功率放大器的分類(lèi)與電路組成

功率放大器的分類(lèi)

甲類(lèi)工作狀態(tài)：整個(gè)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(lái)的是非線(xiàn)性失真度比較小。一般用于對(duì)失真比較敏感的場(chǎng)合，比如HI-FI音響。

乙類(lèi)工作狀態(tài)：半個(gè)周期工作另半個(gè)周期截止，乙類(lèi)工作狀態(tài)也稱(chēng)為B類(lèi)工作狀態(tài)。兩只互補(bǔ)的晶體管推挽工作，效率比甲類(lèi)功放高，但存在交越失真的問(wèn)題，一般功率放大器采用這種形式。

甲乙類(lèi)工作狀態(tài)：它是介于甲類(lèi)和乙類(lèi)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(lèi)和乙類(lèi)。

丙類(lèi)工作狀態(tài)：這種狀態(tài)下，晶體管工作的時(shí)間小于半個(gè)周期，丙類(lèi)工作狀態(tài)又稱(chēng)為C類(lèi)工作狀態(tài)，丙類(lèi)功放一般用于高頻的諧振功放。

丁類(lèi)工作狀態(tài)：把聲音信號(hào)調(diào)制為PWM形式，晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出端通過(guò)LC濾波器恢復(fù)信號(hào)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(chǎng)合。

根據(jù)工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類(lèi)如下：

傳統(tǒng)線(xiàn)性功率放大器的工作頻率很高，但相對(duì)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(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲?(A)、乙(B)、丙(C)三類(lèi)工作狀態(tài)。甲類(lèi)放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號(hào)低功率放大，乙類(lèi)放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類(lèi)放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類(lèi)和丙類(lèi)都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類(lèi)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(lèi)，但丙類(lèi)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(fù)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(kāi)關(guān)型功率放大器(Switching?Mode?PA，SMPA)，使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，常見(jiàn)的有丁(D)類(lèi)放大器和戊(E)類(lèi)放大器，丁類(lèi)放大器的效率高于丙類(lèi)放大器。SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開(kāi)關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開(kāi)，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)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(dá)到100%。?

傳統(tǒng)線(xiàn)性功率放大器具有較高的增益和線(xiàn)性度但效率低，而開(kāi)關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率，但線(xiàn)性度差。具體見(jiàn)下表：

電路組成?

放大器有不同類(lèi)型，簡(jiǎn)化之，放大器的電路可以由以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩(wěn)定電路、輸入輸出匹配電路。

功率放大器的分類(lèi)與電路組成

1、晶體管?

晶體管有很多種，包括當(dāng)前還有多種結(jié)構(gòu)的晶體管被發(fā)明出來(lái)。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現(xiàn)為一個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機(jī)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?yàn)槠淠塬@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(duì)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?yàn)樗麄兺茈y區(qū)分，且設(shè)計(jì)目標(biāo)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(chēng)之為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)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(diǎn)上起伏較小，適合于小信號(hào)工作;有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸出;有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作;有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠命c(diǎn)，是正常工作的礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)寬帶功率放大器時(shí)，或工作頻率較高時(shí)，偏置電路對(duì)電路性能影響較大，此時(shí)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(lèi)型，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)。無(wú)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(duì)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(diǎn)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(wèn)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?yàn)榫w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(lái)，加上穩(wěn)定電路的晶體管，是一個(gè)“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(jī)制能夠保證晶體管順利而穩(wěn)定的運(yùn)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(duì)于那些想提供更大增益的晶體管來(lái)說(shuō)，其途徑是全盤(pán)的接受和輸出。這意味著通過(guò)匹配電路這一個(gè)接口，不同的晶體管之間溝通更加順暢，對(duì)于不同種的放大器類(lèi)型來(lái)說(shuō)，匹配電路并不是只有“全盤(pán)接受”一種設(shè)計(jì)方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)候做一定的阻擋，來(lái)獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過(guò)了頭，否則會(huì)影響其貢獻(xiàn)。而對(duì)于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹(jǐn)小慎微，因?yàn)樗麄兏环€(wěn)定，同時(shí)，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(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且只有兩個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)致了?π形匹配網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用，因?yàn)樵诤芏嗟膶?shí)際情況中，占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配，當(dāng)電源端和負(fù)載端的寄生參數(shù)主要呈電感性質(zhì)時(shí)，可用T形匹配來(lái)把這些寄生參數(shù)吸收入網(wǎng)絡(luò)。