通信作者：成紅玉

校閱：譚磊 姚若亞 

試讀：張進 代昕宇 賴臻

摘要 

功率放大器是現代電子技術中不可或缺的組成部分，根據其工作原理、性能特點及應用領域等視角，可以將其劃分為不同的類別。本文回顧了功率放大器按照工作狀態分類（Class A ~ Class G）以及以輸出結構的分類（OTL、OCL、BTL、互補 Class A、Class AB 和 Doherty），便于讀者系統性地了解。

1 概述 

功率放大器是一種能夠將低幅度電壓或電流信號放大，取得更高功率輸出的電路，包括提高輸出電壓、電流或者改變源阻抗。功率放大器精確復現輸入信號，即電壓波形和電流波形，或者至少部分復現，比如僅復現功率包絡或保證頻譜一致。功率放大器分類反映了早期廣播電臺射頻信號放大器的產品設計迭代，輸出結構分類則反映了音頻功放設計的迭代。因其典型性和代表性，這些分類的概念被廣泛接受，功率放大器的主力應用也從射頻、音頻拓展到了各種致動器、執行器，例如自動化設備中的電磁執行器（馬達驅動波形合成、調節閥位控、磁懸吊控制），高頻加熱和激元驅動。

2 工作狀態分類 

功率放大器根據其工作狀態分為 Class A、Class B、Class C、Class D、Class E、Class F 及 Class G 等 ¹ 。其中，Class A、Class B 和 Class C 通過調整晶體管的導通程度來實現對輸入信號的放大，信號輸出擺幅與輸入信號全部或部分保留了比例關系；這三個分類輸出與輸入保持比例關系的擺幅與電源電壓之間的關系不同，或者說電源電壓空間的利用率不同。Class D、Class E、Class F 和 Class G 是開關態的，即輸出在地和電源電壓之間跳變、輸出幅度跟輸入信號的幅度沒有直接關系；這幾類放大器都需要輸出路徑上的儲能槽路（即濾波節）來把開關狀態的輸出調理成與輸入成比例的有效輸出（Class B 和 Class C 輸出幅度中部分與輸入幅度成比例，也需要利用儲能槽路減小輸出信號的失真）。

2.1 Class A 放大器 

晶體管在整個輸入信號周期內都保持導通狀態，輸出信號的擺幅在電源電壓范圍內。Class A 放大器輸出信號示意如圖 1 所示。

2.2 Class B 放大器 

晶體管僅在輸入信號的半個周期內導通，輸出信號擺幅只保留一半在電源電壓范圍內。Class B 放大器輸出信號示意如圖 2 所示，實線表示實際輸出波形，虛線表示沒有傳遞到輸出的部分。

2.3 Class C 放大器 

晶體管的導通時間小于輸入信號的半個周期，即僅有小于半周期的輸出信號擺幅在電源電壓范圍內，并且輸出為包含一部分基波功率的方波。Class C 放大器輸出信號示意如圖 3 所示，實線表示實際輸出波形，虛線表示沒有傳遞到輸出的部分。 

由下圖可看出，Class C 放大器產生的失真大，輸出信號富含諧波成分，需要在其輸出路徑上利用濾波器濾除高次諧波；同時波形頂部保留了信號的原始形狀，這部分是有用的諧波信息。Class C 是對 Class B 的折中改進，比 Class B 的功率利用率高，諧波失真也大于 Class B。

2.4 Class D 放大器 

Class D 放大器 ² 采用脈寬調制（PWM）技術，利用輸入模擬信號的幅度控制電壓斬波的輸出寬度，生成占空比正比于輸入模擬信號幅度的 PWM 序列。PWM 序列的方波經低通濾波器進行濾波去除高頻成分，還原為模擬信號輸出^[1]。Class D 放大器工作模式波形示意如圖 4 所示。

2.5 Class E 放大器 

Class E 放大器的原理與 Class D 一樣，是 Class D 的電流對偶。將圖 4 中的 PWM 信號轉換為脈沖電流序列，經過濾波后該電流的平均值與需要的輸出電流一致。 

Tips：電壓斬波輸出不能直接連接容性負載。方波電壓接入電容相當于發生了一次短路，過大的浪涌電流會導致開關損壞。同樣地，電流斬波輸出不能直接向感性負載輸出。方波電流接入電感時瞬時產生高壓，導致開關承受過大的電壓應力。在 Class D 和 Class E 放大器的斬波開關輸出節點需要根據負載電容和電感串入補償電感或電容來補償負載的容性或感性，減小開關的電流和電壓應力。配置這部分補償電感或電容的目的并不是濾除斬波輸出中的諧波，但可以與濾波需要的電感或 電容合并設計。

2.6 Class F 放大器 

Class F 放大器可以看作是在一個周期波形內只輸出一次斬波脈沖的 Class D 放大器。Class F 通常用于調幅電臺和調頻電臺的載波放大，即對一連串的周期波形放大。將輸入信號與某個固定電平比較，大于該電平則輸出為高、小于該電平則輸出為低。在一個正弦周期內，只產生了一個斬波輸出脈沖。這個脈沖的寬度與輸入信號的幅度有關，需要通過一個低通濾波器濾除脈沖序列中的高頻成分、保留與脈沖寬度有關的基波成分。Class F 放大器輸出信號示意如圖 5 所示。

2.7 Class G 

放大器 Class G 類放大器 ³ 通常采用高、低兩組工作電壓（±VH和±VL）供電，工作在小信號電平時， 放大器采用較低電源電壓，并在信號電平增加后切換為較高電源電壓。低幅度輸出時有效傳遞到負載的電壓是相對于低電壓軌電源的，高幅度輸出時則是相對于高電壓軌電源的。Class G 放大器這種電源軌切換設計，既保持了信號的形狀也提高了其工作效率[2]。Class C 和 Class F 放大器僅適合放大正弦波式樣的載波信號，而對于像音頻信號這種由多個頻率正弦波疊加、大波上攜帶小波的信號則完全不適用。Class G 放大器輸出信號示意如圖 6 所示。

2.8 放大器類別及效率對比

3 輸出結構分類 

3.1 有輸出變壓器結構 

早期的收音機音頻放大器使用電子管作為放大元件。電子管工作電壓高、輸出阻抗高，可以輸出高電壓但負載能力弱。通常使用一個變壓器來完成阻抗匹配，使電子管放大器能驅動阻抗較低的喇叭，電路結構如圖 8 所示。業界對輸出結構的改進和分類都是相對于這種早期利用變壓器輸出的放大器來說的。如果不考慮輸出變壓器并聯電感的作用，保持信號形狀不因放大過程而改變，這個放大器工作在 Class A 類（考慮變壓器并聯電感和串聯電感的濾波作用，其不失真工作范圍略好于 Class A 類）。

3.2 OTL 電路結構 

OTL（Output Transformer Less，無輸出變壓器）電路結構強調它是不需要輸出變壓器的功放。 從電路的變化看，主要是使用低壓大電流三極管取代了電子管，并且不再需要阻抗匹配變壓器。電路架構如圖 9 所示，它采用單電源供電方式，仍需要電容耦合隔離其輸出端的直流偏置電壓。如果保持信號的形狀不變，則該放大器的最大輸出范圍是電源電壓，屬于工作在 Class A 類放大器。與有變壓器的放大器相比，OTL 提供了更小的體積、更低的成本以及更高的保真度。然而，由于存在耦合電容，可能會影響電路的低頻響應。

上圖中的兩支三極管，一個負責輸出（推）電流、一個負責吸入（挽）電流，這種結構也叫做推挽輸出結構。從兩支輸出三極管連接的形態來看，其外觀類似南美印第安人的圖騰柱，所以該電路結構也被稱為圖騰柱輸出結構。

3.3 OCL 電路結構 

OCL（Output Capacitor Less，無輸出電容）電路結構采用對稱雙電源供電，其電路架構如圖 10 所示。該電路穩態時輸出電壓為 0V，可省去輸出電容，直接將輸出信號傳遞給負載，從而避免了耦合電容可能帶來的低頻響應問題。

3.4 BTL 電路結構 

從 OTL、OCL 命名可以看出，早期 BTL 電路結構是指 Bridge-tied Transformer Less（橋式無變壓器）。BTL 對輸出結構的關鍵改進是從單端輸出變成了差分輸出。后期 BTL 的概念演化成了Bridge-Tied Load，即橋接負載輸出結構。如圖 11 所示，BTL 是輸出互補的兩個 OTL 或 OCL 結構， 負載像座橋連接在兩個推挽圖騰柱中間。差分連接的效果使得負載兩端的最大電壓可達 VCC，采用單電源達成了像 OCL 這樣的雙電源才能實現的最大輸出幅度。

SGM4891 等低功率音頻放大器產品的簡化示意如圖 12 所示，均為 BTL 輸出結構^[3]。

3.5 真差分輸出互補 

Class A 放大器 真差分輸出互補 Class A 放大器的電路結構以及輸入輸出波形示意如圖 13 所示。該類放大器采用偏移的單端輸入，工作在 Class A 模式。每個放大器分別相對于對方的輸出放大輸入信號。真差分是指其輸出的平均電壓可以不確定，但輸出相減則完整輸出信號。

3.6 Class AB 放大器 

Class AB 放大器 ⁴ 是真差分輸出互補 Class A 放大器的一種，其電路結構與圖 13 一致，但需要將兩個放大器配置到不同增益。假設放大器 a 增益配置到 20，放大器 b 增益配置為 1，當輸入信號變大時，放大器 a 會比放大器 b 提前飽和。以上述配置為例，放大器 a 剛飽和時放大器 b 擺幅僅是 a 輸出幅度的 1/20。放大器 a 飽和后放大器 b 在剩下的 19/20 幅度空間里將繼續保持線性差分輸出。 放大器 a 和 b 輸出信號如圖 14 所示。假定放大器 a 的增益足夠高，則放大器 a 不是處在靠上飽和就是靠下飽和，這時放大器 b 總是相對于 a 輸出半個正弦波。將兩路輸出信號相減，則可得到最大無失真擺幅接近于電源電壓的兩倍。當輸入為小信號時，則不存在放大器飽和狀態，輸出信號示意如 圖 14 中紅線所示。無論是 Class A 還是 Class D、Class E 和 Class G 均可接成 Class AB 輸出結構來擴大其輸出功率。

3.7 Doherty 放大器 

因高頻損耗激增，難以在高頻應用中實施 Class D、Class E、Class G 這樣的結構來改善功放的效率。如果把 Class G 看作是利用不同電壓電源的組合改善效率，把真差分互補 Class AB 看作針對不同半波改換電源連接來改善效率，Doherty放大器則是利用行波在不同時間接入不同數量的放大器來改善效率的方案。它利用傳輸線連接了兩個放大器，峰值放大器僅在峰值前后輸出，利用傳輸線將峰值放大器與主放大器的輸出行波合并。電源電壓不變，合成的行波幅度加倍。原理上講兩個放大器之間有 90°錯相，峰值放大器輸出時來自主放大器的信號處于 0°附近的低幅度，其輸出電流不因主放大器的行波而減小，而在行波合并節點則出現幅度疊加。對于合并節點后的網絡而言，幅度增加也可以看作源阻抗降低，從而可以獲得更大功率。

Doherty 放大器電路結構如圖 15 所示^[4] ，由兩個放大器和一組匹配網絡組成。射頻信號首先被分路器分成兩路相移差 90°的信號，分別接入主放大器和峰值放大器。當輸入功率較低時，只有主放大器輸出，輸出等效負載為高負載 Zc，峰值放大器不工作；當信號功率超過主放大器的最大輸出能力時，峰值放大器開始工作，負載匹配網絡會將主放大器的等效負載阻抗從 Zc 變為 Zb，同時將峰值放大器的負載阻抗從 Zp 變為 Zb。此時，主放大器和峰值放大器電流都達到最大值，負載均為 Zb，功率輸出達到最大。這種設計使得 Doherty 放大器能夠在保持線性度的同時顯著提高效率。 Doherty 放大器被廣泛用于 3G、4G 和 5G 移動通信系統以及其他無線電通信系統。

4 參考資料

[1] 放大器的常見種類[EB/OL]. (2019-10-19).

[2] 吳紅奎. G 類放大器的基本原理及其應用[EB/OL]. 

[3] Analog Devices, Inc. MAX4364/MAX4365 Datasheet [EB/OL]. (2017-11-17). 

[4] 張玉興，陳會，文繼國. 射頻與微波晶體管功率放大器工程[M]. 電子工業出版社，2013.

注釋：

1 Class G 以后的分類是廠家對產品的自定義分類，本文不對其進行闡釋。

2 Class D 功放因其高效率、小體積，多應用于便攜式音頻設備、音響系統，如本公司的 SGM2820（4.5V@2.4W）、 SGM4703（24V@2×40W）等型號。

3 Class G 功放具有高效能、低失真特性，多應用于高保真音響系統，如本公司的 ft2815Q、ft2830P、ft2910P 等產品。

4 Class AB 功率放大器產品多用于低功率音頻驅動，如本公司的 SGM4895（5V@1.3W）。