什么是放大器？

放大器是用于描述產(chǎn)生和增加其輸入信號(hào)版本的電路的通用術(shù)語。但并非所有放大電路都相同，因?yàn)樗鼈兪歉鶕?jù)其電路配置和操作模式進(jìn)行分類的。

在“電子”中，小信號(hào)放大器是常用的設(shè)備，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)⑾鄬?duì)較小的輸入信號(hào)（例如來自傳感器（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、燈或以揚(yáng)聲器為例。

有許多形式的電子電路被歸類為放大器，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。放大器的分類取決于信號(hào)的大小、其物理配置以及它如何處理輸入信號(hào)，即輸入信號(hào)與負(fù)載中流動(dòng)的電流之間的關(guān)系。

下圖為放大器的一些分類。

放大器類型分類圖

放大器可以被認(rèn)為是一個(gè)包含放大設(shè)備的簡(jiǎn)單盒子或塊，例如雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管或運(yùn)算放大器，它有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端（接地），輸出信號(hào)要大得多比輸入信號(hào)，因?yàn)樗驯弧胺糯蟆薄?/p>

理想的信號(hào)放大器將具有三個(gè)主要屬性： 輸入電阻、輸出電阻 、增益的放大。無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顯示這三個(gè)屬性的關(guān)系。

理想放大器模型

理想放大器模型圖

輸入和輸出信號(hào)之間的放大差異稱為放大器的增益。

增益基本上是衡量放大器“放大”輸入信號(hào)的程度。例如，如果我們有 1V輸入信號(hào)和 50V的輸出，那么放大器的增益將為“50”。換句話說，輸入信號(hào)增加了 50 倍。這種增加稱為增益。

放大器增益只是輸出除以輸入的比率。增益沒有單位作為它的比率，但在電子學(xué)中，它通常被賦予符號(hào)“A”，表示放大。然后放大器的增益可以簡(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是輸出端測(cè)得的信號(hào)與輸入端測(cè)得的信號(hào)之間存在的關(guān)系。可以測(cè)量三種不同類型的放大器增益，它們是：電壓增益( Av )、電流增益( Ai ) 和功率增益( Ap )，具體取決于所測(cè)量的量，下面給出了這些不同類型增益的示例.

輸入信號(hào)的放大器增益

輸入信號(hào)的放大器增益增益

電壓放大器增益

電壓放大器增益公式

電流放大器增益

電流放大器增益公式

功率放大器增益

功率放大器增益

對(duì)于功率增益，也可以將輸出獲得的功率除以輸入獲得的功率。在計(jì)算放大器的增益時(shí)，一定要注意下標(biāo)v、i和p用于表示所使用的信號(hào)增益類型。

放大器的功率增益 (Ap) 或功率電平也可以用分貝( dB ) 表示。B 是一個(gè)對(duì)數(shù)單位（以 10 為底），沒有單位。由于 Bel 是一個(gè)太大的計(jì)量單位，要以分貝或 dB 為單位計(jì)算放大器的增益，我們可以使用以下表達(dá)式。

• 電壓增益 (dB)：av = 20*log(Av)
• 電流增益 (dB)：ai = 20*log(Ai)
• 以 dB 為單位的功率增益：a p = 10*log(Ap)

放大器的直流功率增益等于輸出輸入比的常用對(duì)數(shù)的 10 倍，其中電壓和電流增益是該比的常用對(duì)數(shù)的 20 倍。但是要注意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，+3dB 的放大器增益表示放大器的輸出信號(hào)“加倍”，而 -3dB 的放大器增益表示信號(hào)“減半”，換句話說是損失。

放大器的-3dB點(diǎn)稱為半功率點(diǎn)，從最大值下降-3dB，以0dB為最大輸出值。

放大器的工作原理

確定一個(gè)放大器的電壓、電流和功率增益，該放大器在 10mV 時(shí)輸入信號(hào)為 1mA，在 1V時(shí)相應(yīng)輸出信號(hào)為 10mA。此外，以分貝 (dB) 表示所有三個(gè)增益。

各種放大器增益：

各類放大增益公式

放大器增益以分貝 (dB) 為單位：

放大器增益公式

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，放大器可以根據(jù)其功率或電壓增益細(xì)分為兩種不同的類型。一種稱為小信號(hào)放大器，包括前置放大器、儀表放大器等。小信號(hào)放大器旨在放大來自傳感器或音頻信號(hào)的非常小的信號(hào)電壓電平，僅為幾微伏 (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關(guān)放大器。大信號(hào)放大器旨在放大大輸入電壓信號(hào)或切換重負(fù)載電流，就像您會(huì)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器一樣。

功率放大器工作原理

小信號(hào)放大器通常被稱為“電壓”放大器，因?yàn)樗鼈兺ǔ⑿≥斎腚妷恨D(zhuǎn)換為大得多的輸出電壓。有時(shí)需要放大器電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)或?yàn)閾P(yáng)聲器供電，而對(duì)于需要高開關(guān)電流的這些類型的應(yīng)用，則需要功率放大器。

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，正如我們從上面所知道的，是施加到負(fù)載上的電壓和電流的乘積。輸出信號(hào)功率大于輸入信號(hào)功率的負(fù)載。換句話說，功率放大器放大輸入信號(hào)的功率，這就是為什么這些類型的放大器電路用于音頻放大器輸出級(jí)以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的原因。

功率放大器的工作原理是將從電源汲取的直流電轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)傳送到負(fù)載。雖然放大率很高，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會(huì)給我們100% 的效率等級(jí)，至少功率“IN”將等于功率“OUT”。但實(shí)際上是不可能的，因?yàn)橐恍┕β蕰?huì)以熱量的形式損失掉，而且放大器本身在放大過程中也會(huì)消耗功率。那么放大器的效率為：

放大器效率

放大器效率公式

理想放大器

我們可以從上面關(guān)于增益的討論中知道理想放大器的特性，即電壓增益：

• 對(duì)于不同的輸入信號(hào)值，放大器增益 (應(yīng)保持恒定。
• 增益不受頻率影響。所有頻率的信號(hào)必須以完全相同的量放大。
• 放大器增益不得向輸出信號(hào)添加噪聲。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，從而提供良好的溫度穩(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

通過測(cè)量電流在輸出電路中流動(dòng)與輸入信號(hào)相關(guān)的時(shí)間量來比較輸入和輸出信號(hào)的特性，從而將放大器分類為電壓放大器或功率放大器。

要使晶體管在其“有源區(qū)域”內(nèi)運(yùn)行，需要某種形式的“基極偏置”。添加到輸入信號(hào)的這個(gè)小的基極偏置電壓允許晶體管在其輸出端再現(xiàn)完整的輸入波形，而不會(huì)丟失信號(hào)。

然而，通過改變?cè)摶鶚O偏置電壓的位置，可以使放大器以不同于全波形再現(xiàn)的放大模式工作。通過引入基極偏置電壓的放大器，可以獲得不同的工作范圍和工作模式，并根據(jù)其分類進(jìn)行分類。這些不同的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。

沒有一類操作比任何其他類“更好”或“更差”，操作類型取決于放大電路的使用。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%，但具有良好的信號(hào)再現(xiàn)和線性度。
• 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)榉糯笤O(shè)備僅傳導(dǎo)（并使用功率）輸入信號(hào)的一半。
• 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 - 是最有效的放大器類，但失真非常高，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)幾乎沒有相似之處。C 類放大器的信號(hào)再現(xiàn)最差。

A類放大器工作原理

A 類放大器操作是在放大器輸出端全部再現(xiàn)整個(gè)輸入信號(hào)波形，因?yàn)榫w管在其有源區(qū)域內(nèi)完全偏置。這意味著開關(guān)晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)被驅(qū)動(dòng)到其截止或飽和區(qū)域。結(jié)果是交流輸入信號(hào)完全“集中”在放大器信號(hào)上限和下限之間，如下所示。

A類放大器輸出波形

A類放大器輸出波形圖

A 類放大器配置對(duì)輸出波形的兩半使用相同的開關(guān)晶體管，并且由于其中央偏置布置，輸出晶體管始終具有恒定的直流偏置電流（ICQ）流過它，即使沒有輸入信號(hào)存在。換句話說，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)“關(guān)閉”并且處于永久空閑狀態(tài)。

這導(dǎo)致 A 類操作的效率有些低，因?yàn)樗鼘⒅绷麟娫垂β兽D(zhuǎn)換為傳遞給負(fù)載的交流信號(hào)功率通常非常低。

由于這個(gè)中心偏置點(diǎn)，A 類放大器的輸出晶體管會(huì)變得非常熱，即使在沒有輸入信號(hào)的情況下也是如此，因此需要某種形式的散熱裝置。流經(jīng)晶體管集電極的直流偏置電流 ( ICQ ) 等于流經(jīng)集電極負(fù)載的電流。因此，A 類放大器的效率非常低，因?yàn)榇蟛糠?DC 功率都轉(zhuǎn)化為熱量。

B類放大器工作原理

與上述使用單個(gè)晶體管作為其輸出功率級(jí)的 A 類放大器工作模式不同，B 類放大器使用兩個(gè)互補(bǔ)晶體管（一個(gè) NPN 和一個(gè) PNP 或一個(gè) NMOS 和一個(gè) PMOS）來放大每一半輸出波形。

一個(gè)晶體管僅對(duì)信號(hào)波形的一半導(dǎo)通，而另一個(gè)晶體管對(duì)信號(hào)波形的另一半或相反一半導(dǎo)通。這意味著每個(gè)晶體管有一半的時(shí)間在有源區(qū)，一半的時(shí)間在截止區(qū)，因此只放大了 50% 的輸入信號(hào)。

與 A 類放大器不同，B 類沒有直接的直流偏置電壓，而是晶體管僅在輸入信號(hào)大于基極-發(fā)射極電壓 ( V BE ) 時(shí)才導(dǎo)通，對(duì)于硅晶體管，這約為 0.7v。因此，零輸入信號(hào)有零輸出。由于只有一半的輸入信號(hào)出現(xiàn)在放大器輸出端，因此與之前的 A 類配置相比，這提高了放大器的效率，如下所示。

B類放大器輸出波形

B類放大器輸出波形圖

在 B 類放大器中，不使用直流電壓來偏置晶體管，因此輸出晶體管要開始導(dǎo)通波形的每一半，無論是正的還是負(fù)的，它們需要基極-發(fā)射極電壓V BE大于標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管開始導(dǎo)通所需的 0.7v 正向壓降。

因此，低于此 0.7v 窗口的輸出波形的下部將無法準(zhǔn)確再現(xiàn)。這會(huì)導(dǎo)致輸出波形的失真區(qū)域，因?yàn)橐坏￢ BE > 0.7V，一個(gè)晶體管“關(guān)閉”，等待另一個(gè)晶體管返回“開啟” 。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。這種類型的失真稱為交叉失真，之后會(huì)介紹。

AB類放大器工作原理

AB 類放大器是上述A 類和 B 類配置之間的折衷方案。雖然 AB 類操作在其輸出級(jí)仍然使用兩個(gè)互補(bǔ)晶體管，但在沒有輸入信號(hào)時(shí)，將非常小的偏置電壓施加到每個(gè)晶體管的基極，以將它們偏置到接近截止區(qū)域的位置。

輸入信號(hào)將導(dǎo)致晶體管在其有源區(qū)域內(nèi)正常工作，從而消除 B 類配置中始終存在的任何交叉失真。當(dāng)沒有輸入信號(hào)存在時(shí)，一個(gè)小的偏置集電極電流 ( I CQ ) 將流過晶體管，但通常它比 A 類放大器配置的電流小得多。

因此，每個(gè)晶體管在輸入波形的半個(gè)多周期內(nèi)都處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。與上述純 A 類配置相比，AB 類放大器配置的小偏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

AB類放大器輸出波形圖

在設(shè)計(jì)放大器電路時(shí)，放大器的工作等級(jí)非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了其工作所需的晶體管偏置量以及輸入信號(hào)的最大幅度。

放大器分類考慮了輸出晶體管在其中傳導(dǎo)的輸入信號(hào)部分，以及確定開關(guān)晶體管消耗和以廢熱形式消散的功率的效率和數(shù)量。下圖為常見放大器分類類型各類參數(shù)比較。

放大器分類參數(shù)比較圖

功率放大器類

設(shè)計(jì)不佳的放大器，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，甚至需要增加電源尺寸來提供放大器所需的額外浪費(fèi)功率。功率從晶體管、電阻器或任何其他組件轉(zhuǎn)換為熱量，使任何電子電路效率低下，并導(dǎo)致設(shè)備過早失效。

那么，與效率超過 70% 的B 類放大器相比，如果A 類放大器的效率低于 40%，為什么還要使用它呢？基本上，A 類放大器提供了更線性的輸出，這意味著它具有更大頻率響應(yīng)上的線性度，即使它確實(shí)消耗大量直流功率。