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功率放大器研究
及乙类功率放大器的实例分析

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功率放大器研究及乙类功率放大器实例分析
摘要：功率放大器在生活中的应用广泛，功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。
关键字：功率放大器 功放分类 功率放大器的指标
一、 功率放大器综述及应用
功率放大器（功放）是在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。它的作用是为放大器的输出级驱动负载而提供所需的输出功率，同时要求在负载一定的时候输出功率尽可能的大，并且信号的非线性失真尽可能的小，效率尽可能的高，电路安全性好。
功率放大器的原理是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。对于输入的交流小信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。无论AV放大器和Hi-Fi功放对功率放大器要求十分严格，在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。功率放大器的分类
功率放大器通常按照其功率开关管的工作方式可分为线性功率放大器和非线性功率放大器两类。线性功率放大器即为传统的模拟功率放大器，常分为A（甲）类、B（乙）类、AB（甲乙）类，C（丙）类三种，其主要特点是保真度高，但是效率低。非线性功率放大器又称为数字功率放大器(D类功率放大器)，其功率开关管工作于开关状态，具有很高的工作效。
1. A（甲）类功率放大器
功放管在整个周期都是完全导通的，这样的功放我们称之为A类功放。由于功放管在整个周期都是导通的，信号可以得到完整的放大。所以对线性度要求较高的场合，这类功放的应用很高。
A类功放的电路图如图1-1：

图1-1甲类功率放大器
A类功率放大器的静态工作点一般设置得比较高，使输入信号的整个波形都处于零点的上方，所有输出元器件在输入信号的整个周期内均有电流流过，都处于良好的线性工作状态，因此该类功率放大器的非线性失真非常的小。
在整个放大周期中，三极管一直处于导通状态，当输入为零时，三极管自身消耗的功率最大，输出的平均功率为

直流电源的平均功率为

最大转换效率为

在实际应用中，输出的最大电压以及最大电流都达不到计算的理想数值，同时，计算时忽略了偏置电路的功率以及消耗，标准的甲类功放的实际最大转换效率为20%左右。
2. B（乙）类功率放大器
为了解决甲类功率放大器的效率低下的问题，设计了乙类的功率放大器。它由两只特性对称的 NPN管和PNP管组成，输入电压加在两管的基极，输出电压由两管的射极取出，采用正负电源供电，在输入信号的正负周期两管分别导通。电路图如图1-2：

图1-2乙类功率放大器
当Ui>0，VT1导通，VT2截止，输出电压最大值Uo约等于直流电压的最大值。当Ui<0，VT2导通，VT1截止，输出电压最大值Uo约等于直流电压的最大值。输出的平均功率为

直流电源的平均功率为

最大转换效率为

其中每个管子的最大集电极功耗为

乙类功率放大器很好的解决了甲类功放的效率问题，利用了两支对称的三极管，使得三极管的工作点近似为零，从而极大地提高了转换效率，但是这只是近似的结果，实际中三极管还有一个截止区，只有工作点在截止区之上才能有放大作用，也就是说一类放大器存在着交越失真（图1-3）。

图1-3交越失真
3. AB（甲乙）类功率放大器
与乙类功放的出现一样，为了消除乙类的交越失真，使放大电路能够像甲类一样完全无失真的放大信号，设计了新的类型的功率放大器，即甲乙类功率放大器。
甲乙类功率放大器的电路图如图1-4：
Uooo

-UCC

Ui
I
+UCC

图1-4甲乙类功率放大器
图1-4中Q4工作在甲类放大状态，Q1，Q2连成二极管，产生直流压降，为后边的Q2，Q5提供所需的最低门限电压。从Q2输出的信号经过Q2，Q5组成的乙类功率放大器放大，在R1上输出。
甲乙类功率放大器利用电路为乙类功放的三极管提供一定的电压偏置，使得在输入为零时，三极管依然处于微导通状态，很好的解决了门限电压带来的交越失真，但是由于三极管的静态工作电流提高，甲乙类的效率低于乙类功放。
与甲类相比，他的效率高，与乙类相比，他很好的消除了交越失真，而且线性度较好。
4. C（丙）类功率放大器
C类功率放大器是一种特殊用途的功率放大器，可用于无线电台和电视发射系统等射频电路中。这种功率放大器只有在输入信号的正半周期足够大时，晶体管才会导通，即晶体管的导通时间小于半个周期，这就是C类放大的特点。C类放大器可提供高效率，其功率转换效率大于78.5％。原理图如图1-5：

图1-5丙类功率放大器

令基极偏执电压VBB小于三极管的门限电压，这样静态工作点为零。输入的必须是大信号才能使得功放正常工作，即Vin+VBB>VBE时才能正常工作，导通角为

射极输出的电流不是一个完整的周期，经过后级电路处理以后可使其输出完整的波形。
二、 功率放大器的指标
1. 最大输出功率
功率放大器的最大输出功率是指输出电压最大不失真时的输出功率，它等于放大电路最大不失真输出电压和电流有效值的乘积。
在设计功率放大器时，表征功率放大器的输出功率的最常用单位是dBm，它表示0dBm的参照功率是1mW，输出功率表示式如下：

式中P的单位为瓦特，1W为30dBm。
2. 转换效率
所谓的功率放大电路，并不是真的放大了功率，它是在交流小信号的控制下，把直流功率转换为交流功率，通常把交流输出功率与电流的直流输出功率的比值为功率放大电路的转换效率。

对于理想的没有损耗的放大电路的效率为100%，目前的功率放大器的研究主要是提高其转换效率。
转换效率并没有考虑到功率管的放大作用，所以又有了功率附加效率。功率附加效率的计算公式为：

功率附加效率考虑了功率管的放大作用，更加合理的描述了放大电路的效率。
3. 非线性失真
为提供足够大的功率，功率放大电路工作在大信号状态。由于管子的非线性，使输出信号产生非线性失真。
对于功放的线性度的指标有增益压缩和三阶互调。
但是在不同的场合，对线性失真的要求也不一样。有时为了得到较高的效率以及输出功率，会在允许的范围内对非线性失真的要求降低。
4. 功率增益
在输入输出匹配良好的情况下，输出功率和输入功率的比值成为功率放大器的功率增益。

三、 一个简单的功率放大器设计
1. 设计指标
经中间放大后的信号电压最大值为1V，要求放大器的输出负载为8，输出最大功率为1W。
2. 电路图设计
设计的电路图如图1-6。

图1-6 设计图
此电路由3个放大电路组成，输入级是Q3，Q4组成的单端输出差分放大电路，Q1和Q5，Q2和Q6组成的准互补的输出级，
D1和D2，R2的作用是消除输出级的交越失真，
R15,C的作用一方面改善放大器的频率特性，防止自激，同时对感性负载起补偿作用，Rf构成电压串联负反馈，其作用为改善放大电路的性能
最大输出功率
Pomax=10.7W
3. 电路图仿真
利用multisim 10.0 进行电路的仿真。输入利用信号发生器输入交流正弦小信号。调节R4，R5的电阻值，使得输出完整不失真的交流信号。并且放大倍数满足设计指标的要求。
信号发生器的频率设为1kHz，输入从1V递增。调剂滑变电阻器的阻值，使得在最大不失真的情况下输出最大放大电路，找到合适的静态工作点。
四、 评估设计的功率放大器
1. 最大输出功率
由最大输出功率的定义可知，要求电路在最大不失真的情况下最大输出功率。
实时的增加信号发生器的输出电压，并用示波器观测输出的波形，当输出电压达到最大并且失真较小时（输出波形如图）。用万用表测量负载上的交流信号的有效值。
输出最大功率

2. 转换效率
转换效率需要测得电路的输出效率和电路的直流功率。
输出功率由输入为1V时的输出计算：

电流的直流功率可在电源的输入端接入一个小的电阻，利用万用表测得两端的电压转换为电路的电流。利用间接法测得电路的直流功率。

转换效率为：

同理，在输入端串接小电阻利用变换法测得输入功

由于输入功率与输出功率相比太小可以忽略，所以

3.功率增益
在波形的失真较小时，利用变换法测得电路的输出与输入功率，得电路的功率增益

五、 结语
我们在实际生活中对于信息的快速、准确的传输以及及时、高效的处理有很高的要求。其中语音信号的处理在现实中有较大的应用。功率放大器也在许多电路中有了很大的应用。
功率放大器是三极管工作在线性状态，利用较小的电流（电压）控制较大的电流（电压）而实现信号的功率放大的作用，并非是三极管放大了功率，因此功率放大电路的最重要的指标就是电路的转换效率（将直流功率转换为所需的交流功率的能力）。同时，又要考虑到输出的失真，功率的增益等一系列的因素。
在我们的应用过程中，需要根据实际情况决定用什么类型的功率放大器，一般的音频放大器对输出的失真度要求较高，可选用甲类或者甲乙类的功率放大器，减小失真。
六、 参考文献
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[2]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京;高等教育出版社,2004
[3]谭一秋.音频功率放大器在笔记本电脑中的应用研究[D].苏州；苏州大学.2009
[4]王靖.射频功率放大器及其线性化方法研究[D].湖北:湖北工业大学.2009
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