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詳細說明功率放大器有哪些類型
在前面的文章中,金譽半導體有講過,功率放大器(簡稱:功放)(Power Amplifier)“功率放大器”,顧名思義,是將“功率”放大的放大器。進入微弱的信號,如話筒、VCD、微波等等送到前置放大電路,放大成足以推動功率放大器信號幅度,最后后級功率放大電路推動喇叭或其它設備,它最大的功用,是當成”輸出級”(Output Stage)使用。從另一個角度來看,它是在做大信號的電流放大,以達到功率放大的目的。從廣義上來說功率放大器不局限于音頻放大,很多場合都會用到它,如射頻、微波、激光等等。
一、純甲類功率放大器
純甲類功率放大器又稱為A類功率放大器(Class A),它是一種完全的線性放大形式的放大器。在純甲類功率放大器工作時,晶體管的正負通道不論有或沒有信號都處于常開狀態(tài),這就意味著更多的功率消耗為熱量。純甲類功率放大器在汽車音響的應用中比較少見,像意大利的Sinfoni高品質(zhì)系列才有這類功率放大器。這是因為純甲類功率放大器的效率非常低,通常只有20-30%,音響發(fā)燒友們對它的聲音表現(xiàn)津津樂道。
二、乙類功率放大器
乙類功率放大器,也稱為B類功率放大器(Class B),它也被稱為線性放大器,但是它的工作原理與純甲類功率放大器完全不同。B類功放在工作時,晶體管的正負通道通常是處于關(guān)閉的狀態(tài)除非有信號輸入,也就是說,在正相的信號過來時只有正相通道工作,而負相通道關(guān)閉,兩個通道絕不會同時工作,因此在沒有信號的部分,完全沒有功率損失。但是在正負通道開啟關(guān)閉的時候,常常會產(chǎn)生跨越失真,特別是在低電平的情況下,所以B類功率放大器不是真正意義上的高保真功率放大器。在實際的應用中,其實早期許多的汽車音響功放都是B類功放,因為它的效率比較高。
三、甲乙類功率放大器
甲乙類功率放大器也稱為AB類功率放大器(Class AB),它是兼容A類與B類功放的優(yōu)勢的一種設計。當沒有信號或信號非常小時,晶體管的正負通道都常開,這時功率有所損耗,但沒有A類功放嚴重。當信號是正相時,負相通道在信號變強前還是常開的,但信號轉(zhuǎn)強則負通道關(guān)閉。當信號是負相時,正負通道的工作剛好相反。AB類功率放大器的缺陷在于會產(chǎn)生交越失真,但是相對于它的效率比以及保真度而言,都優(yōu)于A類和B類功放,AB類功放也是目前汽車音響中應用最為廣泛的設計。
四、D類功率放大器
D類放大器與上述A,B或AB類放大器不同,其工作原理基于開關(guān)晶體管,可在極短的時間內(nèi)完全導通或完全截止。兩只晶體管不會在同一時刻導通,因此產(chǎn)生的熱量很少。這種類型的放大器效率極高(90%左右),在理想情況下可達100%,而相比之下AB類放大器僅能達到78.5%。不過另一方面,開關(guān)工作模式也增加了輸出信號的失真。D類放大器的電路共分為三級:輸入開關(guān)級、功率放大級以及輸出濾波級。D類放大器工作在開關(guān)狀態(tài)下可以采用脈寬調(diào)制(PWM)模式。利用PWM能將音頻輸入信號轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)信號,通過一個比較器將音頻信號與高頻三角波進行比較,當反相端電壓高于同相端電壓時,輸出為低電平;當反相端電壓低于同相端電壓時,輸出為高電平。
在D類放大器中,比較器的輸出與功率放大電路相連,功放電路采用金屬氧化物場效應管(MOSFET)替代雙極型晶體管(BJT),這是由于前者具有更快的響應時間,因而適用于高頻工作模式。D類放大器需要兩只MOSFET,它們在非常短的時間內(nèi)可完全工作在導通或截止狀態(tài)下。當一只MOSFET完全導通時,其管壓降很低;而當MOSFET完全截止時,通過管子的電流為零。兩只MOSFET交替工作在導通和截止狀態(tài)的開關(guān)速度非??欤蚨蕵O高,產(chǎn)生的熱量很低,所以D類放大器不需要很大的散熱器。
D類功放還有其它許多的稱法,如T類等,它們都是D類功放的一種變形。在實際應用中,直到1980以后,由于MOSFET的出現(xiàn),這種開關(guān)式功放才得以迅速發(fā)展。在實際的發(fā)展過程中,雖然有高效率,但同時也有高失真,高噪聲以及較差的阻尼因素。隨著技術(shù)的發(fā)展,這類缺陷將越來越少,估計未來D類功放在汽車音響領(lǐng)域中會得到更加廣泛的應用。
五、T類放大器
T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功率放大器相同,功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài),效率和D類功率放大器相當。但它和普通D類功率放大器不同的是:首先,它不是使用脈沖調(diào)寬的方法,Tripath公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放大器處理器“Digital Power Processing (DPP)”的數(shù)字功率技術(shù),它是T類功率放大器的核心。它把通信技術(shù)中處理小信號的適應算法及預測算法用到這里。輸入的音頻信號和進入揚聲器的電流經(jīng)過DPP數(shù)字處理后,用于控制功率晶體管的導通關(guān)閉。從而使音質(zhì)達到高保真線性放大。
其次,它的功率晶體管的切換頻率不是固定的,無用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi),而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細節(jié)在整個頻帶上都清晰可“聞”。此外,T類功率放大器的動態(tài)范圍更寬,頻率響應平坦。DDP的出現(xiàn),把數(shù)字時代的功率放大器推到一個新的高度。在高保真方面,線性度與傳統(tǒng)AB類功放相比有過之而無不及。