A類、AB類、D類放大器的差異:動作原理、效率、失真、發熱、用途比較

放大器的類別,是指輸出電晶體的驅動方式不同。A類在訊號的整個週期中持續讓電流流過電晶體,因此失真最小,但即使沒有訊號也會消耗功率,效率即使在理論上也只有 25% 或 50%。AB類是在由 2 個電晶體分擔正、負半週的 B類上,加上少量閒置電流以抑制交越失真,效率接近 B類的理論最大值約 78.5%。D類將電晶體當作開關進行導通與關斷,再以濾波器將 PWM 等脈波還原為原本的訊號,在大輸出時可得到 90% 左右的高效率。

項目A類AB類D類
動作原理電晶體中始終有電流流動(線性區),隨訊號增減電流以 2 個電晶體的推挽結構分擔正、負半週。預先流過少量閒置電流將電晶體當作開關進行導通與關斷,把訊號轉換成 PWM 等脈波後放大,再以 LC 低通濾波器還原
導通角(1 個電晶體導通電流的期間)360°(整個週期)大於 180° 且小於 360°(B類為 180°)以完全導通或關斷使用,因此不以導通角分類
理論最大效率25%(負載電阻串聯時)。以變壓器或扼流圈耦合時為 50%略低於 B類的約 78.5%(π/4)理想開關時為 100%。實際在大輸出時也有 90% 左右
小輸出時的效率非常低。即使沒有訊號也消耗相同的功率隨輸出降低,但遠優於 A類容易維持在高水準(極小輸出時,切換損失所占的比例會增加)
失真最小。沒有交越失真小。以閒置電流與負回授抑制交越失真有空檔時間、切換的不完美與電源變動所造成的失真。可用負回授等方式降低
發熱最大。無訊號時達到最大中等。多半需要散熱片小。散熱片可以縮小或省略
雜訊與 EMI沒有切換雜訊沒有切換雜訊數百 kHz 至數 MHz 的切換會產生 EMI。需注意輸出濾波器與配線
電路與元件簡單。只用 1 個電晶體也能製作成對的輸出電晶體與偏壓電路脈波調變器、閘極驅動電路、輸出濾波器(電感與電容)
主要用途小訊號放大、前級放大器、驅動後級的驅動級、部分高級音響音響用功率放大器、耳機放大器、運算放大器的輸出級智慧型手機與電視的喇叭驅動、車用音響、攜帶式喇叭、大輸出放大器

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

A類
輸出小,且以低失真為最優先時。小訊號放大、前級放大器、驅動後級的驅動級。
AB類
想兼顧低失真與效率時。音響用功率放大器、耳機放大器、運算放大器或緩衝器的輸出級。
D類
想以電池長時間運作、想降低發熱或縮小散熱片、需要大輸出時。智慧型手機與電視的喇叭、車用音響。

常見問題

為什麼 A類的最大效率有 25% 與 50% 兩種?

因為負載的接法不同。將負載電阻與電晶體串聯時,直流電流也會流過負載而浪費功率,因此理論最大值為 25%。以變壓器或扼流圈連接負載時,直流功率不會在負載上浪費,輸出電壓也能擺動到電源電壓的 2 倍,因此最大值為 50%。

什麼是交越失真?

在 B類推挽電路中,訊號通過 0 附近時,會出現兩個電晶體都不導通的區間,使輸出波形變形。雙極性電晶體在基極與射極之間未施加約 0.6 至 0.7 V 時不會有電流流動,因此會發生這種現象。AB類藉由流過少量閒置電流來消除這個區間。

D類的 D 是指數位嗎?

不是。這是接在 A類、B類、C類之後命名的,並不是數位的意思。也有許多 D類放大器是以比較器將類比輸入訊號與三角波比較,轉換成 PWM 脈波來運作。

為什麼 D類的效率高?

因為輸出電晶體以完全導通或完全關斷的方式使用。導通時電壓幾乎為零,關斷時電流幾乎為零,因此在電晶體上轉為熱的功率很小。剩下的損失包括導通電阻造成的損失、切換過程中的損失,以及驅動閘極的功率等。

理解度檢測

與A類放大電路相比,下列哪一項是B類推挽放大電路的正確特徵?

  1. A效率低,但失真非常小
  2. B始終流過大的偏壓電流
  3. C功率效率高(理論上最大約78.5%),但容易產生交越失真
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正確答案:C. 功率效率高(理論上最大約78.5%),但容易產生交越失真

A類始終流過大的偏壓電流,失真雖小,但理論上的最大效率在電阻負載下為25%、變壓器耦合下為50%,效率低,即使沒有訊號也會發熱。B類在沒有訊號時幾乎不流過電流,因此效率高,最大約78.5%(π/4),但在輸出切換處會產生交越失真。實用上使用流過些許偏壓的AB類,以及效率更高的D類。

在以NPN與PNP電晶體分擔正、負半週的B類推挽放大電路中,容易產生的失真是哪一個?

  1. A量化誤差
  2. B混疊
  3. C交越失真
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正確答案:C. 交越失真

在B類推挽中,輸入在0附近時,兩個電晶體的VBE都達不到約0.6 V而無法導通,出現一段區間,使波形切換的部分失真。這就是交越失真,音量愈小愈明顯。以二極體或VBE倍增器施加約1.2 V的偏壓,使其流過少許電流成為AB類,即可降低。音響放大器的輸出級多半是AB類。

理想B類推挽放大電路的最大功率效率,最接近下列哪一個值?

  1. A約100%
  2. B約78.5%
  3. C約25%
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正確答案:B. 約78.5%

在B類放大中,兩個電晶體各自工作半個週期,沒有訊號時幾乎沒有電流流過。以最大振幅輸出弦波時的效率,理論上限為 π/4 ≈ 78.5%,比持續流過偏壓電流的A類(電阻負載為25%,變壓器耦合為50%)更高效。需要更高效率的用途,則使用將電晶體當作開關的D類(90%以上),是智慧型手機與薄型電視放大器的主流。

  1. 在放大電路中,沒有輸入訊號時電晶體的直流電壓、電流狀態稱為什麼?
  2. 在微控制器上調整LED亮度或馬達轉速時,常用的方法是下列何者?

前往類比與電子電路的練習題

相關名詞的解說

交越失真
在 B 類推挽放大電路中,負責正、負半週期的電晶體切換的 0 V 附近,因兩者都不導通而產生的失真。可藉由流過少許偏壓電流的 AB 類來減輕。
PWM(脈衝寬度調變)
在週期固定的情況下,改變輸出為 High 的時間長度,以調整平均電壓與電力的方式。用於調整 LED 的亮度與馬達的轉速。
負回授
將輸出的一部分以相反極性回送到輸入。增益會下降,但增益更穩定,失真與頻寬獲得改善。

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