音頻放大器將小信號的幅值提高至有用電平,同時保留小信號的細節,這稱為線性度。功放放大器的線性度越好,輸出信號越能真實地表示輸入信號。
A類(甲類)放大器——良好的線性放大器
A類(甲類)放大器,是指電流連續地流過所有輸出器件的一種放大器。這種放大器,由于避免了器件開關所產生的非線性,只要偏置和動態范圍控制得當,僅從失真的角度來看,可認為它是一種良好的線性放大器,但效率較低。通常只有20-30%,但音響發燒友們對它的聲音表現津津樂道。
A類放大器在結構上,還有兩類不同的工作方式。
(一)是將兩個射極跟隨器相聯工作,其偏置電流要增加到在正常負載下有足夠的電流流過,而不使任一器件截止。這一措施的最大優點是它不會突然地耗盡輸出電流,如果負載阻抗低于標定值,放大器會短期出現截止現象,在失真上可能略有增加,但不致出現直感上的嚴重缺陷。
(二)可稱作為控制電流源型(VCIS),它本質上是一個單獨的射極跟隨器,并帶有一個有源發射極負載,以達到合適的電流泄放。這一類作為輸出級時,需要在開始設計之前就把所要驅動的阻抗是多低搞清楚。
應用:這類放大器用于要求高線性度并且可用功率能滿足要求的應用。
B類(乙類)放大器——最流行的放大器
B類(乙類)放大器,是指器件導通時間為50%的一種工作類別。這類放大器可以說是最為流行的一種放大器,也許目前所生產的放大器有99%是屬于這一類。在實際的應用中,其實早期許多的音響功放都是B類功放,因為它的效率比較高。
B類放大器采用推挽式放大器結構。B類放大器的輸出采用正向和反向晶體管。為復現輸入信號,每個晶體管僅在信號波形的半周期(180°)期間導通。這允許放大器在空閑時為零電流,因此比A類放大器的效率高。
B類放大器是一種折衷:效率提高,音頻質量下降。這是因為存在一個交越點,兩個晶體管都從導通狀態跳變為關斷狀態。眾所周知,B類音頻放大器在處理低電平信號時存在交越失真,不適合低功率應用。
AB類(甲乙類)放大器
AB類(甲乙類)放大器,實際上是A類(甲類)和B類(乙類)的結合,每個器件的導通時間在50—100%之間,依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按B類(乙類)設計,然后增加偏置電流,使放大器進入AB類(甲乙類)。
AB類(甲乙類)放大器在輸出低于某一電平時,兩個輸出器件皆導通,其狀態工作于A類(甲類);當電平增高時,兩個器件將完全截止,而另一個器件將供給更多的電流。這樣在AB類(甲乙類)狀態開始時,失真將會突然上升,其線性劣于A類(甲類)或B類(乙類)。
這種性能是采用以下方法實現的:將兩個晶體管偏置到導通接近于零的信號輸出,即B類放大器開始呈現非線性的點(圖3)。對于小信號,兩個晶體管均導通,作用相當于A類放大器;對于大信號偏移,每半個波形周期內只有一個晶體管導通,因此像B類放大器一樣工作。
AB類揚聲器放大器具有高信噪比(SNR)、低THD+N,典型效率高達65%,使其成為高保真揚聲器驅動器的理想選擇。
AB類功率放大器的缺陷在于會產生一點點地交越失真,但是相對于它的效率比以及保真度而言,都優于A類和B類功放,AB類功放也是目前音響中應用最為廣泛的設計。
D類(丁類)放大器
這類放大器,其特點是斷續地轉換器件的開通,其頻率超過音頻,可控制信號的占空比以使它的平均值能代表音頻信號的瞬時電平,這種情況被稱為脈寬調制(PWM),其效率在理論上來說是很高的(往往高達90%或更高)。
但是,實際困難還是非常大的,因為200kHz的高功率方波是不是好的出發點尚不清楚;從失真的角度來看,為保證采樣頻率的有效性,必須將一個陡峭截止頻率的低通濾波器插入放大器與揚聲器之間,以消除絕大部分的射頻成分,這至少需要4個電感(考慮立體聲),成本自然不會低。此外,表現在頻響方面,它只能對某一特定負載阻抗保證平坦的頻率響應。
應用:
現代的D類放大器的保真度也可媲美AB類放大器。由于D類開關放大器具有較高效率,效率極高,產生的熱量很低,所以D類放大器不需要很大的散熱器,所以被廣泛用于便攜式應用。