放大器

目錄
·放大器的基本特性
·電子放大器
·樂(lè)器(聲音)放大器
·其他類型放大器






本文講述的是電子放大器。關(guān)于光學(xué)上的放大鏡，詳見(jiàn)“放大鏡”。

一般而言， 放大器 （Amplifier）是 任何 使用較小的能量來(lái)控制較大能量的器件 。現(xiàn)在，在日常使用中，這個(gè)名詞常常是指電子放大器，經(jīng)常用于音頻應(yīng)用中。一個(gè)放大器的輸入輸出關(guān)系——常常表示為一個(gè)與輸入頻率相關(guān)的函數(shù)——稱為放大器的傳輸函數(shù)，同時(shí)這個(gè)傳輸函數(shù)的系數(shù)定義為增益。




放大器的基本特性

大多數(shù)放大器的特性可以由一系列的參數(shù)來(lái)描述。

增益
增益是指放大器能在多大程度上增大信號(hào)的幅值。該參數(shù)常用分貝（dB）來(lái)度量。 用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，增益等于輸出幅值除以輸入幅值。（對(duì)功率放大器而言，用分貝表示的增益可以由此關(guān)系式計(jì)算：G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical)）。

理想頻率特性
增益為常數(shù)，相移與頻率成正比。 即放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)具有相同的放大量，并且對(duì)任何頻率的信號(hào)的相移均為零。

輸出動(dòng)態(tài)范圍
輸出動(dòng)態(tài)范圍，常用dB為單位給出，是指最大與最小有用輸出幅值之間的范圍。因?yàn)樽畹偷挠杏梅�值受限于輸出噪聲，所以稱之為放大器的動(dòng)態(tài)范圍。

帶寬與上升時(shí)間
放大器的帶寬（BW）常定義為低頻與高頻半功率點(diǎn)之間的差值。因而也就是常說(shuō)的-3dB BW。有時(shí)也定義在其它的響應(yīng)容差下的帶寬 （-1dB，－6dB等等。）。 舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的音頻放大器的－3dB帶寬將在二十赫茲到兩萬(wàn)赫茲左右（正常人的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍）。

放大器的上升時(shí)間是指當(dāng)階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出端由其最終輸出幅度值10%變化到90%時(shí)所化的時(shí)間。 對(duì)于高斯響應(yīng)系統(tǒng)（或一個(gè)簡(jiǎn)單的RC振蕩回路），上升時(shí)間大約可以表達(dá)為：
Tr * BW = 0.35, 其中 BW 的單位是Hz，Tr 的單位是秒.

建立時(shí)間與失調(diào)
是指輸出幅值建立于最終幅值的某個(gè)比值（比如0.1%）以內(nèi)時(shí)所花的時(shí)間。

回轉(zhuǎn)率
回轉(zhuǎn)率(slew rate)是指輸出電壓變量的變化率，常定義為伏特/每秒（或微秒）。

噪聲
是對(duì)在放大過(guò)程中引入噪聲多少的一個(gè)量度。噪聲是電學(xué)器件和元件中不受歡迎卻無(wú)法避免的。噪聲由放大器零輸入時(shí)輸出的分貝或輸出電壓峰值來(lái)度量。

效率
效率用來(lái)量度多少輸入能量是應(yīng)用于放大器輸出的。甲類（A類）放大器效率十分低下，約在10-20%之間，最大不超過(guò)25%�，F(xiàn)代甲乙類（AB類）放大器一般效率都在35-55%之間，理論值可達(dá)78.5%。有報(bào)道說(shuō)商用的丁類（D類）放大器的效率可高達(dá)97%。放大器的效率限制了總功耗中有用部分所占的比例。注意，效率越高的放大器散熱量越小，通常在幾個(gè)瓦特的設(shè)計(jì)中也無(wú)需風(fēng)扇。

線性度
理想放大器應(yīng)當(dāng)是完全線性器件，但是實(shí)際的放大器僅在某些實(shí)際限制下是線性的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)放大器的信號(hào)增大后，輸出也隨之增大，直到達(dá)到某個(gè)電壓值，使得放大器的某部分達(dá)到飽和從而不能再增大輸出了，稱之為截止失真(削峰失真)。
有些放大器在設(shè)計(jì)中通過(guò)某種可控途徑來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即以犧牲增益為代價(jià)換取較小的失真。其結(jié)果是一種補(bǔ)償效應(yīng)，即（如果放大器是音頻放大器的話）大大減少聽(tīng)起來(lái)不悅耳的聲音。對(duì)于這些放大器，其增益比小信號(hào)時(shí)小1dB時(shí)的輸入功率（或輸出功率）定義為1dB補(bǔ)償點(diǎn)。
線性度是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，目前有很多技術(shù)來(lái)避免非線性帶來(lái)的影響，比如前饋、預(yù)矯正、后矯正、包跡抑制還原（波包消除重建）、用非線性元件實(shí)現(xiàn)線性放大（LINC）、CALLUM、Cartesian 反饋……


電子放大器

主條目：electronic amplifier
對(duì)于不同的應(yīng)用，電子放大器有很多種類。
最普通的一類放大器就是電子放大器，常應(yīng)用于廣播和電視發(fā)射臺(tái)及接收器，高傳真（hi-fi）立體聲裝置，微型計(jì)算機(jī)和其它電子數(shù)字裝置，以及吉他和其他儀表放大器。它最關(guān)鍵的元件是有源器件，比如真空管或晶體管。

功率放大器的分類
放大器常依據(jù)通過(guò)放大器件的輸入信號(hào)(正弦波)的導(dǎo)通角（有時(shí)也稱為angle of flow）來(lái)分類;見(jiàn)electronic amplifier。
甲類（A類）
其效率不是最重要的，絕大多數(shù)小信號(hào)線性放大器就設(shè)計(jì)成甲類（A類），即輸出級(jí)元件總是處于導(dǎo)通區(qū)。甲類（A類）放大器一般比其它類型線性度更好，也較為簡(jiǎn)單，但效率非常低。這類放大器最常用于小信號(hào)級(jí)或低功率（例如驅(qū)動(dòng)耳機(jī)）應(yīng)用中。

乙類（B類）
<dd>在乙類（B類）中，有兩個(gè)（組）輸出器件分別放大正負(fù)半周，每一個(gè)都精確地在輸入信號(hào)的180度（或半周期）時(shí)交互導(dǎo)通。
甲乙類（AB類）
甲乙類（AB類）放大器在甲類（A類）與乙類（B類）的一種折衷，它改善了小信號(hào)輸出的線性度;導(dǎo)通角在180度以上，具體值由設(shè)計(jì)者決定。由于他們有較高的效率，通常用于低頻放大器（如音頻和hi-fi）中。或者也用于其它線性度和效率都很重要的設(shè)計(jì)（手機(jī)，蜂窩發(fā)射塔，電視發(fā)射臺(tái)）。
丙類（C類）
常稱為高功率射頻（RF）放大器。丙類（C類）設(shè)計(jì)成在輸入信號(hào)不足180°時(shí)導(dǎo)通。線性度不好，但是對(duì)于單個(gè)頻率功率放大器來(lái)說(shuō)這并不重要。信號(hào)由調(diào)諧電路還原為近似正弦形狀，同時(shí)效率比甲類（A類）、甲乙類（AB類）或者乙類（B類）放大器都高很多。
丁類（D類）
丁類（D類）放大器使用開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到很高的功耗效率（在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中大于90%）。通過(guò)允許每個(gè)輸出器件完全導(dǎo)通或關(guān)斷，能量損失達(dá)到最小化。像脈沖寬度調(diào)制這類簡(jiǎn)單方法有時(shí)還在使用;然而，高性能的開(kāi)關(guān)放大器使用數(shù)字技術(shù)，比如∑-Δ調(diào)制，來(lái)達(dá)到更高的性能。早先由于有限的帶寬和相當(dāng)大的失真，它們僅用于亞低音用擴(kuò)音器。半導(dǎo)體器件的進(jìn)展已經(jīng)使開(kāi)發(fā)高保真、全聲音頻帶丁類（D類）放大器的開(kāi)展成為可能，使得它們的信噪比（S/N）和失真度與其它線性器件相近。
其它種類
目前尚有幾個(gè)其他的放大器種類，盡管他們主要是前述種類的變型。比如，H類和I類放大器隨著輸入信號(hào)的變化而改變供電軌跡（variation of the supply rails）（分別以離散或連續(xù)的形式）。由于過(guò)剩電壓（excess voltage）一直保持最小，其輸出器件耗散的熱量得以減少。本身以這種供電軌跡工作的放大器可以屬于任何種類。這類放大器將更復(fù)雜，并且主要用于特定應(yīng)用，比如特高功率單元。


真空管放大器(閥式)放大器

晶體管放大器

主條目：晶體管、雙極性晶體管和MOSFET

此主動(dòng)元件的基本角色就是放大輸入訊號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)顯著的放大訊號(hào)。放大的倍率（順向增益）是由主動(dòng)元件和外部電路所共同決定的。 在晶體管放大器里常用的主動(dòng)元件是雙極性晶體管(BJT)和金氧半場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。 應(yīng)用非常多樣化，常見(jiàn)的如家用音響的聲音放大器、半導(dǎo)體設(shè)備的高功率射頻訊號(hào)發(fā)射機(jī)、射頻或微波訊號(hào)的無(wú)線電收發(fā)機(jī)。

運(yùn)算放大器 (op-amps)

主條目：運(yùn)算放大器和儀表放大器

運(yùn)算放大器是一種集成電路式放大器，主要由外部的回授來(lái)決定其轉(zhuǎn)移函數(shù)或增益。

影像放大器
本類放大器處理帶寬高于5MHz的影像訊號(hào)。為了呈現(xiàn)可接受的電視畫(huà)面，對(duì)于步階響應(yīng)和Overshoot的要求也是必要的。設(shè)計(jì)一個(gè)高頻影像放大器是件很困難的工作。

示波器垂直放大器
用于放大示波器映像管的影像訊號(hào)，帶寬大約可達(dá)500MHz。對(duì)于步階響應(yīng)、上升時(shí)間、overshoot和變形的規(guī)格要求，使得設(shè)計(jì)此種放大器是極端困難的。

分布式放大器

微波放大器

Travelling wave tube (TWT) amplifiers

主條目：Traveling wave tube

應(yīng)用于微波頻段中較低頻的高功率放大。此類放大器通常能使用于很寬的頻率范圍，但相對(duì)的，TWT并不像Klystrons能夠調(diào)整。


樂(lè)器(聲音)放大器


主條目：instrument amplifier和audio amplifier

聲音放大器通常用于放大音樂(lè)或說(shuō)話的訊號(hào)。


其他類型放大器


碳膜麥克風(fēng)

磁放大器

光學(xué)放大器

主條目：Optical amplifier

通過(guò)受激輻射過(guò)程放大光的元件。比如用于光纖通訊網(wǎng)絡(luò)中的摻鉺光纖放大器（EDFA，Erbium doped fiber amplifier）。

雜項(xiàng)類型

低噪音放大器

• 通信詞典解釋