功率放大器

**放大器**（英語：amplifier）或**電子放大器**（electronic amplifier）是一種可以增加訊號（隨時間變化的電壓或電流）功率的電子設備。它是一種雙埠電子電路，使用來自電源供應器的電力來增加施加到其輸入端訊號的振幅（電壓或電流的幅度），從而在其輸出端產生成比例的更大振幅訊號。放大器提供的放大量由其增益衡量，亦即輸出電壓、電流或功率與輸入的比率。放大器是一種功率增益大於 1 的電路。

## 放大器的基本特性

大多數放大器的特性可以由一系列的參數來描述。

### 增益

增益是指放大器能在多大程度上增大訊號的幅值。該參數常用分貝（dB）來度量。用數學語言來說，增益等於輸出幅值除以輸入幅值。（對功率放大器而言，用分貝表示的增益可以由此關係式計算：G (dB)=10log (Pout/Pin)(Electrical)）。

### 理想頻率特性

放大器對於不同的頻率有不同的轉換倍率，一個放大器會有最佳的放大波段，即聽音樂時調整的 EQ.

### 輸出動態範圍

輸出動態範圍，常用 dB 為單位給出，是指最大與最小有用輸出幅值之間的範圍。因為最低的有用幅值受限於輸出雜訊，所以稱之為放大器的動態範圍。

### 帶寬與上升時間

放大器的帶寬（BW）常定義為低頻與高頻半功率點之間的差值。因而也就是常說的 - 3dB BW。有時也定義在其它的響應容差下的帶寬（-1dB，－6dB 等等。）。舉例來說，一個好的音頻放大器的－3dB 帶寬將在二十赫茲到兩萬赫茲左右（正常人的聽覺頻率範圍）。

放大器的上升時間是指當階躍訊號輸入時，輸出端由其最終輸出幅度值 10% 變化到 90% 時所用的時間。對於高斯響應系統（或一個簡單的 RC 振盪迴路），上升時間大約可以表達為：

　
: $Tr\cdot BW=0.35$ , 其中 BW 的單位是 Hz，Tr 的單位是秒。

### 建立時間與失調

是指輸出幅值建立於最終幅值的某個比值（比如 0.1%）以內時所花的時間。

### 壓擺率

壓擺率是指輸出電壓變量的變化率，常定義為伏特 / 每秒（或微秒）。

### 雜訊係數

是對在放大過程中引入雜訊多少的一個量度。雜訊是電學元件和元件中不受歡迎卻無法避免的。雜訊由放大器零輸入時輸出的分貝或輸出電壓峰值來度量。也可由輸入訊號和輸出訊號的信噪比差值確定，輸出訊號信噪比惡化了多少 dB，則該放大器的雜訊係數就是多少 dB。

### 效率

效率用來量度多少輸入能量是應用於放大器輸出的。甲類（A 類）放大器效率十分低下，約在 10-20% 之間，最大不超過 25%。現代甲乙類（AB 類）放大器一般效率都在 35-55% 之間，理論值可達 78.5%。有報導說商用的丁類（D 類）放大器的效率可高達 97%。放大器的效率限制了總功耗中有用部分所占的比例。注意，效率越高的放大器散熱量越小，通常在幾個瓦特的設計中也無需風扇。

### 線性度

理想放大器應當是完全線性元件，但是實際的放大器僅在某些實際限制下是線性的，其他情況下均會出現失真。當驅動放大器的訊號增大後，輸出也隨之增大，直到達到某個電壓值，使得放大器的某部分達到飽和從而不能再增大輸出了，稱之為「截止失真」（削頂失真、削峰失真）。同樣的，存在著「飽和失真」（削底失真）。失真的原因與電晶體的特性以及靜態工作點的選擇密切相關。

有些放大器在設計中通過某種可控途徑來解決這個問題，即以犧牲增益為代價換取較小的失真。其結果是一種_補償_效應，即（如果放大器是音頻放大器的話）大大減少聽起來不悅耳的聲音。對於這些放大器，其增益比小訊號時小 1dB 時的輸入功率（或輸出功率）定義為 1dB 補償點。

線性度是一個關鍵的問題，目前有很多技術來避免非線性帶來的影響，比如前饋、預矯正、後矯正、包跡抑制還原（波包消除重建）、用非線性元件實現線性放大（LINC）、CALLUM、Cartesian 回饋等。

## 放大器電路

對於不同的應用，電子放大器有很多種類。

最普通的一類放大器就是電子放大器，常應用於廣播和電視發射台及接收器，高傳真（hi-fi）立體聲裝置，微型計算機和其它電子數位裝置，以及其他儀表放大器。它最關鍵的元件是主動元件，比如真空管或電晶體。

### 功率放大器

放大器常依據通過放大元件的輸入訊號（正弦波）的導通角（有時也稱為 angle of flow）來分類；詳見功率放大器類型。

### 真空管放大器

真空管放大器是使用真空管作為主動元件的電子放大器。真空管放大器可以放大訊號的幅度或功率。現今，中低功率、工作頻率低於微波的真空管放大器已經廣泛地被電晶體放大器於 1960-1970 年代取代。真空管放大器現在被用于吉他愛好者的吉他音箱、音響發燒友的立體聲放大器、衛星通訊以及雷達等軍事用途與大功率高頻無線電發射（如無線廣播、無線電視的發射）。

### 電晶體放大器

此主動元件的基本角色就是放大輸入訊號，產生一個顯著的放大訊號。放大的倍率（順向增益）是由主動元件和外部電路所共同決定的。在電晶體放大器裡常用的主動元件是雙極性電晶體（BJT）和金氧半場效應電晶體（MOSFET）。應用非常多樣化，常見的如家用音響的聲音放大器、半導體設備的高功率射頻訊號發射機、射頻或微波訊號的無線電收發機。

### 運算放大器

運算放大器通常在類比輸入上運作是一種積體電路式放大器，主要由外部的回授來決定其轉移函數或增益。

### 影像放大器

本類放大器處理頻寬高於 5MHz 的影像訊號。為了呈現可接受的電視畫面，對於步階響應和 _Overshoot_ 的要求也是必要的。設計一個高頻影像放大器是件很困難的工作。

#### 示波器垂直放大器

用於放大示波器映像管的影像訊號，頻寬大約可達 500MHz。對於步階響應、上升時間、overshoot 和_變形_的規格要求，使得設計此種放大器是極端困難的

#### 分散式放大器

### 微波放大器

行波管（TWT）放大器應用於微波頻段中較低頻的高功率放大。此類放大器通常能使用於很寬的頻率範圍，但相對的，TWT 並不像 Klystrons 能夠調整。

### 音頻放大器

音頻放大器通常用於放大音樂或說話的訊號。

## 其他類型放大器

### 碳膜麥克風

### 磁放大器

磁放大器，是用具有非線性特性的鐵磁材料製成鐵心，並用直流和交流電流使其磁化以進行電量變換的電器。磁放大器主要用於電氣自動控制系統中，如電機的調速、調壓等。

### 光學放大器

通過受激輻射過程放大光的元件。比如用於光纖通訊網絡中的摻鉺光纖放大器（EDFA，Erbium doped fiber amplifier）。

### 雜項類型

* 低噪音放大器

## 參見

* 密勒效應

## 參考資料

## 外部連結

* Audio Valve Amplifier Kit Build （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）—Information on and user reviews of loudspeakers, headphones, amplifiers, and playback equipment.
* Car Audio （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）—Talk about Car Audio amplifiers and other mobile electronics.
* NPN 電晶體共發射極放大器 Java 類比 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）