并非所有放大器設(shè)計(jì)都是相同的。各種放大器類別之間的功率輸出級(jí)配置和操作方式有明顯區(qū)別。理想放大器的主要工作特性是線性度、信號(hào)增益、效率和功率輸出。但在現(xiàn)實(shí)世界的放大器中，這些不同但截然不同的特性之間總是存在權(quán)衡。
通常，大信號(hào)或功率放大器用于音頻放大器系統(tǒng)的輸出級(jí)來驅(qū)動(dòng)某種形式的揚(yáng)聲器負(fù)載。典型揚(yáng)聲器的終端阻抗在 4Ω 到 8Ω 之間，因此功率放大器必須能夠提供驅(qū)動(dòng)這些低阻抗揚(yáng)聲器所需的高峰值電流。
用于區(qū)分不同類型放大器的電氣特性的一種方法是所謂的“類別”，因此放大器根據(jù)其電路配置和操作方法進(jìn)行分類。放大器類別是用于區(qū)分不同放大器類型的術(shù)語。
放大器類別表示當(dāng)被正弦輸入信號(hào)激勵(lì)時(shí)，放大器電路在一個(gè)操作周期內(nèi)變化的輸出信號(hào)量。放大器的分類范圍從效率非常低的完全線性操作（用于高保真信號(hào)放大）到完全非線性操作（其中忠實(shí)的信號(hào)再現(xiàn)并不那么重要）但效率更高，而其他是兩者之間的妥協(xié)。
放大器類別主要分為兩個(gè)基本組。種是經(jīng)典控制導(dǎo)通角放大器，形成更常見的A、B、AB和C類放大器配置。它們由功率晶體管在輸出波形某些部分上的導(dǎo)通狀態(tài)長(zhǎng)度來定義，其中輸出級(jí)晶體管的操作位于“完全導(dǎo)通”和“完全截止”之間。
第二組放大器是較新的所謂“開關(guān)”或數(shù)字放大器類。這些放大器類別包括D、E、F、G、S、T類等。這些放大器類使用數(shù)字電路和脈寬調(diào)制 (PWM) 來不斷地將輸出設(shè)備在“全開”和“全關(guān)”狀態(tài)之間切換將輸出硬驅(qū)至晶體管飽和區(qū)和截止區(qū)。
常見的放大器類別是用作音頻放大器的放大器類別，主要是A、B、AB和C類，為簡(jiǎn)單起見，我們將在此處更詳細(xì)地介紹這些類型的放大器類別。
A類放大器類
A 類放大器是常見的放大器拓?fù)漕愋停驗(yàn)樗鼈冊(cè)诜糯笃髟O(shè)計(jì)中僅使用一個(gè)輸出開關(guān)晶體管（雙極型、FET、IGBT 等）。該單輸出晶體管在其負(fù)載線中間的 Q 點(diǎn)附近偏置，因此永遠(yuǎn)不會(huì)被驅(qū)動(dòng)到其截止或飽和區(qū)域，從而允許它在整個(gè) 360 度的輸入周期內(nèi)傳導(dǎo)電流。那么 A 類拓?fù)涞妮敵鼍w管永遠(yuǎn)不會(huì)“關(guān)閉”，這是其主要缺點(diǎn)之一。
“A”類放大器被認(rèn)為是的放大器設(shè)計(jì)類，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谡_設(shè)計(jì)時(shí)具有出色的線性度、高增益和低信號(hào)失真水平。盡管由于熱電源考慮，A 類放大器很少用于高功率放大器應(yīng)用，但 A 類放大器可能是此處提到的所有放大器類別中音質(zhì)的，因此用于高保真音頻放大器設(shè)計(jì)中。
A類放大器
A類放大器分類
為了實(shí)現(xiàn)高線性度和增益，A 類放大器的輸出級(jí)始終偏置為“ON”（導(dǎo)通）。然后，對(duì)于被歸類為“A 類”的放大器，輸出級(jí)中的零信號(hào)空閑電流必須等于或大于產(chǎn)生輸出信號(hào)所需的負(fù)載電流（通常是揚(yáng)聲器）。
由于 A 類放大器在其特性曲線的線性部分工作，因此單輸出器件可在整個(gè) 360 度的輸出波形中傳導(dǎo)。那么甲類放大器就相當(dāng)于一個(gè)電流源。
由于 A 類放大器工作在線性區(qū)，因此應(yīng)正確選擇晶體管基極（或柵極）直流偏置電壓，以確保正確工作和低失真。然而，由于輸出設(shè)備始終處于“開啟”狀態(tài)，因此它會(huì)不斷承載電流，這意味著放大器會(huì)持續(xù)損耗功率。
由于功率的持續(xù)損失，A 類放大器會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使其效率非常低（約 30%），這使得它們對(duì)于高功率放大來說不切實(shí)際。此外，由于放大器的空載電流較高，因此必須相應(yīng)調(diào)整電源大小并進(jìn)行良好濾波，以避免放大器產(chǎn)生任何嗡嗡聲和噪聲。因此，由于A類放大器的低效率和過熱問題，更高效的放大器類別被開發(fā)出來。
B 類放大器類別
B 類放大器的發(fā)明是為了解決與之前的 A 類放大器相關(guān)的效率和發(fā)熱問題。基本 B 類放大器使用兩個(gè)互補(bǔ)晶體管（雙極型 FET）來處理波形的每一半，其輸出級(jí)配置為“推挽”型布置，因此每個(gè)晶體管器件僅放大輸出波形的一半。
B類放大器由于靜態(tài)電流為零，沒有直流基極偏置電流，因此直流功率很小，因此效率遠(yuǎn)高于A類放大器。然而，效率提高所付出的代價(jià)是開關(guān)器件的線性度。
B類放大器
B類放大器分類
當(dāng)輸入信號(hào)變?yōu)檎禃r(shí)，正偏置晶體管導(dǎo)通，而負(fù)晶體管則切換為“OFF”。同樣，當(dāng)輸入信號(hào)變?yōu)樨?fù)值時(shí)，正晶體管切換為“OFF”，而負(fù)偏置晶體管則變?yōu)椤癘N”并傳導(dǎo)信號(hào)的負(fù)部分。因此，晶體管只有一半的時(shí)間導(dǎo)通，無論是在輸入信號(hào)的正半周期還是負(fù)半周期。
然后我們可以看到，B 類放大器的每個(gè)晶體管器件僅在嚴(yán)格的時(shí)間交替中導(dǎo)通輸出波形的一半或 180 度，但由于輸出級(jí)具有針對(duì)兩半信號(hào)波形的器件，因此兩半信號(hào)組合在一起產(chǎn)生完整的線性輸出波形。
這種推挽式放大器的設(shè)計(jì)顯然比A類放大器的效率更高，約為50%，但B類放大器設(shè)計(jì)的問題是，由于晶體管的死區(qū)，它會(huì)在波形的零交叉點(diǎn)處產(chǎn)生失真。輸入基極電壓范圍為-0.7V 至+0.7。
我們記得在晶體管教程中，需要大約 0.7 伏的基極-發(fā)射極電壓才能使雙極晶體管開始導(dǎo)通。然后，在 B 類放大器中，輸出晶體管不會(huì)“偏置”到“ON”工作狀態(tài)，直到超過該電壓。
這意味著落在該 0.7 伏窗口內(nèi)的波形部分將無法準(zhǔn)確再現(xiàn)，從而使 B 類放大器不適合精密音頻放大器應(yīng)用。
為了克服這種過零失真（也稱為交叉失真），AB 類放大器應(yīng)運(yùn)而生。
AB 類放大器類
顧名思義，AB 類放大器是我們上面介紹的“A 類”和“B 類”類型放大器的組合。 AB 類放大器是目前常用的音頻功率放大器設(shè)計(jì)類型之一。
AB類放大器是上述B類放大器的變體，不同之處在于允許兩個(gè)器件在波形交叉點(diǎn)附近同時(shí)導(dǎo)通，從而消除了先前B類放大器的交叉失真問題。
這兩個(gè)晶體管具有非常小的偏置電壓，通常為靜態(tài)電流的 5% 到 10%，以將晶體管偏置到剛好高于其截止點(diǎn)。然后，導(dǎo)電器件（無論是雙極性 FET）將“導(dǎo)通”超過輸入信號(hào)的半個(gè)周期，但遠(yuǎn)少于輸入信號(hào)的一個(gè)完整周期。因此，在 AB 類放大器設(shè)計(jì)中，每個(gè)推挽晶體管的導(dǎo)通時(shí)間略長(zhǎng)于 B 類導(dǎo)通的半個(gè)周期，但遠(yuǎn)少于 A 類導(dǎo)通的整個(gè)周期。
換句話說，AB 類放大器的導(dǎo)通角介于 ??180 °和 360 °之間，具體取決于所選的偏置點(diǎn)（如圖所示）。
AB類放大器
AB型分類
這種由串聯(lián)二極管或電阻器提供的小偏置電壓的優(yōu)點(diǎn)是可以克服 B 類放大器特性產(chǎn)生的交越失真，而不會(huì)出現(xiàn) A 類放大器設(shè)計(jì)的低效率問題。因此AB類放大器在效率和線性度方面很好地兼顧了A類和B類放大器的性能，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了50%到60%左右。
C 類放大器類別
在此處提到的各類放大器中，C 類放大器設(shè)計(jì)的效率，但線性度差。前面的A、B和AB類被視為線性放大器，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)幅度和相位與輸入信號(hào)幅度和相位線性相關(guān)。
然而，C 類放大器存在嚴(yán)重偏置，因此在超過一半的輸入正弦信號(hào)周期內(nèi)輸出電流為零，晶體管在其截止點(diǎn)處閑置。換句話說，晶體管的導(dǎo)通角明顯小于180度，并且通常在90度區(qū)域左右。
雖然這種形式的晶體管偏置使放大器的效率大大提高，約為 80%，但它會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)嚴(yán)重失真。因此，C類放大器不適合用作音頻放大器。
C類放大器
C型分類
由于其嚴(yán)重的音頻失真，C類放大器通常用于高頻正弦波振蕩器和某些類型的射頻放大器，其中放大器輸出處產(chǎn)生的電流脈沖可以通過以下方式轉(zhuǎn)換為特定頻率的完整正弦波：其集電極電路采用LC諧振電路。
放大器類別總結(jié)
然后我們看到放大器的靜態(tài)直流工作點(diǎn)（Q 點(diǎn)）決定了放大器的分類。將Q 點(diǎn)位置設(shè)置在放大器特性曲線負(fù)載線的一半處，放大器將作為 A 類放大器運(yùn)行。通過將Q 點(diǎn)移至負(fù)載線下方，放大器將變?yōu)锳B、B或C類放大器。
那么放大器相對(duì)于其直流工作點(diǎn)的工作類別可以給出如下：
放大器類別和效率
效率
除了音頻放大器之外，還有許多與開關(guān)放大器設(shè)計(jì)相關(guān)的高效放大器類，這些放大器類使用不同的開關(guān)技術(shù)來減少功率損耗并提高效率。下面列出的一些放大器類設(shè)計(jì)使用 RLC 諧振器或多個(gè)電源電壓來減少功率損耗，或者是使用脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)技術(shù)的數(shù)字 DSP（數(shù)字信號(hào)處理）類型放大器。
其他常見放大器類別
D 類放大器 – D 類音頻放大器基本上是非線性開關(guān)放大器或 PWM 放大器。 D 類放大器理論上可以達(dá)到 100% 的效率，因?yàn)橐粋�(gè)周期中沒有電壓和電流波形重疊的時(shí)期，因?yàn)殡娏鲀H通過導(dǎo)通的晶體管汲取。
F 類放大器 – F 類放大器通過在輸出網(wǎng)絡(luò)中使用諧波諧振器將輸出波形整形為方波來提高效率和輸出。如果使用無限諧波調(diào)諧，F(xiàn) 類放大器的效率可達(dá) 90% 以上。
G 類放大器 – G 類增強(qiáng)了基本 AB 類放大器設(shè)計(jì)。 G 類使用多個(gè)不同電壓的電源軌，并隨著輸入信號(hào)的變化在這些電源軌之間自動(dòng)切換。這種恒定的切換降低了平均功耗，從而降低了因廢熱造成的功率損耗。
I 類放大器 – I 類放大器具有兩組互補(bǔ)輸出開關(guān)器件，以并行推挽式配置排列。兩組開關(guān)器件對(duì)相同的輸入波形進(jìn)行采樣。因此，一個(gè)設(shè)備切換波形的正半部分，而另一個(gè)設(shè)備切換波形的負(fù)半部分。該開關(guān)動(dòng)作與 B 類放大器的開關(guān)動(dòng)作類似。
在沒有施加輸入信號(hào)的情況下，或者當(dāng)信號(hào)達(dá)到零交叉點(diǎn)時(shí)，開關(guān)器件會(huì)同時(shí)打開和關(guān)閉，并具有 50% 的 PWM 占空比，從而消除任何高頻信號(hào)。
為了產(chǎn)生輸出信號(hào)的正半部分，正開關(guān)器件的輸出占空比增加，而負(fù)開關(guān)器件的輸出占空比減小，反之亦然。據(jù)稱，兩個(gè)開關(guān)信號(hào)電流在輸出端交錯(cuò)，因此 I 類放大器被稱為：“交錯(cuò)式 PWM 放大器”，工作開關(guān)頻率超過 250kHz。
S 類放大器 – S 類功率放大器是一種非線性開關(guān)模式放大器，其工作原理與 D 類放大器類似。 S類放大器通過Δ-Σ調(diào)制器將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波脈沖，并對(duì)其進(jìn)行放大以增加輸出功率，由帶通濾波器解調(diào)。由于該開關(guān)放大器的數(shù)字信號(hào)始終處于完全“ON”或“OFF”狀態(tài)（理論上零功耗），因此效率可以達(dá)到 100%。
T 類放大器 – T 類放大器是另一種類型的數(shù)字開關(guān)放大器設(shè)計(jì)。由于數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 芯片和多通道環(huán)繞聲放大器的存在，T 類放大器作為音頻放大器設(shè)計(jì)開始變得越來越流行，因?yàn)樗鼘⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)音頻放大器的目的。放大提高放大器效率。 T 類放大器設(shè)計(jì)結(jié)合了 AB 類放大器的低失真信號(hào)水平和 D 類放大器的功率效率。
我們?cè)谶@里看到了放大器的多種分類，從線性功率放大器到非線性開關(guān)放大器，并且看到了放大器類別在放大器負(fù)載線上的差異。AB、B和C類放大器可以根據(jù)導(dǎo)通角θ定義如下 |
