您应该使用哪种功率放大器类别？

功率放大器在概念上很简单，但并非所有功率放大器都是相同的。它们确实有着竞争的规格和能力，但更重要的是这些电路在真实系统中的拓扑和功能。功率放大器的功能被划分为不同的类别，而且有许多功率放大器类别，每个类别的功能都有些许不同。功率放大器的类别足够多，以至于很难让每个人都记住每种放大器的功能，以及在不同系统中哪些放大器类别更受欢迎。

在这篇文章中，我将概述主要的功率放大器类别以及它们如何在不同系统中被使用。正如我们将看到的，不同类型的功率放大器作为集成电路可用，并且它们通过不同的驱动方法来提供功率。封装、正确的信号再现和谐波失真等操作特性是选择功率放大器时需要考虑的一些重要指标。

另一个重要的考虑点是功率放大器的替代可能性，特别是在现代短缺和长交货期的环境中。一些功率放大器彼此兼容，只要封装和引脚布局相似，就可以直接替换。我们将在讨论功率放大器类别时，查看各种类型的功率放大器的替代可能性。

功率放大器的工作原理

从概念上讲，功率放大器与任何其他放大器没有区别；你输入某个信号，输出信号通常比输入更强。输入信号被放大到某个最大值，这个值可能通过I/O银行或输入调制信号的强度来调整。下面展示了一个典型的功率放大器拓扑示例。

广义上讲，功率放大器类别通过其驱动机制来划分，并且通过电路拓扑进一步划分。功率放大器可以通过调制的方波信号驱动，或者如上图所示，直接通过输入交流信号驱动。除了驱动机制之外，还有几个因素区分了功率放大器的类别：

• 调制方法（PWM、PFM、sigma-delta等）

• 功率传递拓扑（单一供电、级联供电）

• 推挽拓扑

• 有意与无意的谐波产生

功率放大器的特点

除了这些点之外，功率放大器可以具有多种结构和内置功能。例如，某些功率放大器在输出阶段具有独特的推挽配置，而其他则是简单的晶体管放大器（特别是在低频率下）。放大器还可以使用级联拓扑来提供额外的增益，或者它们可能使用前置放大器。除了功率放大器类别中发现的基本操作要求之外，真的有可能为添加功能、确保信号调理或提供控制增益的接口做任何事情。

模块还是芯片？

功率放大器产品有芯片形式，可用于较小的设备中，或作为模块集成到更大的设备中。许多功率放大器集成电路（IC）分为不同的类别，并可用于多种应用，尽管许多分级的功率放大器产品是为音频而设计的。大多数未特别针对音频市场的其他功率放大器，如果只使用单个晶体管作为活动元件，即使数据手册或营销材料没有列出特定的放大器类别，也被视为A类放大器。 一个例子是德州仪器的LM4991。这款AB类音频放大器在逻辑电平（高达5.5V）下提供高达3W的功率输出。该组件可以并联使用，为两个扬声器提供立体声输出，整个音频范围内的失真非常低（THD + N水平）。下面展示了一些操作数据和应用电路。

功率放大器也可以作为预封装模块提供，包括许多功能。一些功率放大器组件或模块旨在在特定带宽内运行，因此输出级上有额外的电路提供滤波和阻抗匹配，特别是在高频系统中，这些系统会产生射频信号。然而，你仍然会看到功率放大器模块在极广的频率范围内运行，甚至达到GHz范围。这些模块通常用于高功率应用。 Pasternack的PE15A5068是一款AB类放大器，饱和输入功率为5W，工作频率为2至18GHz。该模块在22至24V直流电压下工作，典型增益为37dB。这些模块可能相当昂贵，仅用于通信（例如，军用无线电）或仪器测量等特殊射频应用。这个特定的组件是用GaN FET构建的，尽管其他组件可能由III-V族化合物半导体构建。

交流驱动的功率放大器

这些功率放大器利用输入的交流信号，可能还有一些施加的直流偏置，来调制一个或多个晶体管。这些放大器中可能有一个前置放大器，用于提高输入灵敏度并完全调制晶体管。

类A

类A功率放大器使用单个开关晶体管构建，无论功率晶体管的类型如何。这些放大器的目的是最大化设备在晶体管的Q点周围的线性范围，以防止信号失真和谐波产生。这些放大器在正确构建时可以具有高线性范围，并且可以容易地从离散组件构建。类A放大器的缺点是发热，因为晶体管始终被直流偏置到导电状态，因此总会有一些轻微的导通损失。

类B

这些放大器与A类放大器相似，但通过使用两个在推挽配置中以相反极性工作的晶体管，它们提供了更低的热量浪费，即，每个晶体管只提供输入信号的一半。当信号电平通过0V时，每个晶体管被调制为OFF，这时另一个晶体管被调制为ON。这些放大器的缺点是它们的死时间或死区；在信号通过0V的短暂期间，两个极性之间的驱动信号将是亚阈值的，所以即使信号电平是一个小的非零值，晶体管也会处于OFF状态。

注意，还有一种AB类功率放大器，它将A类和B类放大器电路的最佳方面相结合，具有低失真。

类C

这些放大器在输入偏置端使用并联LC电路提供LC共振处的滤波。这些放大器没有直流偏置地工作，使用单个晶体管，因此在典型工作频率下有强烈的失真。因此，它们通常不用于音频或任何其他需要高带宽的应用中，相反，它们经常被用作给定正弦输入的振荡器。由于这些放大器的工作点设置，它们的线性范围也非常低。

PWM驱动的功率放大器

这些功率放大器类别在数字应用中更为常见，因为它们的驱动方式。所需的驱动方法可以从模拟波形生成，或者脉冲列可以用数字处理器合成。

类D和S

这两种放大器是非线性开关放大器，使用调制脉冲列和滤波来产生所需的输出信号。

• 类D：这些放大器使用输入锯齿波和输入信号在比较器中生成一个σ-Δ调制信号。该信号用于驱动一个推挽放大器电路，输出通过滤波器进入音频范围。

• 类S：使用σ-Δ调制器产生一个输出方波，该方波被放大，然后通过一个高Q带通滤波器产生正弦波。

这些放大器以高效率和低失真运行，使它们在失真方面与A/AB类放大器相当。

类F

一个F类放大器旨在使用一组高Q谐振器向负载传递功率，以低电阻损失。随着在输出级上级联更多的谐振器元件，输出波形接近方波，具有高效的功率转换。产生的谐波是输入信号中的组分的倍数，因此这些放大器更适用于高功率方波发生器。

类G和H

这些功率放大器是对AB类放大器的改进，具有独特的功率传递方案。这些放大器的调制是随着输入信号强迫设备在其振荡期间切换多个轨道电压而实现的。G类和H类之间的区别是数字供应与模拟供应之间的区别；H类放大器使用连续变化的电源（模拟），而G类使用一组离散的轨道电压值。

类I

这种放大器类别的运作概念与B类放大器相同，但它并行使用了两个推挽电路。一个电路在正半周期活跃，而另一个在负半周期活跃。当PWM驱动器的占空比为50%、恰好在输入的零交叉点时，设备的每一侧都会在开和关之间切换。

功率放大器电路的其他组件

上述例子应该表明，功率放大器的类别更多关于结构而非能力。这通常意味着，如果你知道如何构建和使用一个小功率放大器电路，这些概念可以快速扩展到更大的功率或频率。

在任何模拟或RF信号链中，放大器不会是唯一的组件。这些系统可能会配备其他离散或运算放大器来提供过滤等功能，或者在高频操作时使用专用的单片组件。下面链接了一些功率放大器电路中需要的重要组件。

• 用于RF系统接收电路的低噪声放大器

• 用于高频滤波器的电容器

• 用于模拟电路的运算放大器

• 用于高频应用的GaN FETs

在你从一组离散组件构建放大器的情况下，你将需要上述拓扑图中显示的所有组件，并最终将这些组件放置在PCB上。确保你使用最佳的供应链工具来找到你设计所需的组件。

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