放大器简介 (Introduction to the Amplifier)

放大器简介 (Introduction to the Amplifier)

放大器是一种电子设备或电路，用于增加施加到其输入端的信号幅度。放大器是用于描述产生其输入信号增强版本的电路的通用术语。然而，正如我们将在本放大器教程简介中看到的那样，并非所有放大器电路都相同，因为它们根据其电路配置和操作模式进行分类。在“电子学”中，小信号放大器是常用设备，因为它们能够放大相对较小的输入信号（例如来自光敏设备等传感器），并将其转换为更大的输出信号，以驱动继电器、灯或扬声器 。有许多形式的电子电路被归类为放大器，从运算放大器和小信号放大器到大信号和功率放大器 。放大器的分类取决于信号的大小（大或小）、其物理配置以及它如何处理输入信号，即输入信号与负载中流动的电流之间的关系 。放大器的类型或分类在下表中给出 。

下表：

信号类型 (Type of Signal)

配置 (Configuration)

分类 (Classification)

运行频率 (Frequency of Operation)

小信号 (Small Signal)

共射极 (Common Emitter)

A 类放大器 (Class A Amplifier)

直流电 (DC) (Direct Current)

大信号 (Large Signal)

共基极 (Common base)

B 类放大器 (Class B Amplifier)

音频频率 (AF) (Audio Frequencies)

共集电极 (Common Collector)

AB 类放大器 (Class AB Amplifier)

射频 (RF) (Radio Frequencies)

C 类放大器 (Class C Amplifier)

VHF, UHF 和 SHF 频率 (VHF, UHF and SHF Frequencies)

理想放大器模型 (Ideal Amplifier Model)

放大器可以被看作是一个简单的方框或方块，包含放大设备，例如双极晶体管、场效应晶体管或运算放大器，它有两个输入端子和两个输出端子（地线是共有的），并且输出信号比输入信号大得多，因为它已被“放大” 。一个理想的信号放大器将具有三个主要特性：输入电阻或 (

R_IN)、输出电阻或 (R_OUT) 以及当然地，通常被称为增益或 (A) 的放大能力 。无论放大器电路多么复杂，都可以使用通用的放大器模型来显示这三个特性之间的关系 。

[图片：一个理想放大器模型的图表。放大器方块包含输入电阻（

R_IN）、输出电阻（R_OUT）和增益（A）。]

放大器增益 (Amplifier Gain)

输入和输出信号之间的放大差异被称为放大器的增益。增益基本上是衡量放大器“放大”输入信号的程度 。例如，如果我们有一个 1 伏特的输入信号和一个 50 伏特的输出，那么放大器的增益将是“50” 。换句话说，输入信号增加了 50 倍 。这种增加被称为增益 。放大器增益简单地是输出除以输入的比率 。增益没有单位，因为它是一个比率，但在电子学中，它通常被赋予符号“A”，代表放大 (Amplification) 。因此，放大器的增益简单地被计算为“输出信号除以输入信号” 。

放大器增益的引入可以被认为是输出端测量的信号与输入端测量的信号之间存在的关系。可以测量三种不同类型的放大器增益，它们是：电压增益 (

A_v)、电流增益 (A_i) 和功率增益 (A_p)，这取决于正在测量的量 。这些不同类型增益的例子如下所示 。

输入信号的放大器增益 (Amplifier Gain of the Input Signal)

[图片：一个显示放大器工作原理的图表。一个小输入信号进入，一个更大的输出信号出来。增益（A）等于输出除以输入。]

电压放大器增益 (Voltage Amplifier Gain)

电流放大器增益 (Current Amplifier Gain)

功率放大器增益 (Power Amplifier Gain)

注意，对于功率增益，你也可以将输出获得的功率除以输入获得的功率。此外，当计算放大器的增益时，下标 v、i 和 p 用于表示所使用的信号增益类型 。放大器的功率增益 (

A_p) 或功率电平也可以用分贝 (dB) 表示 。贝尔 (Bel) (B) 是一个没有单位的对数单位（以 10 为底） 。由于贝尔是一个太大的测量单位，它被加上前缀 deci，使其成为分贝 (Decibels)，其中一个分贝是贝尔的十分之一 (

1/10th) 。要用分贝或 dB 计算放大器的增益，我们可以使用以下表达式 。

·   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输出与输入比率的常用对数的十倍，而电压和电流增益是该比率的常用对数的二十倍。然而请注意，20dB 并不是 10dB 的两倍功率，因为它是对数刻度 。此外，正值的分贝表示增益，而负值的分贝表示放大器内的损耗 。例如，+3dB 的放大器增益表示放大器的输出信号“翻倍”，而 -3dB 的放大器增益表示信号“减半”，换句话说就是损耗 。放大器的 -3dB 点被称为半功率点，它比最大值低 -3dB，将 0dB 视为最大输出值 。

放大器简介例一 (Introduction to the Amplifier Example No1)

问题：确定一个放大器的电压、电流和功率增益，该放大器的输入信号为 1mA 10mV，对应的输出信号为 10mA 1V 。另外，将所有三种增益以分贝 (dB) 表示 。

各种放大器增益 (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

以分贝 (dB) 表示的放大器增益 (Amplifier Gains given in Decibels (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，该放大器的电压增益 (

A_v) 为 100，电流增益 (A_i) 为 10，功率增益 (A_p) 为 1,000 。

放大器类型 (Types of Amplifier)

通常，放大器可以根据其功率或电压增益分为两种不同类型。一种类型是

小信号放大器，其中包括前置放大器、仪表放大器等。小信号放大器旨在放大来自传感器或音频信号的非常小的电压电平，仅为几微伏 (µV) 。另一种类型是

大信号放大器，例如音频功率放大器或功率开关放大器。大信号放大器旨在放大大输入电压信号或驱动重负载电流，就像驱动扬声器一样。

功率放大器简介 (Introduction to the Amplifier of Power Amplifiers)

小信号放大器通常被称为“电压”放大器，因为它们通常将小的输入电压转换为大得多的输出电压 。有时需要一个放大器电路来驱动电机或为扬声器供电，对于需要高开关电流的这些应用，需要功率放大器 。顾名思义，“功率放大器”（也称为大信号放大器）的主要工作是向负载提供功率，正如我们从上面所知，功率是施加到负载的电压和电流的乘积，并且输出信号功率大于输入信号功率 。换句话说，功率放大器放大了输入信号的功率，这就是为什么这类放大器电路用于音频放大器输出级以驱动扬声器 。功率放大器的工作基本原理是将从电源中获取的直流功率转换为输送到负载的交流电压信号 。尽管放大率很高，但从直流电源输入到交流电压信号输出的转换效率通常很差 。完美或理想的放大器将给我们一个 100% 的效率等级，或者至少“输入”功率等于“输出”功率 。然而，在现实中这永远不会发生，因为一部分功率以热量的形式损失，而且放大器本身在放大过程中也会消耗功率 。

那么放大器的效率如下：

放大器效率 (Amplifier Efficiency)

理想放大器 (Ideal Amplifier)

根据我们上面关于其增益（指电压增益）的讨论，我们可以现在指定一个理想放大器的特性：

· 放大器的增益（A）对于不同的输入信号值应保持恒定 。

· 增益不受频率影响。所有频率的信号必须以完全相同的量被放大。

· 放大器的增益不应向输出信号添加噪声。它应该去除输入信号中已有的任何噪声。

· 放大器的增益不应受温度变化影响，从而提供良好的温度稳定性。

· 放大器的增益必须在长时间内保持稳定。

电子放大器类别 (Electronic Amplifier Classes)

放大器被归类为电压放大器或功率放大器，是通过比较输入和输出信号的特性，通过测量电流在输出电路中相对于输入信号流过的时间量来进行的。我们在共射极晶体管教程中看到，为了让晶体管在其“有源区”内工作，需要某种形式的“基极偏置” 。这个小的基极偏置电压加到输入信号上，使得晶体管能够在其输出端重现完整的输入波形而没有信号损失 。然而，通过改变这个基极偏置电压的位置，可以使放大器以除了全波形再现之外的放大模式运行 。随着引入基极偏置电压，可以获得不同的操作范围和操作模式，它们根据其分类进行归类 。这些各种操作模式更好地被称为

放大器类别。音频功率放大器根据其电路配置和操作模式按字母顺序分类。放大器被指定为不同的操作类别，例如“A”类、“B”类、“C”类、“AB”类等 。这些不同的放大器类别范围从接近线性输出但效率低到非线性输出但效率高 。

没有一个操作类别比任何其他类别“更好”或“更差”，操作类型由放大电路的用途决定 。对于各种类型或类别的放大器，有典型的最大转换效率，其中最常用的是 ：

· A 类放大器 - 效率低，低于 40%，但信号再现和线性度良好 。

· B 类放大器 - 效率是 A 类放大器的两倍，理论最大效率约为 70%，因为放大设备只在输入信号的一半时间内导通（并使用功率） 。

· AB 类放大器 - 效率介于 A 类和 B 类之间，但信号再现比 A 类放大器差 。

· C 类放大器 - 是效率最高的放大器类别，但失真非常高，因为只有一小部分输入信号被放大，因此输出信号与输入信号几乎没有相似之处 。C 类放大器的信号再现最差 。

放大器简介 - A 类放大器 (Introduction to the Amplifier - The Class A Amplifier)

A 类放大器的基本配置为放大器电路提供了很好的介绍 。A 类放大器操作是指整个输入信号波形被忠实地在放大器输出端子处再现，因为晶体管被完美地偏置在其有源区内 。这意味着开关晶体管永远不会被驱动到其截止或饱和区域 。结果是交流输入信号完美地“居中”在放大器的上下信号限之间，如下所示 。

A 类放大器输出波形 (Class A Amplifier Output Waveform)

[图片：一个显示 A 类放大器输入和输出信号波形的图表。输出信号是一个完美的正弦波，由一个直流偏置点偏移。]

A 类放大器配置使用相同的开关晶体管来处理输出波形的两半，并且由于其中心偏置安排，即使没有输入信号存在，输出晶体管也始终有恒定的直流偏置电流 (

I_CQ) 流过 。换句话说，输出晶体管永远不会“关闭”，并处于永久的空闲状态 。这导致 A 类操作效率较低，因为它将直流电源功率转换为输送到负载的交流信号功率通常非常低 。由于这个居中的偏置点，A 类放大器的输出晶体管即使在没有输入信号存在时也会变得非常热，因此需要某种形式的散热 。流经晶体管集电极的直流偏置电流 (

I_CQ) 等于流经集电极负载的电流 。因此，A 类放大器效率非常低，因为大部分直流功率被转换成热量 。

放大器简介 - B 类放大器 (Introduction to the Amplifier - Class B Amplifier)

与使用单个晶体管作为其输出功率级的 A 类放大器操作模式不同，B 类放大器使用两个互补晶体管（一个 NPN 和一个 PNP 或一个 NMOS 和一个 PMOS）来放大输出波形的每一半 。一个晶体管只在信号波形的一半时间内导通，而另一个则在信号波形的另一半或相反的一半时间内导通 。这意味着每个晶体管有一半时间处于有源区，一半时间处于截止区，从而只放大 50% 的输入信号 。与 A 类放大器不同，B 类操作没有直接的直流偏置电压，而是只有当输入信号大于基极-发射极电压 (

V_BE) 时晶体管才导通，对于硅晶体管，这大约是 0.7v 。因此，当输入信号为零时，输出为零 。由于只有一半的输入信号出现在放大器输出端，这提高了放大器相对于之前的 A 类配置的效率，如下所示 。

B 类放大器输出波形 (Class B Amplifier Output Waveform)

[图片：一个显示 B 类放大器输入和输出信号波形的图表。输出信号只显示正弦波的正半部分，在过零点处有间隙。]

在 B 类放大器中，没有使用直流电压来偏置晶体管，因此为了让输出晶体管开始导通波形的每一半，无论是正半部分还是负半部分，它们都需要基极-发射极电压

V_BE 大于标准双极晶体管开始导通所需的 0.7v 前向压降 。因此，低于这个 0.7v 窗口的输出波形的下半部分将不会被准确地再现 。这导致输出波形在零电压交叉点处有一个扭曲的区域，因为一个晶体管“关闭”等待另一个晶体管在

V_BE0.7V 后再次“开启” 。这种类型的失真被称为

交叉失真，并将在本节后面进行研究。

放大器简介 - AB 类放大器 (Introduction to the Amplifier - Class AB Amplifier)

AB 类放大器是 A 类和 B 类配置的折中方案 。尽管 AB 类操作在其输出级仍然使用两个互补晶体管，但当没有输入信号存在时，会对每个晶体管的基极施加一个非常小的偏置电压，以使它们接近其截止区域 。一个输入信号将使晶体管在其有源区内正常工作，从而消除 B 类配置中总是存在的任何交叉失真 。当没有输入信号存在时，会有小的偏置集电极电流 (

I_CQ) 流过晶体管，但通常远小于 A 类放大器配置 。因此，每个晶体管的导通时间比输入波形的一半周期稍微长一点 。AB 类放大器配置的这种小偏置改善了放大器电路的效率和线性度，相比于纯 A 类配置 。

AB 类放大器输出波形 (Class AB Amplifier Output Waveform)

[图片：一个显示 AB 类放大器输入和输出信号波形的图表。输出信号显示正弦波的两半，由于直流偏置，在过零点处有一个非常小的间隙。]

作为放大器介绍，在设计放大器电路时，放大器的工作类别非常重要，因为它决定了其操作所需的晶体管偏置量以及输入信号的最大幅度。放大器分类考虑了输出晶体管导通的输入信号部分，并确定了开关晶体管消耗和以浪费热量形式耗散的功率量和效率。在这里，我们可以在下表中对最常见的放大器分类进行比较。

功率放大器类别 (Power Amplifier Classes)

下表：

类别 (Class)

A

B

AB

C

传导角 (Conduction Angle)

360∘

180∘

180∘到 360∘

小于 90∘

Q 点位置 (Position of the Q-point)

负载线的中心点 (Centre Point of the Load Line)

正好在 X 轴上 (Exactly on the X-axis)

介于 X 轴和中心负载线之间 (In between the X-axis and the Centre Load Line)

X 轴以下 (Below the X-axis)

总效率 (Overall Efficiency)

较差 25% 至 30% (Poor 25 to 30%)

较好 70% 至 80% (Better 70 to 80%)

优于 A 但低于 B 50% 至 70% (Better than A but less than B 50 to 70%)

高于 80% (Higher than 80%)

信号失真 (Signal Distortion)

如果正确偏置则无 (None if Correctly Biased)

在 X 轴交叉点处存在 (At the X-axis Crossover Point)

少量失真 (Small Amounts)

大量失真 (Large Amounts)

设计不良的放大器，特别是“A”类放大器，可能还需要更大的功率晶体管、更昂贵的散热片、冷却风扇，甚至需要增加电源的尺寸以提供放大器所需的额外浪费功率 。晶体管、电阻器或任何其他组件转换成的热量会使任何电子电路效率低下，并导致设备的过早失效 。

放大器简介总结 (Amplifier Summary)

那么，如果 A 类放大器的效率低于 40%，而 B 类放大器的效率评级超过 70%，为什么还要使用 A 类放大器呢 ？基本上，A 类放大器提供了更线性的输出 ，这意味着即使它消耗大量的直流功率，它在更大的频率响应范围内也具有线性度 。

在本放大器简介教程中，我们看到了不同类型的放大器电路，每种都有其自身的优点和缺点。在关于放大器的下一个教程中，我们将研究最常见的晶体管放大器电路类型，即共射极放大器。大多数晶体管放大器都是共射极或 CE 类型电路，因为它们在电压、电流和功率方面具有大的增益，以及出色的输入/输出特性 。