不同類型放大器應(yīng)用

放大器根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作特性分為類別

并非所有放大器都相同，并且在輸出級(jí)的配置和操作方式之間有明顯的區(qū)別。理想放大器的主要工作特性是線性度，信號(hào)增益，效率和功率輸出，但在現(xiàn)實(shí)世界的放大器中，這些不同的特性之間總是存在折衷。

通常，使用大信號(hào)或功率放大器在音頻放大器系統(tǒng)的輸出級(jí)中驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載。典型的揚(yáng)聲器阻抗介于4Ω和8Ω之間，因此功率放大器必須能夠提供驅(qū)動(dòng)低阻抗揚(yáng)聲器所需的高峰值電流。

用于區(qū)分不同電氣特性的一種方法類型的放大器是“類”的，并且這樣的放大器根據(jù)它們的電路配置和操作方法分類。然后放大器類是用于區(qū)分不同放大器類型的術(shù)語(yǔ)。

放大器類表示在放大器內(nèi)變化的輸出信號(hào)量當(dāng)被正弦輸入信號(hào)激勵(lì)時(shí)，電路在一個(gè)操作周期內(nèi)。放大器的分類范圍從完全線性操作（用于高保真信號(hào)放大）到非常低效率，到完全非線性（忠實(shí)信號(hào)再現(xiàn)不那么重要）操作但效率更高，而其他是兩者之間的妥協(xié)。

放大器類主要集中在兩個(gè)基本組中。第一種是經(jīng)典控制的導(dǎo)通角放大器，形成更常見(jiàn)的 A，B，AB 和 C 放大器類別，它們的導(dǎo)通狀態(tài)長(zhǎng)度超過(guò)某些輸出波形的一部分，使得輸出級(jí)晶體管操作位于“完全開(kāi)”和“完全關(guān)”之間。

第二組放大器是較新的所謂“開(kāi)關(guān)”放大器類別 D，E，F(xiàn)，G，S，T 等，它們使用數(shù)字電路和脈沖寬度調(diào)制（PWM）在“完全開(kāi)啟”和“完全關(guān)閉”之間不斷切換信號(hào)“將輸出硬盤驅(qū)動(dòng)到晶體管飽和區(qū)和截止區(qū)。

最常用的放大器類是用作音頻放大器的類，主要是 A，B，AB 和 C 并且為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將在這里更詳細(xì)地討論這些類型的放大器類。

A類放大器

A類放大器是最常見(jiàn)的放大器拓?fù)漕愋?，因?yàn)樗鼈冊(cè)谄浞糯笃髟O(shè)計(jì)中僅使用一個(gè)輸出開(kāi)關(guān)晶體管（雙極，F(xiàn)ET，IGBT等）。該單輸出晶體管在其負(fù)載線中間的Q點(diǎn)周圍偏置，因此不會(huì)被驅(qū)動(dòng)到其截止或飽和區(qū)域，從而允許其在輸入周期的整個(gè)360度內(nèi)傳導(dǎo)電流。然后，A類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)“關(guān)閉”，這是其主要缺點(diǎn)之一。

“A”類放大器被認(rèn)為是最佳的放大器設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)樗鼈兙哂谐錾木€性度，正確設(shè)計(jì)時(shí)的高增益和低信號(hào)失真水平。雖然由于考慮了熱功率因素，很少用于高功率放大器應(yīng)用，但A類放大器可能是這里提到的所有放大器類別的最佳聲音，因此用于高保真音頻放大器設(shè)計(jì)。

A類放大器

為了實(shí)現(xiàn)高線性度和增益，A類放大器的輸出級(jí)始終偏置為“導(dǎo)通”（導(dǎo)通）。然后，對(duì)于被歸類為“A類”的放大器，輸出級(jí)中的零信號(hào)空閑電流必須等于或大于產(chǎn)生最大輸出信號(hào)所需的最大負(fù)載電流（通常是揚(yáng)聲器）。

作為A類放大器工作在其特性曲線的線性部分，單輸出器件通過(guò)整個(gè)360度的輸出波形。然后A類放大器相當(dāng)于電流源。

由于A類放大器工作在線性區(qū)域，晶體管基極（或柵極）直流偏置電壓應(yīng)適當(dāng)選擇，以確保正確操作和低失真。但是，由于輸出設(shè)備始終處于“接通”狀態(tài)，因此它始終承載電流，這表示放大器中的電源持續(xù)斷電。

由于這種連續(xù)的功率損耗，A類放大器產(chǎn)生了巨大的影響。熱量增加到非常低的效率，約為30％，這使得它們對(duì)于高功率放大是不切實(shí)際的。此外，由于放大器的高空載電流，電源必須相應(yīng)地調(diào)整大小并進(jìn)行過(guò)濾，以避免任何放大器嗡嗡聲和噪聲。因此，由于A類放大器的低效率和過(guò)熱問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更高效的放大器類別。

B類放大器

B類放大器被發(fā)明為解決與之前的A類放大器相關(guān)的效率和加熱問(wèn)題?；镜腂類放大器使用兩個(gè)互補(bǔ)的晶體管，每個(gè)波形的一半為雙極FET，其輸出級(jí)配置為“推挽”型排列，因此每個(gè)晶體管器件只放大輸出波形的一半。

在B類放大器中，沒(méi)有直流基極偏置電流，因?yàn)槠潇o態(tài)電流為零，因此直流功率很小，因此其效率遠(yuǎn)高于A類放大器。然而，為提高效率而付出的代價(jià)是開(kāi)關(guān)器件的線性度。

B類放大器

當(dāng)輸入信號(hào)變?yōu)檎龝r(shí)，正偏置晶體管導(dǎo)通，而負(fù)晶體管切換為“OFF”。同樣，當(dāng)輸入信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，正晶體管切換為“OFF”，而負(fù)偏置晶體管變?yōu)椤癘N”并傳導(dǎo)信號(hào)的負(fù)部分。因此，晶體管僅在輸入信號(hào)的正半周期或負(fù)半周期導(dǎo)通一半時(shí)間。

然后我們可以看到B類放大器的每個(gè)晶體管器件僅導(dǎo)通一半或180度在嚴(yán)格的時(shí)間交替中輸出波形，但由于輸出級(jí)具有兩半信號(hào)波形的設(shè)備，因此將兩半組合在一起以產(chǎn)生完整的線性輸出波形。

這種推拉式設(shè)計(jì)放大器顯然比A類更有效，約為50％，但B類放大器設(shè)計(jì)的問(wèn)題是，由于輸入基極電壓的晶體管死區(qū)，它可能在波形的過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生失真 - 0.7V至+0.7。

我們從晶體管教程中記得，它需要一個(gè)大約0.7伏的基極 - 發(fā)射極電壓才能使雙極晶體管開(kāi)始導(dǎo)通。然后在B類放大器中，輸出晶體管不會(huì)“偏置”到“ON”操作狀態(tài)，直到超過(guò)該電壓。

這意味著波形的一部分落在這個(gè)0.7伏的窗口內(nèi)將無(wú)法準(zhǔn)確再現(xiàn)，因?yàn)锽類放大器不適合精密音頻放大器應(yīng)用。

克服這種過(guò)零失真（也稱為交叉失真）開(kāi)發(fā)了AB類放大器。

AB類放大器

顧名思義，AB類放大器是我們?cè)谏厦婵催^(guò)的“A類”和“B類”放大器。放大器的AB分類是目前最常用的音頻功率放大器設(shè)計(jì)類型之一。 AB類放大器是如上所述的B類放大器的變體，除了允許兩個(gè)器件在波形交叉點(diǎn)附近同時(shí)導(dǎo)通，消除了前一類B類放大器的交叉失真問(wèn)題。

這兩個(gè)晶體管具有非常小的偏置電壓，通常為靜態(tài)電流的5到10％，以使晶體管偏置在其截止點(diǎn)之上。然后導(dǎo)電器件（FET的雙極）將“導(dǎo)通”超過(guò)一個(gè)半周期，但遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)的一個(gè)完整周期。因此，在AB類放大器設(shè)計(jì)中，每個(gè)推挽晶體管的導(dǎo)通時(shí)間略長(zhǎng)于B類中的半導(dǎo)通周期，但遠(yuǎn)低于A類導(dǎo)通的完整周期。

換句話說(shuō)，AB類放大器的導(dǎo)通角介于180 o 和360 o 之間，具體取決于所選擇的偏置點(diǎn)。

AB類放大器

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由串聯(lián)二極管或電阻器提供的這種小偏壓的優(yōu)點(diǎn)在于克服了B類放大器特性產(chǎn)生的交叉失真，而沒(méi)有A類放大器設(shè)計(jì)的低效率。因此AB類放大器在效率和線性度方面是A類和B類之間的良好折衷，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到約50％至60％。

C類放大器

C類放大器設(shè)計(jì)具有最高的效率，但這里提到的放大器類別的線性度最差。以前的類 A，B 和 AB 被認(rèn)為是線性放大器，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)的幅度和相位與輸入信號(hào)的幅度和相位線性相關(guān)。

然而，C類放大器嚴(yán)重偏置，因此輸出電流為零，超過(guò)輸入正弦信號(hào)周期的一半，晶體管在其截止點(diǎn)空轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，晶體管的導(dǎo)通角明顯小于180度，通常在90度左右。

雖然這種形式的晶體管偏置使效率大大提高了80％左右。放大器，它引入了非常嚴(yán)重的輸出信號(hào)失真。因此，C類放大器不適合用作音頻放大器。

C類放大器

由于其嚴(yán)重的音頻失真，C類放大器常用于高頻正弦波振蕩器和某些類型的射頻放大器，其中放大器輸出端產(chǎn)生的電流脈沖可以轉(zhuǎn)換通過(guò)在其集電極電路中使用LC諧振電路來(lái)完成特定頻率的正弦波。

放大器類摘要

然后我們看到了靜態(tài)直流工作點(diǎn)（ Q點(diǎn)）放大器決定放大器分類。通過(guò)在放大器特性曲線的負(fù)載線上設(shè)置 Q點(diǎn)的位置，放大器將作為A類放大器工作。通過(guò)將 Q點(diǎn)向下移動(dòng)，負(fù)載線將放大器更改為 AB，B 或 C 類放大器。

然后放大器的直流工作點(diǎn)操作類別如下：

放大器類和效率

除音頻放大器外，還有許多與開(kāi)關(guān)放大器設(shè)計(jì)相關(guān)的高效率放大器類，它們使用不同的開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)降低功率損耗并提高效率。下面列出的一些放大器類設(shè)計(jì)使用RLC諧振器或多個(gè)電源電壓來(lái)降低功率損耗，或者是使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）開(kāi)關(guān)技術(shù)的數(shù)字DSP（數(shù)字信號(hào)處理）型放大器。

其他通用放大器類

D類放大器 - D類音頻放大器基本上是非線性開(kāi)關(guān)放大器或PWM放大器。 D類放大器理論上可以達(dá)到100％的效率，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)沒(méi)有周期電壓和電流波形重疊，因?yàn)殡娏鲀H通過(guò)晶體管導(dǎo)通。

F類放大器-F類放大器通過(guò)在輸出網(wǎng)絡(luò)中使用諧波諧振器將輸出波形整形為方波，從而提高效率和輸出。如果使用無(wú)限諧波調(diào)諧，F(xiàn)類放大器的效率可高達(dá)90％以上。

G類放大器 - G類增強(qiáng)了基本的AB類放大器設(shè)計(jì)。 G類使用多種不同電壓的電源軌，并隨著輸入信號(hào)的變化自動(dòng)在這些電源軌之間切換。這種恒定的切換降低了平均功耗，從而降低了浪費(fèi)熱量造成的功率損耗。

I類放大器 - I類放大器具有兩組互補(bǔ)輸出開(kāi)關(guān)器件，以并聯(lián)推挽式配置排列，兩組開(kāi)關(guān)器件對(duì)相同的輸入波形進(jìn)行采樣。一個(gè)器件切換波形的正半部分，而另一個(gè)器件切換負(fù)半部分類似于B類放大器。在沒(méi)有施加輸入信號(hào)的情況下，或者當(dāng)信號(hào)到達(dá)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)器件同時(shí)接通和斷開(kāi)，同時(shí)50％PWM占空比抵消任何高頻信號(hào)。

產(chǎn)生在輸出信號(hào)的正半部分，正開(kāi)關(guān)器件的輸出在占空比中增加，而負(fù)開(kāi)關(guān)器件減小相同，反之亦然。兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)電流據(jù)說(shuō)在輸出端交錯(cuò)，給出了I類放大器的名稱：“交錯(cuò)式PWM放大器”，開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)250kHz。

S類放大器 - S類功率放大器是一種非線性開(kāi)關(guān)模式放大器，與D類放大器類似。 S類放大器通過(guò)Δ-Σ調(diào)制器將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波脈沖，并在最終通過(guò)帶通濾波器解調(diào)之前將它們放大以增加輸出功率。由于該開(kāi)關(guān)放大器的數(shù)字信號(hào)始終處于完全“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)（理論上為零功耗），因此效率可達(dá)到100％。

T類放大器 - T類放大器是另一種數(shù)字開(kāi)關(guān)放大器設(shè)計(jì)。由于存在數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片和多聲道環(huán)繞聲放大器，T類放大器現(xiàn)在開(kāi)始變得更受歡迎，因?yàn)樗鼘⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)。放大增加放大器效率。 T類放大器設(shè)計(jì)結(jié)合了AB類放大器的低失真信號(hào)電平和D類放大器的功率效率。

我們?cè)谶@里看到了許多放大器的分類從線性功率放大器到非線性開(kāi)關(guān)放大器，我們已經(jīng)看到放大器類別與放大器負(fù)載線的不同之處。 AB，B 和 C 類放大器可以根據(jù)導(dǎo)通角定義，θ如下：

放大器類別傳導(dǎo)角度