放大器电路

放大器电路，或称放大电路，能增加讯号的输出功率。它透过电源取得能量来源，以控制输出讯号的波形与输入讯号一致，但具有较大的振幅。依此来讲，放大器电路亦可视为可调节的输出电源，用来获得比输入信号更强的输出信号。

放大器的四种基本类型是电压放大器、电流放大器、互导放大器和互阻放大器。进一步的区别在于输出是否是输入的线性或非线性表示。放大器也可以通过在信号链中的物理位置来分类。

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## 性能指标

放大器性能是通过以下一系列指标来衡量的：

- 增益，输出与输入信号的幅度之间的比率
- 带宽，有用的频率范围的宽度
- 效率，输出功率和总功率消耗之间的比率
- 线性，输入和输出之间比例性的程度
- 噪声，混入到输出的不想听到的声音
- 输出动态范围，最大与最小的有用输出电平的比例
- 摆率，输出的最大变化率
- 上升时间，建立时间，振铃和过冲的阶跃响应表征
- 稳定性，避免自振荡的能力

## 放大器类型

放大器可以依据它们的输入与输出属性区分规格。

它们显示增益的性质，即输出信号和输入信号幅度之间的比例系数。依其增益的种类，可区分为电压增益（voltage gain）、电流增益（current gain）、功率增益（power gain），或是其他的单位。例如，一个互导放大器（transconductance amplifier）的增益单位是电导（输出电流除以输入电压）。在多数情况，输入和输出为相同的单位，增益无需标示出单位(除了在强调是电压放大或电流放大的情形下)，实际上经常以db（decibels）标示。

四个基本类型的放大器，如下所示：

- 电压放大器 - 这是放大器的最常见的类型。输入电压被放大到较大的输出电压。放大器的输入阻抗高，输出阻抗低。
- 电流放大器 - 该放大器能将输入电流变为一个较大的输出电流。放大器的输入阻抗低，输出阻抗高。
- 互导放大器 - 该放大器在变化的输入电压下的响应为提供一个相关的变化的输出电流。
- 互阻放大器 - 该放大器在变化的输入电流下的响应为提供一个相关的变化的输出电压。该设备的其他名称是跨阻放大器和电流电压转换器。

在实践中，一个放大器的功率增益将取决于所用的源阻抗和负载阻抗以及内在的电压/电流增益; 而一个射频（RF）放大器可以具有其最大功率传输的阻抗，音频和仪表放大器通常优化输入和输出阻抗，以使用最小的负载并获得最高的信号完整性。一个声称增益为20 dB的放大器可能具有10倍的电压增益和远超过20 dB（100功率比）的可用功率增益，但实际上可以提供一个低得多的功率增益，比如输入是一个600 Ω的麦克风，输出接在一个47 kΩ的功率放大器的输入端上。

## 放大器的分类和系统

在放大器设计上有许多不同的分类选项，电路的目的与导通角的设计相关。放大器设计总是有许多妥协的因素，例如成本花费、功率消耗、现实世界的设备缺失与许多的效能规格。下面是几个依不同的方法的分类：

### 输入与输出信号

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放大器电路使用两种讯号种类：电流和电压。作为输入、输出，导致4种类型的放大器。在理想的情况，他们代表的四种类型在线性分析的相依电源，如图：

输入｜输出｜相依电源｜放大器类型

I｜I｜CCCS（电流控制电流源）current controlled current source｜电流放大器

I｜V｜CCVS（电流控制电压源）current controlled voltage source｜转阻放大器

V｜I｜VCCS（电压控制电流源）voltage controlled current source｜转导放大器

V｜V｜VCVS（电压控制电压源）voltage controlled voltage source｜电压放大器

每种类型的放大器，在理想情况下，各相依电源具有与下表相同的输入和输出阻抗：

放大器类型｜相依电源｜输入阻抗｜输出阻抗

电流｜CCCS｜0｜∞

转阻｜CCVS｜0｜0

转导｜VCCS｜∞｜∞

电压｜VCVS｜∞｜0

在实际上，理想的阻抗只是近似。任何特定电路，小信号分析，往往是用来寻找实际的阻抗。小信号交流测试电流Ix是被用于输入或输出节点，所有外部电源设成AC为零，而相应的交流电压Vx，阻抗决定于整个测试电流于该节点为：R = Vx / Ix。

### 共用端

在放大器电路之中，负责处理放大的电子元件会有一个接脚是输入端与输出端的电路所共用使用的。

- BJT：共射极（common emitter）、共基极（common base）、共集极（common collector）
- FET：共源极（common source）、共闸极（common gate）、共汲极（common drain）

### 反相与非反相

另外一种分类放大器的方式是借由输入讯号及输出讯号的相位关系，一个“反相”放大器其输出讯号会和输入讯号有着180度的相位差(因为从示波器上观察像是极性相反或是镜像投射)。而“非反相”放大器保留了原始输入脉冲的波形的相位。射极随耦器(也称共集极电路)即是一种“非反相”放大器，其在射极输出讯号(有着单一增益但或许会有些偏移)是随着输入讯号的。电压随耦器也是一种有着单一增益的“非反相”放大器。

以上这些叙述可以通用在单级放大器，或是一个完整的放大器系统。

### 功能

放大器可以用其功能或输出特性做分类。

这些功能的描述，通常适用于完整的放大器系统，或子系统，很少去个别的区分。

- 伺服放大器（servo amplifier）
- 线性放大器（linear amplifier）
- 宽频放大器（wideband amplifier）
- 射频放大器（RF amplifier）
- 音频放大器（audio amplifier）
- 前置放大器（Preamplifier）
- 功率放大器（Power amplifier）
- 立体声放大器（Stereo amplifiers）
- 缓冲放大器（Buffer amplifiers）
- 运算放大器（operational amplifiers）

### 耦合方式

- RC耦合
- LC耦合
- 变压器耦合
- 直接耦合放大器（Direct coupled amplifier）

## 使用历史及演化

放大器电路在不同时期在电子领域中有扮演着不同的角色：

- 放大器电路被首次用于中继传播设施。例如在旧式电话线路中：用弱电流控制外呼线路的电源电压。
- 用于音频广播。范信达（Reginald Fessenden）在1906年12月24日，首次把碳粒式麦克风作为放大器，应用于调频广播传送装置中，把声音调制成射频源。
- 在20世纪60年代，真空管开始淘汰。当时，一些大功率放大器或专业级的音频应用（例如吉他放大器和高保真放大器）仍然会采用真空管放大器电路。许多广播发射站仍然使用真空管。
- 20世纪70年代开始，越来越多的晶体管被连接到一块芯片上来制作集成电路。如今大量商业上通行的放大器都是基于集成电路的。

## 功率放大器类型

### A类

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当对效率要求不高的时候，大多数小信号线性放大器会设计成甲类（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。

A类放大器的缺点是输出效率很低，理论值不超过百分之五十。以驱动耳机为例，在一般情况下，音量越小，耗电越多，当机子在没有信号输入时，电流以最大的额度流动，所以在待机没听音乐时，却是用电最快的时候；即使在听音乐时，所用的电也有 50% 以热量形式消耗掉。所以，一台A类放大器的用电量，绝不亚于一台冷气机，而此 50% 的消耗热能，则是让真空管逐渐老化的原因。同时因为发热量太大，所有零件长期工作于大电流、高温下，容易引起稳定度和寿命方面的问题，假如是纯A类真空管综合扩大机，还有管子寿命及日后更换等问题。

### B与AB类

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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。

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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）。

### C类

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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。

### D类

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丁类（D类）放大器使用快速开关（现代设计中多为数百KHz）来达到很高的功耗转换（在现代设计中大于90%），原理与交换式电源供应器相近。通过每个输出器件元件导通或关断，来输出放大的类比讯号，因此能量损失达到最小化；由于原始讯号是先被转换成一系列的开关（1与0）指令，因此又被称为数位扩大机。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（音质差），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的差距已经缩小。

由于PDM数字信号也属于PWM讯号，原始的数字音乐讯号可以借由数学计算来转换成同样为数字信号的PDM讯号、而由PDM讯号直接控制开关元件，这样子称为数位直输（也有称为Power DAC及Sony的S-master）；D类扩大机被诟病的其中一点就是数位直输的不成熟与不普及，多数音响系统是先用数位类比转换器将数字音乐转换成类比音讯，然后D类扩大机再将类比音讯转回PDM格式的数字信号，两次数位类比转换会造成更大的失真。

### 特殊类型

#### E类

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F类

#### G类与H类

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## 外部链接

- Rane audio's guide to amplifier classes
- Design and analysis of a basic class D amplifier
- Conversion: distortion factor to distortion attenuation and THD
- An alternate topology called the grounded bridge amplifier - pdf
- Contains an explanation of different amplifier classes - pdf
- Reinventing the power amplifier - pdf
- Anatomy of the power amplifier, including information about classes
- Tons of Tones - Site explaining non linear distortion stages in Amplifier Models
- Class D audio amplifiers, white paper - pdf
- Class E Radio Transmitters - Tutorials, Schematics, Examples, and Construction Details