功率放大器工作状态分类

1 概述

功率放大器是一种能够将低幅度电压或电流信号放大，取得更高功率输出的电路，包括提高输出电压、电流或者改变源阻抗。功率放大器精确复现输入信号，即电压波形和电流波形，或者至少部分复现，比如仅复现功率包络或保证频谱一致。功率放大器分类反映了早期广播电台射频信号放大器的产品设计迭代，输出结构分类则反映了音频功放设计的迭代。因其典型性和代表性，这些分类的概念被广泛接受，功率放大器的主力应用也从射频、音频拓展到了各种致动器、执行器，例如自动化设备中的电磁执行器（马达驱动波形合成、调节阀位控、磁悬吊控制），高频加热和激元驱动。

2 工作状态分类

功率放大器根据其工作状态分为 Class A、Class B、Class C、Class D、Class E、Class F 及 Class G 等 1。其中，Class A、Class B 和Class C 通过调整晶体管的导通程度来实现对输入信号的放大，信号输出摆幅与输入信号全部或部分保留了比例关系；这三个分类输出与输入保持比例关系的摆幅与电源电压之间的关系不同，或者说电源电压空间的利用率不同。Class D、Class E、Class F 和 Class G是开关态的，即输出在地和电源电压之间跳变、输出幅度跟输入信号的幅度没有直接关系；这几类放大器都需要输出路径上的储能槽路（即滤波节）来把开关状态的输出调理成与输入成比例的有效输出（Class B 和Class C 输出幅度中部分与输入幅度成比例，也需要利用储能槽路减小输出信号的失真）。

2.1 Class A 放大器

晶体管在整个输入信号周期内都保持导通状态，输出信号的摆幅在电源电压范围内。Class A 放大器输出信号示意如图 1 所示。

图 1 Class A 放大器输出信号示意图

2.2Class B 放大器

晶体管仅在输入信号的半个周期内导通，输出信号摆幅只保留一半在电源电压范围内。Class B

放大器输出信号示意如图 2 所示，实线表示实际输出波形，虚线表示没有传递到输出的部分。

图 2 Class B 放大器输出信号示意图

2.3Class C 放大器

晶体管的导通时间小于输入信号的半个周期，即仅有小于半周期的输出信号摆幅在电源电压范围内，并且输出为包含一部分基波功率的方波。Class C 放大器输出信号示意如图 3 所示，实线表示实际输出波形，虚线表示没有传递到输出的部分。

由下图可看出，Class C 放大器产生的失真大，输出信号富含谐波成分，需要在其输出路径上利用滤波器滤除高次谐波；同时波形顶部保留了信号的原始形状，这部分是有用的谐波信息。Class C是对Class B 的折中改进，比 Class B 的功率利用率高，谐波失真也大于 Class B。

图 3 Class C 放大器输出信号示意图

2.4 Class D 放大器

Class D 放大器 2采用脉宽调制（PWM）技术，利用输入模拟信号的幅度控制电压斩波的输出宽度，生成占空比正比于输入模拟信号幅度的 PWM 序列。PWM 序列的方波经低通滤波器进行滤波去除高频成分，还原为模拟信号输出[1]。Class D 放大器工作模式波形示意如图 4 所示。

图 4 Class D 放大器工作模式波形示意图

2.5 Class E 放大器

Class E 放大器的原理与 Class D 一样，是 Class D 的电流对偶。将图 4 中的PWM 信号转换为脉冲电流序列，经过滤波后该电流的平均值与需要的输出电流一致。

Tips：电压斩波输出不能直接连接容性负载。方波电压接入电容相当于发生了一次短路，过大的浪涌电流会导致开关损坏。同样地，电流斩波输出不能直接向感性负载输出。方波电流接入电感时瞬时产生高压，导致开关承受过大的电压应力。在 Class D 和 Class E 放大器的斩波开关输出节点需要根据负载电容和电感串入补偿电感或电容来补偿负载的容性或感性，减小开关的电流和电压应力。配置这部分补偿电感或电容的目的并不是滤除斩波输出中的谐波，但可以与滤波需要的电感或电容合并设计。

2.6 Class F 放大器

Class F 放大器可以看作是在一个周期波形内只输出一次斩波脉冲的 Class D 放大器。Class F 通常用于调幅电台和调频电台的载波放大，即对一连串的周期波形放大。将输入信号与某个固定电平比较，大于该电平则输出为高、小于该电平则输出为低。在一个正弦周期内，只产生了一个斩波输出脉冲。这个脉冲的宽度与输入信号的幅度有关，需要通过一个低通滤波器滤除脉冲序列中的高频成分、保留与脉冲宽度有关的基波成分。Class F 放大器输出信号示意如图 5 所示。

图 5 Class F 放大器输出信号示意图

2.7 Class G 放大器

Class G 类放大器 3通常采用高、低两组工作电压（±VH 和±VL）供电，工作在小信号电平时，放大器采用较低电源电压，并在信号电平增加后切换为较高电源电压。低幅度输出时有效传递到负载的电压是相对于低电压轨电源的，高幅度输出时则是相对于高电压轨电源的。Class G 放大器这种电源轨切换设计，既保持了信号的形状也提高了其工作效率[2]。Class C 和 Class F 放大器仅适合放大正弦波式样的载波信号，而对于像音频信号这种由多个频率正弦波叠加、大波上携带小波的信号则完全不适用。Class G 放大器输出信号示意如图 6 所示。

2.8.放大器类别及效率对比

图 7 放大器类别和效率对比示意图

审核编辑 黄宇