【杂谈】-不同种类放大器及其区别

news2025/1/11 5:04:37

不同种类放大器及其区别

文章目录

  • 不同种类放大器及其区别
    • 1、概述
    • 2、放大器种类
      • 2.1 如何衡量保真度
      • 2.2 如何测量放大器的效率
    • 3、放大器分类
      • 3.1 A类放大器
      • 3.2 B 类放大器
      • 3.3 AB类放大器
      • 3.4 C类放大器
      • 3.5 其他放大器类别

1、概述

放大器是电子产品中最常用的电路之一。有几种类型的放大器,包括:

  • 音频放大器:放大音乐和语音信号
  • 射频放大器:增强收音机和电视的弱射频信号
  • 功率放大器:放大弱信号的总功率
  • 运算放大器:用于模拟信号处理,如放大、滤波、反相信号以及添加或减去信号。

所有放大器电路都按放大器类别分类,这表示电路的整体特性。这使得决定其应用或适用性变得更加容易。

最常见的是 A、B、AB 和 C 类放大器。D、G、H、T 类等不太常见。

在本文中,我们将介绍不同的放大器类别,并解释放大器电路分类的原因和方式。

2、放大器种类

原因很简单。并非所有放大器电路都相同。放大器电路设计具有不同的特性,为简单起见,这些特性被分类为几类。

通常,必须考虑所需的特性和成本。理想情况下,这些因素之间应该有一个平衡。

  • 保真度:电路再现输入信号的精度。这表示放大信号与源信号的接近程度。
  • 效率:将来自直流电源的输入功率转换为输出功率的量。放大器电路使用直流源来吹嘘输入信号并输出放大信号。电路的效率表示来自直流电源的功率用于增强输入信号。
  • 功率输出:放大器电路可以提供给负载的最大功率(电流乘以电压)。

放大器电路经常面临保真度和效率之间的权衡。放大器类别(A类、B类、AB类和C类)按效率升序排列。随着效率的提高,保真度可能会降低,这凸显了这些选择的实际意义。

A类、B类、AB类和C类是指线性放大器电路。D类放大器和其他类别的开关放大器依靠接通和关断负载来实现理论上高达100%的效率。除线性放大器和开关放大器外,还有模拟算术放大器、仪器仪表放大器、运算跨导放大器(OTA)和电压比较器,这些都是专用放大器设计。

线性放大器仅根据其导射角很容易被归类为放大器类别。它馈送正弦信号以测量放大器电路的效率和保真度。导通角是输入周期的一部分——负载接通,允许电流流过它。放大器的主要类别(即 A、B、AB 和 C 类)仅通过其导通角很容易区分。

2.1 如何衡量保真度

放大器的保真度表示电路再现输入信号的精度。确定保真度的一种方法是考虑放大器对频谱中不同频率的响应。

对于音频放大器,这意味着可以通过检查放大器对音频频谱不同频率(从 20 Hz 到 20 KHz)的响应来测量保真度。

理想的放大器提供 100% 的保真度并具有平坦的响应。它应该平等地放大频谱的所有频率。如果平坦响应出现偏差,则与输入信号相比,输出信号将出现失真或着色。

为了测量放大器的频率响应,信号发生器向电路馈送纯正弦波。使用频谱分析仪分析输出信号。它显示不同频率下输出信号的幅度。与输入信号频率响应的偏差表示失真或着色,并表示电路的局限性。

确定放大器电路保真度的另一种方法是测量总谐波失真。它是放大器产生的谐波的组合功率与原始信号功率的比值。

总谐波失真越低,输出信号中听到的失真或着色就越少,保真度就越高。为了测量总谐波失真,纯正弦波被馈入放大器。专门的失真分析仪测量输出信号中存在的谐波,并通过将谐波功率与原始信号功率进行比较来计算总谐波失真。

音频放大器的保真度通常通过测量互调失真来确定。音频信号通常由多个同步频率或音调组成。当这些频率在电路中相互作用时,可能会产生原始信号中不存在的新频率。新频率是互调产物。

为了测量互调失真,将两个或多个不同频率的纯音馈送到放大器电路,并考虑互调产物。互调失真计算为互调产物功率与原始信号功率之比。

确定放大器电路保真度的另一种方法是计算信噪比(SNR)。为了测量信噪比,在输入信号保持关闭的情况下,将特定的信号电平馈送到放大器。然后,测量输出噪声,并将信噪比计算为信号电平与噪声电平的比值,以分贝(dB)表示。高信噪比表示高保真度,输出信号中的噪声/失真较小。

2.2 如何测量放大器的效率

放大器电路的效率计算为平均输出功率(放大器向负载或扬声器传递的交流信号的平均输出功率)与平均输入功率(放大器从电源、电池或电源消耗的直流功率的平均输入)的比率。

效率以百分比表示,并根据以下公式计算。
效率 ( % ) = 输出功率 输入功率 × 100 效率(\%)=\frac{输出功率}{输入功率} \times 100 效率(%)=输入功率输出功率×100

为了测量放大器输出端的平均交流功率和电源的平均输入直流功率的效率,分别使用了交流和直流功率计。或者,在放大器的输出端测量电压和电流。来自电源的输入以及电压和电流的乘积为放大器提供输出和输入功率。

3、放大器分类

放大器主要分为A类、B类、AB类和C类放大器,它们代表了效率的升序。其他类别(如 D 类、H 类、G 类和 T类)不太常见。就线性放大器而言(经常用于音频和功率放大),放大器电路始终介于 A 类和 C 类之间。

3.1 A类放大器

A 类放大器的导通角为 360 度。这些放大器提供高线性度和增益,但以牺牲效率为代价。A类放大器的效率通常限制在15~30%。

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放大器电路通常有一个输入级,用于预放大来自音乐播放器或麦克风的微弱信号。该电路的输出级由一个或多个晶体管组成,这些晶体管放大输入信号并将其传送到扬声器或负载。输出级中的晶体管是偏置的,因此它们始终处于导电状态。

该电路可以使用耦合电容来阻止直流电源,只让音频信号通过。这些放大器具有高保真度,输出的放大信号几乎与输入信号相同。然而,由于输出级中的晶体管始终导通,因此效率限制在15%至30%。

来自电源的大部分电力都浪费在散热中。由于晶体管始终有恒定的电流流过,导致发热,放大器的最大输出功率也受到限制。

3.2 B 类放大器

B 类放大器具有 180 度的导通角,在不影响保真度的情况下提供相对较高的效率。B类放大器的效率通常为70%。保真度不如A类放大器好,因为效率的提高是以引入交叉失真为代价的。由于分频失真,这些放大器仅适用于直接放大音频信号,前提是有额外的电路来减轻分频失真。

B类放大器仍用于公共广播系统,其中音频输出的保真度不太重要。它们通常用于射频放大,因为它们不需要绝对保真度,但效率至关重要。

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B类的输入级有时使用前置放大电路来增强微弱的输入信号。在输出级,两个互补晶体管(NPN 和 PNP)以推挽配置排列。NPN晶体管传导并放大输入信号的正周期,PNP晶体管导通并放大输入信号的负周期。

每个晶体管都能完美地传导 180 度的输出波形,一个接一个地交替。然后将输出波形组合起来驱动输出器件。但是,两个晶体管的完美交替背后有一个问题。在波形的零点交叉处,在-0.7至0.7 V范围内存在一个死区。每个晶体管需要 0.7 V 的基极电压才能导通。在这个死区,输出信号失真,因为两个晶体管都不处于导电状态。

这种分频失真使得 B 类放大器不适合直接放大音频信号。B类的输出级通常通过变压器与负载或扬声器耦合,以尽量减少失真。B 类放大器在射频放大中工作正常。B类放大器的交越失真在射频应用中的影响很小。

3.3 AB类放大器

AB 类放大器结合了 A 类和 B 类设计元素。它偏置其输出晶体管,使其导通略高于输入信号周期的一半,从而减少了 B 类中存在的交越失真,同时与 A 类相比保持了合理的效率。这些放大器提供50~70%的效率。

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AB类放大器的输入级可能具有前置放大电路,以增强微弱的输入信号。在输出级,两个互补晶体管(一个NPN和一个PNP)以推挽配置排列,就像在B类放大器中一样。虽然B类放大器没有直流基极偏置,但在AB类放大器中,晶体管偏置以传导略高于180度的波形。串联二极管或电阻器可能提供偏置。

AB类放大器中的晶体管偏置为即使在零输入时也能保持导通状态,这是其工作的关键方面。晶体管放大各自的一半(略大于一半波形)波形,然后在传送到负载或扬声器之前将其组合在一起。这种偏置技术有效地将分频失真降至最低,尽管对 B 类设计的效率略有影响。

通常,耦合电容用于放大器的输出级,以阻断直流电,并使输出交流信号传递到负载或扬声器。由于保真度和效率之间近乎完美的平衡,AB类设计最广泛地用于音频功率放大器。

3.4 C类放大器

C 类放大器的导通角通常在 90 度左右。这种放大器设计效率很高,效率约为 90% 或更高,但保真度最差。A类、B类和AB类放大器被认为是线性放大器,输入和输出信号的相位和幅度线性相关,而C类放大器则被认为是非线性放大器。由于保真度差,C 类放大器从未用于音频应用。

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C类放大器由单个晶体管构成,该晶体管偏置为在正周期或负周期的峰值附近短距离导通。通常,调谐电路(如LC电路)连接到输出晶体管的集电极或漏极。LC电路将放大器的输出脉冲转换为完整的波形。输出信号是输入信号的失真版本,但由于调谐电路的滤波效应,它包含所需的频率分量。

3.5 其他放大器类别

虽然 A、B、AB 和 C 类放大器是最常见的,但存在其他一些不太常见的放大器类别。这些高效设计使用脉宽调制(开关)或RLC电路,以进一步提高放大器的效率。这些放大器等级从D类到T类不等。

D类放大器:这种非线性放大器设计依赖于通过PWM信号打开和关闭负载,以实现最大效率。从理论上讲,D类放大器可以提供100%的效率。实际上,它们提供超过 90% 的效率。

F类放大器:在输出级使用多个谐波谐振器,调谐到特定的输入信号频率。放大器由方波或正弦波控制,以最大限度地提高效率。

G 类放大器:依靠电源轨开关将功耗降至最低。放大器电路使用多个不同电压的电源轨,根据输入信号的电平切换到这些电源轨。这样,切换到相关的电源轨可以降低整体功耗。

I 类放大器:将 D 类开关放大器的某些元件与功能相结合,以提高线性度并减少失真。它们使用两组互补输出开关器件,通常采用推挽式结构的MOSFET,类似于桥式电路。这些放大器采用交错式PWM技术,而不是D类设计中的简单开/关开关,以最大限度地减少失真,同时实现D类放大器的高效率。

S类放大器:输入模拟信号首先转换为数字方波,放大,然后在输出级通过带通滤波器解调。

T类放大器:采用由Tripath Technologies开发并注册商标的开关放大器设计。该设计使用反馈环路,直接从开关节点获取信号(即晶体管的输出而不是滤波输出)。与某些 D 类放大器相比,它提高了线性度并减少了失真。开关晶体管的控制信号使用数字信号处理 (DSP) 或全模拟技术计算。

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