一文了解功率放大器的類別
在電子學(xué)中，放大器是最常用的電路器件，具有巨大的應(yīng)用可能性。在音頻相關(guān)的電子產(chǎn)品中，前置放大器和功率放大器是兩種不同類型的放大器系統(tǒng)，用于與聲音放大相關(guān)的目的。但是，除了這種特定于應(yīng)用的目的之外，各種類型的放大器也存在巨大差異，主要是功率放大器。因此，在這里我們將探討不同類別的放大器及其優(yōu)缺點(diǎn)。
使用字母的放大器分類
放大器類別是放大器性能和特性的標(biāo)識(shí)。不同類型的功率放大器在通過它們時(shí)會(huì)給出不同的響應(yīng)。根據(jù)它們的規(guī)格，放大器被分配了不同的字母或字母來代表它們的類別。有不同類別的放大器，從A、B、C、AB、D、E、F、T等開始。在這些類別中，最常用的音頻放大器類別是A、B、AB、C。其他類別是使用開關(guān)拓?fù)浜蚉WM（脈沖寬度調(diào)制）的現(xiàn)代放大器技術(shù)來驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載。有時(shí)，傳統(tǒng)類的改進(jìn)版本被分配一個(gè)字母來將它們分類為不同的放大器類，例如G類放大器是B類或AB類放大器的改進(jìn)放大器類。
放大器的等級(jí)代表電流通過放大器時(shí)的輸入周期比例。輸入周期是來自放大器輸入中的正弦波傳導(dǎo)的傳導(dǎo)角。這個(gè)導(dǎo)通角與放大器在整個(gè)周期內(nèi)的開啟時(shí)間高度成正比。如果放大器在一個(gè)周期內(nèi)始終處于開啟狀態(tài)，則導(dǎo)通角將為360度。因此，如果放大器提供360度導(dǎo)通角，則放大器使用完整的輸入信號(hào)，并且有源元件在完整的正弦周期的100%時(shí)間段內(nèi)傳導(dǎo)。
下面，我們將展示傳統(tǒng)的功率放大器類別，包括A、B、AB和C類，并展示廣泛用于開關(guān)設(shè)計(jì)的D類放大器。這些類不僅用于功率放大器，還用于音頻放大器電路。
A類放大器
A類放大器是具有高線性度的高增益放大器。對(duì)于A類放大器，導(dǎo)通角為360度。如上所述，360度導(dǎo)通角意味著放大器設(shè)備在整個(gè)時(shí)間內(nèi)保持活動(dòng)狀態(tài)并使用完整的輸入信號(hào)。下圖顯示了理想的A類放大器。
正如我們?cè)趫D像中看到的，有一個(gè)有源元件，一個(gè)晶體管。晶體管的偏置始終保持開啟。由于這種永不關(guān)閉的特性，A類放大器提供了更好的高頻和反饋環(huán)路穩(wěn)定性。除了這些優(yōu)勢之外，A類放大器還易于使用單個(gè)器件組件和最少的部件數(shù)來構(gòu)建。
盡管具有優(yōu)點(diǎn)和高線性度，但當(dāng)然，它也有許多局限性。由于連續(xù)導(dǎo)電的性質(zhì)，A類放大器會(huì)引入高功率損耗。此外，由于高線性度，A類放大器會(huì)產(chǎn)生失真和噪聲。電源和偏置結(jié)構(gòu)需要仔細(xì)選擇元件，以避免不必要的噪聲并將失真降至最低。
由于甲類放大器的功率損耗較大，因此會(huì)發(fā)熱，需要較大的散熱空間。A類放大器的效率非常差，理論上，如果與通常的配置一起使用，效率會(huì)在25%到30%之間變化。使用電感耦合配置可以提高效率，但這種情況下的效率不超過45-50%，因此僅適用于低信號(hào)或低功率電平的放大用途。
B類放大器
B類放大器與A類有點(diǎn)不同。它是使用兩個(gè)有源器件創(chuàng)建的，它們傳導(dǎo)實(shí)際周期的一半，即周期的180度。兩個(gè)器件為負(fù)載提供組合電流驅(qū)動(dòng)。
在上圖中，顯示了理想的B類放大器配置。它由兩個(gè)有源器件組成，它們?cè)谡也ǖ恼?fù)半周期內(nèi)被一一偏置，因此信號(hào)從正負(fù)側(cè)被推或拉到放大電平，并結(jié)合我們?cè)谳敵龆双@得完整周期的結(jié)果.每個(gè)器件在半個(gè)周期內(nèi)開啟或激活，因此效率得到提高，與A類放大器25-30%的效率相比，它理論上提供了60%以上的效率。我們可以在下圖中看到每個(gè)設(shè)備的輸入和輸出信號(hào)圖。B類放大器的效率不超過78%。此類中的散熱最小化，提供了低散熱空間。
但是，這個(gè)類也有局限性。此類的一個(gè)非常深刻的限制是交叉失真。由于兩個(gè)設(shè)備提供了正弦波的每一半，這些正弦波在輸出端組合并連接，因此在組合兩半的區(qū)域中存在失配（交叉）。這是因?yàn)楫?dāng)一臺(tái)設(shè)備完成半個(gè)周期時(shí)，另一臺(tái)需要在幾乎同時(shí)完成工作的同時(shí)提供相同的功率。很難在A類放大器中修復(fù)此錯(cuò)誤，因?yàn)樵诨顒?dòng)設(shè)備期間，另一個(gè)設(shè)備完全不活動(dòng)。該誤差使輸出信號(hào)失真。由于這個(gè)限制，它是精密音頻放大器應(yīng)用的主要失敗。
AB類放大器
克服交叉失真的另一種方法是使用AB放大器。AB類放大器使用A類和B類的中間導(dǎo)通角，因此我們可以在這種AB類放大器拓?fù)渲锌吹紸類和B類放大器的屬性。與B類相同，它具有相同的配置，兩個(gè)有源器件在半個(gè)周期內(nèi)單獨(dú)導(dǎo)通，但每個(gè)器件的偏置不同，因此它們?cè)诓豢捎脮r(shí)刻（交叉時(shí)刻）不會(huì)完全關(guān)閉。每個(gè)設(shè)備在完成半個(gè)正弦波形后不會(huì)立即離開導(dǎo)通，而是在另一個(gè)半周期進(jìn)行少量輸入。使用這種偏置技術(shù)，死區(qū)期間的交叉失配會(huì)大大減少。
但在這種配置中，效率會(huì)降低，因?yàn)槠骷木€性度會(huì)受到影響。效率仍然高于典型A類放大器的效率，但低于B類放大器系統(tǒng)。此外，需要仔細(xì)選擇具有完全相同額定值的二極管，并且需要盡可能靠近輸出設(shè)備放置。在某些電路結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)人員傾向于添加小阻值電阻，以在器件上提供穩(wěn)定的靜態(tài)電流，從而最大限度地減少輸出失真。
C類放大器
除了A、B和AB類放大器之外，還有另一個(gè)放大器C類。它是一種傳統(tǒng)放大器，其工作方式與其他放大器類不同。C類放大器是調(diào)諧放大器，它以兩種不同的工作模式工作，調(diào)諧或非調(diào)諧。C類放大器的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過A、B和AB。在射頻相關(guān)操作中可實(shí)現(xiàn)最高80%的效率
C類放大器使用小于180度的導(dǎo)通角。在未調(diào)諧模式期間，放大器配置中省略了調(diào)諧器部分。在此操作中，C類放大器也會(huì)在輸出端產(chǎn)生巨大的失真。
當(dāng)電路暴露于調(diào)諧負(fù)載時(shí)，電路將輸出偏置電平鉗位為平均輸出電壓等于電源電壓。調(diào)諧操作稱為鉗位。在此操作過程中，信號(hào)得到了適當(dāng)?shù)男螤?，中心頻率的失真也減少了。
在典型應(yīng)用中，C類放大器的效率為60-70%。
D類放大器
D類放大器是一種使用脈沖寬度調(diào)制或PWM的開關(guān)放大器。在直接輸入信號(hào)隨脈寬變化而變化的情況下，導(dǎo)通角不是一個(gè)因素。
在這個(gè)D類放大器系統(tǒng)中，不接受線性增益，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鞣绞骄拖褚粋€(gè)典型的開關(guān)，只有兩個(gè)操作，ON或OFF。
在處理輸入信號(hào)之前，模擬信號(hào)通過各種調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖流，然后應(yīng)用到放大器系統(tǒng)中。由于脈沖持續(xù)時(shí)間與模擬信號(hào)有關(guān)，因此在輸出端使用低通濾波器再次對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)。
D類放大器是A、B、AB以及C和D段中功率效率最高的放大器類。它的散熱量較小，因此需要較小的散熱器。該電路需要各種開關(guān)元件，例如具有低導(dǎo)通電阻的MOSFET。
它是數(shù)字音頻播放器或控制電機(jī)中廣泛使用的拓?fù)洹５覀儜?yīng)該記住，它不是數(shù)字轉(zhuǎn)換器。雖然，對(duì)于更高的頻率，D類放大器并不是一個(gè)完美的選擇，因?yàn)樗谏贁?shù)情況下具有帶寬限制，具體取決于低通濾波器和轉(zhuǎn)換器模塊的能力。
其他放大器類
除了傳統(tǒng)放大器之外，還有幾個(gè)類別，分別是E類、F類、G類和H類。
E類放大器是一種高效的功率放大器，它使用開關(guān)拓?fù)洳⒐ぷ髟谏漕l中。單極開關(guān)元件和調(diào)諧電抗網(wǎng)絡(luò)是與E類放大器一起使用的主要組件。
F類是諧波方面的高阻抗放大器。它可以使用方波或正弦波驅(qū)動(dòng)。對(duì)于正弦波輸入，該放大器可以使用電感器進(jìn)行調(diào)諧，并可用于增加增益。
圖：ATA-4315高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)
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