放大器

本文讲述的是电子放大器。关于光学上的放大镜,详见“放大镜”。

一般而言, 放大器 (Amplifier)是 任何 使用较小的能量来控制较大能量的器件 。现在,在日常使用中,这个名词常常是指电子放大器,经常用于音频应用中。一个放大器的输入输出关系——常常表示为一个与输入频率相关的函数——称为放大器的传输函数,同时这个传输函数的系数定义为增益

放大器的基本特性

大多数放大器的特性可以由一系列的参数来描述。

增益

增益是指放大器能在多大程度上增大信号的幅值。该参数常用分贝(dB)来度量。 用数学语言来说,增益等于输出幅值除以输入幅值。(对功率放大器而言,用分贝表示的增益可以由此关系式计算:G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical))。

理想频率特性

增益为常数,相移与频率成正比。 即放大器对不同频率的信号具有相同的放大量,并且对任何频率的信号的相移均为零。

输出动态范围

输出动态范围,常用dB为单位给出,是指最大与最小有用输出幅值之间的范围。因为最低的有用幅值受限于输出噪声,所以称之为放大器的动态范围。

带宽与上升时间

放大器的带宽(BW)常定义为低频与高频半功率点之间的差值。因而也就是常说的-3dB BW。有时也定义在其它的响应容差下的带宽 (-1dB,-6dB等等。)。 举例来说,一个好的音频放大器的-3dB带宽将在二十赫兹到两万赫兹左右(正常人的听觉频率范围)。

放大器的上升时间是指当阶跃信号输入时,输出端由其最终输出幅度值10%变化到90%时所化的时间。 对于高斯响应系统(或一个简单的RC振荡回路),上升时间大约可以表达为:

Tr * BW = 0.35, 其中 BW 的单位是Hz,Tr 的单位是秒.

建立时间与失调

是指输出幅值建立于最终幅值的某个比值(比如0.1%)以内时所花的时间。

回转率

回转率(slew rate)是指输出电压变量的变化率,常定义为伏特/每秒(或微秒)。

噪声

是对在放大过程中引入噪声多少的一个量度。噪声是电学器件和元件中不受欢迎却无法避免的。噪声由放大器零输入时输出的分贝或输出电压峰值来度量。

效率

效率用来量度多少输入能量是应用于放大器输出的。甲类(A类)放大器效率十分低下,约在10-20%之间,最大不超过25%。现代甲乙类(AB类)放大器一般效率都在35-55%之间,理论值可达78.5%。有报道说商用的丁类(D类)放大器的效率可高达97%。放大器的效率限制了总功耗中有用部分所占的比例。注意,效率越高的放大器散热量越小,通常在几个瓦特的设计中也无需风扇。

线性度

理想放大器应当是完全线性器件,但是实际的放大器仅在某些实际限制下是线性的。当驱动放大器的信号增大后,输出也随之增大,直到达到某个电压值,使得放大器的某部分达到饱和从而不能再增大输出了,称之为截止失真(削峰失真)。

有些放大器在设计中通过某种可控途径来解决这个问题,即以牺牲增益为代价换取较小的失真。其结果是一种补偿效应,即(如果放大器是音频放大器的话)大大减少听起来不悦耳的声音。对于这些放大器,其增益比小信号时小1dB时的输入功率(或输出功率)定义为1dB补偿点。

线性度是一个关键的问题,目前有很多技术来避免非线性带来的影响,比如前馈、预矫正、后矫正、包迹抑制还原(波包消除重建)、用非线性元件实现线性放大(LINC)、CALLUM、Cartesian 反馈……

电子放大器

主条目:electronic amplifier

对于不同的应用,电子放大器有很多种类。

最普通的一类放大器就是电子放大器,常应用于广播和电视发射台及接收器,高传真(hi-fi)立体声装置,微型计算机和其它电子数字装置,以及吉他和其他仪表放大器。它最关键的元件是有源器件,比如真空管或晶体管

功率放大器的分类

放大器常依据通过放大器件的输入信号(正弦波)的导通角(有时也称为angle of flow)来分类;见electronic amplifier。

甲类(A类)

其效率不是最重要的,绝大多数小信号线性放大器就设计成甲类(A类),即输出级元件总是处于导通区。甲类(A类)放大器一般比其它类型线性度更好,也较为简单,但效率非常低。这类放大器最常用于小信号级或低功率(例如驱动耳机)应用中。

乙类(B类)

<dd>在乙类(B类)中,有两个(组)输出器件分别放大正负半周,每一个都精确地在输入信号的180度(或半周期)时交互导通。

甲乙类(AB类)

甲乙类(AB类)放大器在甲类(A类)与乙类(B类)的一种折衷,它改善了小信号输出的线性度;导通角在180度以上,具体值由设计者决定。由于他们有较高的效率,通常用于低频放大器(如音频和hi-fi)中。或者也用于其它线性度和效率都很重要的设计(手机,蜂窝发射塔,电视发射台)。

丙类(C类)

常称为高功率射频(RF)放大器。丙类(C类)设计成在输入信号不足180°时导通。线性度不好,但是对于单个频率功率放大器来说这并不重要。信号由调谐电路还原为近似正弦形状,同时效率比甲类(A类)、甲乙类(AB类)或者乙类(B类)放大器都高很多。

丁类(D类)

丁类(D类)放大器使用开关来达到很高的功耗效率(在现代设计中大于90%)。通过允许每个输出器件完全导通或关断,能量损失达到最小化。像脉冲宽度调制这类简单方法有时还在使用;然而,高性能的开关放大器使用数字技术,比如∑-Δ调制,来达到更高的性能。早先由于有限的带宽和相当大的失真,它们仅用于亚低音用扩音器。半导体器件的进展已经使开发高保真、全声音频带丁类(D类)放大器的开展成为可能,使得它们的信噪比(S/N)和失真度与其它线性器件相近。

其它种类

目前尚有几个其他的放大器种类,尽管他们主要是前述种类的变型。比如,H类和I类放大器随着输入信号的变化而改变供电轨迹(variation of the supply rails)(分别以离散或连续的形式)。由于过剩电压(excess voltage)一直保持最小,其输出器件耗散的热量得以减少。本身以这种供电轨迹工作的放大器可以属于任何种类。这类放大器将更复杂,并且主要用于特定应用,比如特高功率单元。

真空管放大器(阀式)放大器

晶体管放大器

主条目:晶体管、双极性晶体管和MOSFET

此主动元件的基本角色就是放大输入讯号,产生一个显著的放大讯号。放大的倍率(顺向增益)是由主动元件和外部电路所共同决定的。 在晶体管放大器里常用的主动元件是双极性晶体管(BJT)和金氧半场效应晶体管(MOSFET)。 应用非常多样化,常见的如家用音响的声音放大器、半导体设备的高功率射频讯号发射机、射频或微波讯号的无线电收发机。

运算放大器 (op-amps)

主条目:运算放大器和仪表放大器

运算放大器是一种集成电路式放大器,主要由外部的回授来决定其转移函数或增益。

影像放大器

本类放大器处理带宽高于5MHz的影像讯号。为了呈现可接受的电视画面,对于步阶响应和Overshoot的要求也是必要的。设计一个高频影像放大器是件很困难的工作。

示波器垂直放大器

用于放大示波器映像管的影像讯号,带宽大约可达500MHz。对于步阶响应、上升时间、overshoot和变形的规格要求,使得设计此种放大器是极端困难的。

分布式放大器

微波放大器

Travelling wave tube (TWT) amplifiers

主条目:Traveling wave tube

应用于微波频段中较低频的高功率放大。此类放大器通常能使用于很宽的频率范围,但相对的,TWT并不像Klystrons能够调整。

乐器(声音)放大器

主条目:instrument amplifier和audio amplifier

声音放大器通常用于放大音乐或说话的讯号。

其他类型放大器

碳膜麦克风

磁放大器

光学放大器

主条目:Optical amplifier

通过受激辐射过程放大光的元件。比如用于光纤通讯网络中的掺铒光纤放大器(EDFA,Erbium doped fiber amplifier)。

杂项类型

低噪音放大器

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