放大器還不知道怎么分類？一文輕松搞清楚明白

并非所有放大器都相同，并且它們的輸出級的配置和操作方式也有明顯的區(qū)別。理想放大器的主要工作特性是線性，信號增益，效率和功率輸出，但在現(xiàn)實世界的放大器中，總是在這些不同特性之間進行權(quán)衡。
通常，在音頻放大器系統(tǒng)的輸出級中使用大信號或功率放大器來驅(qū)動揚聲器負載。典型的揚聲器的阻抗在4Ω至8Ω之間，因此功率放大器必須能夠提供驅(qū)動低阻抗揚聲器所需的高峰值電流。
一種用于區(qū)分不同類型放大器的電氣特性的方法是“分類”，因此，根據(jù)放大器的電路配置和操作方法對其進行分類。然后，放大器類是用于區(qū)分不同放大器類型的術(shù)語。
放大器類表示當(dāng)被正弦輸入信號激勵時，在一個工作周期內(nèi)，放大器電路內(nèi)輸出信號的量變化。放大器的分類范圍從效率非常低的完全線性操作（用于高保真信號放大）到完全非線性（其中忠實的信號再現(xiàn)不是那么重要）的操作，但是效率更高。是兩者之間的折衷。
放大器類主要分為兩個基本組。第一個是經(jīng)典控制的導(dǎo)通角放大器，形成更常見的A，B，AB和C類放大器，它們由它們在輸出波形某些部分上的導(dǎo)通狀態(tài)的長度來定義，因此輸出級晶體管的工作原理在于在“完全開啟”和“完全關(guān)閉”之間的某個位置。
第二組放大器是D，E，F(xiàn)，G，S，T等較新的所謂“開關(guān)”放大器類，它們使用數(shù)字電路和脈沖寬度調(diào)制（PWM）來不斷地在“完全- “開”和“全關(guān)”將輸出硬驅(qū)動到晶體管的飽和和截止區(qū)域。
最常用的放大器類別是用作音頻放大器的類別，主要是A，B，AB和C類，為了使事情簡單起見，我們將在這里詳細介紹這些類型的放大器。

甲類放大器A類放大器是放大器拓撲中最常見的類型，因為它們在放大器設(shè)計中僅使用一個輸出開關(guān)晶體管（雙極，F(xiàn)ET，IGBT等）。該單個輸出晶體管在其負載線的中間偏置在Q點附近，因此永遠不會被驅(qū)動到其截止或飽和區(qū)域，從而使其在整個輸入周期的360度內(nèi)傳導(dǎo)電流。然后，A類拓撲的輸出晶體管將永遠不會“關(guān)斷”，這是其主要缺點之一。
“ A”類放大器被認為是放大器設(shè)計的最佳類別，這主要是因為正確設(shè)計后，它們具有出色的線性度，高增益和低信號失真水平。盡管出于對熱電源的考慮，很少在高功率放大器應(yīng)用中使用A類放大器，但它在這里提到的所有放大器類中可能是最好的聲音，因此可用于高保真音頻放大器設(shè)計中。
甲類放大器

為了實現(xiàn)高線性度和增益，A類放大器的輸出級一直都偏置為“ ON”（導(dǎo)通）。然后，將放大器分類為“ A類”，輸出級中的零信號空閑電流必須等于或大于產(chǎn)生最大輸出信號所需的最大負載電流（通常是揚聲器）。
當(dāng)A類放大器在其特性曲線的線性部分中工作時，單個輸出設(shè)備將在整個360度輸出波形中傳導(dǎo)。那么，A類放大器相當(dāng)于一個電流源。
由于A類放大器中工作在線性區(qū)時，晶體管基極（或柵極）DC偏置電壓應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇，以確保正確的操作和低失真。但是，由于輸出設(shè)備始終處于“ ON”狀態(tài)，因此它會不斷承載電流，這表示放大器中的功率不斷損耗。
由于功率A類放大器的這種持續(xù)損耗，放大器產(chǎn)生了大量的熱量，使它們的效率非常低，約為30％，這使其不適用于高功率放大。同樣，由于放大器的高空載電流，必須相應(yīng)地調(diào)整電源的大小，并對其進行良好的濾波，以避免任何放大器的嗡嗡聲和噪聲。因此，由于A類放大器的低效率和過熱問題，已經(jīng)開發(fā)了更有效的放大器類。

B類放大器發(fā)明B類放大器是為了解決與以前的A類放大器相關(guān)的效率和發(fā)熱問題?；镜腂類放大器使用兩個互補的晶體管，即FET的雙極型，用于波形的每一半，其輸出級配置為“推挽”型，因此每個晶體管器件僅放大輸出波形的一半。
在B類放大器中，由于其靜態(tài)電流為零，因此沒有DC基極偏置電流，因此直流功率很小，因此其效率比A類放大器高得多。但是，為了提高效率而付出的代價是開關(guān)裝置的線性度。

B類放大器

當(dāng)輸入信號為正時，正偏置晶體管導(dǎo)通，而負晶體管切換為“關(guān)”。同樣，當(dāng)輸入信號變?yōu)樨撝禃r，正晶體管會切換為“ OFF”，而負偏置晶體管會變?yōu)椤?ON”并傳導(dǎo)信號的負部分。因此，晶體管僅在輸入信號的正半周期或負半周期導(dǎo)通一半時間。
然后我們可以看到，B類放大器的每個晶體管器件在嚴格的時間交替中僅導(dǎo)通輸出波形的一半或180度，但是由于輸出級具有用于信號波形的兩半的器件，因此將這兩個半部分組合在一起產(chǎn)生全線性輸出波形。
放大器的這種推挽設(shè)計顯然比A類更有效，約為50％，但是B類放大器設(shè)計的問題在于，由于晶體管死區(qū)，它會在波形的零交叉點產(chǎn)生失真。 -0.7V至+0.7的輸入基本電壓。
我們從晶體管教程中還記得，要使雙極晶體管開始導(dǎo)通，需要大約0.7伏的基極-****極電壓。然后，在B類放大器中，直到超過該電壓，輸出晶體管才不會“偏置”到工作的“導(dǎo)通”狀態(tài)。
這意味著落在此0.7伏窗口內(nèi)的波形部分將無法精確再現(xiàn)，從而使B類放大器不適用于精密音頻放大器應(yīng)用。
為了克服這種過零失真（也稱為交叉失真），開發(fā)了AB類放大器。

AB類放大器顧名思義，AB類放大器是我們上面已經(jīng)看過的“ A類”和“ B類”放大器的組合。放大器的AB分類目前是音頻功率放大器設(shè)計中最常用的類型之一。AB類放大器是上述B類放大器的一種變形，不同之處在于，兩個設(shè)備都可以在波形交叉點周圍同時導(dǎo)通，從而消除了先前B類放大器的交叉失真問題。
這兩個晶體管具有非常小的偏置電壓，通常為靜態(tài)電流的5％到10％，以將晶體管偏置到剛好高于其截止點的水平。然后，導(dǎo)通器件（即FET的雙極性）將導(dǎo)通超過一個半周期，但遠小于輸入信號的一個完整周期。因此，在AB類放大器設(shè)計中，每個推挽晶體管的導(dǎo)通時間略大于B類的導(dǎo)通半周期，但遠小于A類的整個導(dǎo)通周期。
換句話說，一個AB類放大器的導(dǎo)通角是180之間某處?和360 ?取決于所選擇的偏置點，如圖所示。

AB類放大器

由串聯(lián)二極管或電阻器提供的這種小的偏置電壓的優(yōu)勢在于，可以克服由B類放大器特性產(chǎn)生的交叉失真，而不會降低A類放大器設(shè)計的效率。因此，在效率和線性方面，AB類放大器是A類和B類之間的良好折衷，轉(zhuǎn)換效率達到約50％至60％。

C類放大器在C類放大器設(shè)計具有最大的效率，但這里所說放大器的類別中最貧窮的線性度。先前的A，B和AB類被視為線性放大器，因為輸出信號的幅度和相位與輸入信號的幅度和相位線性相關(guān)。
但是，C類放大器受到嚴重偏置，因此在輸入正弦信號周期的一半以上時，輸出電流為零，而晶體管在其截止點處處于空閑狀態(tài)。換句話說，晶體管的導(dǎo)通角明顯小于180度，并且通常在90度附近。
盡管這種形式的晶體管偏置使放大器的效率大大提高了約80％，但它會給輸出信號帶來非常嚴重的失真。因此，C類放大器不適合用作音頻放大器。

C類放大器

由于其嚴重的音頻失真，C類放大器通常用于高頻正弦波振蕩器和某些類型的射頻放大器中，在這些放大器中，放大器輸出端產(chǎn)生的電流脈沖可以通過交流電轉(zhuǎn)換為特定頻率的完整正弦波。在集電極電路中使用LC諧振電路。

放大器類摘要然后我們可以看到，放大器的靜態(tài)直流工作點（Q點）決定了放大器的分類。通過將Q點的位置設(shè)置在放大器特性曲線的負載線上的中點，該放大器將用作A類放大器。通過將Q點向下移動，負載線將放大器變?yōu)锳B，B或C類放大器。
然后，就其直流工作點而言，放大器的工作類別為：

放大器類別和效率

除音頻放大器外，還有許多與開關(guān)放大器設(shè)計有關(guān)的高效率放大器類，它們使用不同的開關(guān)技術(shù)來減少功率損耗并提高效率。下面列出的某些放大器類設(shè)計使用RLC諧振器或多個電源電壓來降低功率損耗，或者是使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關(guān)技術(shù)的數(shù)字DSP（數(shù)字信號處理）類型的放大器。
其他通用放大器類

• D類放大器– D類音頻放大器基本上是非線性開關(guān)放大器或PWM放大器。D類放大器理論上可以達到100％的效率，因為在周期中沒有周期，因為電流僅通過導(dǎo)通的晶體管汲取，電壓和電流波形重疊。

• F類放大器– F類放大器通過在輸出網(wǎng)絡(luò)中使用諧波諧振器將輸出波形整形為方波來提高效率和輸出。如果使用無限次諧波調(diào)諧，則F類放大器的效率可以達到90％以上。

• G類放大器– G類對基本的AB類放大器設(shè)計進行了增強。G類使用多個不同電壓的電源軌，并在輸入信號變化時自動在這些電源軌之間切換。這種恒定的開關(guān)減少了平均功耗，從而減少了由于浪費熱量而導(dǎo)致的功率損耗。

• I類放大器– I類放大器具有兩組互補輸出開關(guān)設(shè)備，它們以并行推挽配置排列，兩組開關(guān)設(shè)備都采樣相同的輸入波形。一臺設(shè)備切換波形的正一半，而另一臺設(shè)備切換負的一半，類似于B類放大器。在沒有施加輸入信號的情況下，或者當(dāng)信號到達零交叉點時，開關(guān)設(shè)備同時以50％PWM占空比導(dǎo)通和關(guān)斷，以抵消任何高頻信號。
  為了產(chǎn)生輸出信號的正一半，正開關(guān)器件的輸出占空比增大，而負開關(guān)器件減小占空比，反之亦然。據(jù)說這兩個開關(guān)信號電流在輸出處是交錯的，因此，I類放大器的名稱為：“交錯的PWM放大器”，其開關(guān)頻率超過250kHz。

• S類放大器– S類功率放大器是一種非線性開關(guān)模式放大器，其操作類似于D類放大器。S類放大器通過delta-sigma調(diào)制器將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波脈沖，并在最終被帶通濾波器解調(diào)之前將其放大以增加輸出功率。由于此開關(guān)放大器的數(shù)字信號始終完全為“ ON”或“ OFF”（理論上為零功耗），因此效率可以達到100％。

• T類放大器– T類放大器是另一種數(shù)字開關(guān)放大器設(shè)計。如今，由于存在數(shù)字信號處理（DSP）芯片和多聲道環(huán)繞聲放大器，T類放大器作為音頻放大器設(shè)計正變得越來越流行，因為它可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，放大可提高放大器效率。T類放大器的設(shè)計兼具AB類放大器的低失真信號電平和D類放大器的功率效率。

在這里，我們已經(jīng)看到了許多放大器的分類，從線性功率放大器到非線性開關(guān)放大器，還看到了放大器類別沿放大器負載線的不同。類AB，B和C ^放大器可以在導(dǎo)通角來定義，θ如下：
放大器按導(dǎo)通角分類