放大器

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扩大器（amplifier）或电子扩大器（electronic amplifier）是一种可以增加讯号（随时间变化的电压或电流）功率的电子设备。它是一种双埠电子电路，使用来自电源供应器的电力来增加施加到其输入端讯号的振幅（电压或电流的幅度），从而在其输出端产生成比例的更大振幅讯号。扩大器提供的放大量由其增益衡量，亦即输出电压、电流或功率与输入的比率。扩大器是一种功率增益大于1的电路。

## 扩大器的基本特性

大多数扩大器的特性可以由一系列的参数来描述。

### 增益

增益是指扩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。（对功率扩大器而言，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

扩大器对于不同的频率有不同的转换倍率，一个扩大器会有最佳的放大波段，即听音乐时调整的EQ.

### 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

扩大器的带宽（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）。

扩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%时所用的时间。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：

$Tr \cdot BW = 0.35$,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。

### 压摆率

压摆率是指输出电压变量的变化率，常定义为伏特/每秒（或微秒）。

### 噪声系数

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。也可由输入信号和输出信号的信噪比差值确定，输出信号信噪比恶化了多少dB，则该放大器的噪声系数就是多少dB。

### 效率

效率用来量度多少输入能量是应用于扩大器输出的。甲类（A类）扩大器效率十分低下，约在10-20%之间，最大不超过25%。现代甲乙类（AB类）扩大器一般效率都在35-55%之间，理论值可达78.5%。有报道说商用的丁类（D类）扩大器的效率可高达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

理想扩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，其他情况下均会出现失真。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”（削顶失真、削峰失真）。同样的，存在着“饱和失真”（削底失真）。失真的原因与晶体管的特性以及静态工作点的选择密切相关。

有些扩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反馈等。

## 放大器电路

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

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;详见功率放大器类型。

### 真空管放大器

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电子管放大器是使用电子管作为主动元件的电子放大器。电子管放大器可以放大信号的幅度或功率。现今，中低功率、工作频率低于微波的电子管放大器已经广泛地被电晶体放大器于1960-1970年代取代。电子管放大器现在被用于吉他爱好者的吉他音箱、音响发烧友的立体声放大器、卫星通讯以及雷达等军事用途与大功率高频无线电发射（如无线广播、无线电视的发射）。

### 晶体管放大器

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

运算放大器通常在类比输入上运作是一种积体电路式放大器，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

### 微波放大器

行波管（TWT）放大器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。

### 音频放大器

音频放大器通常用于放大音乐或说话的讯号。

## 其他类型放大器

### 磁放大器

磁放大器，是用具有非线性特性的铁磁材料制成铁心，并用直流和交流电流使其磁化以进行电量变换的电器。磁放大器主要用于电气自动控制系统中，如电机的调速、调压等。

### 光学放大器

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

## 外部链接

- Audio Valve Amplifier Kit Build See a high quality hi-fi amplifier being built from a kit.
- SatSleuth Circuits Large database of amplifier schematics.
- 60 Watt RF Amplifier Solid state RF power amplifier using IRF840. Simple and easy to construct. IRF840 can handle a maximum power output of 125 watts.
- The Audio Circuit —Information on and user reviews of loudspeakers, headphones, amplifiers, and playback equipment.
- Car Audio —Talk about Car Audio amplifiers and other mobile electronics.
- NPN晶体管共发射极放大器Java模拟