率放大器

率放大器简介

　　功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

　　工作原理

　　利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。

率放大器百科

　　功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

　　工作原理

　　利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。

　　主要种类

　　传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：1、数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；2、利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。A类放大器：A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低。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）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。AB类放大器：AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。D类放大器：D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器。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（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。优点：1）具有很高的效率，通常能够达到85%以上；2）体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间；3）无裂噪声接通；4）低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。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。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。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。T类放大器：T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率放大器（图2）功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是：首先，它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing （DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。其次，它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

　　基本组成

　　功率放大器通常由3部分组成：前置放大器、驱动放大器、功率放大器（图3）末级功率放大器。1、前置放大器起匹配作用，其输入阻抗高（不小于10kΩ），可以将前面的信号大部分吸收过去，输出阻抗低（几十Ω以下），可以将信号大部风传送出去。同时，它本身又是一种电流放大器，将输入的电压信号转化成电流信号，并给予适当的放大。2、 驱动放大器起桥梁作用，它将前置放大器送来的电流信号作进一步放大，将其放大成中等功率的信号驱动末级功率放大器正常工作。如果没有驱动放大器，末级功率放大器不可能送出大功率的声音信号。3、末级功率放大器起关键作用。它将驱动放大器送来的电流信号形成大功率信号，带动扬声器发声，它的技术指标决定了整个功率放大器的技术指标。

　　功放所用的有源器件组成

　　功放所用的有源器件主要是晶体管（双极型或场效应晶体管），在工作频率很高或要求输出功率很大等场合，也使用电子管（包括大功率发射电子管）；在微波段使用行波管。功放按其有源器件的工作点不同可分为甲（A）类、甲乙（AB）类、乙（B）类、丙（C）类和丁（D）类等。表内列出不同工作类型的功率放大器对正弦波所能达到的最高效率。图1表1功放常应用于广播、通信发射机的输出级、音响系统的输出级以及控制系统驱动执行机构的放大器等。应用场合不同，性能要求不同，电路的构成与工作类型也不同。常用的有线性功放、谐振功放、宽带功放电路等。为提高输出功率，可采用功率合成技术。线性功放 用于要求非线性失真小的场合。常用电路形式有单管放大电路和推挽放大电路。单管放大电路的电路形式与电压放大器类似，必须是甲类工作，效率最低，多用于小功率放大器。推挽放大电路由两个有源器件构成，分别用相位差180°的输入信号激励，然后将它们的输出信号反相叠加供给负载。图1所示的是用变压器实现反相叠加的推挽放大器原理电路。这种电路理论上两个器件可工作在乙类，而输出无失真。但实际的有源器件特性不是完全理想的，需工作在甲乙类。推挽放大电路也可由极性相反的晶体管互补对CPNP型和NPN型双极晶体管对或N型沟道和P型沟道的场效应管对）构成。利用它们的互补特性构成的电路，不需相位相差180°的两个输入信号，输出信号也不需反相叠加。这种电路可全部由晶体管和电阻构成，便于集成化，多用于集成功放中。图2谐振功放 以谐振回路作为有源器件的负载，专门放大窄频带信号的放大器。这种放大器允许电流波形有很大失真，然后利用谐振回路将谐波滤除；可以使有源器件工作在丙类，以获得高效率；多用于大功率发射机中的末级。若将谐振回路调谐在输入信号的谐波上并选择合适的工作点，可构成倍频器。宽带功放 以传输线变压器作为有源器件的负载。这种功放的上限频率可达几百兆赫，波段覆盖范围宽。传输线变压器按照传输线和变压器的工作原理构成。功率合成技术 多个放大器对同一输入信号放大，然后用合成的方法，将各放大器的输出功率相加。图2是功率合成原理电路，它由放大器、功率合成与分配网络组成。合成与分配网络常用传输线变压器构成。这种合成技术的特点是其中某一放大器工作状态发生变化，其余放大器的工作不受影响。为进一步提高功放效率，先将输入信号转换成脉冲序列，经放大后再转换成模拟信号。这种功放工作于脉冲放大，理论效率可达100%，称为丁（D）类放大器。由于有源器件的开关特性不理想，提高这类放大器的工作频率受到限制。在功放中，由于热损耗大，有源器件的主要发热部分要外加散热器，有时还要采用风冷、水冷或蒸发冷却，以降低器件温升。

　　选购技巧

　　选择功率放大器的时候，首先要注意它的一些技术指标：1、输入阻抗：通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在5000-15000Ω，数值越大表示抗干扰能力越强；2、失真度：指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好，一般在0.05%以下；3、信噪比：是指输出信号当中音乐信号和噪音信号之间的比例，数值越大代表声音越干净。另外，在选购功率放大器的时候还要明确购买意愿，如果希望加装低音炮，最好购买5声道的功放，通常2声道和4声道扬声器只能推动前后扬声器，而低音炮只能再另配功放，5声道功放就可以解决这个问题，功率放大器的输出功率也要尽量大于扬声器的额定功率。

　　常见种类

　　射频功率放大器：射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能的小，以避免对其他频道产生干扰。高频功率放大器：高频功率放大器用于发射级的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收级可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。功率放大器（图4）按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100%，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗（集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，功率放大器（图5）它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。

　　主要指标

　　技术指标1、额定功率（rate power）：是指连续的正弦波功率，在1kHz正弦波输入及功率放大器（图6）一定的负载下，谐波失真小于1%所输出的功率，表示成W/CH（瓦/声道）。一般来说，额定功率越大，造价越高。2、总谐波失真（THD）：是指高次谐波占基波的百分比，总谐波失真越小越好，好的功率放大器的总谐波失真能达到0.02%3、转换率（slew rate）：单位时间上升的电压幅度，单位为伏/微秒，它反映了功率放大器对瞬态声音信号的跟踪能力，是一种瞬态特性指标。4、阻尼因子（damping factor）：其定义为功率放大器的负载阻抗（大功率管内部电阻加上音箱的接线线阻），例如8Ω：0.04Ω=200：1，一般要求比值比较大，但不能太大，太大会觉得扬声器发声单薄，太小则会使声音混浊，声音层次差，声像分布不佳。5、输出阻抗（output impedance）（或称额定负载阻抗）：通常有8Ω、4Ω、2Ω等值，此值越小，说明功率放大器负载能力越强。就单路而言，额定负载为2Ω的功率放大器，可以带动4只阻抗为8Ω的音箱发声，并且失真很小。

　　性能指标无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。输出功率：输出功率是指功放电路输送给负载的功率。人们对输出功率的测量方法和功率放大器（图7）评价方法很不统一，使用时注意。1、额定功率（RMS）：它指在一定的谐波范围内功放长期工作所能输出的最大功率（严格说是正弦波信号）。经常把谐波失真度为1%时的平均功率称为额定输出功率或最大有用功率、持续功率、不失真功率等。很显然规定的失真度前提不同时，额定功率数值将不相同。2、最大输出功率：当不考虑失真大小时，功放电路的输出功率可远高于额定功率，还可输出更大数值的功率，它能输出的最大功率称为最大输出功率，前述额定功率与最大输出功率是两种不同前提条件的输出功率。3、音乐输出功率（MPO）：音乐输出功率MPO是英文Music Power Outpur的缩写，它是指功放电路工作于音乐信号时的输出功率，也就是输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。音乐输出功率可以用来评价功放的动态听音效果，功率放大器（图8）例如在平稳的音乐过程后面突然出现了冲击性强的打击乐器声音，有的功放电路可在瞬间提供很大的输出功率给以力度感有使不完的劲；有的功放却显得力不从心底气不足。为了反映这瞬间突发性输出功率的能力可以用音乐输出功率来量度。4、峰值音乐输出功率（PMPO）：它是最大音乐输出功率，是功放电路的另一个动态指标，若不考虑失真度功放电路可输出的最大音乐功率就是峰值音乐输出功率。通常峰值音乐输出功率大于音乐输出功率，音乐输出功率大于最大输出功率，最大输出功率大于额定输出功率，经实践统计，峰值音乐输出功率是额定输出功率的5-8倍。频率响应：频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不低于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20-20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40-16kHz±1.5dB。失真：失真是重放音频信号的波形发生变化的现象。波形失真的原因和种类有很多，主要有谐波失真、互调失真、瞬态失真等。动态范围：放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90dB。自然界的各种噪声形成周围的背景噪声，而周围的背景噪声和演奏出现的声音强度相差很大，在通常情况下，将这个强度差称为动态范围，优良音响系统在输入强信号时不应产生过载失真，而在输入弱信号时，有不应被自身产生的噪声所淹没，为此好的音响系统应当具有较大的动态范围，噪声只能尽量减少，但不可能不产生噪声。信噪比：信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。输出阻抗和阻尼系数：1、输出阻抗：功放输出端与负载（扬声器）所表现出的等效内阻抗称为功放的输出阻抗；2、阻尼系数：阻尼系数是指功放电路给负载进行电阻尼的能力。