率放大器

率放大器簡介

　　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永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(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。

率放大器百科

　　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永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(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。

　　主要種類

　　傳統(tǒng)的數(shù)字語音回放系統(tǒng)包含兩個主要過程：1、數(shù)字語音數(shù)據(jù)到模擬語音信號的變換（利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC）實現(xiàn)；2、利用模擬功率放大器進行模擬信號放大，如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開發(fā)不同類型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從數(shù)字語音數(shù)據(jù)實現(xiàn)功率放大而不需要進行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。A類放大器：A類放大器的主要特點是：放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近，晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，效率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線性失真。由于效率比較低。B類放大器：B類放大器的主要特點是：放大器的靜態(tài)點在（VCC，0）處，當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當Vi為負半波正弦波，所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高（78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點是“交越失真”較大。即當信號在-0.6V~ 0.6V之間時，Q1、Q2都無法導通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設計師摒棄。AB類放大器：AB類放大器的主要特點是：晶體管的導通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點。D類放大器：D類（數(shù)字音頻功率）放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM（脈沖寬度調(diào)制）或PDM（脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號，然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點。數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數(shù)模變換器。放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路（半橋式和全橋式）和低通濾波器（LC）等四部分組成。D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的。優(yōu)點：1）具有很高的效率，通常能夠達到85%以上；2）體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間；3）無裂噪聲接通；4）低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少，便于設計調(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。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類放大器在晶體管導通與截止狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中會因其開關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少優(yōu)點。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。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D類功率放大器相同，功率放大器（圖2）功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，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(diào)寬的方法，Tripath公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放大器處理器“Digital Power Processing （DPP）”的數(shù)字功率技術(shù)，它是T類功率放大器的核心。它把通信技術(shù)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(jīng)過DPP數(shù)字處理后，用于控制功率晶體管的導通關(guān)閉。從而使音質(zhì)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(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細節(jié)在整個頻帶上都清晰可“聞”。此外，T類功率放大器的動態(tài)范圍更寬，頻率響應平坦。DDP的出現(xiàn)，把數(shù)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(tǒng)AB類功放相比有過之而無不及。

　　基本組成

　　功率放大器通常由3部分組成：前置放大器、驅(qū)動放大器、功率放大器（圖3）末級功率放大器。1、前置放大器起匹配作用，其輸入阻抗高（不小于10kΩ），可以將前面的信號大部分吸收過去，輸出阻抗低（幾十Ω以下），可以將信號大部風傳送出去。同時，它本身又是一種電流放大器，將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)化成電流信號，并給予適當?shù)姆糯蟆?、 驅(qū)動放大器起橋梁作用，它將前置放大器送來的電流信號作進一步放大，將其放大成中等功率的信號驅(qū)動末級功率放大器正常工作。如果沒有驅(qū)動放大器，末級功率放大器不可能送出大功率的聲音信號。3、末級功率放大器起關(guān)鍵作用。它將驅(qū)動放大器送來的電流信號形成大功率信號，帶動揚聲器發(fā)聲，它的技術(shù)指標決定了整個功率放大器的技術(shù)指標。

　　功放所用的有源器件組成

　　功放所用的有源器件主要是晶體管（雙極型或場效應晶體管），在工作頻率很高或要求輸出功率很大等場合，也使用電子管（包括大功率發(fā)射電子管）；在微波段使用行波管。功放按其有源器件的工作點不同可分為甲（A）類、甲乙（AB）類、乙（B）類、丙（C）類和?。―）類等。表內(nèi)列出不同工作類型的功率放大器對正弦波所能達到的最高效率。圖1表1功放常應用于廣播、通信發(fā)射機的輸出級、音響系統(tǒng)的輸出級以及控制系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的放大器等。應用場合不同，性能要求不同，電路的構(gòu)成與工作類型也不同。常用的有線性功放、諧振功放、寬帶功放電路等。為提高輸出功率，可采用功率合成技術(shù)。線性功放 用于要求非線性失真小的場合。常用電路形式有單管放大電路和推挽放大電路。單管放大電路的電路形式與電壓放大器類似，必須是甲類工作，效率最低，多用于小功率放大器。推挽放大電路由兩個有源器件構(gòu)成，分別用相位差180°的輸入信號激勵，然后將它們的輸出信號反相疊加供給負載。圖1所示的是用變壓器實現(xiàn)反相疊加的推挽放大器原理電路。這種電路理論上兩個器件可工作在乙類，而輸出無失真。但實際的有源器件特性不是完全理想的，需工作在甲乙類。推挽放大電路也可由極性相反的晶體管互補對CPNP型和NPN型雙極晶體管對或N型溝道和P型溝道的場效應管對）構(gòu)成。利用它們的互補特性構(gòu)成的電路，不需相位相差180°的兩個輸入信號，輸出信號也不需反相疊加。這種電路可全部由晶體管和電阻構(gòu)成，便于集成化，多用于集成功放中。圖2諧振功放 以諧振回路作為有源器件的負載，專門放大窄頻帶信號的放大器。這種放大器允許電流波形有很大失真，然后利用諧振回路將諧波濾除；可以使有源器件工作在丙類，以獲得高效率；多用于大功率發(fā)射機中的末級。若將諧振回路調(diào)諧在輸入信號的諧波上并選擇合適的工作點，可構(gòu)成倍頻器。寬帶功放 以傳輸線變壓器作為有源器件的負載。這種功放的上限頻率可達幾百兆赫，波段覆蓋范圍寬。傳輸線變壓器按照傳輸線和變壓器的工作原理構(gòu)成。功率合成技術(shù) 多個放大器對同一輸入信號放大，然后用合成的方法，將各放大器的輸出功率相加。圖2是功率合成原理電路，它由放大器、功率合成與分配網(wǎng)絡組成。合成與分配網(wǎng)絡常用傳輸線變壓器構(gòu)成。這種合成技術(shù)的特點是其中某一放大器工作狀態(tài)發(fā)生變化，其余放大器的工作不受影響。為進一步提高功放效率，先將輸入信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列，經(jīng)放大后再轉(zhuǎn)換成模擬信號。這種功放工作于脈沖放大，理論效率可達100%，稱為?。―）類放大器。由于有源器件的開關(guān)特性不理想，提高這類放大器的工作頻率受到限制。在功放中，由于熱損耗大，有源器件的主要發(fā)熱部分要外加散熱器，有時還要采用風冷、水冷或蒸發(fā)冷卻，以降低器件溫升。

　　選購技巧

　　選擇功率放大器的時候，首先要注意它的一些技術(shù)指標：1、輸入阻抗：通常表示功率放大器的抗干擾能力的大小，一般會在5000-15000Ω，數(shù)值越大表示抗干擾能力越強；2、失真度：指輸出信號同輸入信號相比的失真程度，數(shù)值越小質(zhì)量越好，一般在0.05%以下；3、信噪比：是指輸出信號當中音樂信號和噪音信號之間的比例，數(shù)值越大代表聲音越干凈。另外，在選購功率放大器的時候還要明確購買意愿，如果希望加裝低音炮，最好購買5聲道的功放，通常2聲道和4聲道揚聲器只能推動前后揚聲器，而低音炮只能再另配功放，5聲道功放就可以解決這個問題，功率放大器的輸出功率也要盡量大于揚聲器的額定功率。

　　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。功率放大器（圖4）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，功率放大器（圖5）它不采用選頻網(wǎng)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(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)。

　　主要指標

　　技術(shù)指標1、額定功率（rate power）：是指連續(xù)的正弦波功率，在1kHz正弦波輸入及功率放大器（圖6）一定的負載下，諧波失真小于1%所輸出的功率，表示成W/CH（瓦/聲道）。一般來說，額定功率越大，造價越高。2、總諧波失真（THD）：是指高次諧波占基波的百分比，總諧波失真越小越好，好的功率放大器的總諧波失真能達到0.02%3、轉(zhuǎn)換率（slew rate）：單位時間上升的電壓幅度，單位為伏/微秒，它反映了功率放大器對瞬態(tài)聲音信號的跟蹤能力，是一種瞬態(tài)特性指標。4、阻尼因子（damping factor）：其定義為功率放大器的負載阻抗（大功率管內(nèi)部電阻加上音箱的接線線阻），例如8Ω：0.04Ω=200：1，一般要求比值比較大，但不能太大，太大會覺得揚聲器發(fā)聲單薄，太小則會使聲音混濁，聲音層次差，聲像分布不佳。5、輸出阻抗（output impedance）（或稱額定負載阻抗）：通常有8Ω、4Ω、2Ω等值，此值越小，說明功率放大器負載能力越強。就單路而言，額定負載為2Ω的功率放大器，可以帶動4只阻抗為8Ω的音箱發(fā)聲，并且失真很小。

　　性能指標無論AV放大器和Hi-Fi功放對功率放大器要求十分嚴格，在輸出功率、頻率響應、失真度、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數(shù)等方面都有明確要求。輸出功率：輸出功率是指功放電路輸送給負載的功率。人們對輸出功率的測量方法和功率放大器（圖7）評價方法很不統(tǒng)一，使用時注意。1、額定功率（RMS）：它指在一定的諧波范圍內(nèi)功放長期工作所能輸出的最大功率（嚴格說是正弦波信號）。經(jīng)常把諧波失真度為1%時的平均功率稱為額定輸出功率或最大有用功率、持續(xù)功率、不失真功率等。很顯然規(guī)定的失真度前提不同時，額定功率數(shù)值將不相同。2、最大輸出功率：當不考慮失真大小時，功放電路的輸出功率可遠高于額定功率，還可輸出更大數(shù)值的功率，它能輸出的最大功率稱為最大輸出功率，前述額定功率與最大輸出功率是兩種不同前提條件的輸出功率。3、音樂輸出功率（MPO）：音樂輸出功率MPO是英文Music Power Outpur的縮寫，它是指功放電路工作于音樂信號時的輸出功率，也就是輸出失真度不超過規(guī)定值的條件下，功放對音樂信號的瞬間最大輸出功率。音樂輸出功率可以用來評價功放的動態(tài)聽音效果，功率放大器（圖8）例如在平穩(wěn)的音樂過程后面突然出現(xiàn)了沖擊性強的打擊樂器聲音，有的功放電路可在瞬間提供很大的輸出功率給以力度感有使不完的勁；有的功放卻顯得力不從心底氣不足。為了反映這瞬間突發(fā)性輸出功率的能力可以用音樂輸出功率來量度。4、峰值音樂輸出功率（PMPO）：它是最大音樂輸出功率，是功放電路的另一個動態(tài)指標，若不考慮失真度功放電路可輸出的最大音樂功率就是峰值音樂輸出功率。通常峰值音樂輸出功率大于音樂輸出功率，音樂輸出功率大于最大輸出功率，最大輸出功率大于額定輸出功率，經(jīng)實踐統(tǒng)計，峰值音樂輸出功率是額定輸出功率的5-8倍。頻率響應：頻率響應反映功率放大器對音頻信號各頻率分量的放大能力，功率放大器的頻響范圍應不低于人耳的聽覺頻率范圍，因而在理想情況下，主聲道音頻功率放大器的工作頻率范圍為20-20kHz。國際規(guī)定一般音頻功放的頻率范圍是40-16kHz±1.5dB。失真：失真是重放音頻信號的波形發(fā)生變化的現(xiàn)象。波形失真的原因和種類有很多，主要有諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等。動態(tài)范圍：放大器不失真的放大最小信號與最大信號電平的比值就是放大器的動態(tài)范圍。實際運用時，該比值使用dB來表示兩信號的電平差，高保真放大器的動態(tài)范圍應大于90dB。自然界的各種噪聲形成周圍的背景噪聲，而周圍的背景噪聲和演奏出現(xiàn)的聲音強度相差很大，在通常情況下，將這個強度差稱為動態(tài)范圍，優(yōu)良音響系統(tǒng)在輸入強信號時不應產(chǎn)生過載失真，而在輸入弱信號時，有不應被自身產(chǎn)生的噪聲所淹沒，為此好的音響系統(tǒng)應當具有較大的動態(tài)范圍，噪聲只能盡量減少，但不可能不產(chǎn)生噪聲。信噪比：信噪比是指聲音信號大小與噪聲信號大小的比例關(guān)系，將攻放電路輸出聲音信號電平與輸出的各種噪聲電平之比的分貝數(shù)稱為信噪比的大小。輸出阻抗和阻尼系數(shù)：1、輸出阻抗：功放輸出端與負載（揚聲器）所表現(xiàn)出的等效內(nèi)阻抗稱為功放的輸出阻抗；2、阻尼系數(shù)：阻尼系數(shù)是指功放電路給負載進行電阻尼的能力。