功率放大器综述
高效率音频功率放大器设计文献综述【文献综述】
文献综述电子信息工程高效率音频功率放大器设计文献综述一、前言为了节约电路的成本，提高放大器的效率，采用普通的电子元器件设计高效率音频功率放大器的方法，使用基本的运算放大器，构成PWM路，形成D类功率放大器，实现了高效率，低失真的设计要求。
为了提高电路的抗干扰性能，在设计中使用了电压跟随器，差动放大器，有源带通滤波器等。
使设计获得了良好的效果。
二、主题在现代音响普及中，人们因生活层次、文化习俗、音乐修养、欣赏口味的不同，令对相同电气指标的音响设备得出不同的评价。
所以，就高保真度功放而言，应该达到电气指标与实际听音指标的平衡与统一。
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。
（一）早期的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，例如，共发射极截止频率fh的典型值为4kHz，大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。
这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。
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子，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。
“还是胆机规声”，这种看法的确事出有因。
（二）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，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，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。
最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是图二所示的准互补电路，通过小功率硅管Q1与一只大功率的NPN硅管Q2复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。
音响设备知识普及_功率放大器
作用及参考电压 高音控制输入（直流、6V） 低音控制输入（直流、6V） 右输出（音频） 电源（14V） 右低频谐振 右高频谐振 右输入（音频、3V） 负反馈
3.2 前置放大器
5．电平指示电路
3.3 功率放大器
3.3.1 OTL功放电路 1．OTL电路原理
3.3 功率放大器
2．典型OTL功放电路
3.3 功率放大器
3.3.2 OCL功放电路 1．OCL电路原理
OCL（Output Condensert Less）电路，是在OTL电路的基础上发展起 来的。它的工作原理与OTL电路几乎一样，只有两点区别，即采用双 电源供电方式并省去了输出耦合电容。
3.3 功率放大器
2．典型OCL功放电路
3.3 功率放大器
3.1 功率放大器概述
3.1.1 功率放大器的要求与组成
1．对功率放大器的基本要求
（1）输出功率要大。为了得到足够大的输出功率，功放管的工作电压和电 流接近极限参数。功放管集电极的最大允许耗散功率与功放管的散热条件 有关，改善功放管的散热条件可以提高它的最大允许耗散功率。在实际使 用中，功放管都要按规定安装散热片。 （2）效率要高。扬声器获得的功率与电源提供的功率之比称为功率放大器 的效率。功率放大器的输出功率是由直流电源提供的，由于功放管具有一 定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。功率放大器的效率越高越好。 （3）非线性失真要小。由于功率放大器中信号的动态范围很大，功放管工 作在接近截止和饱和状态，超出了特性曲线的线性范围，必须设法减小非 线性失真。
3.2 前置放大器
4．音质控制集成电路
3.2 前置放大器
TA7630P各引脚参考电压及作用
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8
功率放大器总结
功率放大器微电子1101张涵予A类(甲类)功率放大器1.原理A类(甲类)放大器,是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。
可认为它是一种良好的线性放大器。
A类功放输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态,也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流,并使这两个电流等于交流电的峰值,这时交流在最大讯号情况下流入负载。
当无讯号时,两个晶体管各流通等量的电流,因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压,故无电流输入扬声器。
当讯号趋向正极,线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流,下方的输出晶体管则相对减少电流,由于电流开始不平衡,于是流入扬声器而且推动扬声器发声。
2.应用当对效率要求不高的时候,大多数小信号线性放大器会设计成A 类(甲类),即输出级元件总是处于导通区。
这类放大器最常用于小信号级或低功率(例如驱动耳机)应用中。
A类功放是重播音乐的理想选择,它能提供非常平滑的音质,音色圆润温暖,高音透明开扬3.优、缺点A类功放的工作方式具有最佳的线性,每个输出晶体管均放大讯号全波,完全不存在交越失真,即使不施用负反馈,它的开环路失真仍十分低,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A类功放放最大的缺点是效率低,因为它的效率低,供电器一定要能提供充足的电流。
一部25W的A类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。
所以A 类机的体积和重量都比AB类大,这让制造成本增加,售价也较贵。
一般而言,A类功放的售价约为同等功率AB类功放机的两倍或更多。
A类功率功放发热量惊人,因为无讯号时仍有满电流流入,电能全部转为高热量。
当讯号电平增加时,有些功率可进入负载,但许多仍转变为热量。
为了有效处理散热问题,A类功放必须采用大型散热器。
B类(乙类)功率放大器1.原理B类功放放大的工作方式是当无讯号输入时,输出晶体管不导电,所以不消耗功率。
当有讯号时,每对输出管各放大一半波形,彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大,在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真,因此形成非线性。
cmos射频功率放大器综述讲解
90年代多种新型 固态器件
射频技术发展
DSP技术和微 功率合成技 处理控制技 术 术 • 采用多个放大
• 广泛地应用各 种功率放大器 线性化技术 • 复杂的反馈技 术和预失真技 术来提高放大 器的效率及线 性度 管输出高达几 千瓦的功率
宽带技术
• 对带宽达几十 个GHz以上的信 号进行放大
各种效率增 强技术
众多国内外高校和研究机构对CMOS功率放大 器的研究进展：
2001年，Timothy等人利用0.2um厚栅CMOS工艺制作了900MHz的F类放大
器，峰值输出功率为1.5W，功率附加效率为43%，芯片大小为1 X 2mm2.。 2003年，Tirdad,Domine等人采用0.18um CMOS工艺制作了2.4GHz的AB类 功率放大器，该放大器为两级共源共栅结构。输出功率为23dBm时，最大 PAE为42%。 2006年，Jongchan Kang等人采用0.13um CMOS工艺制作了2.4GHz的 Doherty放大器，P1dB点输出功率为22.7dBm，最大PAE为60%,5dB功率回退点 PAE为35%。 2008年，Javad, Pooya等人采用厚栅0.2um CMOS工艺制作了900MHz的F 类放大器，采用偶次谐波滤波技术，得到最大PAE为56%，最大输出功率 29.8dBm。 2008年，Li-Yuan Yang等人采用0.18um CMOS工艺制作了2.4GHz的全集成 Doherty结构放大器。该放大器采用Cascode-Cascade结构，芯片面积为1.97 X1.4mm2。P1dB点输出功率为21 dBm，功率附加效率为14%，7dB功率回退 点PAE为10%。
研究背景及目的
射频功率放大器是射频收发(T/R)组件中的重要模块，它的作用是将射频信 号放大到足够高的功率电平，然后通过天线发射出去。射频功率放大器可 以保证无线信号的可靠传输，其性能好坏直接决定着整个射频收发系统。 射频收发组件广泛应用在军用和民用事业中，包括全球定位系统，通信， 导航，雷达，广播电视等。射频T/R组件的发展方向是实现低成本，低功耗 ，高性能高集成度的SOC芯片。当前微电子技术发展迅猛，新工艺新材料 技术不断走向成熟，从而大大推动了微波单片集成电路的发展。 现代无线通信的发展不可避免的要求把数字、模拟甚至是射频模块集成在 一起。为了减少成本，目前发展的趋势即是采用CMOS工艺实现整个芯片的 片上集成。无论是学术界，还是业界，都已出现了性能优异的产品或者样 片。 无线通信市场激烈的竞争不仅要求无线通信系统完成基本通信功能，更对 其提出了低成本、高效率及高可靠性等性能要求。因此，采用CMOS工艺将 无线收发机更多模块集成在一个芯片上逐惭成为无线通信技术的发展趋势 。
功率放大器综述
为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制，就 要求提高PA的效率。
为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进行 驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益。
二、功率放器的分类
A类功率放大器的导通角θ=360°，高线性度，最高效率也只有50%， 常用于小信号放大。
B类放大器由于采用零偏置，导通角θ=180°，理想状态下的 效率最高可达到78.5%，常用于中低频大功率放大电路。
射频功率放大器的应用
射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声低 等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种 工业装备中。
在军用与铁路通信中，功率放大器通常被用于无线通信系统发射机、 军用雷达的核心器件。
在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到2M bit/s， 单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性。
提高射频功率放大器的输出功率、工作效率以及线性度和稳定性等 性能指标对于整个通信系统具有重要的意义。
1948年双极晶体管(BJT)
1952年提出结型场效应 管(JFET)
• 硅双极晶体管开始应用于射 频微波领域，可以对从几百 兆赫(UHF)到Ka波段的信号 进行放大
70年代以后GaAs肖特 基势垒栅场效应晶体管 (GaAs MESFET)
3. 功率放大器的研究意义
功率放大器概述
射频功率放大器 (RF PA) 作为各种无线发射机的重要模块，在现代 通信系统中的主要作用是在工作频段高效率地放大射频小信号，并 将大功率射频信号传输到发射天线中。
射频功率放大器的工作过程，实际上是将电源直流功率在输入调制 信号的控制下转换成具有相同频率、相同相位的大功率信号。
第4章-高频功率放大器-综合综述
c c
ic
costd (t )
1
I cma x(
c
sinc cosc 1 cosc
)
I cma x 1
c
1
Icmn 2
c c
ic
cosntd (t)
2
ic
ma
x
sinnc cosc c cos nc n n2 1 1 cosc
s i n c
)
Icmax n
3、谐振功放与小信号谐振放大器
相同之处：放大的信号均为高频信号，负载均为谐振回路。
不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。
ic
ic
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
(2) 作 A 点:
c
令 t 0 o
A
:
uubcee
uc min ub ma x
EC U
UCm BB Ubm
连接 Q、A 两点即得动态特性曲线。
继续
思考1：如何列写高频功放的动态特性方程？ 思考2：如何画出高频功放的动态特性曲线？
高频功率放大器的负载特性 高频功放ic的工• 作状态ic： icmax
窄带谐振放大器
有源器件 丙类
谐振回路
继续
问：
（1） 丙类导通角<90o，何时最优？ （2） 放大、临界、饱和，何处最优？
继续
4.2 谐振功率放大器分析
音频功率放大器设计与制作
音频功率放大器设计与制作
一、音频功率放大器设计综述
音频功率放大器是以音频信号作为输入，将输入的音频信号放大，输出更大的音频功率（声压），以满足音频系统的需要。
由于音频功率放大器的设计要求较高，一般采用多种多样的电子元件组成，如放大器、功率放大器、低通滤波器、高通滤波器等，以确保良好的信号质量。
1.1功率放大器的电路类型选择
在音频功率放大器的电路类型选择上，一般采用双极功率放大器电路类型，因为它具有优良的输入输出特性，它的输出电流和输入电压相关性较大，输入阻抗较低，输出阻抗较高，具有低失真和高信噪比等特点。
1.2功率放大器的输出功率
在音频功率放大器设计中，输出功率大小起着重要作用，当音频功率放大器的输出功率大小过大时，音响系统将出现过载的问题，导致音响系统出现声音变化，甚至发生损坏。
因此，必须根据音响系统的需要，合理选择功率放大器的输出功率。
功率放大器介绍
功率放大器介绍功率放大器（PA）是一种电子设备，用来提高输入信号的功率。
它广泛应用于通信、广播、无线电、音频和雷达系统等领域中。
功率放大器通常使用晶体管、真空管、FET（场效应管）等半导体器件作为放大器的关键部件。
功率放大器的主要功能是将输入信号的功率放大到所需的输出功率水平。
输入信号可以是来自麦克风、信号产生器、无线电天线或其他源。
放大器通过应用电流或电压来控制其输入和输出之间的功率转换。
功率放大器的输出功率通常以瓦（W）为单位进行度量。
1.增益：功率放大器能够提供输出信号的放大程度，即输入信号和输出信号之间的比例关系。
增益通常以分贝（dB）为单位进行度量。
2.频率响应：功率放大器的频率响应指的是其能够放大的频率范围。
不同的功率放大器在频率响应上可能有所不同，因此选择合适的功率放大器是确保信号质量的重要因素。
3.效率：功率放大器的效率指的是其能够将输入功率转换为有用输出功率的能力。
高效率的功率放大器可以减少能源浪费，并减少设备的发热。
4.线性度：功率放大器的线性度指的是其在不同输入功率水平下输出信号的失真程度。
线性功率放大器能够准确地放大输入信号而不引入失真。
在选择和设计功率放大器时，需要考虑许多因素，包括输出功率、频率范围、电源要求、输出阻抗、输入和输出保护电路等。
不同的应用领域和要求可能需要不同类型的功率放大器。
下面介绍几种常见的功率放大器类型：1.A类功率放大器：A类功率放大器是一种基本的功率放大器，具有简单的电路结构和低成本。
然而，A类功率放大器的效率相对较低，并且会引入较大的功率失真。
2.AB类功率放大器：AB类功率放大器是在A类功率放大器基础上作出改进的一种类型。
它结合了A类功率放大器的简单性和低成本，同时提高了效率和线性度。
3.D类功率放大器：D类功率放大器是一种高效率的功率放大器，适用于需要低功耗和高输出功率的应用。
D类功率放大器使用脉冲宽度调制（PWM）技术，能够在高频率上工作。
功率放大器概述
到的功率、功率管消耗的功率。静态时：ＰE＝0，有信号
输入时：
PE
2VCC Uom
RL
最大功率：
PE
2VCC 2
RL
一般情形下电路的效率：
Uom
4VCC
理想情况下的效率：
78.5% 4
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8
4）功率管的选择 由以上分析可知，在负载匹配的条件下，增大输入信号或者提高电源
的非线性失真尽量小。 （4）功放管的散热问题。在功率放大器中，有相当大的功率消
耗在功放管的集电结上，使功放管的结温和管壳温度升高，为 了使功放管输出足够的功率，采取措施使功放管有效地散热是 必要的。
2
2. 功率放大电路的分类
功率放大电路的常见分类方式有：
（1）按处理信号的频率分类：低频功放(涉及音频范围，从 几十Hz到几十kHz)和高频功放(射频范围，从几百kHz——几
UoIo
U om 2
U om 1 U om 2 2RL 2 RL
当Uom＝VCC，即忽略UCES时，可获得最大功率：
Po max
1
U
2 cem
2 RL
VCC 2 2RL
每管最大管耗和电路的最大输出功率具有的关系是：
PT max
VCC 2
2RL
0.2PO
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直流电源提供的功率：直流电源提供的功率包括负载得
周期，电容C通过VT2放电的同时输出负半周放大信号。
大容量的电容器C除了是交流信号的耦合电容外，还是功放管VT2的供
周信号将在负载电阻RL上合成一个完整的输出信号
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OCL电路原理示意图
6
3）OCL 电路的输出功率及效率
什么是功率放大器如何设计功率放大器
什么是功率放大器如何设计功率放大器功率放大器是一种用于增加输入信号功率的电子装置。
在电子设备中，功率放大器被广泛应用于各种领域，例如音频放大器、射频放大器和通信系统等。
本文将介绍功率放大器的基本原理、设计方法和应用。
一、功率放大器的基本原理功率放大器的基本原理是通过放大输入信号的能量来使输出信号的功率增加。
它通常由两个关键组件构成：输入信号源和输出负载。
输入信号源提供待放大的信号，输出负载则接收放大后的信号。
功率放大器的核心是放大器电路。
放大器电路通过控制放大器管或晶体管的工作状态，使其能够放大输入信号，从而实现信号功率的增加。
放大器电路可以采用各种配置和拓扑结构，如共射放大器、共基放大器和共集放大器。
二、功率放大器的设计方法1. 确定功率需求：在设计功率放大器之前，首先需要确定所需的输出功率。
根据实际应用需求和信号特性，确定放大器的输出功率范围。
2. 选择放大器类型：根据功率需求、频率范围和性能要求，选择适合的放大器类型。
常见的功率放大器类型包括A类、B类、AB类和C类放大器等。
3. 设计电源电路：功率放大器需要稳定的直流电源来供电。
设计电源电路时，需考虑电源电压、电流和波动等因素，确保电源能够为放大器提供足够的电能。
4. 选择放大器管或晶体管：根据输出功率和频率要求，选择合适的放大器管或晶体管。
不同类型的管或晶体管在性能和工作参数上有所区别，需根据实际情况进行选择。
5. 确定反馈网络：为了提高功率放大器的稳定性和线性度，通常需要设计反馈网络。
反馈网络可根据具体情况来确定，常见的反馈方式包括电压反馈和电流反馈。
6. 进行仿真和调试：在设计完成后，进行仿真和调试，通过模拟实验验证设计的性能和参数是否满足要求。
如有不足，可进行调整和优化。
三、功率放大器的应用功率放大器在各个领域都具有广泛的应用。
以下是一些典型的应用场景：1. 音频放大器：功率放大器在音频设备中用于放大音频信号。
例如，音响系统中的功放器就是一种音频功率放大器，用于将音源信号放大到足够的音量以驱动扬声器。
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三、射频功率放大器的主要指标
射频放大器的系统框图
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三、射频功率放大器的主要指标
▪ 工作频带:指放大器满足或者超过设计参数要求的工作频率范围。
▪ 输出功率:功率放大器的输出功率可以采用饱和输出功率(Psat) 或1dB压缩点输出功率(P1dB)来表征
▪ 增益及增益平坦度:增益是指放大器输出端口的功率与输入端口 功率的比值。
Circuits Conference, 2005.
[7] N. Srirattana, P. Sen, H.-M. Park, C.-H. Lee, P. E.
Allen, and J. Laskar, “Linear RF CMOS Power Amplifier with Improved Efficiency and Linearity in Wide Power Levels”, in IEEE Radio Frequency Integrated Circuits
功率放大器 (Power Amplifier) 综述
报告人： 时间：
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目录
➢ PA发展历程及研究意义 ➢ PA分类及其特性 ➢ PA主要指标 ➢ 参考文献
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2
一、功率放大器 (PA) 的发展历程及研 究意义
1. 功率放大器的概述 2. 功率放大器发展历程：
① 射频器件发展 ② 射频技术发展 ③ 电路设计发展
State Circuits Conference, 2001.
[4] Mona M. Hella and Mohammed Ismail, “A Digitally Controlled CMOS RF Power Amplifier”, in IEEE Midwest
Symposium on Circuits & Systems, 2001.
[5] Y. Kim, C. Park, H. Kim and S. Hong, “CMOS RF power
amplifier with reconfigurable transformer”, in
ELECTRONICS LETTERS, March 20a06.
13
参考文献
[6] Patrick Reynaert and Michiel Steyaert, “A Fully Integrated CMOS RF Power Amplifier with Parallel Power Combining and Power Control”, in IEEE Asian Solid-State
3. 功率放大器的研究意义
a
3
功率放大器概述
▪ 射频功率放大器 (RF PA) 作为各种无线发射机的重要模块，在现 代 通信系统中的主要作用是在工作频段高效率地放大射频小信号， 并将大功率射频信号传输到发射天线中。
▪ 射频功率放大器的工作过程，实际上是将电源直流功率在输入调 制信号的控制下转换成具有相同频率、相同相位的大功率信号。
▪ 功率附加效率PAE：全面反映放大器输出功率与外加功率的关系
12
▪ 输入输出电压驻波比:表示放大器的输入输出端口与负载的匹配 度
a
参考文献
[1] 王志华，吴恩德，“CMOS射频集成电路的现状与进展”，电子
学报，2001.
[2] Timothy C. Kuo and Bruce B. Lusignan, “A 1.5W Class-F RF Power Amplifier in 0.2μm CMOS Technology”, in IEEE
▪ 提高射频功率放大器的输出功率、工作效率以及线性度和稳定性 等性能指标对于整个通信系统具有重要的意义。a4射频器件发展a
5
a
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射频功率放大器的应用
▪ 射频功率放大器由于具有工作电压低、尺寸小、线性度高、噪声 低等优点，广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各 种工业装备中。
▪ 在军用与铁路通信中，功率放大器通常被用于无线通信系统发射 机、军用雷达的核心器件。
Yuan, “Design of 2.1GHz RF CMOS Power Amplifier for 3G”,
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二、功率放大器的分类
a
8
二、功率放大器的分类
PA,SMPA)
开关型功率放大器（Switching Mode
SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开， 要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流 功耗为零，理想的效率能达到100%。
a
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二、功率放大器的分类
International Solid-State Circuits Conference, 2001.
[3] Alireza Shirvani, David K. Su and Bruce A. Wooley, “A CMOS RF Power Amplifier with Parallel Amplification for Efficient Power Control”, in IEEE International Solid-
Integrated Passive Device Transformer”, IEEE TRANSACTIONS
ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, April 2009.
a
14
参考文献
[10] Fada Yu, Enling Li, Ying Xue, Xue Wang and Yongxia
Symposium, 2005.
[8] 戚威，“射频功率放大器的研究与设计”，硕士学位论文，
2009.
[9] Hongtak Lee, Changkun Park, and Songcheol Hong, “A
Quasi-Four-Pair Class-E CMOS RF Power Amplifier With an
▪ 在第三代移动通信系统(3G)中，要求数据传输速率达到2M bit/s， 单个信号的带宽达5MHz，这就需要PA具有宽带特性。
▪ 为了降低通信运营商的运营成本，减小冷却成本，易于热控制， 就要求提高PA的效率。
▪ 为了减小功率放大的级数和功率管的使用数量，以更低的功率进 行驱动，降低成本，就要求提高放大器的增益。