放大器還不知道怎么分類(lèi)？一文輕松搞清楚明白

并非所有放大器都相同，并且它們的輸出級的配置和操作方式也有明顯的區別。理想放大器的主要工作特性是線(xiàn)性，信號增益，效率和功率輸出，但在現實(shí)世界的放大器中，總是在這些不同特性之間進(jìn)行權衡。
通常，在音頻放大器系統的輸出級中使用大信號或功率放大器來(lái)驅動(dòng)揚聲器負載。典型的揚聲器的阻抗在4Ω至8Ω之間，因此功率放大器必須能夠提供驅動(dòng)低阻抗揚聲器所需的高峰值電流。
一種用于區分不同類(lèi)型放大器的電氣特性的方法是“分類(lèi)”，因此，根據放大器的電路配置和操作方法對其進(jìn)行分類(lèi)。然后，放大器類(lèi)是用于區分不同放大器類(lèi)型的術(shù)語(yǔ)。
放大器類(lèi)表示當被正弦輸入信號激勵時(shí)，在一個(gè)工作周期內，放大器電路內輸出信號的量變化。放大器的分類(lèi)范圍從效率非常低的完全線(xiàn)性操作（用于高保真信號放大）到完全非線(xiàn)性（其中忠實(shí)的信號再現不是那么重要）的操作，但是效率更高。是兩者之間的折衷。
放大器類(lèi)主要分為兩個(gè)基本組。第一個(gè)是經(jīng)典控制的導通角放大器，形成更常見(jiàn)的A，B，AB和C類(lèi)放大器，它們由它們在輸出波形某些部分上的導通狀態(tài)的長(cháng)度來(lái)定義，因此輸出級晶體管的工作原理在于在“完全開(kāi)啟”和“完全關(guān)閉”之間的某個(gè)位置。
第二組放大器是D，E，F，G，S，T等較新的所謂“開(kāi)關(guān)”放大器類(lèi)，它們使用數字電路和脈沖寬度調制（PWM）來(lái)不斷地在“完全- “開(kāi)”和“全關(guān)”將輸出硬驅動(dòng)到晶體管的飽和和截止區域。
最常用的放大器類(lèi)別是用作音頻放大器的類(lèi)別，主要是A，B，AB和C類(lèi)，為了使事情簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將在這里詳細介紹這些類(lèi)型的放大器。

甲類(lèi)放大器A類(lèi)放大器是放大器拓撲中最常見(jiàn)的類(lèi)型，因為它們在放大器設計中僅使用一個(gè)輸出開(kāi)關(guān)晶體管（雙極，FET，IGBT等）。該單個(gè)輸出晶體管在其負載線(xiàn)的中間偏置在Q點(diǎn)附近，因此永遠不會(huì )被驅動(dòng)到其截止或飽和區域，從而使其在整個(gè)輸入周期的360度內傳導電流。然后，A類(lèi)拓撲的輸出晶體管將永遠不會(huì )“關(guān)斷”，這是其主要缺點(diǎn)之一。
“ A”類(lèi)放大器被認為是放大器設計的最佳類(lèi)別，這主要是因為正確設計后，它們具有出色的線(xiàn)性度，高增益和低信號失真水平。盡管出于對熱電源的考慮，很少在高功率放大器應用中使用A類(lèi)放大器，但它在這里提到的所有放大器類(lèi)中可能是最好的聲音，因此可用于高保真音頻放大器設計中。
甲類(lèi)放大器

為了實(shí)現高線(xiàn)性度和增益，A類(lèi)放大器的輸出級一直都偏置為“ ON”（導通）。然后，將放大器分類(lèi)為“ A類(lèi)”，輸出級中的零信號空閑電流必須等于或大于產(chǎn)生最大輸出信號所需的最大負載電流（通常是揚聲器）。
當A類(lèi)放大器在其特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分中工作時(shí)，單個(gè)輸出設備將在整個(gè)360度輸出波形中傳導。那么，A類(lèi)放大器相當于一個(gè)電流源。
由于A(yíng)類(lèi)放大器中工作在線(xiàn)性區時(shí)，晶體管基極（或柵極）DC偏置電壓應適當地選擇，以確保正確的操作和低失真。但是，由于輸出設備始終處于“ ON”狀態(tài)，因此它會(huì )不斷承載電流，這表示放大器中的功率不斷損耗。
由于功率A類(lèi)放大器的這種持續損耗，放大器產(chǎn)生了大量的熱量，使它們的效率非常低，約為30％，這使其不適用于高功率放大。同樣，由于放大器的高空載電流，必須相應地調整電源的大小，并對其進(jìn)行良好的濾波，以避免任何放大器的嗡嗡聲和噪聲。因此，由于A(yíng)類(lèi)放大器的低效率和過(guò)熱問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了更有效的放大器類(lèi)。

B類(lèi)放大器發(fā)明B類(lèi)放大器是為了解決與以前的A類(lèi)放大器相關(guān)的效率和發(fā)熱問(wèn)題?；镜腂類(lèi)放大器使用兩個(gè)互補的晶體管，即FET的雙極型，用于波形的每一半，其輸出級配置為“推挽”型，因此每個(gè)晶體管器件僅放大輸出波形的一半。
在B類(lèi)放大器中，由于其靜態(tài)電流為零，因此沒(méi)有DC基極偏置電流，因此直流功率很小，因此其效率比A類(lèi)放大器高得多。但是，為了提高效率而付出的代價(jià)是開(kāi)關(guān)裝置的線(xiàn)性度。

B類(lèi)放大器

當輸入信號為正時(shí)，正偏置晶體管導通，而負晶體管切換為“關(guān)”。同樣，當輸入信號變?yōu)樨撝禃r(shí)，正晶體管會(huì )切換為“ OFF”，而負偏置晶體管會(huì )變?yōu)椤?ON”并傳導信號的負部分。因此，晶體管僅在輸入信號的正半周期或負半周期導通一半時(shí)間。
然后我們可以看到，B類(lèi)放大器的每個(gè)晶體管器件在嚴格的時(shí)間交替中僅導通輸出波形的一半或180度，但是由于輸出級具有用于信號波形的兩半的器件，因此將這兩個(gè)半部分組合在一起產(chǎn)生全線(xiàn)性輸出波形。
放大器的這種推挽設計顯然比A類(lèi)更有效，約為50％，但是B類(lèi)放大器設計的問(wèn)題在于，由于晶體管死區，它會(huì )在波形的零交叉點(diǎn)產(chǎn)生失真。 -0.7V至+0.7的輸入基本電壓。
我們從晶體管教程中還記得，要使雙極晶體管開(kāi)始導通，需要大約0.7伏的基極-****極電壓。然后，在B類(lèi)放大器中，直到超過(guò)該電壓，輸出晶體管才不會(huì )“偏置”到工作的“導通”狀態(tài)。
這意味著(zhù)落在此0.7伏窗口內的波形部分將無(wú)法精確再現，從而使B類(lèi)放大器不適用于精密音頻放大器應用。
為了克服這種過(guò)零失真（也稱(chēng)為交叉失真），開(kāi)發(fā)了AB類(lèi)放大器。

AB類(lèi)放大器顧名思義，AB類(lèi)放大器是我們上面已經(jīng)看過(guò)的“ A類(lèi)”和“ B類(lèi)”放大器的組合。放大器的AB分類(lèi)目前是音頻功率放大器設計中最常用的類(lèi)型之一。AB類(lèi)放大器是上述B類(lèi)放大器的一種變形，不同之處在于，兩個(gè)設備都可以在波形交叉點(diǎn)周?chē)瑫r(shí)導通，從而消除了先前B類(lèi)放大器的交叉失真問(wèn)題。
這兩個(gè)晶體管具有非常小的偏置電壓，通常為靜態(tài)電流的5％到10％，以將晶體管偏置到剛好高于其截止點(diǎn)的水平。然后，導通器件（即FET的雙極性）將導通超過(guò)一個(gè)半周期，但遠小于輸入信號的一個(gè)完整周期。因此，在A(yíng)B類(lèi)放大器設計中，每個(gè)推挽晶體管的導通時(shí)間略大于B類(lèi)的導通半周期，但遠小于A(yíng)類(lèi)的整個(gè)導通周期。
換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)AB類(lèi)放大器的導通角是180之間某處?和360 ?取決于所選擇的偏置點(diǎn)，如圖所示。

AB類(lèi)放大器

由串聯(lián)二極管或電阻器提供的這種小的偏置電壓的優(yōu)勢在于，可以克服由B類(lèi)放大器特性產(chǎn)生的交叉失真，而不會(huì )降低A類(lèi)放大器設計的效率。因此，在效率和線(xiàn)性方面，AB類(lèi)放大器是A類(lèi)和B類(lèi)之間的良好折衷，轉換效率達到約50％至60％。

C類(lèi)放大器在C類(lèi)放大器設計具有最大的效率，但這里所說(shuō)放大器的類(lèi)別中最貧窮的線(xiàn)性度。先前的A，B和AB類(lèi)被視為線(xiàn)性放大器，因為輸出信號的幅度和相位與輸入信號的幅度和相位線(xiàn)性相關(guān)。
但是，C類(lèi)放大器受到嚴重偏置，因此在輸入正弦信號周期的一半以上時(shí)，輸出電流為零，而晶體管在其截止點(diǎn)處處于空閑狀態(tài)。換句話(huà)說(shuō)，晶體管的導通角明顯小于180度，并且通常在90度附近。
盡管這種形式的晶體管偏置使放大器的效率大大提高了約80％，但它會(huì )給輸出信號帶來(lái)非常嚴重的失真。因此，C類(lèi)放大器不適合用作音頻放大器。

C類(lèi)放大器

由于其嚴重的音頻失真，C類(lèi)放大器通常用于高頻正弦波振蕩器和某些類(lèi)型的射頻放大器中，在這些放大器中，放大器輸出端產(chǎn)生的電流脈沖可以通過(guò)交流電轉換為特定頻率的完整正弦波。在集電極電路中使用LC諧振電路。

放大器類(lèi)摘要然后我們可以看到，放大器的靜態(tài)直流工作點(diǎn)（Q點(diǎn)）決定了放大器的分類(lèi)。通過(guò)將Q點(diǎn)的位置設置在放大器特性曲線(xiàn)的負載線(xiàn)上的中點(diǎn)，該放大器將用作A類(lèi)放大器。通過(guò)將Q點(diǎn)向下移動(dòng)，負載線(xiàn)將放大器變?yōu)锳B，B或C類(lèi)放大器。
然后，就其直流工作點(diǎn)而言，放大器的工作類(lèi)別為：

放大器類(lèi)別和效率

除音頻放大器外，還有許多與開(kāi)關(guān)放大器設計有關(guān)的高效率放大器類(lèi)，它們使用不同的開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)減少功率損耗并提高效率。下面列出的某些放大器類(lèi)設計使用RLC諧振器或多個(gè)電源電壓來(lái)降低功率損耗，或者是使用脈沖寬度調制（PWM）開(kāi)關(guān)技術(shù)的數字DSP（數字信號處理）類(lèi)型的放大器。
其他通用放大器類(lèi)

• D類(lèi)放大器– D類(lèi)音頻放大器基本上是非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)放大器或PWM放大器。D類(lèi)放大器理論上可以達到100％的效率，因為在周期中沒(méi)有周期，因為電流僅通過(guò)導通的晶體管汲取，電壓和電流波形重疊。

• F類(lèi)放大器– F類(lèi)放大器通過(guò)在輸出網(wǎng)絡(luò )中使用諧波諧振器將輸出波形整形為方波來(lái)提高效率和輸出。如果使用無(wú)限次諧波調諧，則F類(lèi)放大器的效率可以達到90％以上。

• G類(lèi)放大器– G類(lèi)對基本的AB類(lèi)放大器設計進(jìn)行了增強。G類(lèi)使用多個(gè)不同電壓的電源軌，并在輸入信號變化時(shí)自動(dòng)在這些電源軌之間切換。這種恒定的開(kāi)關(guān)減少了平均功耗，從而減少了由于浪費熱量而導致的功率損耗。

• I類(lèi)放大器– I類(lèi)放大器具有兩組互補輸出開(kāi)關(guān)設備，它們以并行推挽配置排列，兩組開(kāi)關(guān)設備都采樣相同的輸入波形。一臺設備切換波形的正一半，而另一臺設備切換負的一半，類(lèi)似于B類(lèi)放大器。在沒(méi)有施加輸入信號的情況下，或者當信號到達零交叉點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)設備同時(shí)以50％PWM占空比導通和關(guān)斷，以抵消任何高頻信號。
  為了產(chǎn)生輸出信號的正一半，正開(kāi)關(guān)器件的輸出占空比增大，而負開(kāi)關(guān)器件減小占空比，反之亦然。據說(shuō)這兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號電流在輸出處是交錯的，因此，I類(lèi)放大器的名稱(chēng)為：“交錯的PWM放大器”，其開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)250kHz。

• S類(lèi)放大器– S類(lèi)功率放大器是一種非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)模式放大器，其操作類(lèi)似于D類(lèi)放大器。S類(lèi)放大器通過(guò)delta-sigma調制器將模擬輸入信號轉換為數字方波脈沖，并在最終被帶通濾波器解調之前將其放大以增加輸出功率。由于此開(kāi)關(guān)放大器的數字信號始終完全為“ ON”或“ OFF”（理論上為零功耗），因此效率可以達到100％。

• T類(lèi)放大器– T類(lèi)放大器是另一種數字開(kāi)關(guān)放大器設計。如今，由于存在數字信號處理（DSP）芯片和多聲道環(huán)繞聲放大器，T類(lèi)放大器作為音頻放大器設計正變得越來(lái)越流行，因為它可以將模擬信號轉換為數字脈沖寬度調制（PWM）信號，放大可提高放大器效率。T類(lèi)放大器的設計兼具AB類(lèi)放大器的低失真信號電平和D類(lèi)放大器的功率效率。

在這里，我們已經(jīng)看到了許多放大器的分類(lèi)，從線(xiàn)性功率放大器到非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)放大器，還看到了放大器類(lèi)別沿放大器負載線(xiàn)的不同。類(lèi)AB，B和C ^放大器可以在導通角來(lái)定義，θ如下：
放大器按導通角分類(lèi)