干货｜详解功率放大器的类型、类别和应用

来源:电子工程世界发布时间:2021-08-02

功率放大器是一种电子放大器，旨在增加给定输入信号的功率幅度。输入信号的功率增加到足以驱动扬声器、耳机、RF发射器等输出设备负载的电平。与电压/电流放大器不同，功率放大器被设计为直接驱动负载并用作最终模块在放大链中。

功率放大器的输入信号必须高于某个阈值。因此，不是直接将原始音频/RF信号传递到功率放大器，而是先使用电流/电压放大器对其进行预放大，并在进行必要的修改后将其作为输入发送到功率放大器。

功率放大器的类型

根据连接的输出设备的类型，功率放大器分为以下三种类型：

音频功率放大器
射频功率放大器
直流功率放大器

音频功率放大器

这种类型的功率放大器用于增加较弱音频信号的功率大小。在电视，移动电话等的扬声器驱动电路中使用的放大器属于此类别。

音频功率放大器的输出范围从几毫瓦（如耳机放大器）到数千瓦（如Hi-Fi /家庭影院系统中的功率放大器）。

射频功率放大器

无线传输要求调制波要通过空气长距离发送。使用天线发送信号，并且发送范围取决于馈送到天线的信号的功率大小。

对于诸如FM广播之类的无线传输，天线需要输入功率为数千千瓦的信号。在此，射频功率放大器用于将调制波的功率幅度增加到足以达到所需传输距离的水平。

直流功率放大器

直流功率放大器用于放大PWM（脉冲宽度调制）信号的功率。它们用于需要大功率信号来驱动电动机或执行器的电子控制系统。它们从微控制器系统获取输入，增加其功率，并将放大后的信号馈送到直流电动机或执行器。

功率放大器类

有多种设计功率放大器电路的方法。每种电路配置的操作和输出特性都互不相同。为了区分不同功率放大器电路的特性和性能，使用了功率放大器类，其中分配了字母符号以标识操作方法。

它们大致分为两类。设计用于放大模拟信号的功率放大器属于A，B，AB或C类。设计用于放大脉宽调制（PWM）数字信号的功率放大器位于D，E，F等之下。

最常用的功率放大器是音频放大器电路中使用的功率放大器，它们属于A、B、AB或C类。因此，让我们详细了解一下它们。
A类功率放大器

模拟波形由正高点和负低点组成。在此类放大器中，整个输入波形都在放大过程中使用。

单个晶体管用于放大波形的正半部和负半部。这使它们的设计简单，并使A类放大器成为最常用的功率放大器类型。尽管此类功率放大器已被更好的设计所取代，但它们仍在业余爱好者中很受欢迎。

在此类放大器中，即使没有输入信号，有源元件（用于放大的电子组件，在这种情况下为晶体管）也一直处于使用状态。在正常配置的情况下，这会产生大量热量并将A类放大器的效率降低到25％，在变压器耦合配置的情况下，效率会降低到50％。

A类放大器的导通角（360度中用于放大的波形部分）为360°。因此，信号失真水平非常小，可以提供更好的高频性能。

B类功率放大器

B类功率放大器旨在降低A类放大器中存在的效率和发热问题。此类放大器使用两个互补晶体管，而不是单个晶体管来放大整个波形。

一个晶体管放大波形的正一半，另一个晶体管放大波形的负一半。因此，每个有源器件导通波形的一半（180°），其中两个导通时将放大整个信号。

由于采用了两个晶体管设计，因此与A类放大器相比，B类放大器的效率有了很大提高。他们可以达到理论效率的75％左右。此类功率放大器用在电池供电的设备中，例如FM收音机和晶体管收音机。

由于波形的两半重叠，因此在交叉区域存在很小的失真。为了减少这种信号失真，设计了AB类放大器。

AB类功率放大器

AB类放大器是A类和B类放大器的组合。此类放大器旨在减少A类放大器效率较低的问题以及B类放大器交叉区域的信号失真。

它可以像A类放大器一样保持高频响应，并像B类放大器一样保持良好的效率。二极管和电阻器的组合用于提供很小的偏置电压，从而减小了交叉区域附近的波形失真。因此，效率略有下降（60％）。
C类功率放大器

C类功率放大器的设计可实现更高的效率，但会降低线性度/传导角（低于90°）。换句话说，为了提高效率而牺牲了放大的质量。

较小的导通角意味着更大的失真，因此此类放大器不适用于音频放大。它们用于高频振荡器和射频信号的放大。

C类放大器通常包含一个经过调谐的负载，该负载对特定频率的输入信号进行滤波和放大，而其他频率的波形则被抑制。

在这种类型的功率放大器中，有源元件仅在输入电压高于某个阈值时才导通，从而降低了功耗并提高了效率。

其他功率放大器类

功率放大器D、E、F、G等用于放大PWM调制的数字信号。它们属于开关功率放大器的类别，可将输出不断地打开或关闭，而其间没有任何其他电平。

由于这种简单性，属于上述类别的功率放大器可以达到高达（90-100）％的理论效率。

应用领域

以下是功率放大器在不同领域的应用：

消费类电子产品：音频功率放大器几乎用在所有消费类电子设备中，从微波炉，耳机驱动器，电视，移动电话和家庭影院系统到剧院和音乐会增强系统。
工业：开关型功率放大器用于控制大多数工业执行器系统，例如伺服器和直流电动机。
无线通信：高功率放大器对于向用户传输蜂窝或FM广播信号非常重要。由于功率放大器，更高的功率水平成为可能，从而提高了数据传输速率和可用性。它们还用于卫星通信设备中。

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