放大器簡(jiǎn)介(Introduction to the Amplifier)

　　放大器是一種電子設(shè)備或電路，用于增加施加到其輸入端的信號(hào)幅度。放大器是用于描述產(chǎn)生其輸入信號(hào)增強(qiáng)版本的電路的通用術(shù)語(yǔ)。然而，正如我們將在本放大器教程簡(jiǎn)介中看到的那樣，并非所有放大器電路都相同，因?yàn)樗鼈兏鶕?jù)其電路配置和操作模式進(jìn)行分類(lèi)。在“電子學(xué)”中，小信號(hào)放大器是常用設(shè)備，因?yàn)樗鼈兡軌蚍糯笙鄬?duì)較小的輸入信號(hào)（例如來(lái)自光敏設(shè)備等傳感器），并將其轉(zhuǎn)換為更大的輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)繼電器、燈或揚(yáng)聲器。有許多形式的電子電路被歸類(lèi)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(lèi)取決于信號(hào)的大小（大或小）、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。

　　理想放大器模型(Ideal Amplifier Model)

　　放大器可以被看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的方框或方塊，包含放大設(shè)備，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)輸入端子和兩個(gè)輸出端子（地線(xiàn)是共有的），并且輸出信號(hào)比輸入信號(hào)大得多，因?yàn)樗驯弧胺糯蟆薄Ｒ粋€(gè)理想的信號(hào)放大器將具有三個(gè)主要特性：輸入電阻或(R_IN)、輸出電阻或(R_OUT)以及當(dāng)然地，通常被稱(chēng)為增益或(A)的放大能力。無(wú)論放大器電路多么復(fù)雜，都可以使用通用的放大器模型來(lái)顯示這三個(gè)特性之間的關(guān)系。

　　放大器增益(Amplifier Gain)

　　輸入和輸出信號(hào)之間的放大差異被稱(chēng)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，如果我們有一個(gè)1伏特的輸入信號(hào)和一個(gè)50伏特的輸出，那么放大器的增益將是“50”。換句話(huà)說(shuō)，輸入信號(hào)增加了50倍。這種增加被稱(chēng)為增益。放大器增益簡(jiǎn)單地是輸出除以輸入的比率。增益沒(méi)有單位，因?yàn)樗且粋€(gè)比率，但在電子學(xué)中，它通常被賦予符號(hào)“A”，代表放大(Amplification)。因此，放大器的增益簡(jiǎn)單地被計(jì)算為“輸出信號(hào)除以輸入信號(hào)”。

　　放大器增益的引入可以被認(rèn)為是輸出端測(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。可以測(cè)量三種不同類(lèi)型的放大器增益，它們是：電壓增益(A_v)、電流增益(A_i)和功率增益(A_p)，這取決于正在測(cè)量的量。這些不同類(lèi)型增益的例子如下所示。

　　輸入信號(hào)的放大器增益(Amplifier Gain of the Input Signal)

　　電壓放大器增益(Voltage Amplifier Gain)

　　電流放大器增益(Current Amplifier Gain)

　　功率放大器增益(Power Amplifier Gain)

　　注意，對(duì)于功率增益，你也可以將輸出獲得的功率除以輸入獲得的功率。此外，當(dāng)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)增益類(lèi)型。放大器的功率增益(A_p)或功率電平也可以用分貝(dB)表示。貝爾(Bel)(B)是一個(gè)沒(méi)有單位的對(duì)數(shù)單位（以10為底）。由于貝爾是一個(gè)太大的測(cè)量單位，它被加上前綴deci，使其成為分貝(Decibels)，其中一個(gè)分貝是貝爾的十分之一(1/10th)。要用分貝或dB計(jì)算放大器的增益，我們可以使用以下表達(dá)式。

　　·Voltage Gain in dB:a_v=20*log(Av)

　　·Current Gain in dB:a_i=20*log(Ai)

　　·Power Gain in dB:a_p=10*log(Ap)

　　注意，放大器的直流功率增益等于輸出與輸入比率的常用對(duì)數(shù)的十倍，而電壓和電流增益是該比率的常用對(duì)數(shù)的二十倍。然而請(qǐng)注意，20dB并不是10dB的兩倍功率，因?yàn)樗菍?duì)數(shù)刻度。此外，正值的分貝表示增益，而負(fù)值的分貝表示放大器內(nèi)的損耗。例如，+3dB的放大器增益表示放大器的輸出信號(hào)“翻倍”，而-3dB的放大器增益表示信號(hào)“減半”，換句話(huà)說(shuō)就是損耗。放大器的-3dB點(diǎn)被稱(chēng)為半功率點(diǎn)，它比最大值低-3dB，將0dB視為最大輸出值。

　　放大器簡(jiǎn)介例一(Introduction to the Amplifier Example No1)

　　問(wèn)題：確定一個(gè)放大器的電壓、電流和功率增益，該放大器的輸入信號(hào)為1mA10mV，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為10mA1V。另外，將所有三種增益以分貝(dB)表示。

　　各種放大器增益(The Various Amplifier Gains):

　　·A_v=InputV?oltageOutputV?oltage=0.011=100

　　·A_i=InputC?urrentOutputC?urrent=110=10

　　·A_p=A_v×A_i=100×10=1,000

　　以分貝(dB)表示的放大器增益(AmplifierGainsgiveninDecibels(dB)):

　　·a_v=20l?ogA?_v=20l?og1?0?0=40d?B

　　·a_i=20l?ogA?_i=20l?og1?0=20d?B

　　·a_p=10l?ogA?_p=10l?og1?000=30d?B

　　因此，該放大器的電壓增益(A_v)為100，電流增益(A_i)為10，功率增益(A_p)為1,000。

　　放大器類(lèi)型(Types of Amplifier)

　　通常，放大器可以根據(jù)其功率或電壓增益分為兩種不同類(lèi)型。一種類(lèi)型是

　　小信號(hào)放大器，其中包括前置放大器、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)的非常小的電壓電平，僅為幾微伏(μV)。另一種類(lèi)型是

　　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。大信號(hào)放大器旨在放大大輸入電壓信號(hào)或驅(qū)動(dòng)重負(fù)載電流，就像驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器一樣。

　　功率放大器簡(jiǎn)介(Introduction to the Amplifier of Power Amplifiers)

　　小信號(hào)放大器通常被稱(chēng)為“電壓”放大器，因?yàn)樗鼈兺ǔ⑿〉妮斎腚妷恨D(zhuǎn)換為大得多的輸出電壓。有時(shí)需要一個(gè)放大器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或?yàn)閾P(yáng)聲器供電，對(duì)于需要高開(kāi)關(guān)電流的這些應(yīng)用，需要功率放大器。顧名思義，“功率放大器”（也稱(chēng)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，功率是施加到負(fù)載的電壓和電流的乘積，并且輸出信號(hào)功率大于輸入信號(hào)功率。換句話(huà)說(shuō)，功率放大器放大了輸入信號(hào)的功率，這就是為什么這類(lèi)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。功率放大器的工作基本原理是將從電源中獲取的直流功率轉(zhuǎn)換為輸送到負(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給我們一個(gè)100%的效率等級(jí)，或者至少“輸入”功率等于“輸出”功率。然而，在現(xiàn)實(shí)中這永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生，因?yàn)橐徊糠止β室詿崃康男问綋p失，而且放大器本身在放大過(guò)程中也會(huì)消耗功率。

　　那么放大器的效率如下：

　　放大器效率(Amplifier Efficiency)

　　理想放大器(Ideal Amplifier)

　　根據(jù)我們上面關(guān)于其增益（指電壓增益）的討論，我們可以現(xiàn)在指定一個(gè)理想放大器的特性：

　　·放大器的增益（A）對(duì)于不同的輸入信號(hào)值應(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被放大。

　　·放大器的增益不應(yīng)向輸出信號(hào)添加噪聲。它應(yīng)該去除輸入信號(hào)中已有的任何噪聲。

　　·放大器的增益不應(yīng)受溫度變化影響，從而提供良好的溫度穩(wěn)定性。

　　·放大器的增益必須在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

　　電子放大器類(lèi)別(Electronic Amplifier Classes)

　　放大器被歸類(lèi)為電壓放大器或功率放大器，是通過(guò)比較輸入和輸出信號(hào)的特性，通過(guò)測(cè)量電流在輸出電路中相對(duì)于輸入信號(hào)流過(guò)的時(shí)間量來(lái)進(jìn)行的。我們?cè)诠采錁O晶體管教程中看到，為了讓晶體管在其“有源區(qū)”內(nèi)工作，需要某種形式的“基極偏置”。這個(gè)小的基極偏置電壓加到輸入信號(hào)上，使得晶體管能夠在其輸出端重現(xiàn)完整的輸入波形而沒(méi)有信號(hào)損失。然而，通過(guò)改變這個(gè)基極偏置電壓的位置，可以使放大器以除了全波形再現(xiàn)之外的放大模式運(yùn)行。隨著引入基極偏置電壓，可以獲得不同的操作范圍和操作模式，它們根據(jù)其分類(lèi)進(jìn)行歸類(lèi)。這些各種操作模式更好地被稱(chēng)為放大器類(lèi)別。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(lèi)。放大器被指定為不同的操作類(lèi)別，例如“A”類(lèi)、“B”類(lèi)、“C”類(lèi)、“AB”類(lèi)等。這些不同的放大器類(lèi)別范圍從接近線(xiàn)性輸出但效率低到非線(xiàn)性輸出但效率高。

　　沒(méi)有一個(gè)操作類(lèi)別比任何其他類(lèi)別“更好”或“更差”，操作類(lèi)型由放大電路的用途決定。對(duì)于各種類(lèi)型或類(lèi)別的放大器，有典型的最大轉(zhuǎn)換效率，其中最常用的是：

　　·A類(lèi)放大器-效率低，低于40%，但信號(hào)再現(xiàn)和線(xiàn)性度良好。

　　·B類(lèi)放大器-效率是A類(lèi)放大器的兩倍，理論最大效率約為70%，因?yàn)榉糯笤O(shè)備只在輸入信號(hào)的一半時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通（并使用功率）。

　　·AB類(lèi)放大器-效率介于A類(lèi)和B類(lèi)之間，但信號(hào)再現(xiàn)比A類(lèi)放大器差。

　　·C類(lèi)放大器-是效率最高的放大器類(lèi)別，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(méi)有相似之處。C類(lèi)放大器的信號(hào)再現(xiàn)最差。

　　放大器簡(jiǎn)介-A類(lèi)放大器(Introduction to the Amplifier-The ClassA Amplifier)

　　A類(lèi)放大器的基本配置為放大器電路提供了很好的介紹。A類(lèi)放大器操作是指整個(gè)輸入信號(hào)波形被忠實(shí)地在放大器輸出端子處再現(xiàn)，因?yàn)榫w管被完美地偏置在其有源區(qū)內(nèi)。這意味著開(kāi)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)完美地“居中”在放大器的上下信號(hào)限之間，如下所示。

　　A類(lèi)放大器輸出波形(ClassA Amplifier Output Waveform)

　　A類(lèi)放大器配置使用相同的開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)處理輸出波形的兩半，并且由于其中心偏置安排，即使沒(méi)有輸入信號(hào)存在，輸出晶體管也始終有恒定的直流偏置電流(I_CQ)流過(guò)。換句話(huà)說(shuō)，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)“關(guān)閉”，并處于永久的空閑狀態(tài)。這導(dǎo)致A類(lèi)操作效率較低，因?yàn)樗鼘⒅绷麟娫垂β兽D(zhuǎn)換為輸送到負(fù)載的交流信號(hào)功率通常非常低。由于這個(gè)居中的偏置點(diǎn)，A類(lèi)放大器的輸出晶體管即使在沒(méi)有輸入信號(hào)存在時(shí)也會(huì)變得非常熱，因此需要某種形式的散熱。流經(jīng)晶體管集電極的直流偏置電流(I_CQ)等于流經(jīng)集電極負(fù)載的電流。因此，A類(lèi)放大器效率非常低，因?yàn)榇蟛糠种绷鞴β时晦D(zhuǎn)換成熱量。

　　放大器簡(jiǎn)介-B類(lèi)放大器(Introduction to the Amplifier-ClassB Amplifier)

　　與使用單個(gè)晶體管作為其輸出功率級(jí)的A類(lèi)放大器操作模式不同，B類(lèi)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(lái)放大輸出波形的每一半。一個(gè)晶體管只在信號(hào)波形的一半時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，而另一個(gè)則在信號(hào)波形的另一半或相反的一半時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。這意味著每個(gè)晶體管有一半時(shí)間處于有源區(qū)，一半時(shí)間處于截止區(qū)，從而只放大50%的輸入信號(hào)。與A類(lèi)放大器不同，B類(lèi)操作沒(méi)有直接的直流偏置電壓，而是只有當(dāng)輸入信號(hào)大于基極-發(fā)射極電壓(V_BE)時(shí)晶體管才導(dǎo)通，對(duì)于硅晶體管，這大約是0.7v。因此，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出為零。由于只有一半的輸入信號(hào)出現(xiàn)在放大器輸出端，這提高了放大器相對(duì)于之前的A類(lèi)配置的效率，如下所示。

　　B類(lèi)放大器輸出波形(ClassB Amplifier Output Waveform)

　　在B類(lèi)放大器中，沒(méi)有使用直流電壓來(lái)偏置晶體管，因此為了讓輸出晶體管開(kāi)始導(dǎo)通波形的每一半，無(wú)論是正半部分還是負(fù)半部分，它們都需要基極-發(fā)射極電壓V_BE大于標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管開(kāi)始導(dǎo)通所需的0.7v前向壓降。因此，低于這個(gè)0.7v窗口的輸出波形的下半部分將不會(huì)被準(zhǔn)確地再現(xiàn)。這導(dǎo)致輸出波形在零電壓交叉點(diǎn)處有一個(gè)扭曲的區(qū)域，因?yàn)橐粋€(gè)晶體管“關(guān)閉”等待另一個(gè)晶體管在V_BE0.7V后再次“開(kāi)啟”。這種類(lèi)型的失真被稱(chēng)為交叉失真。

　　放大器簡(jiǎn)介-AB類(lèi)放大器(Introduction to the Amplifier-ClassAB Amplifier)

　　AB類(lèi)放大器是A類(lèi)和B類(lèi)配置的折中方案。盡管AB類(lèi)操作在其輸出級(jí)仍然使用兩個(gè)互補(bǔ)晶體管，但當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)存在時(shí)，會(huì)對(duì)每個(gè)晶體管的基極施加一個(gè)非常小的偏置電壓，以使它們接近其截止區(qū)域。一個(gè)輸入信號(hào)將使晶體管在其有源區(qū)內(nèi)正常工作，從而消除B類(lèi)配置中總是存在的任何交叉失真。當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)存在時(shí)，會(huì)有小的偏置集電極電流(I_CQ)流過(guò)晶體管，但通常遠(yuǎn)小于A類(lèi)放大器配置。因此，每個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間比輸入波形的一半周期稍微長(zhǎng)一點(diǎn)。AB類(lèi)放大器配置的這種小偏置改善了放大器電路的效率和線(xiàn)性度，相比于純A類(lèi)配置。

　　AB類(lèi)放大器輸出波形(ClassAB Amplifier Output Waveform)

　　作為放大器介紹，在設(shè)計(jì)放大器電路時(shí)，放大器的工作類(lèi)別非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了其操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(lèi)考慮了輸出晶體管導(dǎo)通的輸入信號(hào)部分，并確定了開(kāi)關(guān)晶體管消耗和以浪費(fèi)熱量形式耗散的功率量和效率。

　　設(shè)計(jì)不良的放大器，特別是“A”類(lèi)放大器，可能還需要更大的功率晶體管、更昂貴的散熱片、冷卻風(fēng)扇，甚至需要增加電源的尺寸以提供放大器所需的額外浪費(fèi)功率。晶體管、電阻器或任何其他組件轉(zhuǎn)換成的熱量會(huì)使任何電子電路效率低下，并導(dǎo)致設(shè)備的過(guò)早失效。

　　放大器簡(jiǎn)介總結(jié)(Amplifier Summary)

　　那么，如果A類(lèi)放大器的效率低于40%，而B(niǎo)類(lèi)放大器的效率評(píng)級(jí)超過(guò)70%，為什么還要使用A類(lèi)放大器呢？基本上，A類(lèi)放大器提供了更線(xiàn)性的輸出，這意味著即使它消耗大量的直流功率，它在更大的頻率響應(yīng)范圍內(nèi)也具有線(xiàn)性度。

　　在本放大器簡(jiǎn)介教程中，我們看到了不同類(lèi)型的放大器電路，每種都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在關(guān)于放大器的下一個(gè)教程中，我們將研究最常見(jiàn)的晶體管放大器電路類(lèi)型，即共射極放大器。大多數(shù)晶體管放大器都是共射極或CE類(lèi)型電路，因?yàn)樗鼈冊(cè)陔妷骸㈦娏骱凸β史矫婢哂写蟮脑鲆妫约俺錾妮斎?輸出特性。

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