功率放大器工作狀態(tài)分類

1 概述

功率放大器是一種能夠?qū)⒌头入妷夯?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流信號放大，取得更高功率輸出的電路，包括提高輸出電壓、電流或者改變源阻抗。功率放大器精確復(fù)現(xiàn)輸入信號，即電壓波形和電流波形，或者至少部分復(fù)現(xiàn)，比如僅復(fù)現(xiàn)功率包絡(luò)或保證頻譜一致。功率放大器分類反映了早期廣播電臺射頻信號放大器的產(chǎn)品設(shè)計迭代，輸出結(jié)構(gòu)分類則反映了音頻功放設(shè)計的迭代。因其典型性和代表性，這些分類的概念被廣泛接受，功率放大器的主力應(yīng)用也從射頻、音頻拓展到了各種致動器、執(zhí)行器，例如自動化設(shè)備中的電磁執(zhí)行器（馬達(dá)驅(qū)動波形合成、調(diào)節(jié)閥位控、磁懸吊控制），高頻加熱和激元驅(qū)動。

2 工作狀態(tài)分類

功率放大器根據(jù)其工作狀態(tài)分為 Class A、Class B、Class C、Class D、Class E、Class F 及 Class G 等 1。其中，Class A、Class B 和Class C 通過調(diào)整晶體管的導(dǎo)通程度來實現(xiàn)對輸入信號的放大，信號輸出擺幅與輸入信號全部或部分保留了比例關(guān)系；這三個分類輸出與輸入保持比例關(guān)系的擺幅與電源電壓之間的關(guān)系不同，或者說電源電壓空間的利用率不同。Class D、Class E、Class F 和 Class G是開關(guān)態(tài)的，即輸出在地和電源電壓之間跳變、輸出幅度跟輸入信號的幅度沒有直接關(guān)系；這幾類放大器都需要輸出路徑上的儲能槽路（即濾波節(jié)）來把開關(guān)狀態(tài)的輸出調(diào)理成與輸入成比例的有效輸出（Class B 和Class C 輸出幅度中部分與輸入幅度成比例，也需要利用儲能槽路減小輸出信號的失真）。

2.1 Class A 放大器

晶體管在整個輸入信號周期內(nèi)都保持導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號的擺幅在電源電壓范圍內(nèi)。Class A 放大器輸出信號示意如圖 1 所示。

圖 1 Class A 放大器輸出信號示意圖

2.2Class B 放大器

晶體管僅在輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，輸出信號擺幅只保留一半在電源電壓范圍內(nèi)。Class B

放大器輸出信號示意如圖 2 所示，實線表示實際輸出波形，虛線表示沒有傳遞到輸出的部分。

圖 2 Class B 放大器輸出信號示意圖

2.3Class C 放大器

晶體管的導(dǎo)通時間小于輸入信號的半個周期，即僅有小于半周期的輸出信號擺幅在電源電壓范圍內(nèi)，并且輸出為包含一部分基波功率的方波。Class C 放大器輸出信號示意如圖 3 所示，實線表示實際輸出波形，虛線表示沒有傳遞到輸出的部分。

由下圖可看出，Class C 放大器產(chǎn)生的失真大，輸出信號富含諧波成分，需要在其輸出路徑上利用濾波器濾除高次諧波；同時波形頂部保留了信號的原始形狀，這部分是有用的諧波信息。Class C是對Class B 的折中改進，比 Class B 的功率利用率高，諧波失真也大于 Class B。

圖 3 Class C 放大器輸出信號示意圖

2.4 Class D 放大器

Class D 放大器 2采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，利用輸入模擬信號的幅度控制電壓斬波的輸出寬度，生成占空比正比于輸入模擬信號幅度的 PWM 序列。PWM 序列的方波經(jīng)低通濾波器進行濾波去除高頻成分，還原為模擬信號輸出[1]。Class D 放大器工作模式波形示意如圖 4 所示。

圖 4 Class D 放大器工作模式波形示意圖

2.5 Class E 放大器

Class E 放大器的原理與 Class D 一樣，是 Class D 的電流對偶。將圖 4 中的PWM 信號轉(zhuǎn)換為脈沖電流序列，經(jīng)過濾波后該電流的平均值與需要的輸出電流一致。

Tips：電壓斬波輸出不能直接連接容性負(fù)載。方波電壓接入電容相當(dāng)于發(fā)生了一次短路，過大的浪涌電流會導(dǎo)致開關(guān)損壞。同樣地，電流斬波輸出不能直接向感性負(fù)載輸出。方波電流接入電感時瞬時產(chǎn)生高壓，導(dǎo)致開關(guān)承受過大的電壓應(yīng)力。在 Class D 和 Class E 放大器的斬波開關(guān)輸出節(jié)點需要根據(jù)負(fù)載電容和電感串入補償電感或電容來補償負(fù)載的容性或感性，減小開關(guān)的電流和電壓應(yīng)力。配置這部分補償電感或電容的目的并不是濾除斬波輸出中的諧波，但可以與濾波需要的電感或電容合并設(shè)計。

2.6 Class F 放大器

Class F 放大器可以看作是在一個周期波形內(nèi)只輸出一次斬波脈沖的 Class D 放大器。Class F 通常用于調(diào)幅電臺和調(diào)頻電臺的載波放大，即對一連串的周期波形放大。將輸入信號與某個固定電平比較，大于該電平則輸出為高、小于該電平則輸出為低。在一個正弦周期內(nèi)，只產(chǎn)生了一個斬波輸出脈沖。這個脈沖的寬度與輸入信號的幅度有關(guān)，需要通過一個低通濾波器濾除脈沖序列中的高頻成分、保留與脈沖寬度有關(guān)的基波成分。Class F 放大器輸出信號示意如圖 5 所示。

圖 5 Class F 放大器輸出信號示意圖

2.7 Class G 放大器

Class G 類放大器 3通常采用高、低兩組工作電壓（±VH 和±VL）供電，工作在小信號電平時，放大器采用較低電源電壓，并在信號電平增加后切換為較高電源電壓。低幅度輸出時有效傳遞到負(fù)載的電壓是相對于低電壓軌電源的，高幅度輸出時則是相對于高電壓軌電源的。Class G 放大器這種電源軌切換設(shè)計，既保持了信號的形狀也提高了其工作效率[2]。Class C 和 Class F 放大器僅適合放大正弦波式樣的載波信號，而對于像音頻信號這種由多個頻率正弦波疊加、大波上攜帶小波的信號則完全不適用。Class G 放大器輸出信號示意如圖 6 所示。

2.8.放大器類別及效率對比

圖 7 放大器類別和效率對比示意圖

審核編輯 黃宇