功率放大器的分類與原理
發(fā)布日期:2023-05-11
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功率放大器的分類
甲類工作狀態(tài):整個工作周期內(nèi)晶體管的集電極電流始終是流通的,放大器的效率最低,帶來的是非線性失真度比較小。一般用于對失真比較敏感的場合,比如HI-FI音響。
乙類工作狀態(tài):半個周期工作另半個周期截止,乙類工作狀態(tài)也稱為B類工作狀態(tài)。兩只互補的晶體管推挽工作,效率比甲類功放高,但存在交越失真的問題,一般功率放大器采用這種形式。
甲乙類工作狀態(tài):它是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài),即晶體管工作周期大于一半,這種功放的特性介于甲類和乙類。
丙類工作狀態(tài):這種狀態(tài)下,晶體管工作的時間小于半個周期,丙類工作狀態(tài)又稱為C類工作狀態(tài),丙類功放一般用于高頻的諧振功放。
丁類工作狀態(tài):把聲音信號調(diào)制為PWM形式,晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),輸出端通過LC濾波器恢復信號波形。效率高,高頻特性差,用于小型化電池供電以及要求高效率的場合。
根據(jù)工作狀態(tài)的不同,功率放大器分類如下:
傳統(tǒng)線性功率放大器的工作頻率很高,但相對頻帶較窄,射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同,分為甲 (A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導通角為360°,適用于小信號低功率放大,乙類放大器電流的導通角等于180°,丙類放大器電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài),丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類,但丙類放大器的電流波形失真太大,只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然接近于正弦波形,失真很小。
開關(guān)型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài),常見的有?。―)類放大器和戊(E)類放大器,丁類放大器的效率高于丙類放大器。SMPA將有源晶體管驅(qū)動為開關(guān)模式,晶體管的工作狀態(tài)要么是開,要么是關(guān),其電壓和電流的時域波形不存在交疊現(xiàn)象,所以是直流功耗為零,理想的效率能達到100%。
傳統(tǒng)線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低,而開關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率,但線性度差。具體見下表:
電路組成
放大器有不同類型,簡化之,放大器的電路可以由以下幾個部分組成:晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。
1、晶體管
晶體管有很多種,包括當前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體管被發(fā)明出來。本質(zhì)上,晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個受控的電流源或電壓源,其工作機制是將不含內(nèi)容的直流的能量轉(zhuǎn)化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得,晶體管加以消耗,并轉(zhuǎn)化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有區(qū)別,這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致;比如其反應(yīng)速度不同,這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;比如其面向輸入、輸出端的阻抗不同,及對外的反應(yīng)能力不同,這決定了給它匹配的難易程度。
2、偏置電路及穩(wěn)定電路
偏置和穩(wěn)定電路是兩種不同的電路,但因為他們往往很難區(qū)分,且設(shè)計目標趨同,所以可以放在一起討論。
晶體管的工作需要在一定的偏置條件下,我們稱之為靜態(tài)工作點。這是晶體管立足的根本,是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位,其定位不同將決定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在著不同的性能表現(xiàn)。有些定位點上起伏較小,適合于小信號工作;有些定位點上起伏較大,適合于大功率輸出;有些定位點上索取較少,釋放純粹,適合于低噪聲工作;有些定位點,晶體管總是在飽和和截至之間徘徊,處于開關(guān)狀態(tài)。一個恰當?shù)钠命c,是正常工作的礎(chǔ)。在設(shè)計寬帶功率放大器時,或工作頻率較高時,偏置電路對電路性能影響較大,此時應(yīng)把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。
偏置網(wǎng)絡(luò)有兩大類型,無源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。無源網(wǎng)絡(luò)(即自偏置網(wǎng)絡(luò))通常由電阻網(wǎng)絡(luò)組成,為晶體管提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對晶體管的參數(shù)變化十分敏感,并且溫度穩(wěn)定性較差。有源偏置網(wǎng)絡(luò)能改善靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性,還能提高良好的溫度穩(wěn)定性,但它也存在一些問題,如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。 穩(wěn)定電路一定要在匹配電路之前,因為晶體管需要將穩(wěn)定電路作為自身的一部分存在,再與外界接觸。在外界看來,加上穩(wěn)定電路的晶體管,是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”,獲得了穩(wěn)定性。穩(wěn)定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。
3、輸入輸出匹配電路
匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說,其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口,不同的晶體管之間溝通更加順暢,對于不同種的放大器類型來說,匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設(shè)計方法。一些直流小、根基淺的小型管,更愿意在接受的時候做一定的阻擋,來獲取更好的噪聲性能,然而不能阻擋過了頭,否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管,則需要在輸出時謹小慎微,因為他們更不穩(wěn)定,同時,一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。
典型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配,其特點就是結(jié)構(gòu)簡單且只有兩個自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率,網(wǎng)絡(luò)的Q值(帶寬)也就確定了。π形匹配網(wǎng)絡(luò)的一個優(yōu)點就是不管什么樣的寄生電容,只要連接到它,都可以被吸到網(wǎng)絡(luò)中,這也導致了 π形匹配網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用,因為在很多的實際情況中,占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配,當電源端和負載端的寄生參數(shù)主要呈電感性質(zhì)時,可用T形匹配來把這些寄生參數(shù)吸收入網(wǎng)絡(luò)。