功率放大器種類

傳統的數字語音回放系統包含兩個主要過程：
　　（1）數字語音數據到模擬語音信號的變換(利用高精度數模轉換器DAC)實現；
　　（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不同類型的數字放大器，這種放大器直接從數字語音數據實現功率放大而不需要進行模擬轉換，這樣的放大器通常稱作數字功率放大器或者D類放大器。
　　1、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，所以瞬態失真和交替失真較小。電路簡單，調試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功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 現在設計基本上不在再使用。
　　2、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)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，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(如圖虛線部分所示)，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域內，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。
　　3、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。
　　4、D類放大器
　　D類(數字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息變換成PWM(脈沖寬度調制)或PDM(脈沖密度調制)的脈沖信號,然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關放大器。具有效率高的突出優點.數字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數模變換器.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(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開關電路來放大音頻信號的。
　　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。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的轉換過程中會因其開關特性不佳或因電路參數選擇不當而產生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應曲線好。外圍元器件少優點。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。　
　　5、T類放大器
　　T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調制D類功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開關狀態，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：1、它不是使用脈沖調寬的方法，Tripath公司發明了一種稱作數碼功率放大器處理器“Digital Power Processing （DPP）”的數字功率技術，它是T類功率放大器的核心。它把通信技術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過DPP數字處理后，用于控制功率晶體管的導通關閉。從而使音質達到高保真線性放大。2、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狹窄的頻帶內，而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細節在整個頻帶上都清晰可“聞”。3、此外，T類功率放大器的動態范圍更寬，頻率響應平坦。DDP的出現，把數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AB類功放相比有過之而無不及。
功率放大器選購
　　選擇功率放大器的時候，首先要注意它的一些技術指標：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，數值越小質量越好，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自己的購買意愿，如果您希望加裝低音炮，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。

功率放大器原理
　　高頻功率放大器用于發射機的末級，作用是將高頻已調波信號進行功率放大，以滿足發送功率的要求，然后經過天線將其輻射到空間，保證在一定區域內的接收機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中發送裝置的重要組件。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，因此又稱為非調諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它將電源供給的直流能量轉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。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。丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高者。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，只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調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外，又有使電子器件工作于開關狀態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轉換瞬間所產生的器件功耗(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。我們已經知道，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換為交流輸出的能量轉換器。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的區別。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；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）。近年來，寬頻帶發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，它不采用選頻網絡作為負載回路，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變換工作頻率，而不必重新調諧。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，因而負載網絡和工作狀態也不同。
　　高頻功率放大器的主要技術指標有：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有直接的關系。放大器的工作狀態可分為甲類、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域。但這些工作狀態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大，不能采用諧振回路作負載，因此一般工作在甲類狀態；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，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。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態方便，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，或放大窄帶已調信號或實現倍頻的功能，通常工作于乙類、丙類狀態。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的繁瑣調諧。通常工作于甲類狀態。

功率放大器的性能指標
　　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等方面都有明確要求。
　　（一）、輸出功率
　　輸出功率是指功放電路輸送給負載的功率。目前人們對輸出功率的測量方法和評價方法很不統一，使用時注意。
　　1、額定功率（RMS）
　　它指在一定的諧波范圍內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、持續功率、不失真功率等。很顯然規定的失真度前提不同時，額定功率數值將不相同。
　　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聽音效果，例如在平穩的音樂過程后面突然出現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，經實踐統計，峰值音樂輸出功率是額定輸出功率的5-8倍。
　　（二）、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底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。國際規定一般音頻功放的頻率范圍是40-16 kHz±1.5dB。
　　（三）、失真
　　失真是重放音頻信號的波形發生變化的現象。波形失真的原因和種類有很多，主要有諧波失真、互調失真、瞬態失真等。
　　（四）、動態范圍
　　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范圍應大于90 dB。
　　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范圍，優良音響系統在輸入強信號時不應產生過載失真，而在輸入弱信號時，有不應被自身產生的噪聲所淹沒，為此好的音響系統應當具有較大的動態范圍，噪聲只能盡量減少，但不可能不產生噪聲。
　　（五）、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稱為信噪比的大小。
　　（六）、輸出阻抗和阻尼系數
　　1、輸出阻抗
　　功放輸出端與負載（揚聲器）所表現出的等效內阻抗稱為功放的輸出阻抗。
　　2、阻尼系數
　　阻尼系數是指功放電路給負載進行電阻尼的能力。
功率放大器術語詳解
　　工作范圍
　　工作范圍是指功率放大器在規定的失真度和額定輸出功率條件下的工作頻帶寬度，即功率放大器的最低工作頻率至最高工作頻率之間的范圍，單位Hz（赫茲）。放大器實際的工作頻率范圍可能會大于定義的工作頻率范圍。
　　工作模式
　　功率放大器的工作模式主要有以下幾種：
　　時分雙工（TDD）模式：
　　在TDD模式的移動通信系統中，接收和傳送在同一頻率信道（即載波）的不同時隙，用保證時間來分離接收和傳送信道。
　　TDD系統有如下特點：
　　（1）不需要成對的頻率，能使用各種頻率資源，適用于不對稱的上下行數據傳輸速率，特別適用于IP型的數據業務；
　　（2）上下行工作于同一頻率，電波傳播的對稱特性使之便于使用智能天線等新技術，達到提高性能、降低成本的目的；
　　時分多址（TDMA）模式：
　　TDMA是時分多址（Time Division Multiple Access）的英文縮寫。同一頻率的載波在某一特定時間內，分成若干相等的小時間段，供多個不同號碼的用戶使用不同的小時間段來實現連接的通信方式。簡而言之，它是將一個狹窄的無線頻道分割成框架性的時間片斷（特別是3和8），并將每一個時間片斷分配給每一個用戶的數字無線技術。
　　傳輸增益
　　
　　指放大器輸出功率和輸入功率的比值，單位常用“dB”（分貝）來表示。功率放大器的輸出增益隨輸入信號頻率的變化而提升或衰減。這項指標是考核功率放大器品質優劣的最為重要的一項依據。該分貝值越小，說明功率放大器的頻率響應曲線越平坦，失真越小，信號的還原度和再現能力越強。
　　輸出功率
　　功率放大器的功率指標嚴格來講又有標稱輸出功率和最大瞬間輸出功率之分。前者就是額定輸出功率，它可以解釋為諧波失真在標準范圍內變化、能長時間安全工作時輸出功率的最大值；后者是指功率放大器的“峰值”輸出功率，它解釋為功率放大器接受電信號輸入時，在保證信號不受損壞的前提下瞬間所能承受的輸出功率最大值。
　　接收增益
　　增益是天線的主要指標之一，它是方向系數與效率的乘積，是天線輻射或接收電波大小的表現。增益大小的選擇取決于系統設計對電波覆蓋區域的要求，簡單地說，在同等條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。而功率放大器的接收增益值越大，則接收性能越強。
　　避雷保護
　　常見的直擊避雷保護措施：
　　① 避雷針：避雷針用來保護工業與民用高層建筑以及發電廠、變壓所的屋外配電裝置、輸電線路個別區段、在雷電先導電路向地面延伸過程中，由于受到避雷針畸變電路的影響，會逐漸轉向并擊中避雷針，從而避免了雷電先導向被保護設備，擊毀被保護設備和建筑的可能性。由此可見，避雷針實際上是引雷針，它將雷電引向自己，從而保護其它設備免遭雷擊。
　　② 避雷線：避雷線也叫架空地線，它是沿線路架設在桿塔頂端，并具有良好接地的金屬導線，避雷線是輸電線路的主要防雷保護措施。
　　③ 避雷帶、避雷網：在建筑物上沿屋角、屋脊、檐角和屋檐等易受雷擊部位敷設的金屬網格，主要用于保護高大的民用建筑。
　　浪涌保護
　　浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質上講，浪涌是發生在僅僅幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖，。可能引起浪涌的原因有：重型設備、短路、電源切換或大型發動機。而含有浪涌阻絕裝置的產品可以有效地吸收突發的巨大能量，以保護連接設備免于受損。
　　浪涌保護器，也叫信號防雷保護器，是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。

阻抗匹配及防護措施（圖）
　　對于主要作用是向負載提供功率的放大電路通常稱為功率放大電路，其主要特點如下：一是輸出功率是指交變電壓和交變電流的乘積，即交流功率；二是交流功率是在輸入為正弦波、輸出波形基本不失真時定義的；三是輸出功率大，因而消耗在電路內的能量和電源提供的能量也大；四是晶體管常常工作在極限應用狀態，由此要考慮必要的散熱措施和過電流、過電壓的保護措施。下面就功率放大器的阻抗匹配及防護措施作以扼要介紹。
　　一、功率放大器的阻抗匹配
　　在所有電子音像設備中，都有一個功率輸出的最佳方案問題，即為了獲得最大的功率輸出而又不增加電路的投資經費，這就是功率放大器與揚聲器系統的最佳組合。
　　功率放大器組合的目的是為了達到最小的設備投資而獲得最大的功率輸出，以圖1互補型功率放大電路為例：和為功放朱級，工作于低偏置甲乙類互補狀態。它的輸出功率近似于乙類狀態。
　　為了達到最大輸出功率，所以負載的大小應該使功率管的電流輸出和電壓輸出的乘積最大，這時的狀態稱為功率匹配狀態。在音響設備的揚聲器系統中音響的輸出阻抗應為揚聲器組合狀態的總阻抗，這樣音響的輸出功率才是標明的額定標準功率，否則音響的輸出功率就達不到要求。
　　例如：音響標準接頭上標明是4Ω、100W，那么該接頭上的阻抗就是兩個8Q揚聲器的并聯，每個揚聲器可得到50W，這樣綜合揚聲器系統，就是4Ω、100W，否則不能實現100w的功率輸出。
　　二、功率放大器的防護
　　功率管是功率放大電路中最容易受到損壞的器件，損壞的大部分原因是由于管子的實際耗散功率超過了額定數值。另外，若功率放大器與揚聲器失配或揚聲器使用中長期過載，也極易損壞揚聲器(或音箱)，因此，在音響設備中，防護的目的是保護昂貴的功放和揚聲器，所以對電源、功放、音箱的過載和短路保護是完全必要的。
　　1．電源保護：圖2是分立元件穩壓電路，電路中Ri的是過載電流取樣電阻，當其電壓大于0.7V時，V13導通，集電極電位下降，調整管V11斷開，限制電源輸出電流。
　　圖3是可調輸出電壓模塊，功耗達70W，電流可達10A，電壓調整率為20.8％，輸出電壓為1.25～15V，且有短路保護。
　　當使用開關電源時(例如芯片CWl225)，則有專門的保護控制端第⑩腳，只要輸入過電流或過電壓信號，即可達到保護目的。
　　2．功放級晶體管保護：功率放大晶體管除在使用中必須注意環境溫度及選用合適的散熱器外，主要是考慮過電流和過電壓保護問題，目前應用的集成電路都設有限流保護和熱切斷保護功能(如HAl350、HA2211、LM2879等)，所以在自制功放時須注意過壓保護，如圖4所示。依靠R內(電源內阻)和Vl、V2的擊穿，使過電壓不能升高而保護Vl、V2。
　　3．音箱揚聲器系統保護：音響系統的保護有兩種意義：一種是音響揚聲器的過載；另一種不是音頻功率的過大、而是直流電位的偏移，導致無電容隔離的OCL或BTL電路揚聲器燒毀。過載時，功放電路已經有保護無須另外考慮，這里僅介紹直流偏移組合音響保護電路。
　　圖5為組合音響保護電路。從圖中可以看出，當左、右聲道送入音箱的聲音信號，經過R1、R2被電容C2、C3旁路而無直流偏移時，整流橋無直流輸出，V11截止，V12、V13導通，繼電器K吸合，左、右聲頻信號經保險絲F輸出；當存在直流偏移時，整流橋輸出使V11導通，V12、V13截止，繼電器K釋放切斷了音頻信號，保護音箱。
　　電路中C2、C3是濾波電容，C4具有開關機時延時接通音箱功能，避免開機時的沖擊噪聲，V則具有短路K的斷電反電動勢作用，保護V12、V13晶體管。
功率放大電流的特點
　　對功放電路的了解或評價，主要從輸出功率、效率和失真這三方面考慮。
　　1、為得到需要的輸出功率，電路須選集電極功耗足夠大的三極管，功放管的工作電流和集電極電壓也較高。電路設計使用中首先要考慮怎樣充分地發揮三極管功能而又不損壞三極管。由于電路中功放管工作狀態常接近極限值，所以功放電流調整和使用時要小心，不宜超限使用。
　　2、從能耗方面考慮，功放輸出的功率最終是由電源提供的，例如收音機中功放耗電要占整機的2/3，因此要十分注意提高電路效率，即輸出功率與耗電功率的比值。
　　3、功放電路的輸入信號已經幾級放大，有足夠強度，這會使功放管工作點大幅度移動，所以要求功放電路有較大的動態范圍。功放管的工作點選擇不當，輸出會有嚴重失真。
　　國內和國際功率放大器廠商：
　　1. 北京瑯拓科電子設備有限公司是專業生產射頻及微波功率放大器的廠商，其頻率覆蓋100KHz 到18GHz，功率從1W - 1KW不等，同時接受其他公司的訂購。
　　2.國際上有AR，RFHIC ，Alfa，Acom等公司