1 概述

功率放大器是一種能夠將低幅度電壓或電流信號放大，取得更高功率輸出的電路，包括提高輸出電壓、電流或者改變源阻抗。功率放大器精確復現輸入信號，即電壓波形和電流波形，或者至少部分復現，比如僅復現功率包絡或保證頻譜一致。功率放大器分類反映了早期廣播電臺射頻信號放大器的產品設計迭代，輸出結構分類則反映了音頻功放設計的迭代。因其典型性和代表性，這些分類的概念被廣泛接受，功率放大器的主力應用也從射頻、音頻拓展到了各種致動器、執行器，例如自動化設備中的電磁執行器（馬達驅動波形合成、調節閥位控、磁懸吊控制），高頻加熱和激元驅動。

2 工作狀態分類

功率放大器根據其工作狀態分為 Class A、Class B、Class C、Class D、Class E、Class F 及 Class G 等 1。其中，Class A、Class B 和Class C 通過調整晶體管的導通程度來實現對輸入信號的放大，信號輸出擺幅與輸入信號全部或部分保留了比例關系；這三個分類輸出與輸入保持比例關系的擺幅與電源電壓之間的關系不同，或者說電源電壓空間的利用率不同。Class D、Class E、Class F 和 Class G是開關態的，即輸出在地和電源電壓之間跳變、輸出幅度跟輸入信號的幅度沒有直接關系；這幾類放大器都需要輸出路徑上的儲能槽路（即濾波節）來把開關狀態的輸出調理成與輸入成比例的有效輸出（Class B 和Class C 輸出幅度中部分與輸入幅度成比例，也需要利用儲能槽路減小輸出信號的失真）。

2.1 Class A 放大器

晶體管在整個輸入信號周期內都保持導通狀態，輸出信號的擺幅在電源電壓范圍內。Class A 放大器輸出信號示意如圖 1 所示。

圖 1 Class A 放大器輸出信號示意圖

2.2Class B 放大器

晶體管僅在輸入信號的半個周期內導通，輸出信號擺幅只保留一半在電源電壓范圍內。Class B

放大器輸出信號示意如圖 2 所示，實線表示實際輸出波形，虛線表示沒有傳遞到輸出的部分。

圖 2 Class B 放大器輸出信號示意圖

2.3Class C 放大器

晶體管的導通時間小于輸入信號的半個周期，即僅有小于半周期的輸出信號擺幅在電源電壓范圍內，并且輸出為包含一部分基波功率的方波。Class C 放大器輸出信號示意如圖 3 所示，實線表示實際輸出波形，虛線表示沒有傳遞到輸出的部分。

由下圖可看出，Class C 放大器產生的失真大，輸出信號富含諧波成分，需要在其輸出路徑上利用濾波器濾除高次諧波；同時波形頂部保留了信號的原始形狀，這部分是有用的諧波信息。Class C是對Class B 的折中改進，比 Class B 的功率利用率高，諧波失真也大于 Class B。

圖 3 Class C 放大器輸出信號示意圖

2.4 Class D 放大器

Class D 放大器 2采用脈寬調制（PWM）技術，利用輸入模擬信號的幅度控制電壓斬波的輸出寬度，生成占空比正比于輸入模擬信號幅度的 PWM 序列。PWM 序列的方波經低通濾波器進行濾波去除高頻成分，還原為模擬信號輸出[1]。Class D 放大器工作模式波形示意如圖 4 所示。

圖 4 Class D 放大器工作模式波形示意圖

2.5 Class E 放大器

Class E 放大器的原理與 Class D 一樣，是 Class D 的電流對偶。將圖 4 中的PWM 信號轉換為脈沖電流序列，經過濾波后該電流的平均值與需要的輸出電流一致。

Tips：電壓斬波輸出不能直接連接容性負載。方波電壓接入電容相當于發生了一次短路，過大的浪涌電流會導致開關損壞。同樣地，電流斬波輸出不能直接向感性負載輸出。方波電流接入電感時瞬時產生高壓，導致開關承受過大的電壓應力。在 Class D 和 Class E 放大器的斬波開關輸出節點需要根據負載電容和電感串入補償電感或電容來補償負載的容性或感性，減小開關的電流和電壓應力。配置這部分補償電感或電容的目的并不是濾除斬波輸出中的諧波，但可以與濾波需要的電感或電容合并設計。

2.6 Class F 放大器

Class F 放大器可以看作是在一個周期波形內只輸出一次斬波脈沖的 Class D 放大器。Class F 通常用于調幅電臺和調頻電臺的載波放大，即對一連串的周期波形放大。將輸入信號與某個固定電平比較，大于該電平則輸出為高、小于該電平則輸出為低。在一個正弦周期內，只產生了一個斬波輸出脈沖。這個脈沖的寬度與輸入信號的幅度有關，需要通過一個低通濾波器濾除脈沖序列中的高頻成分、保留與脈沖寬度有關的基波成分。Class F 放大器輸出信號示意如圖 5 所示。

圖 5 Class F 放大器輸出信號示意圖

2.7 Class G 放大器

Class G 類放大器 3通常采用高、低兩組工作電壓（±VH 和±VL）供電，工作在小信號電平時，放大器采用較低電源電壓，并在信號電平增加后切換為較高電源電壓。低幅度輸出時有效傳遞到負載的電壓是相對于低電壓軌電源的，高幅度輸出時則是相對于高電壓軌電源的。Class G 放大器這種電源軌切換設計，既保持了信號的形狀也提高了其工作效率[2]。Class C 和 Class F 放大器僅適合放大正弦波式樣的載波信號，而對于像音頻信號這種由多個頻率正弦波疊加、大波上攜帶小波的信號則完全不適用。Class G 放大器輸出信號示意如圖 6 所示。

2.8.放大器類別及效率對比

圖 7 放大器類別和效率對比示意圖

審核編輯 黃宇