功率放大电路一般分为A类、B类、AB类、C类和D类(也有称为甲类、乙类、甲乙类,丙类)。
1)A类功率放大器
A类功放实质上就是三极管的射级输出电路,如下图所示:
上图是NPN的三极管, 由三极管的特性可知,工作在放大区时,输出Vo的电压比输入Vi的电压低0.6V左右(如果只考虑信号的交流部分,则可以认为相等);另外,通过三极管的电流放大作用,可以输出较大的电流io,以此达到功率放大的作用。
A类功放在三极管工作点调整得较好时,可以认为不会产生波形失真。
但是,A类功放实质是三极管的射级跟随器,需要调整工作点,使其始终工作在三极管的放大区,这样会使得电路自身消耗的功率很大,整个电路的效率不高。工程实现时,A类功放一般只能达到20%~30%的效率。
2)B类功放
B类功放的实质是将两个不同类型三极管的A类功放组合,如下图所示:
如图中所示,B类功放的上半部分相当于一个npn型三极管构成的A类功放,下半部分相当于一个pnp型三极管构成的A类功放;当输入信号为正时,Q1导通、Q2截止,电流从Q1通过到达负载R1;当输入信号为负时,Q1截止、Q2导通,电流从负载R1通过Q2流向负电源。
B类功放在工作时,输入为0时两个三极管都是截止的,只在有信号时三极管才会导通,因此工作效率大大提高;工程 实现时,B类功放一般可以做到50%左右的效率。
因为B类功放本质上还是两个三极管射级跟随器,所以,输入信号为正时,输出信号会比输入低0.6V,而输入信号为负时,输出信号会比输入信号高0.6V;这会使得输入信号在v0附近(-0.6v~ 0.6v)时产生失真。这个现象称为交越失真,产生的原理见下图。 在上图仿真中的紫色信号,也可看到交越失真。
3)AB类功放
AB类功放结合了A类和B功放的特点,它使得B类功放的两个三极管在0v附近也处于偏置状态,这样就克服了交越失真。
仿真图如下:
图中在两个三极管的be之间串联了两个二极管,调整电路使得二极管正偏,则可以保证两个三极管的be间始终有偏置电压,不会产生交越失真。仿真图中紫色线也可以看出几乎没有失真。
如果使用单电源形式,可以如下图设计,原理是一样的:
关于AB类功放,常用到一种自举电路,其实现方式如下:
图中的C2和R3,实现了自举的作用。
它的工作原理是,当输入信号V1下降时,Q1的集电极电压会上升,Q2发射级跟随上升;当Q2输出的发射级处(深蓝色线)上升到接近电源电压时,Q2会截止;但由于电容C2的存在,可以通过R1将Q2基极的电压抬高,使得其高于电源电压,减弱Q2的截止效果,这样可以使得输出失真减小。
由于使用了自身输出的电压抬高了自己的电压,所以称为自举电路。
4)C类功放
C类功放一般用于高频窄带信号的放大。
C类功放的示例如下图:
C类功放的主要特点:一是只有半个周期导通工作;二是输出级有谐振选频网络。
图中的C类功放,三极管的基极没有正向偏置电压,因此,它的输入信号只有正半周大于0.6V的信号才能通过三级放大;如图中仿真示波器中的黄色信号,只有正半周的部分能加到三极管的be极上;负半轴的信号不起作用,三极管是截止的。正是由于其工作时,只有不到半个周期的时间导通,所以C类功放的效率比较高,有可能达到50%以上。
C类功放只有正半周的信号能通过三极管,会有严重的失真。但是,由于集电极上是一个并联LC谐振电路,它能起到选频的作用,可将特定频率的信号选出。因此,当输入信号含有指定频率的分量时,就能与其产生谐振,最终输出完整的正弦波。仿真图中可以看出,虽然只有正半周信号(黄色)通过了三极管放大,但是输出时却是完整的正弦波(绿色)。
由于C类功放电路需要LC谐振网络的作用,只能放大指定频率附近很窄频段的信号,用于高频信号调制之后的功率放大非常合适。
5)D类功放
D类功放的原理与上述讲的几种有很大不同。ABC类的功放,三极管是工作在放大区,而D类功放只工作于开关状态。
D类功放输出的是PWM波,它利用方波的占空比来等效电压的高低。当电压高时,输出的高电平宽、低电平窄;当电压低时,输出的高电平窄、低电平宽;最后,再通过低通滤波器,将PWM波滤成连续变化的电压波形。
由于D类功放只工作于开关状态,它的效率可以做得很高,理论上能到100%。
也是由于D类功放工作于开关状态,其开关噪声的影响会使得输出信号上有一定干扰。
对于D类功放,这里只简单描述一下,详细的实现方法,后续讲完开关电源的实现原理,就很容易理解了。