在电子产品中,放大器是最常用的电路设备,具有巨大的应用可能性。在音频相关的电子产品中,前置放大器和功率放大器是两种不同类型的放大器系统,用于与声音放大相关的目的。但是,除了此特定用途的目的之外,各种类型的放大器(主要是功率放大器)之间存在巨大差异。因此,在这里我们将探讨不同类别的放大器以及它们的优缺点。
使用字母的放大器分类
放大器类别是放大器性能和特性的标识。当电流通过它们时,不同类型的功率放大器会给出不同的响应。根据其规格,为放大器分配了代表其类别的不同字母或字母。从A,B,C,AB,D,E,F,T等开始,有不同类别的放大器。在这些类别中,最常用的音频放大器类别为A,B,AB,C。其他类别为现代放大器,它们使用开关拓扑和PWM(脉冲宽度调制)技术来驱动输出负载。有时,传统类的改进版本会分配一个字母,以将其归类为不同的放大器类,例如G类放大器是B类或AB类放大器的改进型放大器。
放大器的类别表示电流通过放大器时的输入周期比例。输入周期是从放大器输入中的正弦波传导得出的导通角。在整个周期 内 ,导通角与放大器的导通 时间 成正比。如果放大器在一个周期内始终处于打开状态,则导通角将为360度。因此,如果放大器提供360度的导通角,则该放大器将使用完整的输入信号,并在整个正弦周期的100%时间段内传导有源元件。
下面,我们将演示传统的功率放大器,包括A,B,AB和C类,并演示在开关设计中广泛使用的D类放大器。这些类别不仅用于功率放大器,还用于音频放大器电路。
甲类放大器
A类放大器是具有高线性度的高增益放大器。对于A类放大器,导通角为360度。如上所述,360度导通角意味着放大器设备在整个时间内保持激活状态,并使用完整的输入信号。下图显示了理想的A类放大器。
如图所示,有一个有源元件,即晶体管。晶体管的偏置始终保持导通状态。由于这种永不关闭的功能,A类放大器可提供更好的高频和反馈环路稳定性。除了这些优点之外,A类放大器还易于构建,并且具有单器件组件和最少的器件数量。
尽管具有优势和高线性度,但无疑有很多限制。由于连续的传导特性,A类放大器会带来高功率损耗。另外,由于线性度高,A类放大器会产生失真和噪声。电源和偏置结构需要仔细的组件选择,以避免产生不必要的噪声并使失真最小化。
由于A类放大器的高功率损耗,它会发热并需要更大的散热空间。在A类放大器中,效率非常差,理论上,如果使用常规配置,则效率在25%至30%之间变化。使用电感耦合配置可以提高效率,但是在这种情况下的效率不超过45-50%,因此它仅适用于低信号或低功率电平放大的目的。
B类放大器
B类放大器与A类放大器略有不同。它是由两个有源器件产生的,该有源器件进行实际周期的一半,即周期的180度。两个设备为负载提供组合电流驱动。
在上图中,显示了理想的B类放大器配置。它由两个有源器件组成,它们在正弦波的正负半个周期内被一个一个地偏置,因此信号从正负两个方向被推或拉到放大电平,并且结合结果,我们得到整个输出的完整周期。每个设备导通或在周期的一半时间内变为活动状态,因此,效率得到了提高,与A类放大器的25-30%效率相比,理论上它提供了60%以上的效率。我们可以在下图中看到每个设备的输入和输出信号图。 B类放大器的效率不超过78%。此类中的散热被最小化,提供了较低的散热空间。
但是,该类也有局限性。此类的一个非常深刻的局限是交叉失真。由于两个设备提供了正弦波的每半,这些正弦波在输出中组合并合并在一起,因此在将两半合并的区域中存在不匹配(交叉)现象。这是因为当一台设备完成半个周期时,另一台设备几乎需要在另一台设备完成工作的同时提供相同的电源。很难在A类放大器中修复此错误,因为在活动设备期间,另一个设备仍然完全不活动。该误差使输出信号失真。由于此限制,对于精密音频放大器应用而言,这是一个主要的失败。
AB类放大器
克服交叉失真的另一种方法是使用AB放大器。 AB类放大器使用的是A类和B类的中间导通角,因此在AB类放大器拓扑中我们可以看到A类和B类放大器的特性。与B类相同,它具有两个有源器件的相同配置,这两个有源器件分别在半个周期内导通,但是每个器件的偏置都不同,因此在不可用的时刻(交叉时刻)它们不会完全断开。每个设备不会在完成正弦波波形的一半后立即离开导通状态,而是会在另一个半周期内进行少量输入。使用这种偏置技术,可以大大减少死区中的交叉失配。
但是在这种配置中,由于器件的线性度受到损害,效率降低了。效率仍然高于典型的A类放大器,但低于B类放大器系统。同样,需要仔细选择具有完全相同额定值的二极管,并且将它们放置在尽可能靠近输出设备的位置。在某些电路结构中,设计人员倾向于添加小值电阻器,以在器件两端提供稳定的静态电流,以最大程度地减小输出端的失真。
C类放大器
除A,B和AB类放大器外,还有另一个C类放大器。这是一种传统放大器,其工作原理与其他放大器类不同。C类放大器是调谐放大器,可在两种不同的工作模式下工作,即已调谐或未调谐。C类放大器的效率远远超过A,B和AB。在与射频相关的操作中可以实现最高80%的效率
C类放大器使用小于180度的导通角。在非调谐模式期间,放大器配置中省略了调谐器部分。在此操作中,C类放大器还会在输出端产生巨大的失真。
当电路受到调谐负载时,电路会将输出偏置电平钳位,使平均输出电压等于电源电压。调整后的操作称为钳位器。在此操作过程中,信号将获得适当的形状,并且中心频率失真也将减少。
在典型的用途中,C类放大器的效率为60-70%。
D类放大器
D类放大器是使用脉宽调制或PWM的开关放大器。在直接输入信号以可变脉冲宽度变化的情况下,导通角不是一个因素。
在这种D类放大器系统中,线性增益是不可接受的,因为它们的工作方式就像典型的开关一样,只有两个操作,即ON或OFF。
在处理输入信号之前,模拟信号通过各种调制技术转换为脉冲流,然后将其应用于放大器系统。由于脉冲持续时间与模拟信号有关,因此将再次使用跨输出的低通滤波器对其进行重构。
D类放大器是A,B,AB,C和D部分中功率效率最高的放大器类。它的散热量较小,因此需要较小的散热器。该电路需要各种开关元件,例如具有低导通电阻的MOSFET。
它是数字音频播放器或控制电机中广泛使用的拓扑。但是我们应该记住,它不是数字转换器。尽管对于更高的频率,D类放大器不是一个理想的选择,因为它在少数情况下具有带宽限制,具体取决于低通滤波器和转换器模块的功能。
其他放大器类
除传统放大器外,几乎没有其他类别,分别是E类,F类,G类和H类。
E类放大器是一种高效的功率放大器,它使用开关拓扑并在射频中工作。单极开关元件和调谐无功网络是与E类放大器一起使用的主要组件。
对于谐波,F类是高阻抗放大器。它可以使用方波或正弦波驱动。对于正弦波输入,可以使用电感器对该放大器进行调谐,并可以用于增加增益。
G类使用轨道开关来降低功耗并提高效率。和H类是G类的进一步改进的版本
其他类别是专用放大器。在某些情况下,制造商提供的字母表示其专有设计。最好的例子是T类放大器,它是特殊类型的开关D类放大器的商标,用于Tripath的放大器技术,该技术是获得专利的设计。