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功率放大器的分类及其参数

2019-08-05 06:00 来源: 震仪

  ”,顾名思义,是将“功率”放大的放大器。进入微弱的信号,如话筒、VCD、微波等等送到前置放大电路,放大成足以推动信号幅度,最后后级功率放大电路推动喇叭或其它设备,它最大的功用,是当成”输出级”(Output Stage)使用。从另一个角度来看,它是在做大信号的电流放大,以达到功率放大的目的。从广义上来说功率放大器不局限于音频放大,很多场合都会用到它,如射频、微波、激光等等。

  纯甲类功率放大器又称为A类功率放大器(Class A),它是一种完全的线性放大形式的放大器。在纯甲类功率放大器工作时,晶体管的正负通道不论有或没有信号都处于常开状态,这就意味着更多的功率消耗为热量。纯甲类功率放大器在汽车音响的应用中比较少见,像意大利的Sinfoni高品质系列才有这类功率放大器。这是因为纯甲类功率放大器的效率非常低,通常只有20-30%,音响发烧友们对它的声音表现津津乐道。

  乙类功率放大器,也称为B类功率放大器(Class B),它也被称为线性放大器,但是它的工作原理与纯甲类功率放大器完全不同。B类功放在工作时,晶体管的正负通道通常是处于关闭的状态除非有信号输入,也就是说,在正相的信号过来时只有正相通道工作,而负相通道关闭,两个通道绝不会同时工作,因此在没有信号的部分,完全没有功率损失。但是在正负通道开启关闭的时候,常常会产生跨越失真,特别是在低电平的情况下,所以B类功率放大器不是真正意义上的高保真功率放大器。在实际的应用中,其实早期许多的汽车音响功放都是B类功放,因为它的效率比较高。

  甲乙类功率放大器也称为AB类功率放大器(Class AB),它是兼容A类与B类功放的优势的一种设计。当没有信号或信号非常小时,晶体管的正负通道都常开,这时功率有所损耗,但没有A类功放严重。当信号是正相时,负相通道在信号变强前还是常开的,但信号转强则负通道关闭。当信号是负相时,正负通道的工作刚好相反。AB类功率放大器的缺陷在于会产生交越失真,但是相对于它的效率比以及保真度而言,都优于A类和B类功放,AB类功放也是目前汽车音响中应用最为广泛的设计。

  D类放大器与上述A,B或AB类放大器不同,其工作原理基于开关晶体管,可在极短的时间内完全导通或完全截止。两只晶体管不会在同一时刻导通,因此产生的热量很少。这种类型的放大器效率极高(90%左右),在理想情况下可达100%,而相比之下AB类放大器仅能达到78.5%。不过另一方面,开关工作模式也增加了输出信号的失真。D类放大器的电路共分为三级:输入开关级、功率放大级以及输出滤波级。D类放大器工作在开关状态下可以采用脉宽调制(PWM)模式。利用PWM能将音频输入信号转换为高频开关信号,通过一个比较器将音频信号与高频三角波进行比较,当反相端电压高于同相端电压时,输出为低电平;当反相端电压低于同相端电压时,输出为高电平。

  在D类放大器中,比较器的输出与功率放大电路相连,功放电路采用金属氧化物场效应管(MOSFET)替代双极型晶体管(BJT),这是由于前者具有更快的响应时间,因而适用于高频工作模式。D类放大器需要两只MOSFET,它们在非常短的时间内可完全工作在导通或截止状态下。当一只MOSFET完全导通时,其管压降很低;而当MOSFET完全截止时,通过管子的电流为零。两只MOSFET交替工作在导通和截止状态的开关速度非常快,因而效率极高,产生的热量很低,所以D类放大器不需要很大的散热器。

  D类功放还有其它许多的称法,如T类等,它们都是D类功放的一种变形。在实际应用中,直到1980以后,由于MOSFET的出现,这种开关式功放才得以迅速发展。在实际的发展过程中,虽然有高效率,但同时也有高失真,高噪声以及较差的阻尼因素。随着技术的发展,这类缺陷将越来越少,估计未来D类功放在汽车音响领域中会得到更加广泛的应用。

  T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同,功率晶体管也是工作在开关状态,效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是:首先,它不是使用脉冲调宽的方法,Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing (DPP)”的数字功率技术,它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后,用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。

  其次,它的功率晶体管的切换频率不是固定的,无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内,而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。此外,T类功率放大器的动态范围更宽,频率响应平坦。DDP的出现,把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面,线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

  射频功率放大器(RF PA)是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。

  射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外,输出中的谐波分量还应该尽可能的小,以避免对其他频道产生干扰。

  高频功率放大器用于发射级的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收级可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种,窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路,故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路,因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件,它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。

  在“低频电子线路”课程中已知,放大器可以按照电流导通角的不同,将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o,适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180o;丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大,因而不能用于低频功率放大,只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然极近于正弦波形,失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外,又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高,理论上可达100%,但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。

  如果在电路上加以改进,使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小,则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率,必须采用低频功率放大器,而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高,但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大,决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低,但相对频带宽度却很宽。例如,自20至20000 Hz,高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载,如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高(由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz),但相对频带很窄。例如,调幅广播电台(535-1605 kHz的频段范围)的频带宽度为10 kHz,如中心频率取为1000 kHz,则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高,则相对频宽越小。因此,高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点,使得这两种放大器所选用的工作状态不同:低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类(限于推挽电路)状态;高频功率放大器则一般都工作于丙类(某些特殊情况可工作于乙类)。

  宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器,它不采用选频网络作为负载回路,而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样,它可以在很宽的范围内变换工作频率,而不必重新调谐。综上所述可见,高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大,效率高;它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同,因而负载网络和工作状态也不同。

  高频功率放大器的主要技术指标有:输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度(或信号失真度)等。这几项指标要求是互相矛盾的,在设计放大器时应根据具体要求,突出一些指标,兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路,防止干扰是主要矛盾,对谐波抑制度要求较高,而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题,其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率,它通常工作在乙类、丙类,即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大,不能采用谐振回路作负载,因此一般工作在甲类状态;采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小,可以采用谐振回路作负载,故通常工作在丙类,通过谐振回路的选频功能,可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分,选出基波分量从而基本消除了非线性失真。

  所以,高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态,不能用线性等效电路分析,工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚,分析工作状态方便,但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中,窄带高频功率放大器:用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率,或放大窄带已调信号或实现倍频的功能,通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器:用于对某些载波信号频率变化范围大得短波,超短波电台的中间各级放大级,以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。

  1、输入灵敏度,是指功放所需最小输入信号电平,它是要求将音源信号放大到足够推动后级功放所需要的必要条件。

  2、谐波失真度,这是功放一项极重要的指标,谐波失真是非线性失真的一种,它是放大器在工作时的非线性特征所引起的,失真结果是产生了新的谐波分量,使声音失去原有的音色,严重时声音发破、刺耳。谐波失真还有奇次和偶次之分,奇次谐波会使人烦噪、反感,容易被人感知。有些功放听起来让人感到烦噪,感觉疲劳,就是失真较大所引起的。对功放影响较大的就是失真度,一般高保线%以下,越低越好。除了谐波失真外,还有互调失真,交叉失真,削波失真,瞬态失真,相位失真等,它们是影响功放质量的罪魁祸首。考核功效的优劣,首先要看它的失真度,像意大利Sinfoni功放的总的谐波失线、输出功率,功率问题最令汽车音响从业人员认识不清,在这里需要一一讲解:

  A、额定输出功率,称为(RMS),指放大器输出的音频信号在总谐波失真范围内,所能输出的较大功率。它一般是交流信号峰值的0.707倍。

  B、平均功率,平均功率一般是指各个频率点的平均消耗功率,它与额定输出功率有点类似,但是它一般要参考时间。

  C、峰值输出功率,功放所能输出的较大音乐功率称为峰值输出功率,它不考虑失真,通常为(RMS)功率的1.414倍左右。

  D、峰值-峰值功率,它是指正电压峰值到负电压的峰值的功率,它是峰值输出功率的四倍。它的出现是厂家出于商业目的,并无实际意义。

  4、信噪比,数值越大越好,一般用(S/N)表示,用信号功率Ps与噪声功率Pn的比值的分贝数表示,S/N=10lgPs/Pn=20lgVs/Vn(db),式中Vs、Vn分别为信号电压与噪声电压。

  信噪比与输入信号电平的增加,信噪比也逐渐加大,但当输入信号电平达到某一数值后,信噪比基本保持不变。按目前高保线dB以上为好,进口高品质的功放机往往可达110-120dB,其性能可想而知了。有的信噪比后面有A计权字样,A计权是指将噪声信号通过加权网络后测得的结果,由于人们对于高、低频段的噪声相对来说不太灵敏,所以出现了这样的计权方式。计权噪声更加直观地代表人们实际感受到的噪声信号状况。总之,信噪比越大,表明混在信号里的噪声越小,放音质量越好,便重放音乐清晰,干净而有层次。

  5、频率响应,早期俗称功率带宽,指谐波失真不超过规定值时,功放的1/2额定功率频带宽度,即有高低端下跌-3dB的两个频率点之间所包括的频带,称之为功率带宽。

  6、阻尼系数,主要是对低频而言,是直接影响低音音质的极重要的技术参数。众所周知,喇叭的口径越大,低音相对就越好,但音盆越大其运动惯性也随之加大,此惯性使它很难与音频信号同步运动,往往表现出的声音混浊不清,尤其在100-400Hz低频,容易造成声染色,使人听起来模糊不清,很不自然。有些改装车的低音喇叭,低频信号强时颤振不止,低音拖尾严重,这就是音盆惯性所引起的。

  在功放设计时,工程师对功放采取一些技术措施,如选择多管并联,低内阻(毫欧级)大功率管,提高工作电压,选择优质线材等,极力提高阻尼系数,使它能够针对喇叭惯性运动,产生“电阻尼”作用,使音盆的运动与音频信号同步运动,尽可能使音盆在驱动信号结束后很快恢复到零位(即中心位置),这种阻止效果就是阻尼系数(Damp Factor),D=Rs/Ri,Rs=喇叭阻抗,Ri=功放输出内阻,D越大,音盆与信号同步效果就越好,低音就越纯越干净,重放效果就越好。

  7、转换速率(Slew rate),功放的转换速率极大地影响着高音重放质量与性能。转换速率越快,高音音质就越佳,越能准确地捕捉到稍纵即逝的高频信息。高品质功放可做到十几至几十V/us,低中档功放都一般不标出,这种转换速率的数值高低,与设计,用料有密切关系,但也不宜太高,太高会产生人耳听不见的20KHz以上超音信号,不但对改善音质无作用,反而容易烧坏高音喇叭。

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