什么是放大器，其與功率效率之間的關(guān)系(第1部分)

盡管有人認(rèn)為"一切都是數(shù)字化的",模擬信號(hào)的放大器在實(shí)際電路和系統(tǒng)中一直是而且繼續(xù)是重要的和不可避免的功能。然而,放大器必須從音頻到射頻產(chǎn)生重要的輸出功率,面臨著性能和效率的挑戰(zhàn)。該行業(yè)對(duì)放大器的類別有一些早已確立的名稱,這些類別在關(guān)鍵參數(shù)之間提供了權(quán)衡;作為一些相對(duì)較新的類別。第1部分討論了較老但仍廣泛使用的類,通常稱為A、B、AB、C和D。

A類放大器 提供非常高的線性和低失真。在這里,活性元件(原來的真空管,現(xiàn)在幾乎總是晶體管)是偏置的,所以它們的靜止操作點(diǎn)在其導(dǎo)電區(qū)的線性部分, 圖1 .輸入信號(hào)在這一點(diǎn)上引起小到中的偏移,從而保持輸入/輸出傳遞函數(shù)的線性性。無論輸入的大小或極性如何,有源放大器元件總是開著的,永遠(yuǎn)不會(huì)被切斷,因?yàn)锳類放大器具有360倍的傳導(dǎo)角,這意味著它在輸入正弦波的整個(gè)周期中一直在工作。

圖1:在A類放大器的排列中,放大器在其線性范圍的中間偏置,通過正弦波的360對(duì)正弦波的傳導(dǎo),結(jié)果產(chǎn)生非常低的變形,但效率也很低。

雖然一個(gè)經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)的A類放大器具有優(yōu)異的性能,并且多年來一直被用作主要的音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但它有一個(gè)主要的缺點(diǎn),因?yàn)樗旧矸浅５托?大約為20%至30%)。因?yàn)樗偸窃诨顒?dòng)區(qū)域,所以即使沒有或只是一個(gè)小的輸入信號(hào),也會(huì)耗散功率。主要出于這個(gè)原因,設(shè)計(jì)了A類的替代品。

B類放大器 使用一對(duì)互補(bǔ)放大器元件(例如PNP/NPN晶體管或N-/P通道MOSFT)的"推-拉"安排,每一個(gè)在截止時(shí)偏置每個(gè)放大器180度(半周期)的傳導(dǎo)角, 圖2 .當(dāng)雙極、零中心輸入信號(hào)為正時(shí),一個(gè)放大器從截止區(qū)出來,進(jìn)入其活動(dòng)區(qū),進(jìn)行和放大;當(dāng)信號(hào)為負(fù)時(shí),另一個(gè)放大器也是這樣做,而第一個(gè)放大器是截止,從而消散近零功率。

圖2:B類使用一對(duì)互補(bǔ)設(shè)備,這些設(shè)備在截止時(shí)有偏頗,具有180倍的導(dǎo)電性;這大大提高了效率。

B類放大器的效率在30-40%的范圍內(nèi),這比A類好得多,盡管在許多應(yīng)用中仍然高得令人無法接受。此外,它還受到交叉扭曲的影響,產(chǎn)生諧波,這是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)活動(dòng)元件打開而另一個(gè)關(guān)閉時(shí),會(huì)出現(xiàn)輕微的延遲或中斷(反之亦然);扭曲通常在10%至20%之間。這在某些情況下可能是可以接受的,但在質(zhì)量更高的音頻設(shè)計(jì)中是不行的。

類AB放大器 是A類和B類的混合,并努力在效率和性能上提供折衷。在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,每一對(duì)互補(bǔ)的活動(dòng)元素都略微偏向于該活動(dòng)區(qū)域,因此在兩個(gè)元素之間的交點(diǎn)/交點(diǎn)有一些重疊, 圖3 .這將減少扭曲到一個(gè)低水平--典型的1%,甚至下降到0.1%--在功率耗散輕微增加。傳導(dǎo)角略大于180度,與隨之而來的變形有一個(gè)折衷,即增加傳導(dǎo)角,相關(guān)的耗散產(chǎn)生較低的變形。在開發(fā)先進(jìn)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)音頻放大器之前,AB類是最常用的音頻放大器方法。

圖3:AB類通過將設(shè)備稍微偏向截止區(qū)域,加上&t;180度的傳導(dǎo),克服了B類的交叉扭曲;這種方法有一個(gè)效率限制。

類C放大器 提供了最高的效率,但有不良的失真特性,并產(chǎn)生許多不希望的諧波。在C類中,放大器的傳導(dǎo)角遠(yuǎn)小于180度,而且它是偏置的,因此它只打開大信號(hào)偏移。輸出電流,因此耗散是零的超過一半的輸入信號(hào), 圖4 .

圖4C類放大器。

C類放大器的效率可能相當(dāng)高,高達(dá)70-80%,但是由于失真也很高(10-30%),C類方法不能用于音頻。然而,它是用于高功率射頻發(fā)射機(jī),在那里耗散必須保持在可接受的低水平。為了使C類放大器可用,通過使用諧振輸出電路作為低通濾波器來去除不需要的射頻諧波。

D級(jí)放大器 (有時(shí)被稱為數(shù)字放大器,盡管這是誤導(dǎo)性的)是一種有點(diǎn)違背直覺但非常有效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它的功能是非線性的開關(guān)放大器,而不是其他類的線性或準(zhǔn)線性方法?；顒?dòng)元件要么是完全打開的,要么是完全關(guān)閉的,脈沖寬度由輸入信號(hào)調(diào)制, 圖5 .輸出波形的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于需要放大的最高音頻信號(hào)。

Figure 5.

由于這種完全上/下的行動(dòng),效率可以接近100%。開關(guān)打開/關(guān)閉輸出是低通濾波恢復(fù)所需的模擬波形約0.1%至1%的扭曲。D類是目前PC音頻卡、移動(dòng)設(shè)備和汽車音頻系統(tǒng)的主要音頻放大器方法,因?yàn)樗哂辛己玫男阅堋⑿屎托⌒偷慕Y(jié)合。

下一章我們將研究G類、H類和其他類的放大器。