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。如今，無論是在全球移動通信系統、第三代移動通信系統、無線局域網（WLAN）等民用領域，還是在雷達、電子戰、導航等軍事領域，射頻功率放大器都被用作這些系統的前端設備。對低消耗、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生最大功率輸出以驅動負載（例如揚聲器）的放大器。功率放大器在“組織和協調”整個音頻系統中起著舉足輕重的作用。在一定程度上，它決定了整個系統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作或場效應管的電壓控制動作，將電源的功率轉換為根據輸入信號變化的電流。因為聲音是不同幅度、不同頻率的波，也就是交流信號電流，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，電流（或電壓）是大信號，是原始信號的β倍。這種現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。作為系統的核心和前端，其效率將直接影響系統的效率，因此效率成為現代功放研究的熱點。在大多數功率放大器中，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計諧波網絡來控制漏極電壓和電流波形。理論上，F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，傳統功率放大器的效率非常低。為了提高傳統功率放大器的效率，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重疊，從而達到100%的理想效率。

功率放大器類別

3.1 語音播放系統

傳統的數字語音播放系統由兩個主要過程組成：

1. 將數字語音數據轉換為模擬語音信號。（通過使用高精度數模轉換器（DAC）實現）;

2. 使用模擬功率放大器放大模擬信號，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不同類型的數字放大器。這種放大器用于直接從數字語音數據放大功率，而無需模擬轉換。這種放大器通常被稱為數字功率放大器或D類放大器。

3.2 A 類放大器

A類放大器的主要特點是放大器的工作點Q設置在負載線的中點附近，并且晶體管在整個輸入信號期間導通。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，因此瞬態失真和交替失真較小。該電路簡單易調試，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是放大器的靜態點在（VCC，0）點。當沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期中，Q1開啟，Q2關閉。輸出端接正半周期正弦波。同樣，當Vi為負半波正弦波時，必須使用兩個管子進行推挽工作。它的特點是效率更高（78%）。但是，由于放大器在非線性區域有一段工作，其缺點是“交叉失真”較大。也就是說，當信號在-0.6V~0.6V之間時，Q1Q2不能接通。所以這種放大器也逐漸被設計師拋棄了。

3.4 AB類放大器

AB類放大器的主要特點是晶體管的導通時間略長于半周期，必須用兩個晶體管推挽操作，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。它的特點是晶體管的效率和更低的功耗。

3.5 D 類放大器

D類（數字音頻功率）放大器是一種脈沖信號，可將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息轉換為PWM（脈寬調制）或PDM（脈沖密度調制）。然后利用PWM或PDM的脈沖信號來控制大功率開關器件的開關音頻功率放大器。D類放大器具有高效率的突出優勢。數字音頻功率放大器似乎也是一個比特功率數模轉換器。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路（半橋型和全橋型）和低通濾波器（LC）四部分組成。D類放大器或數字放大器通過使用超高頻開關電路來放大音頻信號。

優勢：

效率非常高，通常可以達到85%以上;

體積小，比模擬放大電路節省大量空間;

連接時無裂紋噪音;

低失真，良好的頻率響應曲線，

周邊元件少，易于設計和調試

A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數字放大器。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類放大器可能會因其較差的開關特性或在晶體管關斷轉換期間電路參數選擇不當而產生交變失真。D類放大器具有高效率和低失真。頻率響應曲線良好。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制與D類功率放大器相同。并且功率晶體管也在開關狀態下工作。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沒有使用脈寬調制，而是發明了一種稱為數字功率處理（DPP）的數字電源技術，這是T類功率放大器的核心。它采用自適應算法和預測算法進行通信技術中的小信號處理。輸入音頻信號和進入揚聲器的電流由DPP進行數字處理，以控制功率晶體管的導通。因此音質可以達到高保真線性放大。

其次，其功率晶體管的開關頻率不是固定的，無用元件的功率譜不是集中在載波頻率兩側的窄頻帶上，而是分散在很寬的頻帶上，這樣在整個頻帶上都能清晰地“聽到”聲音的細節。

此外，T類功率放大器的動態范圍更寬，頻率響應平坦。DDP將數字時代的功率放大器帶到一個新的高度。在高保真度方面，線性度優于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、驅動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。它的輸出阻抗很低（低于幾十歐姆），可以將大部分信號傳出去。同時，它是一種電流放大器，它將輸入電壓信號轉換為電流信號并適當放大。

4.2 驅動放大器

驅動放大器充當電橋，放大來自前置放大器的電流信號并將其放大為中等功率信號，以驅動最終功率放大器正常工作。如果沒有驅動放大器，最終功率放大器無法發出高功率聲音信號。

4.3 最終功率放大器

最終的功率放大器起著關鍵作用。驅動放大器發送的電流信號形成高功率信號，驅動揚聲器發聲。其技術規格決定了整個功放的技術規格。

功率放大器主要指標

5.1 技術指標

率功率

額定功率是指連續正弦波的功率輸出。在1kHz正弦波和一定負載的輸入下，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。一個好的功率放大器的總諧波失真可以達到0.02%。

壓擺率

壓擺率是指單位時間增加的電壓范圍。單位為 V/μs 。它反映了功率放大器對瞬態聲音信號的跟蹤能力，是一個瞬態特性指標。

阻尼系數

阻尼系數定義為功率放大器的負載阻抗（大功率管的內阻加上揚聲器的接線電阻）。例如。8Ω：0.04Ω=200：1.一般要求比較大，但不能太大。如果太大，揚聲器聽起來會很薄，如果太小，會使聲音渾濁，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，功率放大器的負載能力越強。對于單通道，額定負載為2Ω的功率放大器可以驅動4個阻抗為8Ω的揚聲器，并且失真非常小。

5.2 績效指標

AV放大器和高保真功率放大器對功率放大器都有嚴格的要求，如輸出功率、頻率響應、失真、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數。

輸出功率：

輸出功率是指功率放大器電路傳遞到負載的功率。輸出功率的測量方法和評價方法不統一，因此應注意輸出功率的使用。

頻率響應：

頻率響應反映了功率放大器放大音頻信號的每個頻率分量的能力。功率放大器的頻率響應范圍不應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。國際標準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波形變化的現象。波形失真的原因和類型很多，包括諧波失真、互調失真、瞬態失真等。

動態范圍：

放大器不失真的最小信號與最大信號電平之比就是放大器的動態范圍。在實際使用中，該比率使用dB表示兩個信號之間的電平差，高保真放大器的動態范圍應大于90 dB。

自然界中的各種噪音形成了它周圍的背景噪音，背景噪音的強度和演奏的聲音強度是有很大差異的。通常，強度的差異稱為動態范圍。一個好的音響系統在輸入強信號時不應該產生過載失真，但在輸入微弱信號時，不應該被自身產生的噪音淹沒。因此，一個好的音響系統應該有更大的動態范圍，而噪音只能盡可能降低。但是不可能不產生噪音。

信噪比：

信噪比（SNR）是指聲音信號的大小與噪聲信號的大小之間的比例關系。輸出聲信號電平與攻擊和放大電路的輸出噪聲電平之比的分貝數稱為信噪比的大小。

輸出阻抗：

輸出阻抗是指放大器輸出端和負載（揚聲器）的等效內部阻抗。

阻尼系數：

阻尼系數是指功率放大器電路對負載進行電阻氮化的能力。