功率放大器簡(jiǎn)介

利用三極的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。由于聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交放逐大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過的電流會(huì)即是基極電流的β倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)由不斷的電流及電壓放大，就完成了功率放大。 

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功率放大器原理

 

高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以知足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)由天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿足的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通訊。高頻功率放大器是通訊系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供應(yīng)的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。

 

在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的暢通流暢角為360o，合用于小信號(hào)低功率放大。乙類放大器電流的暢通流暢角約即是180o；丙類放大器電流的暢通流暢角則小于180o。乙類和丙類都合用于大功率工作。丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中Zui高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。因?yàn)檎{(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍舊極近于正弦波形，失真很小。除了以上幾種按電流暢通流暢角來分類的工作狀態(tài)外，又有使電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)的丁類放大和戊類放大。丁類放大器的效率比丙類放大器的還高，理論上可達(dá)100％，但它的Zui高工作頻率受到開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率或陽極耗散功率）的限制。假如在電路上加以改進(jìn)，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，則工作頻率可以進(jìn)步。這就是戊類放大器。

 

我們已經(jīng)知道，在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率，必需采用低頻功率放大器，而且低頻功率放大器也是一種將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換為交流輸出的能量轉(zhuǎn)換器。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對(duì)頻帶寬度卻相差很大，決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對(duì)頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000 Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對(duì)頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺(tái)（535－1605kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為 10 kHz，如中央頻率取為 1000kHz，則相對(duì)頻寬只相稱于中央頻率的百分之一。中央頻率越高，則相對(duì)頻寬越小。

 

因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。因?yàn)檫@后一特點(diǎn)，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。近年來，寬頻帶發(fā)射機(jī)的各中間級(jí)還廣泛采用一種新型的寬帶高頻功率放大器，它不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，而是以頻率響應(yīng)很寬的傳輸線作負(fù)載。這樣，它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，而不必重新調(diào)諧?？梢?，高頻功率放大器與低頻功率放大器的共同之點(diǎn)是要求輸出功率大，效率高；它們的不同之點(diǎn)則是二者的工作頻率與相對(duì)頻寬不同，因而負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也不同。

高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波按捺度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)詳細(xì)要求，凸起一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對(duì)諧波按捺度要求較高，而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)凸起的題目，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類和丙類等。為了進(jìn)步放大器的工作效率，它通常工作在乙類、丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域。但這些工作狀態(tài)下的放大器的輸出電流與輸出電壓間存在很嚴(yán)峻的非線性失真。低頻功率放大器因其信號(hào)的頻率籠蓋系數(shù)大，不能采用諧振回路作負(fù)載，因此一般工作在甲類狀態(tài)；采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類。

 

高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率籠蓋系數(shù)小，可以采用諧振回路作負(fù)載，故通常工作在丙類，通過諧振回路的選頻功能，可以濾除放大器集電極電流中的諧波成分，選出基波分量從而基本消除了非線性失真。所以，高頻功率放大用具有比低頻功率放大器更高的效率。高頻功率放大器因工作于大信號(hào)的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清晰，分析工作狀態(tài)利便，但計(jì)算正確度較低。以上討論的各類高頻功率放大器中，窄帶高頻功率放大器：用于提供足夠強(qiáng)的以載頻為中央的窄帶信號(hào)功率，或放大窄帶已調(diào)信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)倍頻的功能，通常工作于乙類、丙類狀態(tài)。寬帶高頻功率放大器：用于對(duì)某些載波信號(hào)頻率變化范圍大得短波，超短波電臺(tái)的中間各級(jí)放大級(jí)，以免對(duì)不同fc的繁瑣調(diào)諧。通常工作于甲類狀態(tài)。

功率放大器的機(jī)能指標(biāo)

 

不管AV放大器和Hi-Fi功放對(duì)功率放大器要求十分嚴(yán)格，在輸出功率、頻率響應(yīng)、失真度、信噪比、輸出阻抗和阻尼系數(shù)等方面都有明確要求。

 

（一）、輸出功率

 

輸出功率是指功放電路輸送給負(fù)載的功率。目前人們對(duì)輸出功率的丈量方法和評(píng)價(jià)方法很不同一，使用時(shí)留意?！　?、額定功率（RMS）

 

它指在一定的諧波范圍內(nèi)功放長(zhǎng)期工作所能輸出的Zui大功率（嚴(yán)格說是正弦波信號(hào)）。常常把諧波失真度為1[%]時(shí)的均勻功率稱為額定輸出功率或Zui大有用功率、持續(xù)功率、不失真功率等。很顯然劃定的失真度條件不同時(shí)，額定功率數(shù)值將不相同。

2、Zui大輸出功率

 

當(dāng)不考慮失真大小時(shí)，功放電路的輸出功率可遠(yuǎn)高于額定功率，還可輸出更大數(shù)值的功率，它能輸出的Zui大功率稱為Zui大輸出功率，前述額定功率與Zui大輸出功率是兩種不同條件前提的輸出功率

 

3、音樂輸出功率（MPO）

 

音樂輸出功率MPO是英文Music PowerOutpur的縮寫，它是指功放電路工作于音樂信號(hào)時(shí)的輸出功率，也就是輸出失真度不超過劃定值的前提下，功放對(duì)音樂信號(hào)的瞬間Zui大輸出功率。

 

音樂輸出功率可以用來評(píng)價(jià)功放的動(dòng)態(tài)聽音效果，例如在平穩(wěn)的音樂過程后面溘然泛起了沖擊性強(qiáng)的打擊樂器聲音，有的功放電路可在瞬間提供很大的輸出功率賜與力度感有使不完的勁；有的功放卻顯得力不從心底氣不足。為了反映這瞬間突發(fā)性輸出功率的能力可以用音樂輸出功率來量度。

4、峰值音樂輸出功率（PMPO）

 

它是Zui大音樂輸出功率，是功放電路的另一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，若不考慮失真度功放電路可輸出的Zui大音樂功率就是峰值音樂輸出功率。

 

通常峰值音樂輸出功率大于音樂輸出功率，音樂輸出功率大于Zui大輸出功率，Zui大輸出功率大于額定輸出功率，經(jīng)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，峰值音樂輸出功率是額定輸出功率的5-8倍。

 

（二）、頻率響應(yīng)

 

頻率響應(yīng)反映功率放大器對(duì)音頻信號(hào)各頻率分量的放大能力，功率放大器的頻響范圍應(yīng)不底于人耳的聽覺頻率范圍，因而在理想情況下，主聲道音頻功率放大器的工作頻率范圍為20-20kHz。國(guó)際劃定一般音頻功放的頻率范圍是40-16kHz±1.5dB。

 

（三）、失真

 

失真是重放音頻信號(hào)的波形發(fā)生變化的現(xiàn)象。波形失真的原因和種類有良多，主要有諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等。

 

（四）、動(dòng)態(tài)范圍

 

放大器不失真的放大Zui小信號(hào)與Zui大信號(hào)電平的比值就是放大器的動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，該比值使用dB來表示兩信號(hào)的電平差，高保真放大器的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于90dB。

 

天然界的各種噪聲形成附近的背景噪聲，而附近的背景噪聲和吹奏泛起的聲音強(qiáng)度相差很大，在通常情況下，將這個(gè)強(qiáng)度差稱為動(dòng)態(tài)范圍，優(yōu)良音響系統(tǒng)在輸入強(qiáng)信號(hào)時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生過載失真，而在輸入弱信號(hào)時(shí)，有不應(yīng)被自身產(chǎn)生的噪聲所沉沒，為此好的音響系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，噪聲只能盡量減少，但不可能不產(chǎn)生噪聲。

 

（五）、信噪比

 

信噪比是指聲音信號(hào)大小與噪聲信號(hào)大小的比例關(guān)系，將攻放電路輸出聲音信號(hào)電平與輸出的各種噪聲電平之比的分貝數(shù)稱為信噪比的大小。

（六）、輸出阻抗和阻尼系數(shù)

 

1、輸出阻抗

 

功放輸出端與負(fù)載（揚(yáng)聲器）所表現(xiàn)出的等效內(nèi)阻抗稱為功放的輸出阻抗。

 

2、阻尼系數(shù)

 

阻尼系數(shù)是指功放電路給負(fù)載進(jìn)行電阻尼的能力。