【模电】0012 功率放大电路

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。

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