放大器的工作原理与使用方法详解

什么是放大器？

放大器是用于描述产生和增加其输入信号版本的电路的通用术语。 但并非所有放大电路都相同，因为它们是根据其电路配置和操作模式进行分类的。

在“电子”中，小信号放大器是常用的设备，因为它们能够将相对较小的输入信号（例如来自传感器（如光电设备））放大为更大的输出信号，以驱动继电器、灯或以扬声器为例。

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、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。

下图为放大器的一些分类。

放大器类型分类图

放大器可以被认为是一个包含放大设备的简单盒子或块，例如双极晶体管、场效应晶体管或运算放大器，它有两个输入端和两个输出端（接地），输出信号要大得多比输入信号，因为它已被“放大”。

理想的信号放大器将具有三个主要属性： 输入电阻、输出电阻 、增益的放大。 无论放大器电路多么复杂，仍然可以使用通用放大器模型来显示这三个属性的关系。

理想放大器模型

理想放大器模型图

输入和输出信号之间的放大差异称为放大器的增益。

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 1V输入信号和 50V的输出，那么放大器的增益将为“50”。 换句话说，输入信号增加了 50 倍。 这种增加称为增益。

放大器增益只是输出除以输入的比率。 增益没有单位作为它的比率，但在电子学中，它通常被赋予符号“A”，表示放大。 然后放大器的增益可以简单地计算为“输出信号除以输入信号”。

放大器增益

放大器增益的引入可以说是输出端测得的信号与输入端测得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( Av )、电流增益( Ai ) 和功率增益( Ap )，具体取决于所测量的量，下面给出了这些不同类型增益的示例.

输入信号的放大器增益

输入信号的放大器增益增益

电压放大器增益

电压放大器增益公式

电流放大器增益

电流放大器增益公式

功率放大器增益

功率放大器增益

对于功率增益，也可以将输出获得的功率除以输入获得的功率。 在计算放大器的增益时，一定要注意下标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 (Ap) 或功率电平也可以用分贝( dB ) 表示。 B 是一个对数单位（以 10 为底），没有单位。 由于 Bel 是一个太大的计量单位，要以分贝或 dB 为单位计算放大器的增益，我们可以使用以下表达式。

电压增益 (dB)：av = 20*log(Av)

电流增益 (dB)：ai = 20*log(Ai)

以 dB 为单位的功率增益：a p = 10*log(Ap)

放大器的直流功率增益等于输出输入比的常用对数的 10 倍，其中电压和电流增益是该比的常用对数的 20 倍。 但是要注意20dB 的功率不是 10dB 的两倍。

此外，dB 的正值表示增益，dB 的负值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“加倍”，而 -3dB 的放大器增益表示信号“减半”，换句话说是损失。

放大器的-3dB点称为半功率点，从最大值下降-3dB，以0dB为最大输出值。

放大器的工作原理

确定一个放大器的电压、电流和功率增益，该放大器在 10mV 时输入信号为 1mA，在 1V时相应输出信号为 10mA。 此外，以分贝 (dB) 表示所有三个增益。

各种放大器增益：

各类放大增益公式

放大器增益以分贝 (dB) 为单位：

放大器增益公式

放大器的电压增益 (Av) 为 100，电流增益 (Ai) 为 10，功率增益 (Ap) 为 1,000。

通常，放大器可以根据其功率或电压增益细分为两种不同的类型。 一种称为小信号放大器，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信号电压电平，仅为几微伏 (μV)。

另一种称为大信号放大器，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切换重负载电流，就像您会发现驱动扬声器一样。

功率放大器工作原理

小信号放大器通常被称为“电压”放大器，因为它们通常将小输入电压转换为大得多的输出电压。 有时需要放大器电路来驱动电机或为扬声器供电，而对于需要高开关电流的这些类型的应用，则需要功率放大器。

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道的，是施加到负载上的电压和电流的乘积。 输出信号功率大于输入信号功率的负载。 换句话说，功率放大器放大输入信号的功率，这就是为什么这些类型的放大器电路用于音频放大器输出级以驱动扬声器的原因。

功率放大器的工作原理是将从电源汲取的直流电转换成交流电压信号传送到负载。 虽然放大率很高，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会给我们100% 的效率等级，至少功率“IN”将等于功率“OUT”。 但实际上是不可能的，因为一些功率会以热量的形式损失掉，而且放大器本身在放大过程中也会消耗功率。 那么放大器的效率为：

放大器效率

放大器效率公式

理想放大器

我们可以从上面关于增益的讨论中知道理想放大器的特性，即电压增益：

对于不同的输入信号值，放大器增益 (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放大。

放大器增益不得向输出信号添加噪声。 它应该消除输入信号中已经存在的任何噪声。

放大器增益不应受到温度变化的影响，从而提供良好的温度稳定性。

放大器的增益必须长时间保持稳定。

电子放大器类

通过测量电流在输出电路中流动与输入信号相关的时间量来比较输入和输出信号的特性，从而将放大器分类为电压放大器或功率放大器。

要使晶体管在其“有源区域”内运行，需要某种形式的“基极偏置”。 添加到输入信号的这个小的基极偏置电压允许晶体管在其输出端再现完整的输入波形，而不会丢失信号。

然而，通过改变该基极偏置电压的位置，可以使放大器以不同于全波形再现的放大模式工作。 通过引入基极偏置电压的放大器，可以获得不同的工作范围和工作模式，并根据其分类进行分类。 这些不同的操作模式被称为放大器类。

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。放大器由不同的操作类别指定，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。

没有一类操作比任何其他类“更好”或“更差”，操作类型取决于放大电路的使用。各种类型或类别的放大器都有典型的最大转换效率，最常用的是：

A 类放大器 ——效率低于 40%，但具有良好的信号再现和线性度。

B 类放大器 - 效率是 A 类放大器的两倍，最大理论效率约为 70%，因为放大设备仅传导（并使用功率）输入信号的一半。

AB 类放大器 - 效率等级介于 A 类和 B 类之间，但信号再现性比 A 类放大器差。

C 类放大器 - 是最有效的放大器类，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。

A类放大器工作原理

A 类放大器操作是在放大器输出端全部再现整个输入信号波形，因为晶体管在其有源区域内完全偏置。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全“集中”在放大器信号上限和下限之间，如下所示。

A类放大器输出波形

A类放大器输出波形图

A 类放大器配置对输出波形的两半使用相同的开关晶体管，并且由于其中央偏置布置，输出晶体管始终具有恒定的直流偏置电流（ICQ）流过它，即使没有输入信号存在。换句话说，输出晶体管永远不会“关闭”并且处于永久空闲状态。

这导致 A 类操作的效率有些低，因为它将直流电源功率转换为传递给负载的交流信号功率通常非常低。

由于这个中心偏置点，A 类放大器的输出晶体管会变得非常热，即使在没有输入信号的情况下也是如此，因此需要某种形式的散热装置。流经晶体管集电极的直流偏置电流 ( ICQ ) 等于流经集电极负载的电流。因此，A 类放大器的效率非常低，因为大部分 DC 功率都转化为热量。

B类放大器工作原理

与上述使用单个晶体管作为其输出功率级的 A 类放大器工作模式不同，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）来放大每一半输出波形。

一个晶体管仅对信号波形的一半导通，而另一个晶体管对信号波形的另一半或相反一半导通。这意味着每个晶体管有一半的时间在有源区，一半的时间在截止区，因此只放大了 50% 的输入信号。

与 A 类放大器不同，B 类没有直接的直流偏置电压，而是晶体管仅在输入信号大于基极-发射极电压 ( V BE ) 时才导通，对于硅晶体管，这约为 0.7v。因此，零输入信号有零输出。由于只有一半的输入信号出现在放大器输出端，因此与之前的 A 类配置相比，这提高了放大器的效率，如下所示。

B类放大器输出波形

B类放大器输出波形图

在 B 类放大器中，不使用直流电压来偏置晶体管，因此输出晶体管要开始导通波形的每一半，无论是正的还是负的，它们需要基极-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 正向压降。

因此，低于此 0.7v 窗口的输出波形的下部将无法准确再现。这会导致输出波形的失真区域，因为一旦V BE > 0.7V，一个晶体管“关闭”，等待另一个晶体管返回“开启” 。结果是在零电压交叉点处有一小部分输出波形会失真。这种类型的失真称为交叉失真，之后会介绍。

AB类放大器工作原理

AB 类放大器是上述A 类和 B 类配置之间的折衷方案。虽然 AB 类操作在其输出级仍然使用两个互补晶体管，但在没有输入信号时，将非常小的偏置电压施加到每个晶体管的基极，以将它们偏置到接近截止区域的位置。

输入信号将导致晶体管在其有源区域内正常工作，从而消除 B 类配置中始终存在的任何交叉失真。当没有输入信号存在时，一个小的偏置集电极电流 ( I CQ ) 将流过晶体管，但通常它比 A 类放大器配置的电流小得多。

因此，每个晶体管在输入波形的半个多周期内都处于“导通”状态。与上述纯 A 类配置相比，AB 类放大器配置的小偏置提高了放大器电路的效率和线性度。

AB类放大器输出波形

AB类放大器输出波形图

在设计放大器电路时，放大器的工作等级非常重要，因为它决定了其工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在其中传导的输入信号部分，以及确定开关晶体管消耗和以废热形式消散的功率的效率和数量。下图为常见放大器分类类型各类参数比较。

放大器分类参数比较图

功率放大器类

设计不佳的放大器，尤其是“A”类放大器，可能还需要更大的功率晶体管、更昂贵的散热器、冷却风扇，甚至需要增加电源尺寸来提供放大器所需的额外浪费功率。功率从晶体管、电阻器或任何其他组件转换为热量，使任何电子电路效率低下，并导致设备过早失效。

那么，与效率超过 70% 的B 类放大器相比，如果A 类放大器的效率低于 40%，为什么还要使用它呢？基本上，A 类放大器提供了更线性的输出，这意味着它具有更大频率响应上的线性度，即使它确实消耗大量直流功率。

这里已经介绍了不同类型的放大器电路，每种都有自己的优点和缺点，大家在设计电路时，可以综合考虑。

审核编辑：汤梓红