs 。它反映了功率放大器對(duì)瞬態(tài)聲音信號(hào)的跟蹤能力，是一個(gè)瞬態(tài)特性指標(biāo)。

阻尼系數(shù)

阻尼系數(shù)定義為功率放大器的負(fù)載阻抗（大功率管的內(nèi)阻加上揚(yáng)聲器的接線電阻）。例如。8Ω：0.04Ω=200：1.一般要求比較大，但不能太大。如果太大，揚(yáng)聲器聽起來(lái)會(huì)很薄，如果太小，會(huì)使聲音渾濁，聲音水平差，聲音和圖像的分布不好。

輸出阻抗（額定負(fù)載阻抗）

輸出阻抗的一般值為8Ω，4Ω，2Ω。該值越小，功率放大器的負(fù)載能力越強(qiáng)。對(duì)于單通道，額定負(fù)載為2Ω的功率放大器可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)阻抗為8Ω的揚(yáng)聲器，并且失真非常小。

5.2 績(jī)效指標(biāo)

AV放大器和高保真功率放大器對(duì)功率放大器都有嚴(yán)格的要求，如輸出功率、頻率響應(yīng)、失真、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數(shù)。

輸出功率：

輸出功率是指功率放大器電路傳遞到負(fù)載的功率。輸出功率的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)方法不統(tǒng)一，因此應(yīng)注意輸出功率的使用。

頻率響應(yīng)：

頻率響應(yīng)反映了功率放大器放大音頻信號(hào)的每個(gè)頻率分量的能力。功率放大器的頻率響應(yīng)范圍不應(yīng)低于人耳的聽覺(jué)頻率范圍。主聲道音頻功率放大器的工作頻率范圍為20-20 kHz。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音頻功率放大器的頻率范圍為40-16 kHz±1.5 dB。

失真：

失真是播放音頻信號(hào)波形變化的現(xiàn)象。波形失真的原因和類型很多，包括諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等。

動(dòng)態(tài)范圍：

放大器不失真的最小信號(hào)與最大信號(hào)電平之比就是放大器的動(dòng)態(tài)范圍。在實(shí)際使用中，該比率使用dB表示兩個(gè)信號(hào)之間的電平差，高保真放大器的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于90 dB。

自然界中的各種噪音形成了它周圍的背景噪音，背景噪音的強(qiáng)度和演奏的聲音強(qiáng)度是有很大差異的。通常，強(qiáng)度的差異稱為動(dòng)態(tài)范圍。一個(gè)好的音響系統(tǒng)在輸入強(qiáng)信號(hào)時(shí)不應(yīng)該產(chǎn)生過(guò)載失真，但在輸入微弱信號(hào)時(shí)，不應(yīng)該被自身產(chǎn)生的噪音淹沒(méi)。因此，一個(gè)好的音響系統(tǒng)應(yīng)該有更大的動(dòng)態(tài)范圍，而噪音只能盡可能降低。但是不可能不產(chǎn)生噪音。

信噪比：

信噪比（SNR）是指聲音信號(hào)的大小與噪聲信號(hào)的大小之間的比例關(guān)系。輸出聲信號(hào)電平與攻擊和放大電路的輸出噪聲電平之比的分貝數(shù)稱為信噪比的大小。

輸出阻抗：

輸出阻抗是指放大器輸出端和負(fù)載（揚(yáng)聲器）的等效內(nèi)部阻抗。

阻尼系數(shù)：

阻尼系數(shù)是指功率放大器電路對(duì)負(fù)載進(jìn)行電阻氮化的能力。