功率放大器如何工作的？功率放大器的类别/基本元件/主要指标

什么是功率放大器

在本文中，我们将主要讨论功率放大器的工作原理及其类别和指标。如今，无论是在全球移动通信系统、第三代移动通信系统、无线局域网（WLAN）等民用领域，还是在雷达、电子战、导航等军事领域，射频功率放大器都被用作这些系统的前端设备。对低消耗、高效率和小尺寸的要求迅速提高。

功率放大器是一种能够在给定失真率下产生最大功率输出以驱动负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在“组织和协调”整个音频系统中起着举足轻重的作用。在一定程度上，它决定了整个系统能否提供良好的声音输出。

功率放大器如何工作

功率放大器的工作原理是利用晶体管的电流控制动作或场效应管的电压控制动作，将电源的功率转换为根据输入信号变化的电流。因为声音是不同幅度、不同频率的波，也就是交流信号电流，所以三极管的集电极电流总是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大因子。如果将小信号注入基极，则流过集电极的电流将与基极电流的电流相等。然后用直电容隔离信号，电流（或电压）是大信号，是原始信号的β倍。这种现象成为三极管的放大。恒流恒压放大后，功率放大完成。

众所周知，功率放大器在RF电路的许多模块中具有最大的功率损耗。作为系统的核心和前端，其效率将直接影响系统的效率，因此效率成为现代功放研究的热点。在大多数功率放大器中，功率损耗主要是由晶体管损耗引起的，晶体管损耗主要是由电压和电流引起的。因此，提出了开关功率放大器，包括D类E类和F类。 F类功率放大器旨在通过设计谐波网络来控制漏极电压和电流波形。理论上，F类功率放大器的漏极效率为100%，称为新一代功率放大器。

由于输出电路中的功耗，传统功率放大器的效率非常低。为了提高传统功率放大器的效率，理想的F类功率放大器使用输出滤波器来控制晶体管输出电压或电流中的谐波成分，并集成晶体管的输出电压和电流波形。那么集电极电流的角度参数为90°，即集电极波形为半正弦波，集电极电压波形为方波，它们之间的相位差为λ/4。这样，集电极的电压和电流波形不会重叠，从而达到100%的理想效率。

功率放大器类别

3.1 语音播放系统

传统的数字语音播放系统由两个主要过程组成：

1. 将数字语音数据转换为模拟语音信号。（通过使用高精度数模转换器（DAC）实现）;

2. 使用模拟功率放大器放大模拟信号，例如 A 类、B 类和 AB 类放大器。自1980年代初以来，许多研究人员一直致力于开发不同类型的数字放大器。这种放大器用于直接从数字语音数据放大功率，而无需模拟转换。这种放大器通常被称为数字功率放大器或D类放大器。

3.2 A 类放大器

A类放大器的主要特点是放大器的工作点Q设置在负载线的中点附近，并且晶体管在整个输入信号期间导通。放大器可以在单管或推挽上工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，因此瞬态失真和交替失真较小。该电路简单易调试，但效率低，晶体管功耗高。理论最大效率仅为25%，并且存在较大的非线性失真。

3.3 B 类放大器

B类放大器的主要特点是放大器的静态点在（VCC，0）点。当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期中，Q1开启，Q2关闭。输出端接正半周期正弦波。同样，当Vi为负半波正弦波时，必须使用两个管子进行推挽工作。它的特点是效率更高（78%）。但是，由于放大器在非线性区域有一段工作，其缺点是“交叉失真”较大。也就是说，当信号在-0.6V~0.6V之间时，Q1Q2不能接通。所以这种放大器也逐渐被设计师抛弃了。

3.4 AB类放大器

AB类放大器的主要特点是晶体管的导通时间略长于半周期，必须用两个晶体管推挽操作，这样可以避免交叉失真。交变失真大，可以抵消偶次谐波失真。它的特点是晶体管的效率和更低的功耗。

3.5 D 类放大器

D类（数字音频功率）放大器是一种脉冲信号，可将输入模拟音频信号或PCM数字信息转换为PWM（脉宽调制）或PDM（脉冲密度调制）。然后利用PWM或PDM的脉冲信号来控制大功率开关器件的开关音频功率放大器。D类放大器具有高效率的突出优势。数字音频功率放大器似乎也是一个比特功率数模转换器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥型和全桥型）和低通滤波器（LC）四部分组成。D类放大器或数字放大器通过使用超高频开关电路来放大音频信号。

优势：

效率非常高，通常可以达到85%以上;

体积小，比模拟放大电路节省大量空间;

连接时无裂纹噪音;

低失真，良好的频率响应曲线，

周边元件少，易于设计和调试

A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。与A类放大器相比，B类和AB类推挽放大器效率更高，失真更小，晶体管功率放大器更少，散热更好。然而，B类放大器可能会因其较差的开关特性或在晶体管关断转换期间电路参数选择不当而产生交变失真。D类放大器具有高效率和低失真。频率响应曲线良好。AB类放大器和D类放大器是音频功率放大器的基本电路形式。

3.6 T类放大器

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制与D类功率放大器相同。并且功率晶体管也在开关状态下工作。功率晶体管的效率与D类功率放大器的效率相同。但是，它与普通的D类功率放大器不同。

首先，Tripath没有使用脉宽调制，而是发明了一种称为数字功率处理（DPP）的数字电源技术，这是T类功率放大器的核心。它采用自适应算法和预测算法进行通信技术中的小信号处理。输入音频信号和进入扬声器的电流由DPP进行数字处理，以控制功率晶体管的导通。因此音质可以达到高保真线性放大。

其次，其功率晶体管的开关频率不是固定的，无用元件的功率谱不是集中在载波频率两侧的窄频带上，而是分散在很宽的频带上，这样在整个频带上都能清晰地“听到”声音的细节。

此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP将数字时代的功率放大器带到一个新的高度。在高保真度方面，线性度优于AB类功率放大器。

4 功率放大器的基本元件

功率放大器通常由三部分组成：前置放大器、驱动放大器和最终功率放大器。

4.1 前置放大器

前置放大器起到匹配作用，其输入阻抗高（不小于10k Ω），可以吸收前面的大部分信号。它的输出阻抗很低（低于几十欧姆），可以将大部分信号传出去。同时，它是一种电流放大器，它将输入电压信号转换为电流信号并适当放大。

4.2 驱动放大器

驱动放大器充当电桥，放大来自前置放大器的电流信号并将其放大为中等功率信号，以驱动最终功率放大器正常工作。如果没有驱动放大器，最终功率放大器无法发出高功率声音信号。

4.3 最终功率放大器

最终的功率放大器起着关键作用。驱动放大器发送的电流信号形成高功率信号，驱动扬声器发声。其技术规格决定了整个功放的技术规格。

功率放大器主要指标

5.1 技术指标

率功率

额定功率是指连续正弦波的功率输出。在1kHz正弦波和一定负载的输入下，谐波失真小于输出功率的1%，用W/Ch（瓦特/通道）表示。一般来说，额定功率越高，成本就越高。

总谐波失真 （THD）

总谐波失真是指基波中高次谐波的百分比。总谐波失真越小越好。一个好的功率放大器的总谐波失真可以达到0.02%。

压摆率

压摆率是指单位时间增加的电压范围。单位为 V/μs 。它反映了功率放大器对瞬态声音信号的跟踪能力，是一个瞬态特性指标。

阻尼系数

阻尼系数定义为功率放大器的负载阻抗（大功率管的内阻加上扬声器的接线电阻）。例如。8Ω：0.04Ω=200：1.一般要求比较大，但不能太大。如果太大，扬声器听起来会很薄，如果太小，会使声音浑浊，声音水平差，声音和图像的分布不好。

输出阻抗（额定负载阻抗）

输出阻抗的一般值为8Ω，4Ω，2Ω。该值越小，功率放大器的负载能力越强。对于单通道，额定负载为2Ω的功率放大器可以驱动4个阻抗为8Ω的扬声器，并且失真非常小。

5.2 绩效指标

AV放大器和高保真功率放大器对功率放大器都有严格的要求，如输出功率、频率响应、失真、信噪比、输出阻抗和阻尼系数。

输出功率：

输出功率是指功率放大器电路传递到负载的功率。输出功率的测量方法和评价方法不统一，因此应注意输出功率的使用。

频率响应：

频率响应反映了功率放大器放大音频信号的每个频率分量的能力。功率放大器的频率响应范围不应低于人耳的听觉频率范围。主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20 kHz。国际标准音频功率放大器的频率范围为40-16 kHz±1.5 dB。

失真：

失真是播放音频信号波形变化的现象。波形失真的原因和类型很多，包括谐波失真、互调失真、瞬态失真等。

动态范围：

放大器不失真的最小信号与最大信号电平之比就是放大器的动态范围。在实际使用中，该比率使用dB表示两个信号之间的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 dB。

自然界中的各种噪音形成了它周围的背景噪音，背景噪音的强度和演奏的声音强度是有很大差异的。通常，强度的差异称为动态范围。一个好的音响系统在输入强信号时不应该产生过载失真，但在输入微弱信号时，不应该被自身产生的噪音淹没。因此，一个好的音响系统应该有更大的动态范围，而噪音只能尽可能降低。但是不可能不产生噪音。

信噪比：

信噪比（SNR）是指声音信号的大小与噪声信号的大小之间的比例关系。输出声信号电平与攻击和放大电路的输出噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

输出阻抗：

输出阻抗是指放大器输出端和负载（扬声器）的等效内部阻抗。

阻尼系数：

阻尼系数是指功率放大器电路对负载进行电阻氮化的能力。