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功率放大器的分類與原理
文章来源:永阜康科技 更新时间:2019/7/13 9:47:00
功率放大器的分類
甲類工作狀態:整個工作周期內晶體管的集電極電流始終是流通的,放大器的效率最低,帶來的是非線性失真度比較小。一般用于對失真比較敏感的場合,比如HI-FI音響。
 
乙类工作状态:半个周期工作另半个周期截止,乙类工作状态也称为B类工作状态。两只互补的晶體管推挽工作,效率比甲类功放高,但存在交越失真的问题,一般功率放大器采用这种形式。
 
甲乙类工作状态:它是介于甲类和乙类之间的工作状态,即晶體管工作周期大于一半,这种功放的特性介于甲类和乙类。
 
丙类工作状态:这种状态下,晶體管工作的时间小于半个周期,丙类工作状态又称为C类工作状态,丙类功放一般用于高频的谐振功放。
 
丁類工作狀態:把聲音信號調制爲形式,晶體管工作在开关状态,输出端通过LC滤波器恢复信号波形。效率高,高频特性差,用于小型化电池供电以及要求高效率的场合。
 
根據工作狀態的不同,功率放大器分類如下:
 
 
傳統線性功率放大器的工作頻率很高,但相對頻帶較窄,射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作爲負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同,分爲甲 (A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角爲360°,適用于小信號低功率放大,乙類放大器電流的導通角等于180°,丙類放大器電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態,丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射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,只能用于采用調諧回路作爲負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然接近于正弦波形,失真很小。 
 
开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使电子器件工作于开关状态,常见的有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器,丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶體管驱动为开关模式,晶體管的工作状态要么是开,要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流功耗为零,理想的效率能达到100%。 
 
傳統線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低,而開關型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率,但線性度差。具體見下表:
 
 
 
電路組成 
放大器有不同类型,简化之,放大器的电路可以由以下几个部分组成:晶體管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。
 
 
1、晶體管 
 
晶體管有很多种,包括当前还有多种结构的晶體管被发明出来。本质上,晶體管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源,其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得,晶體管加以消耗,并转化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有区别,这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;比如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高的频带上;比如其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反应能力不同,这决定了给它匹配的难易程度。   
 
2、偏置電路及穩定電路 
 
偏置和穩定電路是兩種不同的電路,但因爲他們往往很難區分,且設計目標趨同,所以可以放在一起討論。 
 
晶體管的工作需要在一定的偏置条件下,我们称之为静态工作点。这是晶體管立足的根本,是它自身的“定位”。每个晶體管都给自己进行了一定的定位,其定位不同将决定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有些定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出;有些定位点上索取较少,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶體管总是在饱和和截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当的偏置点,是正常工作的础。在设计宽带功率放大器时,或工作频率较高时,偏置电路对电路性能影响较大,此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。 
 
偏置网络有两大类型,无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成,为晶體管提供合适的工作電壓和电流。它的主要缺陷是对晶體管的参数变化十分敏感,并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性,还能提高良好的温度稳定性,但它也存在一些问题,如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。   稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶體管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶體管,是一个“全新的”晶體管。它做出一定的“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶體管顺利而稳定的运转。   
 
3、輸入輸出匹配電路 
 
匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶體管来说,其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同的晶體管之间沟通更加顺畅,对于不同种的放大器类型来说,匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在接受的时候做一定的阻挡,来获取更好的噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为他们更不稳定,同时,一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。 
 
典型的阻抗匹配網絡有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配,其特點就是結構簡單且只有兩個自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率,網絡的Q值(帶寬)也就確定了。π形匹配網絡的一個優點就是不管什麽樣的寄生電容,只要連接到它,都可以被吸到網絡中,這也導致了 π形匹配網絡的普遍應用,因爲在很多的實際情況中,占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配,當電源端和負載端的寄生參數主要呈電感性質時,可用T形匹配來把這些寄生參數吸收入網絡。
 
 
 
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