什么是放大器，其与功率效率之间的关系(第1部分)

尽管有人认为"一切都是数字化的",模拟信号的放大器在实际电路和系统中一直是而且继续是重要的和不可避免的功能。然而,放大器必须从音频到射频产生重要的输出功率,面临着性能和效率的挑战。该行业对放大器的类别有一些早已确立的名称,这些类别在关键参数之间提供了权衡;作为一些相对较新的类别。第1部分讨论了较老但仍广泛使用的类,通常称为A、B、AB、C和D。

A类放大器 提供非常高的线性和低失真。在这里,活性元件(原来的真空管,现在几乎总是晶体管)是偏置的,所以它们的静止操作点在其导电区的线性部分, 图1 .输入信号在这一点上引起小到中的偏移,从而保持输入/输出传递函数的线性性。无论输入的大小或极性如何,有源放大器元件总是开着的,永远不会被切断,因为A类放大器具有360倍的传导角,这意味着它在输入正弦波的整个周期中一直在工作。

图1:在A类放大器的排列中,放大器在其线性范围的中间偏置,通过正弦波的360对正弦波的传导,结果产生非常低的变形,但效率也很低。

虽然一个经过适当设计的A类放大器具有优异的性能,并且多年来一直被用作主要的音频放大器拓扑结构,但它有一个主要的缺点,因为它本身非常低效(大约为20%至30%)。因为它总是在活动区域,所以即使没有或只是一个小的输入信号,也会耗散功率。主要出于这个原因,设计了A类的替代品。

B类放大器 使用一对互补放大器元件(例如PNP/NPN晶体管或N-/P通道MOSFT)的"推-拉"安排,每一个在截止时偏置每个放大器180度(半周期)的传导角, 图2 .当双极、零中心输入信号为正时,一个放大器从截止区出来,进入其活动区,进行和放大;当信号为负时,另一个放大器也是这样做,而第一个放大器是截止,从而消散近零功率。

图2:B类使用一对互补设备,这些设备在截止时有偏颇,具有180倍的导电性;这大大提高了效率。

B类放大器的效率在30-40%的范围内,这比A类好得多,尽管在许多应用中仍然高得令人无法接受。此外,它还受到交叉扭曲的影响,产生谐波,这是因为当一个活动元件打开而另一个关闭时,会出现轻微的延迟或中断(反之亦然);扭曲通常在10%至20%之间。这在某些情况下可能是可以接受的,但在质量更高的音频设计中是不行的。

类AB放大器 是A类和B类的混合,并努力在效率和性能上提供折衷。在此拓扑结构中,每一对互补的活动元素都略微偏向于该活动区域,因此在两个元素之间的交点/交点有一些重叠, 图3 .这将减少扭曲到一个低水平--典型的1%,甚至下降到0.1%--在功率耗散轻微增加。传导角略大于180度,与随之而来的变形有一个折衷,即增加传导角,相关的耗散产生较低的变形。在开发先进的数字驱动音频放大器之前,AB类是最常用的音频放大器方法。

图3:AB类通过将设备稍微偏向截止区域,加上&t;180度的传导,克服了B类的交叉扭曲;这种方法有一个效率限制。

类C放大器 提供了最高的效率,但有不良的失真特性,并产生许多不希望的谐波。在C类中,放大器的传导角远小于180度,而且它是偏置的,因此它只打开大信号偏移。输出电流,因此耗散是零的超过一半的输入信号, 图4 .

图4C类放大器。

C类放大器的效率可能相当高,高达70-80%,但是由于失真也很高(10-30%),C类方法不能用于音频。然而,它是用于高功率射频发射机,在那里耗散必须保持在可接受的低水平。为了使C类放大器可用,通过使用谐振输出电路作为低通滤波器来去除不需要的射频谐波。

D级放大器 (有时被称为数字放大器,尽管这是误导性的)是一种有点违背直觉但非常有效的拓扑结构。它的功能是非线性的开关放大器,而不是其他类的线性或准线性方法。活动元件要么是完全打开的,要么是完全关闭的,脉冲宽度由输入信号调制, 图5 .输出波形的开关频率远远高于需要放大的最高音频信号。

Figure 5.

由于这种完全上/下的行动,效率可以接近100%。开关打开/关闭输出是低通滤波恢复所需的模拟波形约0.1%至1%的扭曲。D类是目前PC音频卡、移动设备和汽车音频系统的主要音频放大器方法,因为它具有良好的性能、效率和小型的结合。

下一章我们将研究G类、H类和其他类的放大器。