功率放大器

2020-04-14 15:40 shenhua

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  功率放大器(英文名称:power amplifier),简称“功放”,是指在给定失真率条件下,能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用,在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

  照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波,即交流信号电流,三极管的集电极电流在放大区中恒为基极电流的β倍,β是三极管的电流放大系数,应用这一点,若将小信号注入基极,则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍,然后将这个信号用隔直电容隔离出来,就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号,这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大,就完成了功率放大。

  1、数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现;

  2、利用模拟功率放大器进行模拟信号放大,如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期,许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器,这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换,这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

  A类放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单,调试方便。但效率较低,晶体管功耗大,效率的理论最大值仅有25%,且有较大的非线性失真。因此效率比较低。

  B类放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC,0)处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内,Q1导通Q2截止,输出端正半周正弦波;同理,当Vi为负半波正弦波,所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%),但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是“交越失线都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

  AB类放大器的主要特点是:晶体管的导通时间稍大于半周期,必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大,可以抵消偶次谐波失真。有效率较高,晶体管功耗较小的特点。

  C类放大器主要特点是:晶体管仅在输入信号每个周期的很短时间内工作。电路工作时通常会给放大管提供一个负偏压,以确保晶体管不会工作在乙类状态。它的集电极负载不是电阻而是一个LC并联谐振回路,所以C类放大器也叫谐振放大电路。通过调节电容器的容值或电感器的感值从而达到选频功能。C类放大器的转换效率极高,可以达到98%。但是因为负载是谐振电路,电路经常工作在高频状态所以失真很大,因此C类放大器并不适合作为音频功率放大器,反而因为它的可选频率特性而被无线电界广泛采用,所以通常作为射频放大器、调谐放大器和倍频器。

  D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

  A类、B类和AB类放大器是模拟放大器,D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小,功放晶体管功耗较小,散热好,但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真,频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是音频功率放大器的基本电路形式。

  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。

  前面的信号大部分吸收过去,输出阻抗低(几十Ω以下),可以将信号大部分传送出去。同时,它本身又是一种电流放大器,将输入的电压信号转化成电流信号,并给予适当的放大。

  2、 驱动放大器起桥梁作用,它将前置放大器送来的电流信号作进一步放大,将其放大成中等功率的信号驱动末级功率放大器正常工作。如果没有驱动放大器,末级功率放大器不可能送出大功率的声音信号。

  3、末级功率放大器起关键作用。它将驱动放大器送来的电流信号形成大功率信号,带动扬声器发声,它的技术指标决定了整个功率放大器的技术指标。

  功放所用的有源器件主要是晶体管(双极型或场效应晶体管),在工作频率很高或要求输出功率很大等场合,也使用电子管(包括大功率发射电子管);在微波段使用行波管。功放按其有源器件的工作点不同可分为甲(A)类、甲乙(AB)类、乙(B)类、丙(C)类和丁(D)类等。表内列出不同工作类型的功率放大器对正弦波所能达到的最高效率。

  功放常应用于广播、通信发射机的输出级、音响系统的输出级以及控制系统驱动执行机构的放大器等。应用场合不同,性能要求不同,电路的构成与工作类型也不同。常用的有线性功放、谐振功放、宽带功放电路等。为提高输出功率,可采用功率合成技术。

  线性功放 用于要求非线性失真小的场合。常用电路形式有单管放大电路和推挽放大电路。单管放大电路的电路形式与电压放大器类似,必须是甲类工作,效率最低,多用于小功率放大器。推挽放大电路由两个有源器件构成,分别用相位差180°的输入信号激励,然后将它们的输出信号反相叠加供给负载。图1所示的是用变压器实现反相叠加的推挽放大器原理电路。这种电路理论上两个器件可工作在乙类,而输出无失真。但实际的有源器件特性不是完全理想的,需工作在甲乙类。推挽放大电路也可由极性相反的晶体管互补对CPNP型和NPN型双极晶体管对或N型沟道和P型沟道的场效应管对)构成。利用它们的互补特性构成的电。