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版本的電路的通用術語。但并非所有放大電路都相同，因為它們是根據(jù)其電路配置和操作模式進行分類的。

在“電子”中，小信號放大器是常用的設備，因為它們能夠將相對較小的輸入信號（例如來自傳感器（如光電設備））放大為更大的輸出信號，以驅動繼電器、燈或以揚聲器為例。

有許多形式的電子電路被歸類為放大器，從運算放大器和小信號放大器到大信號和功率放大器。放大器的分類取決于信號的大小、其物理配置以及它如何處理輸入信號，即輸入信號與負載中流動的電流之間的關系。

下圖為放大器的一些分類。

放大器類型分類圖

放大器可以被認為是一個包含放大設備的簡單盒子或塊，例如雙極晶體管、場效應晶體管或運算放大器，它有兩個輸入端和兩個輸出端（接地），輸出信號要大得多比輸入信號，因為它已被“放大”。

理想的信號放大器將具有三個主要屬性： 輸入電阻、輸出電阻 、增益的放大。無論放大器電路多么復雜，仍然可以使用通用放大器模型來顯示這三個屬性的關系。

理想放大器模型

理想放大器模型圖

輸入和輸出信號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”輸入信號的程度。例如，如果我們有 1V輸入信號和 50V的輸出，那么放大器的增益將為“50”。換句話說，輸入信號增加了 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，但在電子學中，它通常被賦予符號“A”，表示放大。然后放大器的增益可以簡單地計算為“輸出信號除以輸入信號”。

放大器增益

放大器增益的引入可以說是輸出端測得的信號與輸入端測得的信號之間存在的關系。可以測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 )，具體取決于所測量的量，下面給出了這些不同類型增益的示例.

輸入信號的放大器增益

輸入信號的放大器增益增益

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。在計算放大器的增益時，一定要注意下標v、i和p用于表示所使用的信號增益類型。

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

• 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數(shù)的 10 倍，其中電壓和電流增益是該比的常用對數(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“加倍”，而 -3dB 的放大器增益表示信號“減半”，換句話說是損失。

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

放大器的工作原理

確定一個放大器的電壓、電流和功率增益，該放大器在 10mV 時輸入信號為 1mA，在 1V時相應輸出信號為 10mA。此外，以分貝 (dB) 表示所有三個增益。

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分為兩種不同的類型。一種稱為小信號放大器，包括前置放大器、儀表放大器等。小信號放大器旨在放大來自傳感器或音頻信號的非常小的信號電壓電平，僅為幾微伏 (μV)。

另一種稱為大信號放大器，例如音頻功率放大器或功率開關放大器。大信號放大器旨在放大大輸入電壓信號或切換重負載電流，就像您會發(fā)現(xiàn)驅動揚聲器一樣。

功率放大器工作原理

小信號放大器通常被稱為“電壓”放大器，因為它們通常將小輸入電壓轉換為大得多的輸出電壓。有時需要放大器電路來驅動電機或為揚聲器供電，而對于需要高開關電流的這些類型的應用，則需要功率放大器。

顧名思義，“功率放大器”（也稱為大信號放大器）的主要工作是向負載提供功率，正如我們從上面所知道的，是施加到負載上的電壓和電流的乘積。輸出信號功率大于輸入信號功率的負載。換句話說，功率放大器放大輸入信號的功率，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以驅動揚聲器的原因。

功率放大器的工作原理是將從電源汲取的直流電轉換成交流電壓信號傳送到負載。雖然放大率很高，但從直流電源輸入到交流電壓信號輸出的轉換效率通常很差。

完美或理想的放大器會給我們100% 的效率等級，至少功率“IN”將等于功率“OUT”。但實際上是不可能的，因為一些功率會以熱量的形式損失掉，而且放大器本身在放大過程中也會消耗功率。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

我們可以從上面關于增益的討論中知道理想放大器的特性，即電壓增益：

• 對于不同的輸入信號值，放大器增益 (應保持恒定。
• 增益不受頻率影響。所有頻率的信號必須以完全相同的量放大。
• 放大器增益不得向輸出信號添加噪聲。它應該消除輸入信號中已經(jīng)存在的任何噪聲。
• 放大器增益不應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時間保持穩(wěn)定。

電子放大器類

通過測量電流在輸出電路中流動與輸入信號相關的時間量來比較輸入和輸出信號的特性，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)運行，需要某種形式的“基極偏置”。添加到輸入信號的這個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，而不會丟失信號。

然而，通過改變該基極偏置電壓的位置，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%，因為放大設備僅傳導（并使用功率）輸入信號的一半。
• AB 類放大器 - 效率等級介于 A 類和 B 類之間，但信號再現(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，因為只有一小部分輸入信號被放大，因此輸出信號與輸入信號幾乎沒有相似之處。C 類放大器的信號再現(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)整個輸入信號波形，因為晶體管在其有源區(qū)域內(nèi)完全偏置。這意味著開關晶體管永遠不會被驅動到其截止或飽和區(qū)域。結果是交流輸入信號完全“集中”在放大器信號上限和下限之間，如下所示。

A類放大器輸出波形

A類放大器輸出波形圖

A 類放大器配置對輸出波形的兩半使用相同的開關晶體管，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，即使沒有輸入信號存在。換句話說，輸出晶體管永遠不會“關閉”并且處于永久空閑狀態(tài)。

這導致 A 類操作的效率有些低，因為它將直流電源功率轉換為傳遞給負載的交流信號功率通常非常低。

由于這個中心偏置點，A 類放大器的輸出晶體管會變得非常熱，即使在沒有輸入信號的情況下也是如此，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)集電極負載的電流。因此，A 類放大器的效率非常低，因為大部分 DC 功率都轉化為熱量。

B類放大器工作原理

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

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

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大于基極-發(fā)射極電壓 ( V BE ) 時才導通，對于硅晶體管，這約為 0.7v。因此，零輸入信號有零輸出。由于只有一半的輸入信號出現(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通波形的每一半，無論是正的還是負的，它們需要基極-發(fā)射極電壓V BE大于標準雙極晶體管開始導通所需的 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確再現(xiàn)。這會導致輸出波形的失真區(qū)域，因為一旦V BE > 0.7V，一個晶體管“關閉”，等待另一個晶體管返回“開啟” 。結果是在零電壓交叉點處有一小部分輸出波形會失真。這種類型的失真稱為交叉失真，之后會介紹。

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 類操作在其輸出級仍然使用兩個互補晶體管，但在沒有輸入信號時，將非常小的偏置電壓施加到每個晶體管的基極，以將它們偏置到接近截止區(qū)域的位置。

輸入信號將導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。當沒有輸入信號存在時，一個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，每個晶體管在輸入波形的半個多周期內(nèi)都處于“導通”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

在設計放大器電路時，放大器的工作等級非常重要，因為它決定了其工作所需的晶體管偏置量以及輸入信號的最大幅度。

放大器分類考慮了輸出晶體管在其中傳導的輸入信號部分，以及確定開關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

設計不佳的放大器，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、冷卻風扇，甚至需要增加電源尺寸來提供放大器所需的額外浪費功率。功率從晶體管、電阻器或任何其他組件轉換為熱量，使任何電子電路效率低下，并導致設備過早失效。

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上的線性度，即使它確實消耗大量直流功率。