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取⒉煌l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設(shè)計(jì)諧波網(wǎng)絡(luò)來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 語音播放系統(tǒng)

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

1. 將數(shù)字語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬語音信號(hào)。（通過使用高精度數(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，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)字語音數(shù)據(jù)放大功率，而無需模擬轉(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，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)字放大器通過使用超高頻開關(guān)電路來放大音頻信號(hào)。

優(yōu)勢(shì)：

效率非常高，通常可以達(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。如果沒有驅(qū)動(dòng)放大器，最終功率放大器無法發(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。一般來說，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。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。