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，使用大信號或功率放大器在音頻放大器系統(tǒng)的輸出級中驅(qū)動揚(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。

放大器類表示在放大器內(nèi)變化的輸出信號量當(dāng)被正弦輸入信號激勵時，電路在一個操作周期內(nèi)。放大器的分類范圍從完全線性操作（用于高保真信號放大）到非常低效率，到完全非線性（忠實(shí)信號再現(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，形成更常見的 A，B，AB 和 C 放大器類別，它們的導(dǎo)通狀態(tài)長度超過某些輸出波形的一部分，使得輸出級晶體管操作位于“完全開”和“完全關(guān)”之間。

第二組放大器是較新的所謂“開關(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“完全開啟”和“完全關(guān)閉”之間不斷切換信號“將輸出硬盤驅(qū)動到晶體管飽和區(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 并且為了簡單起見，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類放大器是最常見的放大器拓?fù)漕愋?，因?yàn)樗鼈冊谄浞糯笃髟O(shè)計中僅使用一個輸出開關(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，因此不會被驅(qū)動到其截止或飽和區(qū)域，從而允許其在輸入周期的整個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“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，主要是因?yàn)樗鼈兙哂谐錾木€性度，正確設(shè)計時的高增益和低信號失真水平。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。

A類放大器

為了實(shí)現(xiàn)高線性度和增益，A類放大器的輸出級始終偏置為“導(dǎo)通”（導(dǎo)通）。然后，對于被歸類為“A類”的放大器，輸出級中的零信號空閑電流必須等于或大于產(chǎn)生最大輸出信號所需的最大負(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，單輸出器件通過整個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熱問題，已經(jīng)開發(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)的效率和加熱問題。基本的B類放大器使用兩個互補(bǔ)的晶體管，每個波形的一半為雙極FET，其輸出級配置為“推挽”型排列，因此每個晶體管器件只放大輸出波形的一半。

在B類放大器中，沒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是開關(guān)器件的線性度。

B類放大器

當(dāng)輸入信號變?yōu)檎龝r，正偏置晶體管導(dǎo)通，而負(fù)晶體管切換為“OFF”。同樣，當(dāng)輸入信號變?yōu)樨?fù)時，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)信號的負(fù)部分。因此，晶體管僅在輸入信號的正半周期或負(fù)半周期導(dǎo)通一半時間。

然后我們可以看到B類放大器的每個晶體管器件僅導(dǎo)通一半或180度在嚴(yán)格的時間交替中輸出波形，但由于輸出級具有兩半信號波形的設(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)計放大器顯然比A類更有效，約為50％，但B類放大器設(shè)計的問題是，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，它需要一個大約0.7伏的基極 - 發(fā)射極電壓才能使雙極晶體管開始導(dǎo)通。然后在B類放大器中，輸出晶體管不會“偏置”到“ON”操作狀態(tài)，直到超過該電壓。

這意味著波形的一部分落在這個0.7伏的窗口內(nèi)將無法準(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。

克服這種過零失真（也稱為交叉失真）開發(fā)了AB類放大器。

AB類放大器

顧名思義，AB類放大器是我們在上面看過的“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，除了允許兩個器件在波形交叉點(diǎn)附近同時導(dǎo)通，消除了前一類B類放大器的交叉失真問題。

這兩個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”超過一個半周期，但遠(yuǎn)小于輸入信號的一個完整周期。因此，在AB類放大器設(shè)計中，每個推挽晶體管的導(dǎo)通時間略長于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，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，而沒有A類放大器設(shè)計的低效率。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)檩敵鲂盘柕姆群拖辔慌c輸入信號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，超過輸入正弦信號周期的一半，晶體管在其截止點(diǎn)空轉(zhuǎn)。換句話說，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)換通過在其集電極電路中使用LC諧振電路來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。通過將 Q點(diǎn)向下移動，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，還有許多與開關(guān)放大器設(shè)計相關(guān)的高效率放大器類，它們使用不同的開關(guān)技術(shù)來降低功率損耗并提高效率。下面列出的一些放大器類設(shè)計使用RLC諧振器或多個電源電壓來降低功率損耗，或者是使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關(guān)技術(shù)的數(shù)字DSP（數(shù)字信號處理）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€周期內(nèi)沒有周期電壓和電流波形重疊，因?yàn)殡娏鲀H通過晶體管導(dǎo)通。

F類放大器-F類放大器通過在輸出網(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。 G類使用多種不同電壓的電源軌，并隨著輸入信號的變化自動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)輸出開關(guān)器件，以并聯(lián)推挽式配置排列，兩組開關(guān)器件對相同的輸入波形進(jìn)行采樣。一個器件切換波形的正半部分，而另一個器件切換負(fù)半部分類似于B類放大器。在沒有施加輸入信號的情況下，或者當(dāng)信號到達(dá)過零點(diǎn)時，開關(guān)器件同時接通和斷開，同時50％PWM占空比抵消任何高頻信號。

產(chǎn)生在輸出信號的正半部分，正開關(guān)器件的輸出在占空比中增加，而負(fù)開關(guān)器件減小相同，反之亦然。兩個開關(guān)信號電流據(jù)說在輸出端交錯，給出了I類放大器的名稱：“交錯式PWM放大器”，開關(guān)頻率超過250kHz。

S類放大器 - S類功率放大器是一種非線性開關(guān)模式放大器，與D類放大器類似。 S類放大器通過Δ-Σ調(diào)制器將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波脈沖，并在最終通過帶通濾波器解調(diào)之前將它們放大以增加輸出功率。由于該開關(guān)放大器的數(shù)字信號始終處于完全“開”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)字開關(guān)放大器設(shè)計。由于存在數(shù)字信號處理（DSP）芯片和多聲道環(huán)繞聲放大器，T類放大器現(xiàn)在開始變得更受歡迎，因?yàn)樗鼘⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號。放大增加放大器效率。 T類放大器設(shè)計結(jié)合了AB類放大器的低失真信號電平和D類放大器的功率效率。

我們在這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