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放大器是一種電子設(shè)備或電路，用于增加施加到其輸入的信號(hào)的幅度。放大器是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，用于描述產(chǎn)生并增加其輸入信號(hào)版本的電路。但是，并非所有的放大器電路都是相同的，因?yàn)樗鼈兪歉鶕?jù)其電路配置和工作模式進(jìn)行分類的。

在“電子產(chǎn)品”中，小信號(hào)放大器是常用的設(shè)備，因?yàn)樗鼈兙哂袑⑾鄬?duì)較小的輸入信號(hào)（例如來(lái)自傳感器（如光電設(shè)備））放大為更大的輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)繼電器，燈或放大器的能力。

從運(yùn)算放大器和小信號(hào)放大器到大信號(hào)和功率放大器，有許多形式的電子電路被歸類為放大器。放大器的分類取決于信號(hào)的大?。ù笮。?，其物理配置以及如何處理輸入信號(hào)，即輸入信號(hào)與負(fù)載中流動(dòng)的電流之間的關(guān)系。

下表給出了放大器的類型或分類。

信號(hào)放大器的分類

可以將放大器視為包含放大設(shè)備的簡(jiǎn)單盒子或模塊，例如雙極晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管或運(yùn)算放大器，其具有兩個(gè)輸入端子和兩個(gè)輸出端子（接地是公共的），而輸出信號(hào)要大得多。比已“放大”的輸入信號(hào)要大。

理想的信號(hào)放大器將具有三個(gè)主要屬性： 輸入電阻或（R IN），輸出電阻 或（R OUT），當(dāng)然還有通常被稱為增益或（A）的放大。無(wú)論放大器電路多么復(fù)雜，仍然可以使用通用放大器模型來(lái)顯示這三個(gè)特性的關(guān)系。

理想放大器模型

輸入和輸出信號(hào)之間的放大差異稱為放大器的增益。增益基本上是放大器“放大”輸入信號(hào)的量度。例如，如果我們有一個(gè)1伏的輸入信號(hào)和一個(gè)50伏的輸出，那么放大器的增益將為“ 50”。換句話說(shuō)，輸入信號(hào)已增加了50倍。這種增加稱為增益。

放大器增益就是輸出與輸入之比。增益沒(méi)有單位作為比例，但是在電子產(chǎn)品中，放大通常用符號(hào)“ A”表示。然后，將放大器的增益簡(jiǎn)單地計(jì)算為“輸出信號(hào)除以輸入信號(hào)”。

放大器增益

放大器增益的引入可以說(shuō)是在輸出端測(cè)量的信號(hào)與輸入端測(cè)量的信號(hào)之間存在的關(guān)系?？梢詼y(cè)量三種不同的放大器增益，分別是：電壓增益（Av），電流增益（Ai）和功率增益（Ap），取決于所測(cè)量的量，下面給出了這些不同類型的增益的示例。

輸入信號(hào)的放大器增益

電壓放大器增益

電流放大器增益

功率放大器增益

請(qǐng)注意，對(duì)于功率增益，您還可以將輸出獲得的功率除以輸入獲得的功率。同樣，在計(jì)算放大器的增益時(shí)，下標(biāo)v，i和p用于表示所使用的信號(hào)增益的類型。

放大器的功率增益（Ap）或功率電平也可以用分貝（dB）表示。Bel（B）是對(duì)數(shù)測(cè)量單位（以10為底），沒(méi)有任何單位。由于貝爾是測(cè)量的過(guò)大的單元，它帶有前綴DECI使它分貝代替與一個(gè)分貝是一個(gè)貝爾的十分之一（1/10日）。要計(jì)算以分貝或dB為單位的放大器增益，我們可以使用以下表達(dá)式。

電壓增益（dB）：a v = 20 * log（Av）

電流增益（dB）：a i = 20 * log（Ai）

功率增益（dB）：a p = 10 * log（Ap）

請(qǐng)注意，放大器的DC功率增益等于輸出與輸入比率的常用對(duì)數(shù)的十倍，而電壓和電流增益則是比率的常用對(duì)數(shù)的20倍。但是請(qǐng)注意，由于對(duì)數(shù)標(biāo)度，20dB的功率不是10dB的兩倍。

此外，dB的正值表示增益，dB 的負(fù)值表示放大器內(nèi)的損耗。例如，放大器增益為+ 3dB表示放大器的輸出信號(hào)已“加倍”（x2），而放大器增益為-3dB則表明信號(hào)已“減半”（x0.5）或換句話說(shuō)是損耗。

放大器的-3dB點(diǎn)稱為半功率點(diǎn)，它比最大值降低了-3dB，以0dB作為最大輸出值。

放大器示例1

確定放大器的電壓，電流和功率增益，該放大器在10mV時(shí)具有1mA的輸入信號(hào)，在1V時(shí)具有10mA的相應(yīng)輸出信號(hào)。同樣，用分貝（dB）表示所有三個(gè)增益。

各種放大器增益：

放大器增益以分貝（dB）表示：

然后，放大器的電壓增益（Av）為100，電流增益（Ai）為10，功率增益（Ap）為1,000

通常，根據(jù)放大器的功率或電壓增益，它們可以細(xì)分為兩種不同的類型。一種類型稱為小信號(hào)放大器，包括前置放大器，儀表放大器等。小信號(hào)放大器旨在放大來(lái)自傳感器或音頻信號(hào)的很小的信號(hào)電壓電平，僅幾微伏（μV）。

另一種稱為大信號(hào)放大器，例如音頻功率放大器或功率開(kāi)關(guān)放大器。大型信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)可放大大型輸入電壓信號(hào)或切換重載電流，就像您會(huì)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器一樣。

功率放大器

該小信號(hào)放大器一般被稱為“電壓”放大器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＾D(zhuǎn)換小輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)更大的輸出電壓。有時(shí)需要放大器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或?yàn)閾P(yáng)聲器供電，對(duì)于需要高開(kāi)關(guān)電流的這類應(yīng)用，需要功率放大器。

顧名思義，“功率放大器”（也稱為大信號(hào)放大器）的主要工作是向負(fù)載提供功率，并且如我們從上方所知，是施加到負(fù)載的電壓和電流的乘積。負(fù)載時(shí)輸出信號(hào)功率大于輸入信號(hào)功率。換句話說(shuō)，功率放大器會(huì)放大輸入信號(hào)的功率，這就是為什么將這些類型的放大器電路用于音頻放大器輸出級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的原因。

功率放大器的基本原理是將從電源汲取的直流電轉(zhuǎn)換為傳遞到負(fù)載的交流電壓信號(hào)。盡管放大率很高，但從直流電源輸入到交流電壓信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換效率通常很差。

完美或理想的放大器將為我們提供100％的效率等級(jí)，或者至少功率“ IN”等于功率“ OUT”。但是，實(shí)際上這是永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生的，因?yàn)橐恍┕β蕰?huì)以熱量的形式損失掉，而且，放大器本身會(huì)在放大過(guò)程中消耗功率。則放大器的效率為：

放大器效率

理想放大器

通過(guò)上面的討論，我們可以知道理想放大器的特性，即增益，即電壓增益：

對(duì)于輸入信號(hào)的變化值，放大器的增益（A）應(yīng)保持恒定。

增益不受頻率的影響。所有頻率的信號(hào)必須放大完全相同的量。

放大器增益不得在輸出信號(hào)中增加噪聲。它應(yīng)該消除輸入信號(hào)中已經(jīng)存在的任何噪聲。

放大器增益不應(yīng)受到溫度變化的影響，從而具有良好的溫度穩(wěn)定性。

放大器的增益必須長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

電子放大器類

通過(guò)比較輸入和輸出信號(hào)的特性（通過(guò)測(cè)量相對(duì)于電流在輸出電路中流動(dòng)的輸入信號(hào)的時(shí)間量），可以將放大器分為電壓放大器還是功率放大器。

我們?cè)凇?公共發(fā)射極晶體管”教程中看到，要使晶體管在其“有源區(qū)域”內(nèi)工作，就需要某種形式的“基極偏置”。加到輸入信號(hào)上的這個(gè)很小的基本偏置電壓使晶體管能夠在其輸出端再現(xiàn)完整的輸入波形，而不會(huì)丟失信號(hào)。

但是，通過(guò)改變?cè)摶酒秒妷旱奈恢?，可以使放大器以不同于全波形再現(xiàn)的放大模式工作。通過(guò)將基本偏置電壓引入放大器，可以獲得不同的工作范圍和工作模式，這些工作范圍和工作模式根據(jù)其分類進(jìn)行了分類。這些各種操作模式被稱為放大器類。

音頻功率放大器根據(jù)其電路配置和操作模式按字母順序分類。放大器由不同的操作類別來(lái)指定，例如“ A”類，“ B”類，“ C”類，“ AB”類等。這些不同的放大器類別范圍從接近線性輸出但效率低到非線性輸出但效率高。

沒(méi)有哪一種操作比其他任何一種“好”或“差”，其操作類型是通過(guò)使用放大電路來(lái)確定的。各種類型或類別的放大器都有典型的最大轉(zhuǎn)換效率，最常用的是：

A類放大器 –效率低于40％，但信號(hào)再現(xiàn)性和線性良好。

B類放大器 –效率是A 類放大器的兩倍，最大理論效率約為70％，因?yàn)樵摲糯笃鲀H傳導(dǎo)（并使用功率）一半的輸入信號(hào)。

AB類放大器 –效率等級(jí)介于A類和B類之間，但信號(hào)再現(xiàn)性比A類放大器差。

C類放大器 –是效率最高的放大器，但失真非常大，因?yàn)橹挥幸恍〔糠州斎胄盘?hào)被放大，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幾乎沒(méi)有相似之處。C類放大器的信號(hào)再現(xiàn)最差。

A類放大器操作

A類放大器操作是在晶體管的有效區(qū)域內(nèi)完美偏置時(shí)，在放大器的輸出端忠實(shí)地再現(xiàn)整個(gè)輸入信號(hào)波形，從而永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)其截止或飽和區(qū)域。然后，這將導(dǎo)致交流輸入信號(hào)在放大器的信號(hào)上限和信號(hào)下限之間完全“集中”，如下所示。

甲類放大器輸出波形

在這種配置中，A類放大器對(duì)輸出波形的兩半使用相同的晶體管，并且由于其偏置結(jié)構(gòu)，即使沒(méi)有輸入信號(hào)，輸出晶體管也始終流過(guò)電流。換句話說(shuō)，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)“關(guān)閉”。這導(dǎo)致A類操作的效率非常低，因?yàn)槠鋵⒅绷麟娫崔D(zhuǎn)換為傳遞給負(fù)載的交流信號(hào)功率的轉(zhuǎn)換通常非常低。

通常，即使不存在輸入信號(hào)，A類放大器的輸出晶體管也會(huì)變得非常熱，因此需要某種形式的散熱。當(dāng)沒(méi)有輸出信號(hào)時(shí)，流經(jīng)輸出晶體管（Ic）的直流電流將等于流經(jīng)負(fù)載的電流。然后，由于大多數(shù)直流電源都轉(zhuǎn)換為熱量，因此A類放大器的效率非常低。

B類放大器操作

與上述A類放大器的輸出功率級(jí)使用單個(gè)晶體管的工作模式不同，B類放大器對(duì)輸出波形的每半使用兩個(gè)互補(bǔ)晶體管（NPN和PNP或NMOS和PMOS）。一個(gè)晶體管導(dǎo)通信號(hào)波形的一半，而另一個(gè)晶體管導(dǎo)通信號(hào)波形的另一半或相反一半。這意味著每個(gè)晶體管將其一半的時(shí)間花費(fèi)在有源區(qū)域中，并將一半的時(shí)間花費(fèi)在截止區(qū)域中，從而僅放大50％的輸入信號(hào)。

B類操作沒(méi)有A類放大器那樣的直接DC偏置電壓，而是僅在輸入信號(hào)大于基極-發(fā)射極電壓且對(duì)于硅器件約為0.7v時(shí)，晶體管才導(dǎo)通。因此，在零輸入處為零輸出。然后，這導(dǎo)致只有一半的輸入信號(hào)出現(xiàn)在放大器的輸出端，從而產(chǎn)生更大的放大器效率，如下所示。

B類放大器輸出波形

在B類放大器中，沒(méi)有DC電壓用于偏置晶體管，因此要使輸出晶體管開(kāi)始傳導(dǎo)波形的每一半（正負(fù)），它們都需要基極-發(fā)射極電壓Vbe大于0.7。雙極晶體管開(kāi)始導(dǎo)通所需的電壓。

這樣一來(lái)，低于此0.7v窗口的輸出波形下部將無(wú)法準(zhǔn)確再現(xiàn)，從而導(dǎo)致輸出波形失真，因?yàn)橐粋€(gè)晶體管變?yōu)椤?OFF”，等待另一個(gè)晶體管變?yōu)椤?ON”。結(jié)果是在零電壓交叉點(diǎn)處有一小部分輸出波形會(huì)失真。這種失真稱為交叉失真，將在本節(jié)后面介紹。

AB類放大器的操作

在AB類放大器是A類和B類的配置上面之間的折衷。雖然AB類操作在其輸出級(jí)中仍使用兩個(gè)互補(bǔ)晶體管，但當(dāng)不存在輸入信號(hào)時(shí)，會(huì)向晶體管的基極施加很小的偏置電壓，以使其偏置到截止區(qū)域附近。

輸入信號(hào)將使晶體管在其有源區(qū)正常工作，從而消除B類配置中出現(xiàn)的任何交叉失真。當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，將流過(guò)一個(gè)很小的集電極電流，但遠(yuǎn)小于A類放大器配置的電流。

這意味著晶體管將處于“ ON”狀態(tài)超過(guò)波形的半個(gè)周期。與純A類配置相比，這種類型的放大器配置提高了放大器電路的效率和線性度。

AB類放大器輸出波形

放大器的操作類別非常重要，它取決于操作所需的晶體管偏置量以及輸入信號(hào)所需的幅度。放大器的分類考慮了晶體管導(dǎo)通的輸入信號(hào)部分，并確定了開(kāi)關(guān)晶體管以浪費(fèi)的熱量形式消耗和耗散的效率和功率。然后，我們可以在下表中比較最常見(jiàn)的放大器分類類型。

功率放大器類

設(shè)計(jì)不良的放大器，尤其是“ A”類放大器，可能還需要更大的功率晶體管，更昂貴的散熱器，冷卻風(fēng)扇，甚至需要增加功率來(lái)提供放大器所浪費(fèi)的額外功率。功率從晶體管，電阻器或任何其他組件轉(zhuǎn)換成熱能，會(huì)使任何電子電路效率低下，并會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早失效。

那么，為什么使用A類，如果相比于它的效率低于40％放大器B類，其具有超過(guò)70％的較高效率等級(jí)放大器?；旧?，A類放大器會(huì)提供更多的線性輸出，這意味著即使它確實(shí)消耗了大量的DC功率，它在更大的頻率響應(yīng)上也具有線性。

在本放大器簡(jiǎn)介教程中，我們已經(jīng)看到了不同類型的放大器電路，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在下一個(gè)關(guān)于放大器的教程中，我們將介紹最常見(jiàn)的晶體管放大器電路連接類型，即公共發(fā)射極放大器。大多數(shù)晶體管放大器具有大的電壓，電流和功率增益，以及出色的輸入/輸出特性，因此屬于共發(fā)射極或CE型電路。

審核編輯黃昊宇