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放大器及其分类

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作者:集成电路教育网时间:2006-08-30来源:

是放大电信号的装置。是前置和功率的统称。一般的可分为晶体管(石机)和电子管(胆机)两类。 
 
功率,简称功放,用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率称为后级。 
前置 ,功放之前的预放大和控制部分,用于增强信号的电压幅度,提供输入信号选择,音调调整和音量控制等功能。前置也称为前级。  

前置的作用是将激光唱机、电唱盘、磁带卡座、调谐器等送来的信号进行各种处理与放大,以便为功率准备适宜的电信号,同时它可具有音量调节、音调调节等功能。功率的作用是将前置送来的信号,放大到足够推动相应扬声器所需的功率。

1.功率 

    功率电路的划分主要是由功放级输出电路形式来决定,常见的音频功率主要有下列几种: 

    (a).变压器耦合甲类电路主要用于电子管中; 
    (b).变压器耦合推挽功率电路主要用于一些输出功率较大的电子管中; 
    (c).OTL功率电路主要用于一些输出功率较小的中; 
    (d)OCL功率是一种常用的电路,常用于一些输出功率要求较大的功率中; 
    (e)BTL功率电路主要用于一些要求输出功率更大的场合。 
    OTL、OCL和BTL功率电路主要用于晶体管中。 

    2.功率的类型 

    根据三极管在放大信号时的信号工作状态和三极管静态电流大小划分,电路主要有3种类型:一是甲类电路,二是乙类电路,三是甲乙类电路。 

    除上述三种电路之外,还有超甲类等许多种电路。音响系统中由于不允许存在信号的非线性失真,所以只用甲类电路和甲乙类电路。 

    (1).甲类 
    甲类就是给放大管加入合适的静态偏置电流,这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。在功率电路中,功放输出级中的信号幅度已经很大,如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大,这种电路称之为甲类。 

    在功放输出级电路中,甲类的功放管静态工作电流设得比较大,要设在放大区的中间,以便给信号正、负半周有相同的线性范围,这样当信号幅度太大时(超出放大管的线性区域),信号的正半周进入三极管饱和区而被削顶,信号的负半周进入截止区而被削顶,此时对信号正半周与负半周的削顶量是相同的。甲类电路的主要特点如下所述: 
    (a).在音响系统中,甲类功率的音质最好。由于信号的正、负半周用一只三极管来放大,信号的非线性失真很小,这是甲类功率的主要优点。 
    (b).信号的正、负半周用同一只三极管放大,使的输出功率受到了限制,即一般情况下甲类的输出功率不可能做得很大。 
    功率三极管的静态工作电流比较大,在没有输入信号时对直流的消耗比较大。 

    (2).乙类 
    所谓乙类就是不给三极管加静态偏置电流,且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周,正、负半周再在的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。 
    由于这种没有给功放输出管加入静态电流,它会产生交越失真,这种失真是非线性失真的一种,对声音的音质破坏严重。所以,乙类电路是不能用于音频电路中的。 

    (3).甲乙类 
    为了克服交越失真,必须使输入信号避开三极管的截止区,可以给三极管加入很小的静态偏置电流,以使输入信号“骑”在很小的静态偏置电流上,这样可以避开了三极管的截止区,使输出信号不失真。甲乙类电路的主要特点如下-所述: 
    (a).这种同乙类电路一样,也是用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周,但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流,以使三极管刚刚进入放大区。 
    (b).由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小,所以在没有输入信号时对直流的消耗比较小(比起甲类要小得多),这样具有乙类的省电优点,同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区,对信号不存在失真,又具有甲类无非线性失真的优点。所以,甲乙具有甲类和乙类的优点,同时克服了这两种的缺点。正是由于甲乙类无交越失真,又具有输出功率大和省电的优点,所以被广泛地应用于音频功率电路中。 
    当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时,就成了乙类,将产生交越失真。 

    (4).推挽 
    在功率电路中大量采用推挽电路,这种电路中用两只三极管构成一级电路,两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周,即用一只三极管放大信号的正半周,用另一只三极管放大信号的负半周,两只三极管输出的半周信号在负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。 
    推挽电路中,一只三极管工作在导通、放大状态时,另一只三极管处于截止状态,当输入信号变化到另一个半周后,原先导通、放大的三极管进入截止,而原先截止的三极管进入导通、放大状态,两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化,所以称为推挽。 

    (5).互补推挽 
    互补是通过采用两种不同极性的三极管,利用不同极性三极管的输入极性不同,用一个信号来激励两只不同极性的三极管,这样可以不需要有两个大小相等、相位相反的激励信号。其互补推挽电路示意图,如图4-9所示。电路中,VT1是NPN型三极管,VT2是PNP型三极管,两只三极管的基极相连,在两管的基极加一个音频输入信号Vi。 

    从电路中可看出,两管基极和发射极并联,由于两只三极管的极性不同,基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置,一个是反向偏置。当输入信号为正半周时,两管基极同时电压升高,此时输入信号电压给VT1管加上正向偏置电压,所以VT1管进入导通和放大状态。由于基极电压升高,对VT2管来讲加上反向偏置电压,所以VT2管处于截止状态。 

    输入信号变化到负半周后,两管基极同时电压下降,给VT2管正向偏置,使VT2管进入导通和放大状态,而VT1管又进入截止状态。 

    这种利用NPN型和PNP型三极管的互补特性,用一个信号来同时激励两只三极管的电路,称之为“互补”电路,由互补电路构成的称为互补电路。由于VT1和VT2管工作时,一只三极管导通、放大,另一只三极管截止,工作在推挽状态,所以称为互补推挽。 

运算是运用得非常广泛的一种线性集成电路。而且种类繁多,在运用方面不但可对微弱信号进行放大,还可做为反相、电压 跟随器,可对电信号做加减法运算,所以被称为运算。不但其他地方应用广泛,在音响方面也使用得最多。例如前级放大、 缓冲,耳机除了有部分使用分立元件,电子管外,绝大部分使用的还是集成运算。而有时候还会用到稳压电路上,制作高精度的稳压滤波电路。 

长期以来,高品质音频的工作类别,只限于A类(甲类)和AB类 (甲乙类)。其原因在于过去只有电子管这样的器件,B类(乙类)电子管放 大器产生的失真使它们甚至在公共广播用时都难于被人们所接受。所有的自称为高保真均工作于推挽式的A类(甲类)。
  随着半导体器件的出现和发展,的设计得到了更多的自由。就的类别而言,已不限于A类(甲类)和AB类(甲乙类),而出现了更多类别的。为了使读者对此有所了解,这里仅就笔者所知的各种类别 的简介如下。不过需要指出,就目前来说用于音频功率的工作类别,A类(甲类)、AB类(甲乙类)和B类(乙类)这三类仍覆盖着 半导体的绝大多数。

  一、A类(甲类) 
  A类(甲类),是指电流连续地流过所有输出器件的一种。 这种,由于避免了器件开关所产生的非线性,只要偏置和动态范围控制得当,仅从失真的角度来看,可认为它是一种良好的线性。 A类在结构上,还有两类不同的工作方式。其中一类是将两个射极跟随器相联工作,其偏置电流要增加到在正常负载下有足够的电流流过,而不使任一器件截止。这一措施的最大优点是它不会突然地耗尽输出电流,如果负载阻抗低于标定值,会短期出现截止现象,在失真上可能略有增加,但不致出现直感上的严重缺陷。另一类可称作为控制电流源型(VCIS),它本质上是一个单独的射极跟随器,并带有一个有源发射极负载,以达到合适的电流泄放。这一类作为输出级时,需要在开始设计之前就把所要驱动的阻抗是多低搞清楚。

  二、B类(乙类) 
  B类(乙类),是指器件导通时间为50%的一种工作类别。这类可以说是最为流行的一种,也许目前所生产的有99% 是属于这一类。由于大家比较熟悉,这里不作详细介绍。 
  三、AB类[甲乙类) 
  AB类(甲乙类),实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合,每个器件的导通时间在50—100%之间,依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类的偏置按B类(乙类)设计,然后增加偏置电流,使进入AB类(甲乙类)。 
  AB类(甲乙类)在输出低于某一电平时,两个输出器件皆导通,其状态工作于A类(甲类);当电平增高时,两个器件将完全截止,而另一个器件将供给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时,失真将会突然上升,其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。不过笔者认为,它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充,且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。 

  四、C类(丙类) 
  C类(丙类),是指器件导通时间小于50%的工作类别。这类放 大器,一般用于射频放大,很难找到用于音频放大的实例。 

  五、D类(丁类)
  这类,其特点是断续地转换器件的开通,其频率超过音频,可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平,这种情况被称为脉宽调制(PWM),其效率在理论上来说是很高的。但是,实际困难还是非常大的,因为200kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚;从失真的角度来看,为保证采样频率的有效性,必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入与扬声 器之间,以消除绝大部分的射频成分,这至少需要4个电感(考虑立体声), 成本自然不会低。此外,表现在频响方面,它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。 

  六、E类(戊类) 
  这类,是一个极端聪明的半导体技术应用,它在几乎所有工作时间内,通过的电压或电流是较小的,亦即功率耗散很低。遗憾的是,它仅用于射频技术,而不用于音频。 

  七、F类(己类) 
  这类,就笔者目前所知并不存在,似乎是需要补充的空缺。

  八、G类(庚类)
  这类,似乎与B类(乙类)或AB(甲乙类)的有些类似。 对于小的输出信号,它的供电电流来自低电压源;而对于‘大信号’,供电将转换到较高的电压源。这样,一定比B类(乙类)的效率更高。但是,这种改进似乎不能超越多路输出器件的成本以及使开关二极管在高频时转换干净利落的技术难点,以致使其使用不适合某些高功率的专业设备。此外,G类(庚类)所产生的失真,大概要比相应的B类(乙类)更大,但也有资料显示,对转换细节进行精心设计,将会使其差别较小。

  九、H类[辛类)
  这类,也似乎与B类(乙类)相似,其特点在于动态地提升单供 电电压(不用转换到另一个电压源),以提高效率,所采用的电路结构是自举电路。

  十、S类 
  S类,是由桑德曼博士命名的一种。这类,采用一个A类(甲类)放大电路,其电流能力非常有限,加上B类(乙类)放大电路作后备,在连接上使负载呈现为一较高的电阻。Tech-nicsSE-1000所采用的方法与此极为相似。

当视频传输距离比较远时,最好采用线径较粗的视频线,同时可以在线路内增加视频增强信号强度达到远距离传输目的。视频可以增强视频的亮度、色度和同步信号,但线路内干扰信号也会被放大,。另外,回路中不能串接太多视频,否则会出现饱和现象,导致图像失真。  

和其他磁性元件一样,在它的线圈里总是装有磁芯。因为磁芯有较大的磁导率,可以增加线圈中的磁通,但对磁来说目的不是利用磁芯有较大的磁导率,而是利用其磁芯材料非线性这一特点。这种非线性越突出其作用也就越为明显有效,磁扼流圈的核心是一个由软磁合金制成带有矩形磁滞回线的环形磁芯。在大多数情况下只有一组线圈是用来工作及控制电流的。对于扼流线圈材料的规格要求是非常高的,除了低磁性反转损耗(影响到热聚集控制电流效率)以外以高顽磁(影响到控制范围)为特点的矩形磁滞回线及好的饱和特性也是必须的。磁的功能可以描述成类似开关晶体管的高速开关,矩形B-H回线与两种工作状态有关,只要扼流线圈一受磁开关就断开,电流就不能输出。一旦磁芯材料达到饱和开关就接通,电流即开始输出。这个结果是基于扼流线圈在进入饱和条件时它的阻抗|Z|要经过3 4 个数量级的快速变化这一特点。 
当外加电压为u(t)=Umsinwt 时,磁芯中的磁感应强度将按B=-(Um /wNAe)cos

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