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放大器还不知道怎么分类?一文轻松搞清楚明白

2020-11-11 09:23:37  515 放大器 晶体管 信号
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并非所有放大器都相同,并且它们的输出级的配置和操作方式也有明显的区别。理想放大器的主要工作特性是线性,信号增益,效率和功率输出,但在现实世界的放大器中,总是在这些不同特性之间进行权衡。
通常,在音频放大器系统的输出级中使用大信号或功率放大器来驱动扬声器负载。典型的扬声器的阻抗在4Ω至8Ω之间,因此功率放大器必须能够提供驱动低阻抗扬声器所需的高峰值电流。
一种用于区分不同类型放大器的电气特性的方法是“分类”,因此,根据放大器的电路配置和操作方法对其进行分类。然后,放大器类是用于区分不同放大器类型的术语。
放大器类表示当被正弦输入信号激励时,在一个工作周期内,放大器电路内输出信号的量变化。放大器的分类范围从效率非常低的完全线性操作(用于高保真信号放大)到完全非线性(其中忠实的信号再现不是那么重要)的操作,但是效率更高。是两者之间的折衷。
放大器类主要分为两个基本组。第一个是经典控制的导通角放大器,形成更常见的A,B,AB和C类放大器,它们由它们在输出波形某些部分上的导通状态的长度来定义,因此输出级晶体管的工作原理在于在“完全开启”和“完全关闭”之间的某个位置。
第二组放大器是D,E,F,G,S,T等较新的所谓“开关”放大器类,它们使用数字电路和脉冲宽度调制(PWM)来不断地在“完全- “开”和“全关”将输出硬驱动到晶体管的饱和和截止区域。
最常用的放大器类别是用作音频放大器的类别,主要是A,B,AB和C类,为了使事情简单起见,我们将在这里详细介绍这些类型的放大器
甲类放大器A类放大器是放大器拓扑中最常见的类型,因为它们在放大器设计中仅使用一个输出开关晶体管(双极,FET,IGBT等)。该单个输出晶体管在其负载线的中间偏置在Q点附近,因此永远不会被驱动到其截止或饱和区域,从而使其在整个输入周期的360度内传导电流。然后,A类拓扑的输出晶体管将永远不会“关断”,这是其主要缺点之一。
“ A”类放大器被认为是放大器设计的最佳类别,这主要是因为正确设计后,它们具有出色的线性度,高增益和低信号失真水平。尽管出于对热电源的考虑,很少在高功率放大器应用中使用A类放大器,但它在这里提到的所有放大器类中可能是最好的声音,因此可用于高保真音频放大器设计中。
甲类放大器
为了实现高线性度和增益,A类放大器的输出级一直都偏置为“ ON”(导通)。然后,将放大器分类为“ A类”,输出级中的零信号空闲电流必须等于或大于产生最大输出信号所需的最大负载电流(通常是扬声器)。
当A类放大器在其特性曲线的线性部分中工作时,单个输出设备将在整个360度输出波形中传导。那么,A类放大器相当于一个电流源。
由于A类放大器中工作在线性区时,晶体管基极(或栅极)DC偏置电压应适当地选择,以确保正确的操作和低失真。但是,由于输出设备始终处于“ ON”状态,因此它会不断承载电流,这表示放大器中的功率不断损耗。
由于功率A类放大器的这种持续损耗,放大器产生了大量的热量,使它们的效率非常低,约为30%,这使其不适用于高功率放大。同样,由于放大器的高空载电流,必须相应地调整电源的大小,并对其进行良好的滤波,以避免任何放大器的嗡嗡声和噪声。因此,由于A类放大器的低效率和过热问题,已经开发了更有效的放大器类。
B类放大器发明B类放大器是为了解决与以前的A类放大器相关的效率和发热问题。基本的B类放大器使用两个互补的晶体管,即FET的双极型,用于波形的每一半,其输出级配置为“推挽”型,因此每个晶体管器件仅放大输出波形的一半。
在B类放大器中,由于其静态电流为零,因此没有DC基极偏置电流,因此直流功率很小,因此其效率比A类放大器高得多。但是,为了提高效率而付出的代价是开关装置的线性度。
B类放大器
当输入信号为正时,正偏置晶体管导通,而负晶体管切换为“关”。同样,当输入信号变为负值时,正晶体管会切换为“ OFF”,而负偏置晶体管会变为“ ON”并传导信号的负部分。因此,晶体管仅在输入信号的正半周期或负半周期导通一半时间。
然后我们可以看到,B类放大器的每个晶体管器件在严格的时间交替中仅导通输出波形的一半或180度,但是由于输出级具有用于信号波形的两半的器件,因此将这两个半部分组合在一起产生全线性输出波形。
放大器的这种推挽设计显然比A类更有效,约为50%,但是B类放大器设计的问题在于,由于晶体管死区,它会在波形的零交叉点产生失真。 -0.7V至+0.7的输入基本电压。
我们从晶体管教程中还记得,要使双极晶体管开始导通,需要大约0.7伏的基极-发射极电压。然后,在B类放大器中,直到超过该电压,输出晶体管才不会“偏置”到工作的“导通”状态。
这意味着落在此0.7伏窗口内的波形部分将无法精确再现,从而使B类放大器不适用于精密音频放大器应用。
为了克服这种过零失真(也称为交叉失真),开发了AB类放大器。
AB类放大器顾名思义,AB类放大器是我们上面已经看过的“ A类”和“ B类”放大器的组合。放大器的AB分类目前是音频功率放大器设计中最常用的类型之一。AB类放大器是上述B类放大器的一种变形,不同之处在于,两个设备都可以在波形交叉点周围同时导通,从而消除了先前B类放大器的交叉失真问题。
这两个晶体管具有非常小的偏置电压,通常为静态电流的5%到10%,以将晶体管偏置到刚好高于其截止点的水平。然后,导通器件(即FET的双极性)将导通超过一个半周期,但远小于输入信号的一个完整周期。因此,在AB类放大器设计中,每个推挽晶体管的导通时间略大于B类的导通半周期,但远小于A类的整个导通周期。
换句话说,一个AB类放大器的导通角是180之间某处ö和360 ö取决于所选择的偏置点,如图所示。
AB类放大器
由串联二极管电阻器提供的这种小的偏置电压的优势在于,可以克服由B类放大器特性产生的交叉失真,而不会降低A类放大器设计的效率。因此,在效率和线性方面,AB类放大器是A类和B类之间的良好折衷,转换效率达到约50%至60%。
C类放大器C类放大器设计具有最大的效率,但这里所说放大器的类别中最贫穷的线性度。先前的A,B和AB类被视为线性放大器,因为输出信号的幅度和相位与输入信号的幅度和相位线性相关。
但是,C类放大器受到严重偏置,因此在输入正弦信号周期的一半以上时,输出电流为零,而晶体管在其截止点处处于空闲状态。换句话说,晶体管的导通角明显小于180度,并且通常在90度附近。
尽管这种形式的晶体管偏置使放大器的效率大大提高了约80%,但它会给输出信号带来非常严重的失真。因此,C类放大器不适合用作音频放大器。
C类放大器
由于其严重的音频失真,C类放大器通常用于高频正弦波振荡器和某些类型的射频放大器中,在这些放大器中,放大器输出端产生的电流脉冲可以通过交流电转换为特定频率的完整正弦波。在集电极电路中使用LC谐振电路。
放大器类摘要然后我们可以看到,放大器的静态直流工作点(Q点)决定了放大器的分类。通过将Q点的位置设置在放大器特性曲线的负载线上的中点,该放大器将用作A类放大器。通过将Q点向下移动,负载线将放大器变为AB,B或C类放大器。
然后,就其直流工作点而言,放大器的工作类别为:
放大器类别和效率
除音频放大器外,还有许多与开关放大器设计有关的高效率放大器类,它们使用不同的开关技术来减少功率损耗并提高效率。下面列出的某些放大器类设计使用RLC谐振器或多个电源电压来降低功率损耗,或者是使用脉冲宽度调制(PWM)开关技术的数字DSP(数字信号处理)类型的放大器。
其他通用放大器类
  • D类放大器– D类音频放大器基本上是非线性开关放大器或PWM放大器。D类放大器理论上可以达到100%的效率,因为在周期中没有周期,因为电流仅通过导通的晶体管汲取,电压和电流波形重叠。
  • F类放大器– F类放大器通过在输出网络中使用谐波谐振器将输出波形整形为方波来提高效率和输出。如果使用无限次谐波调谐,则F类放大器的效率可以达到90%以上。
  • G类放大器– G类对基本的AB类放大器设计进行了增强。G类使用多个不同电压的电源轨,并在输入信号变化时自动在这些电源轨之间切换。这种恒定的开关减少了平均功耗,从而减少了由于浪费热量而导致的功率损耗。
  • I类放大器– I类放大器具有两组互补输出开关设备,它们以并行推挽配置排列,两组开关设备都采样相同的输入波形。一台设备切换波形的正一半,而另一台设备切换负的一半,类似于B类放大器。在没有施加输入信号的情况下,或者当信号到达零交叉点时,开关设备同时以50%PWM占空比导通和关断,以抵消任何高频信号。
    为了产生输出信号的正一半,正开关器件的输出占空比增大,而负开关器件减小占空比,反之亦然。据说这两个开关信号电流在输出处是交错的,因此,I类放大器的名称为:“交错的PWM放大器”,其开关频率超过250kHz。
  • S类放大器– S类功率放大器是一种非线性开关模式放大器,其操作类似于D类放大器。S类放大器通过delta-sigma调制器将模拟输入信号转换为数字方波脉冲,并在最终被带通滤波器解调之前将其放大以增加输出功率。由于此开关放大器的数字信号始终完全为“ ON”或“ OFF”(理论上为零功耗),因此效率可以达到100%。
  • T类放大器– T类放大器是另一种数字开关放大器设计。如今,由于存在数字信号处理(DSP)芯片和多声道环绕声放大器,T类放大器作为音频放大器设计正变得越来越流行,因为它可以将模拟信号转换为数字脉冲宽度调制(PWM)信号,放大可提高放大器效率。T类放大器的设计兼具AB类放大器的低失真信号电平和D类放大器的功率效率。

在这里,我们已经看到了许多放大器的分类,从线性功率放大器到非线性开关放大器,还看到了放大器类别沿放大器负载线的不同。类AB,B和C ^放大器可以在导通角来定义,θ如下:
放大器按导通角分类
放大器类描述导通角
A级全周期360 o传导θ=2π
B级半周期180 o传导θ=π
AB类略大于180 o的传导π<θ<2π
C级导电率略低于180 oθ<π
D类到T开-关非线性切换θ= 0


王栋春 2020-11-11 22:18:06
总结的非常到位
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