G類放大器的基本原理及其應用
發布日期：2019-07-26 瀏覽量：3164次
一、G類放大器的概念及其它
1、什么是G類放大器
放大器的分類方法有很多種，在音頻應用領域，按照末級功率晶體管靜態工作點的不同，可以分為A（甲）類、AB（甲乙）類、Super-A（滑動甲類）、B（乙）類等；按照末級功率晶體管的工作狀態不同，可以分為模擬放大器和D類放大器（數字放大器）等；功率放大器的供電方式也不僅僅限于固定電壓的一組對稱的正負電源或者單一電源，也可以是多組電壓不同的電源，或者電壓變化的單一電源，就有了G類放大器、H類放大器之說，圖1可以更好的說明這個問題。
G類放大器采用高、低兩組工作電壓并且根據輸出功率的大?。ㄒ孕盘柗扔嫞┳詣愚D換，圖2是G類放大器的流程示意圖，VCC為正電源，VEE為負電源，電壓的高低以絕對值計，下同；圖3是G類放大器的電源電壓對應輸出功率的變化曲線圖。
如果負載一定，功率放大器的理論最大不失真輸出功率和靜態功耗只與供電電壓有關，所以采用高、低電壓供電的G類放大器理論上有更高的效率，而失真度指標則與末級放大器的工作點有關。由于工作電壓的轉換與輸入信號幅度的變化之間不會完全絕對同步，由此會帶來一些額外的失真，所以G類放大器的末級工作點一般選在AB類，因為B類的效率已經很高，A類則為了音質而寧可犧牲效率。隨著DC-DC電源變換技術的進步，因電源的復雜性帶來的額外成本增加在逐漸降低，同時因電壓轉換帶來的額外失真也已經降低到了幾乎可以忽略的程度，尤其在大功率輸出狀態，由于耗散功率被電源部分的功率半導體器件分攤，G類放大器的失真度指標不降反升，甚至比AB類更好。
2、G類與H類
G類、H類放大器是兩類非常接近放大器，二者都與末級晶體管的靜態工作點無關，只是供電電壓的變化方式不同，H類放大器采用線性變化的工作電源，電源電壓隨著輸出功率（以信號幅度計）的變化而變化，所以H類的音質和效率比G類要高一些，但電源更為復雜。圖4可以定性的說明幾類放大器在音質和效率方面的趨向。
單單從音頻功率放大的角度上來說，目前實用的A類、AB類、B類、G類、H類放大器都屬于模擬放大器，而D類放大器包括純數字放大器在內屬于開關放大器，模擬信號進行數字開關放大不可避免會帶來失真，音質評價上則會有我們所說的“數碼聲”。使用高性能數字化開關電源的新一代G類和H類放大器，音頻信號放大器回路仍然模擬放大技術的，能夠比較好的兼顧音質和效率，對D類放大器來說將是個有力的競爭者。也許不遠的將來，G類、H類放大器會被劃分到數字放大器的行列也未可知，如ST（STMicroelectronics，意法半導體）公司的“BASHTM”系列放大器,以筆者的觀點來看，就是采用數字開關電源技術的H類放大器，只是ST公司和該技術的專利原始擁有者“INDIGO”公司對此都諱如莫深。
G類放大器用于大功率放大器可以提高放大器的效率和功率輸出能力，尤其是對于近年流行的3D重低音系統中的重低音、超重低音放大器來說，其效率的優勢就更為明顯；對于小功率放大器，在便攜應用領域同樣有它的用武之地；在非音頻領域，TI ( Texas Instruments，德州儀器)公司2000年左右推出了G類、AB類雙工作模式的ADSL線路放大器THS6032，以筆者觀點，THS6032能夠以400mA電流驅動25Ω負載，有著25MHz（0.1dB）的帶寬，如果價格合適，用做音頻線路放大器和耳機放大器也應該有不俗的表現。
ST公司對G類、H類放大器情有獨鐘，除了上述“BASH”系列放大器以外，還有多款針對車用放大器的H類集成功放推向市場，下文要介紹的以TDA7294為核心的大功率G類放大器也是ST公司發表的。
二、大功率G類音頻功率放大器實例
ST公司生產的單片式大功率DMOS集成功放，內部電壓推動級和功率輸出級有著完全獨立的供電端子，因此比較適合于G類放大器的應用，如TDA7293、TDA7294等。
1、TDA7294簡介
TDA7294是單通道高保真大功率AB類音頻功放集成電路，是TDA7293的簡化升級版本，二者有著一樣的封裝形式，只是去掉了用處不大的故障輸出指示端子和不常用的主從方式并聯工作模式，簡化了自舉電容的外接方式，額定工作電壓也有所降低。TDA7294的內部等效電路簡圖參見圖5，它的主要技術特性如下：
◆ 額定工作電壓：± 12 ~ ± 40V；靜態電流（VCC= ±35V，RL = 8Ω，典型值）：30mA；
◆ RMS連續輸出功率（VCC= ±35V，RL = 8Ω，THD＝5%，典型值）：70W；
◆ THD（VCC=±35V，RL=8Ω，PO=0.1～50W，f=20Hz~20kHz，AV=30dB，典型值）：1%；
◆ 頻率響應（－3dB，PO =1W）：20Hz ~ 20kHz
◆ PSRR（電源電壓抑制比，典型值）：75dB；
◆ 輸入阻抗：≥100k Ω；
◆ DMOS輸出級，高功率輸出能力，THD按照10％計連續輸出功率能夠達到100W，可以驅動低至4Ω的負載；
◆ 靜音、待機控制功能，無開關機沖擊聲；
◆ 短路保護，過熱關斷功能，過熱關斷溫度：145℃。
1、什么是G類放大器
放大器的分類方法有很多種，在音頻應用領域，按照末級功率晶體管靜態工作點的不同，可以分為A（甲）類、AB（甲乙）類、Super-A（滑動甲類）、B（乙）類等；按照末級功率晶體管的工作狀態不同，可以分為模擬放大器和D類放大器（數字放大器）等；功率放大器的供電方式也不僅僅限于固定電壓的一組對稱的正負電源或者單一電源，也可以是多組電壓不同的電源，或者電壓變化的單一電源，就有了G類放大器、H類放大器之說，圖1可以更好的說明這個問題。
G類放大器采用高、低兩組工作電壓并且根據輸出功率的大?。ㄒ孕盘柗扔嫞┳詣愚D換，圖2是G類放大器的流程示意圖，VCC為正電源，VEE為負電源，電壓的高低以絕對值計，下同；圖3是G類放大器的電源電壓對應輸出功率的變化曲線圖。
如果負載一定，功率放大器的理論最大不失真輸出功率和靜態功耗只與供電電壓有關，所以采用高、低電壓供電的G類放大器理論上有更高的效率，而失真度指標則與末級放大器的工作點有關。由于工作電壓的轉換與輸入信號幅度的變化之間不會完全絕對同步，由此會帶來一些額外的失真，所以G類放大器的末級工作點一般選在AB類，因為B類的效率已經很高，A類則為了音質而寧可犧牲效率。隨著DC-DC電源變換技術的進步，因電源的復雜性帶來的額外成本增加在逐漸降低，同時因電壓轉換帶來的額外失真也已經降低到了幾乎可以忽略的程度，尤其在大功率輸出狀態，由于耗散功率被電源部分的功率半導體器件分攤，G類放大器的失真度指標不降反升，甚至比AB類更好。
2、G類與H類
G類、H類放大器是兩類非常接近放大器，二者都與末級晶體管的靜態工作點無關，只是供電電壓的變化方式不同，H類放大器采用線性變化的工作電源，電源電壓隨著輸出功率（以信號幅度計）的變化而變化，所以H類的音質和效率比G類要高一些，但電源更為復雜。圖4可以定性的說明幾類放大器在音質和效率方面的趨向。
單單從音頻功率放大的角度上來說，目前實用的A類、AB類、B類、G類、H類放大器都屬于模擬放大器，而D類放大器包括純數字放大器在內屬于開關放大器，模擬信號進行數字開關放大不可避免會帶來失真，音質評價上則會有我們所說的“數碼聲”。使用高性能數字化開關電源的新一代G類和H類放大器，音頻信號放大器回路仍然模擬放大技術的，能夠比較好的兼顧音質和效率，對D類放大器來說將是個有力的競爭者。也許不遠的將來，G類、H類放大器會被劃分到數字放大器的行列也未可知，如ST（STMicroelectronics，意法半導體）公司的“BASHTM”系列放大器,以筆者的觀點來看，就是采用數字開關電源技術的H類放大器，只是ST公司和該技術的專利原始擁有者“INDIGO”公司對此都諱如莫深。
G類放大器用于大功率放大器可以提高放大器的效率和功率輸出能力，尤其是對于近年流行的3D重低音系統中的重低音、超重低音放大器來說，其效率的優勢就更為明顯；對于小功率放大器，在便攜應用領域同樣有它的用武之地；在非音頻領域，TI ( Texas Instruments，德州儀器)公司2000年左右推出了G類、AB類雙工作模式的ADSL線路放大器THS6032，以筆者觀點，THS6032能夠以400mA電流驅動25Ω負載，有著25MHz（0.1dB）的帶寬，如果價格合適，用做音頻線路放大器和耳機放大器也應該有不俗的表現。
ST公司對G類、H類放大器情有獨鐘，除了上述“BASH”系列放大器以外，還有多款針對車用放大器的H類集成功放推向市場，下文要介紹的以TDA7294為核心的大功率G類放大器也是ST公司發表的。
二、大功率G類音頻功率放大器實例
ST公司生產的單片式大功率DMOS集成功放，內部電壓推動級和功率輸出級有著完全獨立的供電端子，因此比較適合于G類放大器的應用，如TDA7293、TDA7294等。
1、TDA7294簡介
TDA7294是單通道高保真大功率AB類音頻功放集成電路，是TDA7293的簡化升級版本，二者有著一樣的封裝形式，只是去掉了用處不大的故障輸出指示端子和不常用的主從方式并聯工作模式，簡化了自舉電容的外接方式，額定工作電壓也有所降低。TDA7294的內部等效電路簡圖參見圖5，它的主要技術特性如下：
◆ 額定工作電壓：± 12 ~ ± 40V；靜態電流（VCC= ±35V，RL = 8Ω，典型值）：30mA；
◆ RMS連續輸出功率（VCC= ±35V，RL = 8Ω，THD＝5%，典型值）：70W；
◆ THD（VCC=±35V，RL=8Ω，PO=0.1～50W，f=20Hz~20kHz，AV=30dB，典型值）：1%；
◆ 頻率響應（－3dB，PO =1W）：20Hz ~ 20kHz
◆ PSRR（電源電壓抑制比，典型值）：75dB；
◆ 輸入阻抗：≥100k Ω；
◆ DMOS輸出級，高功率輸出能力，THD按照10％計連續輸出功率能夠達到100W，可以驅動低至4Ω的負載；
◆ 靜音、待機控制功能，無開關機沖擊聲；
◆ 短路保護，過熱關斷功能，過熱關斷溫度：145℃。
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