1、1 毕业论文文献综述 电子信息工程 功率放大器的发展与应用 摘要： 本文介绍了功率放大器的 发展、种类和趋势。自从功率放大器出现之后，从电子管到晶体管，从模拟电路到数字电路，经历了几十年的发展。随着人们对性能和能效要求的逐渐提高，对于功率放大器的研究还会一直继续下去。早期， 利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如 A 类、 B类和 AB 类放大器。从 1980 年代早期，数字放大器 开始兴起 ，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或 者 D 类放大器。 关键词： 功率放大器 ； OCL； OTL 1引言 功率放大器 (Power Am
2、plifier1)，简称 “功放 ”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了 “组织、协调 ”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 2.功率放大器的发展历程 2.1 早期晶体管功放 半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器。 早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗 管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高，这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其 3dB 截止频率
3、通常在 10kHz 左右，大大影响了音乐中高频信号的重现 2。再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的 OTL 或 OCL 放大器不易寻到三个指标都满足要求的管于，所以不得不采用变压器耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。 2.2 晶体管功放的发展和互调失真 随着半导体工艺的逐渐成熟， 越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL 电路或 OTL 电路 。 到了六十年代末，大功率的 PNP 硅管商品化的时候，互补对称电路得到广泛的应用。 瞬态互调失真是 70年代提出来的声频领域中更为典
4、型的动态指标。为了改善晶体管放大器的指标，常常施加较深的负反馈 (40 60dB)，这就要求放大器有较高的开环增益，而为了使放大器在加2 上负反馈后不引起自激，就需要仔细地进行相位补偿。 2 2.3功放输入级 差动与共射共集 共射 共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结构，但用于音频电路中同样可以发挥出 色的性能。 3.功率放大器的种类 传统的数字语音回放系统包含两个主要过程： （ 1）数字语音数据到模拟语音信号的变换 (利用高精度数模转换器 DAC)实现； （ 2）利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如 A 类、 B 类和 AB 类放大器。从 1980 年代早期，许多研究
5、者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或 者 D 类放大器。 3.1 A 类放大器 A 类放大器的主要特点是：放大器的工作点 Q 设定在负载线的中点附近 ,晶体管在输入信号的整个周期 内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有 25，且有较大的非线性失真。 A 类模拟功放保真度高，是目前高档功放的主要方式 3。 3.2 B 类放大器 B类放大器的主要特点是：放大器的静态点
6、在 (VCC， 0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在 Vi的正半周期内， Q1导通 Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当 Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示 )，所以必须用两管推挽 工作 4。其特点是效率较高 (78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是 “交越失真 “较大。即当信号在 -0.6V 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。 3.3 AB 类放大器 AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的
7、特点。 目前，在一些对波形要求严格的场合仍然采用传统的线性功率放大器，这是因为线性功率放大器具有失真度低 、动态响应特性快和频带宽等开关功率放大器无可比拟的优点 5。 3.4 D 类放大器 D类 (数字音频功率 )放大器是一种将输入模拟音频信号或 PCM数字信息变换成 PWM(脉冲宽度调制 )或 PDM(脉冲密度调制 )的脉冲信号 ,然后用 PWM或 PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通 /3 断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点 .数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器 .放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路 (半桥式和全桥式 )
8、和低通滤波器 (LC)等四部分组成 .D类放大或 数字式放大器 6。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。 A类、 B类和 AB类放大器是模拟放大器， D类放大器是数字放大器。 B类和 AB类推挽放大器比 A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但 B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。 D 类放大器虽然具有很高的效率，但由于功率晶体管的开关工作方式， D类放大器引入的失真通常大于线性放大器，这也是目前 D类放大器在音频放大领域并未得到广泛应用的主要原因 7。 总体来说， D 类放大器经过几年 的发展，已经成功
9、的运用到了手机及一般便携式产品中。 D 类放大器今后的发展一定会逐步取代普通的 AB 类产品，市场占有比例会越来越大 8。 与 AB 类放大器相比， D 类放大器最大的优点就是效率高：一般 AB 类放大器的效率不超过 40%，而 D 类放大器通常可以达到 80%以上，最高可以到 90%以上。因效率高，可以将体积做的很小，便于采用小的封装 9。 因为 D 类放大器本身是开关输出，就会有高频分量和辐射，就要外加滤波器。而外加滤波器就要占用电路板的空间，并增加的耗电。因为要安装在便携式产品上，减少占用空间将是很重要的方向。 4 功率放大器的发展趋势 未来 ， 功率放大器 会有更大的发展 。放大器产品
10、的发展主要特点如下：（ 1）新工艺、新技术的发展；（ 2）放大器类在电子系统中的作用越来越重要，不可替代，高精度的发达调理电路很难集成在处理芯片中；（ 3）“定制化”需求是放大器的种类不断增加的主要推动力之一10。 参考文献： 1 Per Asbeck, Carsten Fallesen. An RF Power Amplifier in a Digital CMOS ProcessJ. Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2002,1:41 55. 2 苏金善 赵建东等 . 晶体管放大器的非线性特性研究 . 中国现代教育装备 .
11、2008,11:52 54. 3 李挥， 罗勇等 . 数字音频功率放大器原理及实现 J.电声技术 .2003,4:32 35. 4 龚 昶 .音乐王子远离互调失真 J. 实用影音技术 . 2001,001年第 9期： 32 33. 5 祝依飞 . 跟踪电源供电的高效率 B类功率放大器 J. 电脑知识与技术 . 2010,6(21)： 58655871. 4 6 张绍高 .数字声频技术原理及应用 M.北京 :国防工业出版社 .2000,9. 7 雷张伟 .D类音频功率放大器设计 D.成都 .电子科技大学 .2001. 8 龚伟，周雒维 . D类音频功率放大器控制方式综述 J. 重庆大学学报 (自然科学版 ). 2003,26(2):117 122. 9 王莹 . 音频放大器发展趋势 J.电子产品世界 . 2009,16(4):11 13. 10 王胜， Brain Black等 .放大器市场与应用发展趋势 J.2008,8:43 50.
