放大器

维基百科，自由的百科全书

For the British rock band of the same name, see Amplifier (band)

一般而言， 放大器 是 任何 使用较小的能量来控制较大能量的器件 。现在，在日常使用中，这个名词常常是指电子放大器，经常用于音频应用中。一个放大器的输入输出关系－－常常表示为一个与输入频率相关的函数－－称为放大器的传输函数，同时这个传输函数的系数定义为增益。

目录 1 放大器的基本特性 1.1 增益 1.2 输出动态范围 1.3 带宽与上升时间 1.4 建立时间与失调 1.5 压摆率 1.6 噪声 1.7 效率 1.8 线性度 2 电子放大器 2.1 功率放大器的分类 2.2 真空管放大器(閥式)放大器 2.3 電晶體放大器 2.4 運算放大器 (op-amps) 2.5 影像放大器 2.5.1 示波器垂直放大器 2.5.2 分散式放大器 2.6 微波放大器 2.6.1 Travelling wave tube (TWT) amplifiers 2.6.2 Klystrons 3 樂器(聲音)放大器 4 其他類型放大器 4.1 碳膜麥克風 4.2 磁放大器 4.3 光學放大器 4.4 雜項類型 5 參考資料 6 參閱條目 7 外部連結

[编辑] 放大器的基本特性

大多数放大器的特性可以由一系列的参数来描述。

[编辑] 增益

增益是指放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。（对功率放大器而言，用分贝表示的增益可以由此关系式计算：G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical)）。

[编辑] 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。

[编辑] 带宽与上升时间

放大器的带宽（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）。

放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%时所化的时间。 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 * BW = 0.35, 其中 BW 的单位是Hz，Tr 的单位是秒.

[编辑] 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。This is usually specified for oscilloscope vertical amplifiers and high accuracy measurement systems.

[编辑] 压摆率

压摆率是指输出变量的最大变化率，常定义为伏特每秒（或毫秒）。

[编辑] 噪声

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。噪声由分贝或零输入时的输出峰值来度量。

[编辑] 效率

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

[编辑] 线性度

理想放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。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(削峰失真)。

有些放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）听起来不再那么优美了。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……

[编辑] 电子放大器

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，高保真（hi-fi）立体声装置，微型计算机和其它电子数字装置，以及吉他和其他仪表放大器。它最关键的元件是有源器件，比如真空管或晶体管。

[编辑] 功率放大器的分类

放大器常依据通过放大器件的输入信号的导通角（有时也称为angle of flow）来分类;见electronic amplifier。

甲类（A类）

其效率不是最重要的，绝大多数小信号线性放大器就设计成甲类（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。

乙类（B类）

在乙类（A类）中，有两个（组）输出器件，每一个都精确地在输入信号的180度（或半周期）时交互导通。

甲乙类（AB类）

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度以上发生变化，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中（手机，蜂窝发射塔，电视发射台）。

丙类（C类）

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。

丁类（D类）

丁类（D类）放大器使用开关来达到很高的功耗效率（在现代设计中大于90%）。通过允许每个输出器件完全导通或关断，能量损失达到最小化。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，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相近。

其它种类

目前尚有几个其他的放大器种类，尽管他们主要是前述种类的变型。比如，H类和I类放大器随着输入信号的变化而改变供电轨迹（variation of the supply rails）（分别以离散或连续的形式）。由于过剩电压（excess voltage）一直保持最小，其输出器件耗散的热量得以减少。本身以这种供电轨迹工作的放大器可以属于任何种类。这类放大器将更复杂，并且主要用于特定应用，比如特高压单元。

[编辑] 真空管放大器(閥式)放大器

According to Symons, while semiconductor amplifiers have largely displaced valve amplifiers for low power applications, valve amplifiers are much more cost effective in high power applications such as "radar, countermeasures equipment, or communications equipment" (p. 56). Many microwave amplifiers are specially designed valves, such as the klystron, gyrotron, traveling wave tube, and crossed-field amplifier, and these microwave valves provide much greater single-device power output at microwave frequencies than solid-state devices (p. 59).^[1]

In the earlier years of audio, vacuum tubes filled the active device role. Valve amplifiers are widely, but not always correctly, associated with the valve sound. Some claim this sound has more to do with the circuit topology and circuit design of the amplifier, than to the use of valves rather than transistors as the active gain devices. However, this reasoning is not entirely correct. Because tubes are significantly more linear than transistors, tube amplifiers do not need as much global negative feedback to achieve acceptable linearity. While large amounts of global negative feedback are effective for reducing THD at low frequencies, feedback has downsides such as reduced stability, reduced slew rate, reduced bandwidth, increased high-order distortion^{[來源請求]}, and artifacts such as asymmetrical slewing^{[來源請求]}. In most commercial designs, little attention is paid to these problems, and designers simply attempt to achieve the lowest possible THD.

[编辑] 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。

[编辑] 運算放大器 (op-amps)

運算放大器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。

[编辑] 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。

[编辑] 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、上升时间、overshoot和變形的規格要求，使得設計此種放大器是極端困難的。

[编辑] 分散式放大器

These use transmission lines to temporally split the signal and amplify each portion separately in order to achieve higher bandwidth than can be obtained from a single amplifying device. The outputs of each stage are combined in the output transmission line. This type of amplifier was commonly used on oscilloscopes as the final vertical amplifier. The transmission lines were often housed inside the display tube glass envelope.

[编辑] 微波放大器

[编辑] Travelling wave tube (TWT) amplifiers

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。

[编辑] Klystrons

Very similar to TWT amplifiers, but more powerful and with a specific frequency "sweet spot". They generally are also much heavier than TWT amplifiers, and are therefore ill-suited for light-weight mobile applications. Klystrons are tunable, offering selective output within their specified frequency range.

[编辑] 樂器(聲音)放大器

聲音放大器通常用於放大音樂或說話的訊號。

[编辑] 其他類型放大器

[编辑] 碳膜麥克風

One of the first devices used to amplify signals was the carbon microphone. By channeling a large electric current through the compressed carbon granules in the microphone, a small sound signal could produce a much larger electric signal. The carbon microphone was extremely important in early telecommunications, analog telephones in fact work without the use of any other amplifier. Before the invention of electronic amplifiers, mechanically coupled carbon microphones were also used as amplifiers in telephone repeaters for long distance service.

[编辑] 磁放大器

A magnetic amplifier is a transformer-like device that makes use of the saturation of magnetic materials to produce amplification. It is a non-electronic electrical amplifier with no moving parts. The bandwidth of magnetic amplifiers extends to the hundreds of kilohertz.

An Amplidyne or Rototrol is a rotating machine like an electrical generator that provides amplification of electrical signals by the conversion of mechanical energy to electrical energy.

[编辑] 光學放大器

Optical amplifiers amplify light through the process of stimulated emission.

[编辑] 雜項類型

• There are also mechanical amplifiers, such as the automotive servo used in braking.
• Relays can be included under the above definition of amplifiers, although their transfer function is not linear (that is, they are either open or closed).
• Also purely mechanical manifestations of such digital amplifiers can be built (for theoretical, didactical purposes, or for entertainment), see e.g. domino computer.
• Another type of amplifier is the fluidic amplifier, based on the fluidic triode.

[编辑] 參考資料

1. ↑ Robert S. Symons (1998). "Tubes: Still vital after all these years". IEEE Spectrum 35 (4): 52–63.

[编辑] 參閱條目

• Attenuator (electronics)
• Electronic amplifier
• satellite in-line amplifier
• Low noise amplifier
• Preamplifier
• Instrument amplifier

[编辑] 外部連結

• 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.