功率放大器的分類及其參數

2022-04-03 05:59:21 來源: 網絡

功率放大器（簡稱：功放）（Power Amplifier）“功率放大器”，顧名思義，是將“功率”放大的放大器。進入微弱的信號，如話筒、VCD、微波等等送到前置放大電路，放大成足以推動功率放大器信號幅度，最后后級功率放大電路推動喇叭或其它設備，它最大的功用，是當成”輸出級”（Output Stage）使用。從另一個角度來看，它是在做大信號的電流放大，以達到功率放大的目的。從廣義上來說功率放大器不局限于音頻放大，很多場合都會用到它，如射頻、微波、激光等等。

功率放大器的分類：

1、純甲類功率放大器

純甲類功率放大器又稱為A類功率放大器（Class A），它是一種完全的線性放大形式的放大器。在純甲類功率放大器工作時，晶體管的正負通道不論有或沒有信號都處于常開狀態，這就意味著更多的功率消耗為熱量。純甲類功率放大器在汽車音響的應用中比較少見，像意大利的Sinfoni高品質系列才有這類功率放大器。這是因為純甲類功率放大器的效率非常低，通常只有20-30%，音響發燒友們對它的聲音表現津津樂道。

2、乙類功率放大器

乙類功率放大器，也稱為B類功率放大器（Class B），它也被稱為線性放大器，但是它的工作原理與純甲類功率放大器完全不同。B類功放在工作時，晶體管的正負通道通常是處于關閉的狀態除非有信號輸入，也就是說，在正相的信號過來時只有正相通道工作，而負相通道關閉，兩個通道絕不會同時工作，因此在沒有信號的部分，完全沒有功率損失。但是在正負通道開啟關閉的時候，常常會產生跨越失真，特別是在低電平的情況下，所以B類功率放大器不是真正意義上的高保真功率放大器。在實際的應用中，其實早期許多的汽車音響功放都是B類功放，因為它的效率比較高。

3、甲乙類功率放大器

甲乙類功率放大器也稱為AB類功率放大器（Class AB），它是兼容A類與B類功放的優勢的一種設計。當沒有信號或信號非常小時，晶體管的正負通道都常開，這時功率有所損耗，但沒有A類功放嚴重。當信號是正相時，負相通道在信號變強前還是常開的，但信號轉強則負通道關閉。當信號是負相時，正負通道的工作剛好相反。AB類功率放大器的缺陷在于會產生交越失真，但是相對于它的效率比以及保真度而言，都優于A類和B類功放，AB類功放也是目前汽車音響中應用最為廣泛的設計。

4、D類功率放大器

D類放大器與上述A，B或AB類放大器不同，其工作原理基于開關晶體管，可在極短的時間內完全導通或完全截止。兩只晶體管不會在同一時刻導通，因此產生的熱量很少。這種類型的放大器效率極高（90%左右），在理想情況下可達100%，而相比之下AB類放大器僅能達到78.5%。不過另一方面，開關工作模式也增加了輸出信號的失真。D類放大器的電路共分為三級：輸入開關級、功率放大級以及輸出濾波級。D類放大器工作在開關狀態下可以采用脈寬調制（PWM）模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉換為高頻開關信號，通過一個比較器將音頻信號與高頻三角波進行比較，當反相端電壓高于同相端電壓時，輸出為低電平；當反相端電壓低于同相端電壓時，輸出為高電平。

在D類放大器中，比較器的輸出與功率放大電路相連，功放電路采用金屬氧化物場效應管（MOSFET）替代雙極型晶體管（BJT），這是由于前者具有更快的響應時間，因而適用于高頻工作模式。D類放大器需要兩只MOSFET，它們在非常短的時間內可完全工作在導通或截止狀態下。當一只MOSFET完全導通時，其管壓降很低；而當MOSFET完全截止時，通過管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導通和截止狀態的開關速度非常快，因而效率極高，產生的熱量很低，所以D類放大器不需要很大的散熱器。

D類功放還有其它許多的稱法，如T類等，它們都是D類功放的一種變形。在實際應用中，直到1980以后，由于MOSFET的出現，這種開關式功放才得以迅速發展。在實際的發展過程中，雖然有高效率，但同時也有高失真，高噪聲以及較差的阻尼因素。隨著技術的發展，這類缺陷將越來越少，估計未來D類功放在汽車音響領域中會得到更加廣泛的應用。

5、T類放大器

T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調制D類功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開關狀態，效率和D類功率放大器相當。但它和普通D類功率放大器不同的是：首先，它不是使用脈沖調寬的方法，Tripath公司發明了一種稱作數碼功率放大器處理器“Digital Power Processing （DPP）”的數字功率技術，它是T類功率放大器的核心。它把通信技術中處理小信號的適應算法及預測算法用到這里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經過DPP數字處理后，用于控制功率晶體管的導通關閉。從而使音質達到高保真線性放大。

其次，它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側狹窄的頻帶內，而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細節在整個頻帶上都清晰可“聞”。此外，T類功率放大器的動態范圍更寬，頻率響應平坦。DDP的出現，把數字時代的功率放大器推到一個新的高度。在高保真方面，線性度與傳統AB類功放相比有過之而無不及。

功率放大器的常見種類：

射頻功率放大器：

射頻功率放大器（RF PA）是各種無線發射機的重要組成部分。在發射機的前級電路中，調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

射頻功率放大器是發送設備的重要組成部分。射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率。除此之外，輸出中的諧波分量還應該盡可能的小，以避免對其他頻道產生干擾。

高頻功率放大器：

高頻功率放大器用于發射級的末級，作用是將高頻已調波信號進行功率放大，以滿足發送功率的要求，然后經過天線將其輻射到空間，保證在一定區域內的接收級可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它將電源供給的直流能量轉換成為高頻交流輸出。

在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態。甲類放大器電流的流通角為360o，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180o；丙類放大器電流的流通角則小于180o。乙類和丙類都適用于大功率工作。丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。除了以上幾種按電流流通角來分類的工作狀態外，又有使電子器件工作于開關狀態的丁類放大和戊類放大。丁類放大器的效率比丙類放大器的還高，理論上可達100%，但它的最高工作頻率受到開關轉換瞬間所產生的器件功耗（集電極耗散功率或陽極耗散功率）的限制。

如果在電路上加以改進，使電子器件在通斷轉換瞬間的功耗盡量減小，則工作頻率可以提高。這就是戊類放大器。在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率，必須采用低頻功率放大器，而且低頻功率放大器也是一種將直流電源提供的能量轉換為交流輸出的能量轉換器。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質的區別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000 Hz，高低頻率之比達1000倍。因此它們都是采用無調諧負載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調幅廣播電臺（535－1605 kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10 kHz，如中心頻率取為1000 kHz，則相對頻寬只相當于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。由于這后一特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。

寬頻帶發射機的各中間級還廣泛采用一種新型的寬帶高頻功率放大器，它不采用選頻網絡作為負載回路，而是以頻率響應很寬的傳輸線作負載。這樣，它可以在很寬的范圍內變換工作頻率，而不必重新調諧。綜上所述可見，高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同之點是要求輸出功率大，效率高；它們的不同之點則是二者的工作頻率與相對頻寬不同，因而負載網絡和工作狀態也不同。

高頻功率放大器的主要技術指標有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號失真度）等。這幾項指標要求是互相矛盾的，在設計放大器時應根據具體要求，突出一些指標，兼顧其他一些指標。例如實際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對諧波抑制度要求較高，而對帶寬要求可適當降低等。功率放大器的效率是一個突出的問題，其效率的高低與放大器的工作狀態有直接的關系。放大器的工作狀態可分為甲類、乙類和丙類等。為了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙類、丙類，即晶體管工作延伸到非線性區域。但這些工作狀態下的放大器的輸出電流與輸出電壓間存在很嚴重的非線性失真。低頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數大，不能采用諧振回路作負載，因此一般工作在甲類狀態；采用推挽電路時可以工作在乙類。高頻功率放大器因其信號的頻率覆蓋系數小，可以采用諧振回路作負載，故通常工作在丙類，通過諧振回路的選頻功能，可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分，選出基波分量從而基本消除了非線性失真。

所以，高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來分析其工作原理和工作狀態。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態方便，但計算準確度較低。以上討論的各類高頻功率放大器中，窄帶高頻功率放大器：用于提供足夠強的以載頻為中心的窄帶信號功率，或放大窄帶已調信號或實現倍頻的功能，通常工作于乙類、丙類狀態。寬帶高頻功率放大器：用于對某些載波信號頻率變化范圍大得短波，超短波電臺的中間各級放大級，以免對不同fc的繁瑣調諧。通常工作于甲類狀態。

功放的重要參數：

1、輸入靈敏度，是指功放所需最小輸入信號電平，它是要求將音源信號放大到足夠推動后級功放所需要的必要條件。

2、諧波失真度，這是功放一項極重要的指標，諧波失真是非線性失真的一種，它是放大器在工作時的非線性特征所引起的，失真結果是產生了新的諧波分量，使聲音失去原有的音色，嚴重時聲音發破、刺耳。諧波失真還有奇次和偶次之分，奇次諧波會使人煩噪、反感，容易被人感知。有些功放聽起來讓人感到煩噪，感覺疲勞，就是失真較大所引起的。對功放影響較大的就是失真度，一般高保真要求諧波失真在0.05%以下，越低越好。除了諧波失真外，還有互調失真，交叉失真，削波失真，瞬態失真，相位失真等，它們是影響功放質量的罪魁禍首。考核功效的優劣，首先要看它的失真度，像意大利Sinfoni功放的總的諧波失真就在0.01%以下。

3、輸出功率，功率問題最令汽車音響從業人員認識不清，在這里需要一一講解：

A、額定輸出功率，稱為（RMS），指放大器輸出的音頻信號在總諧波失真范圍內，所能輸出的較大功率。它一般是交流信號峰值的0.707倍。

B、平均功率，平均功率一般是指各個頻率點的平均消耗功率，它與額定輸出功率有點類似，但是它一般要參考時間。

C、峰值輸出功率，功放所能輸出的較大音樂功率稱為峰值輸出功率，它不考慮失真，通常為（RMS）功率的1.414倍左右。

D、峰值-峰值功率，它是指正電壓峰值到負電壓的峰值的功率，它是峰值輸出功率的四倍。它的出現是廠家出于商業目的，并無實際意義。

4、信噪比，數值越大越好，一般用（S/N）表示，用信號功率Ps與噪聲功率Pn的比值的分貝數表示，S/N=10lgPs/Pn=20lgVs/Vn（db），式中Vs、Vn分別為信號電壓與噪聲電壓。

信噪比與輸入信號電平的增加，信噪比也逐漸加大，但當輸入信號電平達到某一數值后，信噪比基本保持不變。按目前高保真要求，信噪比應達90dB以上為好，進口高品質的功放機往往可達110-120dB，其性能可想而知了。有的信噪比后面有A計權字樣，A計權是指將噪聲信號通過加權網絡后測得的結果，由于人們對于高、低頻段的噪聲相對來說不太靈敏，所以出現了這樣的計權方式。計權噪聲更加直觀地代表人們實際感受到的噪聲信號狀況。總之，信噪比越大，表明混在信號里的噪聲越小，放音質量越好，便重放音樂清晰，干凈而有層次。

5、頻率響應，早期俗稱功率帶寬，指諧波失真不超過規定值時，功放的1/2額定功率頻帶寬度，即有高低端下跌-3dB的兩個頻率點之間所包括的頻帶，稱之為功率帶寬。

6、阻尼系數，主要是對低頻而言，是直接影響低音音質的極重要的技術參數。眾所周知，喇叭的口徑越大，低音相對就越好，但音盆越大其運動慣性也隨之加大，此慣性使它很難與音頻信號同步運動，往往表現出的聲音混濁不清，尤其在100-400Hz低頻，容易造成聲染色，使人聽起來模糊不清，很不自然。有些改裝車的低音喇叭，低頻信號強時顫振不止，低音拖尾嚴重，這就是音盆慣性所引起的。

在功放設計時，工程師對功放采取一些技術措施，如選擇多管并聯，低內阻（毫歐級）大功率管，提高工作電壓，選擇優質線材等，極力提高阻尼系數，使它能夠針對喇叭慣性運動，產生“電阻尼”作用，使音盆的運動與音頻信號同步運動，盡可能使音盆在驅動信號結束后很快恢復到零位（即中心位置），這種阻止效果就是阻尼系數（Damp Factor），D=Rs/Ri，Rs=喇叭阻抗，Ri=功放輸出內阻，D越大，音盆與信號同步效果就越好，低音就越純越干凈，重放效果就越好。

7、轉換速率（Slew rate），功放的轉換速率極大地影響著高音重放質量與性能。轉換速率越快，高音音質就越佳，越能準確地捕捉到稍縱即逝的高頻信息。高品質功放可做到十幾至幾十V/us，低中檔功放都一般不標出，這種轉換速率的數值高低，與設計，用料有密切關系，但也不宜太高，太高會產生人耳聽不見的20KHz以上超音信號，不但對改善音質無作用，反而容易燒壞高音喇叭。

關鍵詞：功率放大器

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