什麼是放大器？ 放大器介紹

放大器是一種電子設備或電路，用於增加施加到其輸入的信號的幅度

放大器是一個通用術語，用於描述產生並增加其輸入信號版本的電路。 但是，並非所有的放大器電路都是相同的，因為它們是根據其電路配置和工作模式進行分類的。

在“電子產品”中，小信號放大器是常用的設備，因為它們具有將相對較小的輸入信號（例如來自光電設備等傳感器的輸入信號）放大成更大的輸出信號以驅動繼電器，燈或放大器的能力。例如揚聲器。

從運算放大器和小信號放大器到大信號和功率放大器，有許多形式的電子電路被歸類為放大器。 

放大器的分類取決於信號的大小（大小），其物理配置以及如何處理輸入信號，即輸入信號與負載中流動的電流之間的關係。

下表給出了放大器的類型或分類。

信號放大器的分類

可以將放大器視為包含放大設備的簡單盒子或模塊，例如雙極晶體管，場效應晶體管或運算放大器，其具有兩個輸入端子和兩個輸出端子（接地是公共的），而輸出信號要大得多。比已“放大”的輸入信號要大。

理想的信號放大器將具有三個主要屬性：輸入電阻或（RIN），輸出電阻或（ROUT），當然還有通常被稱為增益或（A）的放大。 無論放大器電路多麼複雜，仍然可以使用通用放大器模型來顯示這三個特性的關係。

理想放大器模型

輸入和輸出信號之間的放大差異稱為放大器的增益。 增益基本上是放大器“放大”輸入信號的量度。 

例如，如果我們有一個1伏的輸入信號和一個50伏的輸出，那麼放大器的增益將為“ 50”。 換句話說，輸入信號已增加了50倍。這種增加稱為增益。

放大器增益就是輸出與輸入之比。 增益沒有單位作為比例，但是在電子產品中，放大通常用符號“ A”表示。 然後，將放大器的增益簡單地計算為“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在輸出端測量的信號與輸入端測量的信號之間存在的關係。 

可以測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），取決於要測量的量，下面給出了這些不同類型的增益的示例。

輸入信號的放大器增益

電壓放大器增益

電流放大器增益

功率放大器增益

請注意，對於功率增益，您還可以將輸出獲得的功率除以輸入獲得的功率。 同樣，在計算放大器的增益時，下標v，i和p用於表示所使用的信號增益的類型。

放大器的功率增益（Ap）或功率電平也可以以分貝（dB）表示。 Bel（B）是對數測量單位（以10為底），沒有任何單位。 

由於Bel的度量單位太大，因此以分貝為前綴，使其成為分貝，而不是一個分貝等於Bel的十分之一（1/10）。 要計算以分貝或dB為單位的放大器增益，我們可以使用以下表達式。

電壓增益（dB）：av = 20 * log（Av）

電流增益（dB）：ai = 20 * log（Ai）

功率增益（dB）：ap = 10 * log（Ap）

請注意，放大器的DC功率增益等於輸出與輸入比率的常用對數的十倍，而電壓和電流增益是比率的常用對數的20倍。 但是請注意，由於對數標度，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的損耗。 例如，放大器增益為+ 3dB表示放大器的輸出信號已“加倍”（x2），而放大器增益為-3dB則表明信號已“減半”（x0.5）或換句話說是損耗。

放大器的-3dB點稱為半功率點，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1mV時具有10mA的輸入信號，在10V時具有1mA的相應輸出信號。 同樣，用分貝（dB）表示所有三個增益。

各種放大器增益：

放大器增益以分貝（dB）表示：

然後，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，根據放大器的功率或電壓增益，它們可以細分為兩種不同的類型。 一種類型稱為小信號放大器，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很小的信號電壓電平，僅幾微伏（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。 大型信號放大器的設計可放大大型輸入電壓信號或切換重載電流，就像您會發現驅動揚聲器一樣。

功率放大器
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動機或為揚聲器供電，對於需要高開關電流的這類應用，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，並且如我們從上方所知，是施加到負載的電壓和電流的乘積。負載時輸出信號功率大於輸入信號功率。 換句話說，功率放大器會放大輸入信號的功率，這就是為什麼將這些類型的放大器電路用於音頻放大器輸出級來驅動揚聲器的原因。

功率放大器的基本原理是將從電源汲取的直流電轉換為傳遞到負載的交流電壓信號。 儘管放大率很高，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將為我們提供100％的效率等級，或者至少功率“ IN”等於功率“ OUT”。 但是，實際上這是永遠不會發生的，因為一些功率會以熱量的形式損失掉，而且，放大器本身會在放大過程中消耗功率。 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：

*放大對於不同的輸入信號值，增益（A）應保持恆定。

*獲得 不受頻率影響。 所有頻率的信號必須放大完全相同的量。

*放大器的增益一定不能增加噪聲輸出信號。 它應該消除輸入信號中已經存在的任何噪聲。

*放大器增益不應為afc通過溫度變化可以提供良好的溫度穩定性。

*放大器的增益必須在l以上保持穩定一段時間。

電子放大器類
通過測量與電流在輸出電路中流動的輸入信號相關的時間量，比較輸入和輸出信號的特性，可以將放大器分為電壓放大器還是功率放大器。

我們在“公共發射極晶體管”教程中看到，要使晶體管在其“有源區域”內工作，就需要某種形式的“基極偏置”。 加到輸入信號上的這個很小的基本偏置電壓使晶體管能夠在其輸出端再現完整的輸入波形，而不會丟失信號。

但是，通過改變該基本偏置電壓的位置，可以使放大器以不同於全波形再現的放大模式工作。 

通過將基本偏置電壓引入放大器，可以獲得不同的工作範圍和工作模式，這些工作範圍和工作模式根據其分類進行了分類。 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指定，例如“ A”類，“ B”類，“ C”類，“ AB”類等。這些不同的放大器類別範圍從接近線性輸出但效率低到非線性輸出但效率高。

沒有哪一種操作比其他任何一種“好”或“差”，其操作類型是通過使用放大電路來確定的。 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  –效率低於40％，但信號再現性和線性良好。
* 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％，這是因為放大設備僅傳導（並使用功率）一半的輸入信號。
* AB類放大器  –效率等級在A類和B類之間，但信號再現性比A類放大器差。

* C類放大器  –是效率最高的放大器，但是失真非常大，因為僅一小部分輸入信號被放大，因此輸出信號與輸入信號的相似性很小。 C類放大器的信號再現最差。

A類放大器操作

A類放大器的工作原理是，在晶體管的有效區域內完全偏置晶體管時，在放大器的輸出端忠實地再現整個輸入信號波形。 這意味著開關晶體管永遠不會被驅動到其截止或飽和區域。 結果是，交流輸入信號在放大器的信號上限和信號下限之間完全“集中”，如下所示。

甲類放大器輸出波形

A類放大器配置將相同的開關晶體管用於兩半輸出波形，並且由於其中心偏置佈置，即使沒有輸入，輸出晶體管也始終具有恆定的直流偏置電流（ICQ）流經該晶體管。信號存在。 換句話說，輸出晶體管從不“ OFF”，而是處於空閒狀態。

這導致A類操作效率低下，因為其將直流電源轉換為傳遞給負載的交流信號功率的轉換通常非常低。

由於該中心偏置點，即使不存在輸入信號，A類放大器的輸出晶體管也會變得非常熱，因此需要某種形式的散熱。 

流過晶體管（ICQ）的集電極的直流偏置電流等於流過集電極負載的電流。 因此，由於大部分直流電源都轉換為熱量，因此A類放大器的效率非常低。

B類放大器操作
與以上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（NPN和PNP或NMOS和PMOS）來放大每個晶體管的一半。輸出波形。

一個晶體管僅導通信號波形的一半，而另一個晶體管導通信號波形的另一半或相反一半。 這意味著每個晶體管將其一半的時間花費在有源區域中，並將一半的時間花費在截止區域中，從而僅放大50％的輸入信號。

B類工作與A類放大器不同，它沒有直接的直流偏置電壓，而是僅在輸入信號大於基極-發射極電壓（VBE）時晶體管才導通，對於矽晶體管來說，約為0.7v。 

因此，輸入信號為零時，輸出為零。 由於只有一半的輸入信號出現在放大器的輸出端，因此與以前的A類配置相比，可以提高放大器的效率，如下所示。

B類放大器輸出波形

在B類放大器中，不使用直流電壓對晶體管進行偏置，因此，要使輸出晶體管開始傳導波形的每一半（正負），它們都需要基極-發射極電壓VBE大於標準雙極晶體管開始導通所需的0.7v正向壓降。

因此，在此0.7v窗口以下的輸出波形的下部將無法準確再現。 一旦VBE> 0.7V，一個晶體管變為“ OFF”，等待另一個晶體管變為“ ON”，這將導致輸出波形失真。 結果是在零電壓交叉點處有一小部分輸出波形會失真。 

這種失真稱為交叉失真，將在本節後面介紹。

AB類放大器的操作
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類操作在其輸出級中仍使用兩個互補晶體管，但當不存在輸入信號時，會向每個晶體管的基極施加很小的偏置電壓，以將它們偏置到其截止區域附近。

輸入信號將使晶體管在其有源區內正常工作，從而消除了B級配置中始終存在的任何交叉失真。 當不存在輸入信號時，少量的偏置集電極電流（ICQ）將流經晶體管，但通常比A類放大器配置的要小得多。

因此，每個晶體管在輸入波形導通的一半以上的時間內導通。 與上面的純A類配置相比，AB類放大器配置的小偏置可提高放大器電路的效率和線性度。

AB類放大器輸出波形

設計放大器電路時，放大器的工作類別非常重要，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入信號中輸出晶體管導通的部分，並確定了效率和開關晶體管以浪費熱量的形式消耗和耗散的功率。 在下表中，我們可以在最常見的放大器分類類型之間進行比較。

功率放大器類

設計不良的放大器，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，冷卻風扇，甚至需要增加功率來提供放大器所浪費的額外功率。 

功率從晶體管，電阻器或任何其他組件轉換成熱能，會使任何電子電路效率低下，並會導致設備過早失效。

因此，為什麼與效率高於40％的B類放大器相比，如果其效率低於70％則使用A類放大器。 基本上，A類放大器會提供更多的線性輸出，這意味著即使它確實消耗了大量的DC功率，它在更大的頻率響應上也具有線性。

在本放大器簡介教程中，我們已經看到了不同類型的放大器電路，各有其優缺點。 在下一個關於放大器的教程中，我們將介紹最常見的晶體管放大器電路連接類型，即公共發射極放大器。

 大多數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，因此屬於共發射極或CE型電路。

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