解讀什么是功率放大器

• 什么是功率放大器

功率放大器（英文名稱：power amplifier），簡稱“功放”，是指在給定失真率條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動某一負載（例如揚聲器）的放大器。功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。

• 工作原理

利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流在放大區(qū)中恒為基極電流的β倍，β是三極管的電流放大系數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流放大，就完成了功率放大。

• 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(fā)射機的重要組成部分。在發(fā)射機的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)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(fā)送設(shè)備的重要組成部分。射頻功率放大器的主要技術(shù)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(chǎn)生干擾。

高頻功率放大器：

高頻功率放大器用于發(fā)射級的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)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(tǒng)中發(fā)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(diào)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(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)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(tài)。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(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)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(diào)諧回路作為負載的諧振功率放大。

由于調(diào)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(tài)外，又有使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)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(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為交流輸出的能量轉(zhuǎn)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(zhì)的區(qū)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(diào)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(diào)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(wǎng)絡(luò)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(tài)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(tài)；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(fā)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)變換工作頻率，而不必重新調(diào)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(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也不同。

高頻功率放大器的主要技術(shù)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(shè)計放大器時應根據(jù)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(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)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(qū)域。但這些工作狀態(tài)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(shù)大，不能采用諧振回路作負載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；

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(shù)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(tài)，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(tài)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)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(diào)信號或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能，通常工作于乙類、丙類狀態(tài)。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(diào)諧。通常工作于甲類狀態(tài)。

• 應用場景

無論在全球移動通信系統(tǒng)、第三代移動通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等民用領(lǐng)域，還是在雷達、電子戰(zhàn)、導航等軍用領(lǐng)域，射頻功率放大器作為這些系統(tǒng)中的前端器件，對其低耗、高效、體積小的要求迅速增加。

眾所周知，功率放大器是射頻電路眾多模塊中功率損耗最大的，作為系統(tǒng)的核心和前端部分，它的效率將直接影響系統(tǒng)效率，因此效率問題成為現(xiàn)代功率放大器的研究熱點。在大多數(shù)功率放大器中，功率損耗的主要是晶體管損耗，主要由電壓和電流產(chǎn)生的，從而提出開關(guān)類功率放大器，主要有D類，E類和F類。其中F類功率放大器專門設(shè)計一個諧波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)漏極電壓和電流波形控制。理論上，F(xiàn)類功率放大器的漏極效率為100%，被稱為新一代功率放大器。

傳統(tǒng)功率放大器由于輸出電路上的功率消耗，其工作效率很低。為增加傳統(tǒng)功率放大器的工作效率，理想的F類功率放大器使用輸出濾波器對晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分進行控制，歸整晶體管輸出的電壓和電流波形。從而實現(xiàn)集電極電流的角度參數(shù)為90°，即保持集電極波形為半個正弦波，集電極電壓波形為方波，并且兩者的相位差是λ/4，這樣集電極電壓和電流的波形就沒有交疊區(qū)，從而達到100%的理想效率。