一文詳解放大器和功率放大器
放大器簡介(Introduction to the Amplifier)
放大器是一種電子設備或電路，用于增加施加到其輸入端的信號幅度。放大器是用于描述產(chǎn)生其輸入信號增強版本的電路的通用術語。然而，正如我們將在本放大器教程簡介中看到的那樣，并非所有放大器電路都相同，因為它們根據(jù)其電路配置和操作模式進行分類。在“電子學”中，小信號放大器是常用設備，因為它們能夠放大相對較小的輸入信號（例如來自光敏設備等傳感器），并將其轉換為更大的輸出信號，以驅動繼電器、燈或揚聲器。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（大或小）、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。
理想放大器模型(Ideal Amplifier Model)
放大器可以被看作是一個簡單的方框或方塊，包含放大設備，例如雙極晶體管、場效應晶體管或運算放大器，它有兩個輸入端子和兩個輸出端子（地線是共有的），并且輸出信號比輸入信號大得多，因為它已被“放大”。一個理想的信號放大器將具有三個主要特性：輸入電阻或(R_IN)、輸出電阻或(R_OUT)以及當然地，通常被稱為增益或(A)的放大能力。無論放大器電路多么復雜，都可以使用通用的放大器模型來顯示這三個特性之間的關系。
放大器增益(Amplifier Gain)
輸入和輸出信號之間的放大差異被稱為放大器的增益。增益基本上是衡量放大器“放大”輸入信號的程度。例如，如果我們有一個1伏特的輸入信號和一個50伏特的輸出，那么放大器的增益將是“50”。換句話說，輸入信號增加了50倍。這種增加被稱為增益。放大器增益簡單地是輸出除以輸入的比率。增益沒有單位，因為它是一個比率，但在電子學中，它通常被賦予符號“A”，代表放大(Amplification)。因此，放大器的增益簡單地被計算為“輸出信號除以輸入信號”。
放大器增益的引入可以被認為是輸出端測量的信號與輸入端測量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(A_v)、電流增益(A_i)和功率增益(A_p)，這取決于正在測量的量。這些不同類型增益的例子如下所示。
輸入信號的放大器增益(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，當計算放大器的增益時，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(A_p)或功率電平也可以用分貝(dB)表示。貝爾(Bel)(B)是一個沒有單位的對數(shù)單位（以10為底）。由于貝爾是一個太大的測量單位，它被加上前綴deci，使其成為分貝(Decibels)，其中一個分貝是貝爾的十分之一(1/10th)。要用分貝或dB計算放大器的增益，我們可以使用以下表達式。
·Voltage Gain in dB:av=20*log(Av)
·Current Gain in dB:ai=20*log(Ai)
·Power Gain in dB:ap=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數(shù)的十倍，而電壓和電流增益是該比率的常用對數(shù)的二十倍。然而請注意，20dB并不是10dB的兩倍功率，因為它是對數(shù)刻度。此外，正值的分貝表示增益，而負值的分貝表示放大器內的損耗。例如，+3dB的放大器增益表示放大器的輸出信號“翻倍”，而-3dB的放大器增益表示信號“減半”，換句話說就是損耗。放大器的-3dB點被稱為半功率點，它比最大值低-3dB，將0dB視為最大輸出值。
放大器簡介例一(Introduction to the Amplifier Example No1)
問題：確定一個放大器的電壓、電流和功率增益，該放大器的輸入信號為1mA10mV，對應的輸出信號為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型。一種類型是
小信號放大器，其中包括前置放大器、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電壓電平，僅為幾微伏(μV)。另一種類型是
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驅動重負載電流，就像驅動揚聲器一樣。
功率放大器簡介(Introduction to the Amplifier of Power Amplifiers)
小信號放大器通常被稱為“電壓”放大器，因為它們通常將小的輸入電壓轉換為大得多的輸出電壓。有時需要一個放大器電路來驅動電機或為揚聲器供電，對于需要高開關電流的這些應用，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，正如我們從上面所知，功率是施加到負載的電壓和電流的乘積，并且輸出信號功率大于輸入信號功率。換句話說，功率放大器放大了輸入信號的功率，這就是為什么這類放大器電路用于音頻放大器輸出級以驅動揚聲器。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換為輸送到負載的交流電壓信號。盡管放大率很高，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給我們一個100%的效率等級，或者至少“輸入”功率等于“輸出”功率。然而，在現(xiàn)實中這永遠不會發(fā)生，因為一部分功率以熱量的形式損失，而且放大器本身在放大過程中也會消耗功率。
那么放大器的效率如下：
放大器效率(Amplifier Efficiency)
理想放大器(Ideal Amplifier)
根據(jù)我們上面關于其增益（指電壓增益）的討論，我們可以現(xiàn)在指定一個理想放大器的特性：
·放大器的增益（A）對于不同的輸入信號值應保持恒定。
·增益不受頻率影響。所有頻率的信號必須以完全相同的量被放大。
·放大器的增益不應向輸出信號添加噪聲。它應該去除輸入信號中已有的任何噪聲。
·放大器的增益不應受溫度變化影響，從而提供良好的溫度穩(wěn)定性。
·放大器的增益必須在長時間內保持穩(wěn)定。
電子放大器類別(Electronic Amplifier Classes)
放大器被歸類為電壓放大器或功率放大器，是通過比較輸入和輸出信號的特性，通過測量電流在輸出電路中相對于輸入信號流過的時間量來進行的。我們在共射極晶體管教程中看到，為了讓晶體管在其“有源區(qū)”內工作，需要某種形式的“基極偏置”。這個小的基極偏置電壓加到輸入信號上，使得晶體管能夠在其輸出端重現(xiàn)完整的輸入波形而沒有信號損失。然而，通過改變這個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)其分類進行歸類。這些各種操作模式更好地被稱為放大器類別。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。放大器被指定為不同的操作類別，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。
沒有一個操作類別比任何其他類別“更好”或“更差”，操作類型由放大電路的用途決定。對于各種類型或類別的放大器，有典型的最大轉換效率，其中最常用的是：
·A類放大器-效率低，低于40%，但信號再現(xiàn)和線性度良好。
·B類放大器-效率是A類放大器的兩倍，理論最大效率約為70%，因為放大設備只在輸入信號的一半時間內導通（并使用功率）。
·AB類放大器-效率介于A類和B類之間，但信號再現(xiàn)比A類放大器差。
·C類放大器-是效率最高的放大器類別，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。
放大器簡介-A類放大器(Introduction to the Amplifier-The ClassA Amplifier)
A類放大器的基本配置為放大器電路提供了很好的介紹。A類放大器操作是指整個輸入信號波形被忠實地在放大器輸出端子處再現(xiàn)，因為晶體管被完美地偏置在其有源區(qū)內。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美地“居中”在放大器的上下信號限之間，如下所示。
A類放大器輸出波形(ClassA Amplifier Output Waveform)
A類放大器配置使用相同的開關晶體管來處理輸出波形的兩半，并且由于其中心偏置安排，即使沒有輸入信號存在，輸出晶體管也始終有恒定的直流偏置電流(I_CQ)流過。換句話說，輸出晶體管永遠不會“關閉”，并處于永久的空閑狀態(tài)。這導致A類操作效率較低，因為它將直流電源功率轉換為輸送到負載的交流信號功率通常非常低。由于這個居中的偏置點，A類放大器的輸出晶體管即使在沒有輸入信號存在時也會變得非常熱，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)集電極負載的電流。因此，A類放大器效率非常低，因為大部分直流功率被轉換成熱量。
放大器簡介-B類放大器(Introduction to the Amplifier-ClassB Amplifier)
與使用單個晶體管作為其輸出功率級的A類放大器操作模式不同，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）來放大輸出波形的每一半。一個晶體管只在信號波形的一半時間內導通，而另一個則在信號波形的另一半或相反的一半時間內導通。這意味著每個晶體管有一半時間處于有源區(qū)，一半時間處于截止區(qū)，從而只放大50%的輸入信號。與A類放大器不同，B類操作沒有直接的直流偏置電壓，而是只有當輸入信號大于基極-發(fā)射極電壓(V_BE)時晶體管才導通，對于硅晶體管，這大約是0.7v。因此，當輸入信號為零時，輸出為零。由于只有一半的輸入信號出現(xiàn)在放大器輸出端，這提高了放大器相對于之前的A類配置的效率，如下所示。
B類放大器輸出波形(ClassB Amplifier Output Waveform)
在B類放大器中，沒有使用直流電壓來偏置晶體管，因此為了讓輸出晶體管開始導通波形的每一半，無論是正半部分還是負半部分，它們都需要基極-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前向壓降。因此，低于這個0.7v窗口的輸出波形的下半部分將不會被準確地再現(xiàn)。這導致輸出波形在零電壓交叉點處有一個扭曲的區(qū)域，因為一個晶體管“關閉”等待另一個晶體管在V_BE0.7V后再次“開啟”。這種類型的失真被稱為交叉失真。
放大器簡介-AB類放大器(Introduction to the Amplifier-ClassAB Amplifier)
AB類放大器是A類和B類配置的折中方案。盡管AB類操作在其輸出級仍然使用兩個互補晶體管，但當沒有輸入信號存在時，會對每個晶體管的基極施加一個非常小的偏置電壓，以使它們接近其截止區(qū)域。一個輸入信號將使晶體管在其有源區(qū)內正常工作，從而消除B類配置中總是存在的任何交叉失真。當沒有輸入信號存在時，會有小的偏置集電極電流(I_CQ)流過晶體管，但通常遠小于A類放大器配置。因此，每個晶體管的導通時間比輸入波形的一半周期稍微長一點。AB類放大器配置的這種小偏置改善了放大器電路的效率和線性度，相比于純A類配置。
AB類放大器輸出波形(ClassAB Amplifier Output Waveform)
作為放大器介紹，在設計放大器電路時，放大器的工作類別非常重要，因為它決定了其操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導通的輸入信號部分，并確定了開關晶體管消耗和以浪費熱量形式耗散的功率量和效率。
設計不良的放大器，特別是“A”類放大器，可能還需要更大的功率晶體管、更昂貴的散熱片、冷卻風扇，甚至需要增加電源的尺寸以提供放大器所需的額外浪費功率。晶體管、電阻器或任何其他組件轉換成的熱量會使任何電子電路效率低下，并導致設備的過早失效。
放大器簡介總結(Amplifier Summary)
那么，如果A類放大器的效率低于40%，而B類放大器的效率評級超過70%，為什么還要使用A類放大器呢？基本上，A類放大器提供了更線性的輸出，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范圍內也具有線性度。
在本放大器簡介教程中，我們看到了不同類型的放大器電路，每種都有其自身的優(yōu)點和缺點。在關于放大器的下一個教程中，我們將研究最常見的晶體管放大器電路類型，即共射極放大器。大多數(shù)晶體管放大器都是共射極或CE類型電路，因為它們在電壓、電流和功率方面具有大的增益，以及出色的輸入/輸出特性。
原文鏈接：http://m.fjiakun.cn/news/4509.html