什么是功率放大器?

[拼音]：gonglü fangdaqi

[外文]：power amplifier

以增强信号直流、连续波或脉冲波功率为主要目的的放大电路，简称功放。它常作为多级放大器的末级，向负载提供所需功率。这种负载可以是扬声器、电动机、电热器、发送天线等。功率放大器的重要指标是功率增益、失真度（见放大）和效率。效率是指放大器的有用输出信号功率与所消耗的直流电源功率之比。它直接反映器件热损耗的大小，因而是表征放大器最大输出功率和尺寸的限制因素。

现代功放所用的有源器件主要是晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管），少数场合下（如高频或微波大功率发射机的末级）也用真空管。前者的最大输出功率在较低频段已能达到数十千瓦，后者可达兆瓦级。常用的功率放大器多属中、小功率范围，使用晶体管作有源器件时效率较高、成本低、可靠性好。集成功率放大电路的最大输出功率已达数百瓦。

功率放大电路有多种设计，常用的有单管放大器、推挽放大器和单端推挽放大器。它们的效率和复杂程度各不相同。

在形式上与电压放大电路相似，主要的差别是静态工作点须适应输出最大不失真功率的要求。为获得较大功率增益，它的输入端有时用变压器耦合;为了简单有时也用电阻-电容耦合。而它的输出端常用变压器耦合或直接耦合。变压器耦合可使负载阻抗达到最佳值，并使直流供电电源通过耦合变压器的欧姆压降很小。直接耦合包括将负载直接接到放大器输出电路的直流耦合和经扼流电感线圈、隔直流电容连接的交流耦合。

图1为晶体管收音机的典型小功率输出级。它工作于甲类状态。在不使正弦波信号输出有明显失真的条件下，这种变压器耦合的单管功放级的最大理论效率为50％。它一般只用于功率不大的场合。

利用特性相同的两个放大器件分别放大相位相差180°的输入信号，输出信号反相叠加后供给负载，构成推挽放大器（图2）。推挽放大可以使两个放大器件的非性线所产生的偶次谐波失真互相抵消，使总失真减小；同时输出变压器中直流分量也互相抵消，可减小变压器的铁芯体积和降低成本。推挽放大电路可减小静态工作点电流，使之趋近于零（称之为乙类放大器），而不致失真过大，故其效率较高，输出功率也较大。

图2电路的缺点是输入信号要先经倒相获得两个相位相反的信号，输出信号也要用变压器反向叠加。为消除这个缺点，可利用极性相反的晶体管（PNP型和NPN型双极晶体管，或N型沟道和P型沟道场效应晶体管）的互补特性，构成图3中的单端推挽功放电路，其输出端不用变压器耦合方式，故称之为无输出变压器（OTL）电路。耦合电容 Cc用来隔直流。应用两个同极性的晶体管或电子管也可设计成单端推挽电路，但两管运用于不同方式，它们的基极（栅极）对地（公共参考电位点）的输入信号要求不对称，否则输入信号必须浮接，性能稍差。如果采用极性一正、一负的两组电源（图4），还可以免去图3中的耦合电容，故称之为无输出电容 (OCL)电路。若采用使两组单端推挽电路并接的桥式结构（图5），则输出直流电位也可抵消，并且减少一组电源。集成功率放大电路的末级一般都采用互补型单端推挽电路。

为了减小失真，各类推挽功放的两个放大器件的放大特性应尽可能一致或互补，引入负反馈还可进一步减小失真。为了使失真最小并有良好的稳定性，各种单端推挽放大器中的晶体管常用共集电极运用方式。

专门用来放大窄频带射频信号的高频功率放大器允许电流波形有很大失真，然后利用调谐电路把谐波抑制掉（见调谐放大器），为了尽量提高效率，可把电路的静态工作点偏置到截止点以下，使放大管在每个正弦波周期内导电小于半个周期，称为丙类放大器。不同地设置静态工作点可以改变功放的工作效率，附表介绍按工作点分类的各类功放的主要特点。

为了进一步提高放大效率，先将信号转变为矩形脉冲序列，经放大后再转换成模拟信号。这种功放级工作于脉冲放大的状态，理论上效率可达100％，称为丁(D)类放大器，这种电路只适用于低频，应用尚不广泛。

在大功率放大器中，由于热损耗大，结构上有源器件的主要发热部分往往要外加散热器(传导、辐射冷却)以降低器件温升，有的大功率器件还必须使用风冷、水冷或蒸发冷却装置；为防止工作过程中温升过高，有的大功率放大电路中装有热过载保护继电器。

参考文章

什么是功率放大器？它和电压放大器有何异同？测控技术

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