放大器的分类与必备基础

2022-4-23 18:24:56 6437 放大器 bms

放大器是一种电子装置或电路，用来增加输入信号的幅度

放大器是一个通用术语，用来描述产生和增加输入信号的电路。然而，并非所有的放大器电路都是相同的，因为它们是根据它们的电路结构和运行模式分类的。
在「电子学」中，小型信号放大器是常用的器件，因为它们能够将相对较小的输入信号(例如从光电器件等传感器)放大成更大的输出信号，以驱动继电器、灯或扬声器等。
有许多形式的电子电路归类为放大器，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，或大或小，它的物理配置和如何处理输入信号，即输入信号和负载电流之间的关系。
放大器的类型或分类如下表所示。
信号放大器的分类

小型信号	共同发射体	A 类放大器	(DC) 直流电
大型信号	公共基	B 类放大器	声频(AF)
	共集极	AB 类放大器	(RF) 无线电频率
		C 类放大器	甚高频、超高频和高频 Frequencies 频率

放大器可以被认为是一个简单的盒子或块包含放大设备，如双极性晶体管，场效应晶体管或运算放大器，它有两个输入端子和两个输出端子(地面是共同的) ，输出信号比输入信号大得多，因为它被“放大”。
一个理想的信号放大器将有三个主要特性: 输入电阻或(RIN) ，输出电阻或(ROUT) ，当然也称为增益或(a)放大。无论放大器电路有多么复杂，一般的放大器模型仍然可以用来说明这三个性质之间的关系。
理想放大器模型

输入和输出信号之间的放大差异称为放大器的增益。增益基本上是一个测量有多少放大器“放大”的输入信号。例如，如果我们有一个1伏的输入信号和一个50伏的输出，那么放大器的增益将是“50”。换句话说，输入信号增加了50倍。这种增长被称为增益。
放大器增益就是输出与输入之比。增益没有单位作为它的一个比例，但在电子学中，它通常被赋予的符号“ a”，为放大。然后将放大器的增益简单地计算为“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在输出端测量的信号与在输入端测量的信号之间存在的关系。有三种不同类型的放大器增益可以测量，它们是: 电压增益(Av) ，电流增益(Ai)和功率增益(Ap) ，这取决于被测量的数量，下面给出了这些不同类型增益的例子。
输入信号的放大增益

电压放大器增益

电流放大器增益

功率放大器增益

请注意，对于功率增益，您还可以将输出功率与输入功率分开。当计算放大器的增益时，下标 v，i 和 p 用来表示所使用的信号增益的类型。
功率增益(Ap)或功率电平的放大器也可以表示为分贝，(分贝)。贝尔(b)是一个对数单位(以10为底)的测量，没有单位。由于贝尔是一个过大的测量单位，它的前缀是 deci 使它分贝，而不是1分贝是十分之一(十分之一)贝尔。为了计算放大器的增益分贝或分贝，我们可以使用下列公式。

电压增益 dB: Av = 20 * log (Av)

当前增益在 dB: Ai = 20 * log (Ai)

功率增益在 dB: Ap = 10 * log (Ap)

注意，放大器的直流功率增益等于输出输入比的公共对数的10倍，其中电压和电流增益是输出输入比的公共对数的20倍。但是请注意，20dB 的功率不是10db 的两倍。
此外，正值分贝代表增益和负值分贝代表损失在放大器。例如，放大器增益为 + 3 dB 表示放大器输出信号“翻倍”(x2) ，而放大器增益为 -3 dB 表示信号“减半”(x0.5)或换句话说损失。
一个放大器的 -3分贝点称为半功率点，从最大值下降到 -3分贝，以0分贝为最大输出值。
放大器示例1
确定电压，电流和功率增益的放大器的输入信号为1ma 在10mv 和相应的输出信号为10ma 在1v。此外，表示所有三个收益分贝，(分贝)。
各种放大器增益:

放大器增益(分贝) :

然后放大器的电压增益为100，电流增益为10，功率增益为1000
一般来说，根据功率或电压增益的不同，放大器可以分为两种不同的类型。一种是小信号放大器，包括前置放大器、仪表放大器等。小信号放大器被设计用来放大来自传感器或音频信号的极小信号电压，电压只有几微伏。
其他类型被称为大信号放大器，如音频功率放大器或功率开关放大器。大信号放大器的设计，以放大大型输入电压信号或开关重负载电流，因为你会发现驱动扬声器。
功率放大器
小信号放大器通常被称为“电压”放大器，因为它们通常将小的输入电压转换成大得多的输出电压。有时需要一个放大器电路来驱动马达或给扬声器供电，对于这些需要高开关电流的应用场合，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输送功率，正如我们从上面了解到的那样，是在输出信号功率大于输入信号功率的情况下施加到负载上的电压和电流的乘积。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驱动扬声器。
功率放大器的基本工作原理是将从电源中提取的直流电源转换成交流电压信号传递给负载。虽然放大倍数很高，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低。
完美的或理想的放大器将给我们100% 的效率评级，或至少功率“ IN”将等于功率“ OUT”。然而，实际上这是不可能发生的，因为有些功率是以热量的形式损失的，而且放大器本身在放大过程中也会消耗功率。然后给出放大器的效率如下:
放大器效率

理想放大器
我们可以从上面关于理想放大器的增益，即电压增益的讨论中知道理想放大器的具体特性:

对于输入信号的不同值，放大器的增益(a)应保持不变。

增益不受频率的影响。所有频率的信号都必须以完全相同的幅度放大。

放大器的增益不能增加输出信号的噪声。它应该消除输入信号中已经存在的任何噪声。

放大器的增益不应受温度变化的影响，因此具有良好的温度稳定性。

放大器的增益必须在长时间内保持稳定。

放大器
将放大器分为电压放大器和功率放大器是通过测量电流在输出电路中流动的输入信号与输入信号之间的时间关系，来比较输入和输出信号的特性。
我们在共发射极晶体管教程中看到，为了使晶体管在其“有源区”内工作，需要某种形式的“基偏置”。这个小基地偏置电压增加到输入信号允许晶体管在其输出再现完整的输入波形没有信号损失。
但是，通过改变这个基极偏置电压的位置，就可以在放大模式下操作放大器，而不是用于全波形再现。通过对基极偏置电压放大器的介绍，可以得到不同的工作范围和工作方式，并根据它们的分类进行分类。这些不同的运行模式更好地被称为放大器类。
音频功率放大器根据它们的电路结构和工作模式被分类为字母顺序放大器。放大器由不同的运算类别如“ a”类、“ b”类、“ c”类、“ AB”类等指定。这些不同的放大器类范围从近线性输出，但低效率的非线性输出，但具有高效率。
没有一类操作是“更好”或“更坏”与任何其他类型的操作是由放大电路的使用决定的。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性和线性度。

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% ，因为放大设备只传导(和使用功率)的一半输入信号。

AB 类放大器-的效率等级介于 a 类和 b 类放大器之间，但信号再现比 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 类放大器运算
当晶体管完全偏置在其有源区域内时，a 类放大器的运算是在放大器输出端忠实地重现整个输入信号波形。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，交流输入信号是完美的“集中”之间的放大器信号上限和下限如下所示。
A 类放大器输出波形

A 类放大器的结构使用相同的开关晶体管两半的输出波形和由于其中心偏置安排，输出晶体管总是有一个恒定的直流偏置电流，(ICQ)流经它，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，并且处于一个持久的空闲状态。
这导致 a 类操作有点低效，因为它将直流电源转换为交流信号电源传递给负载的效率通常很低。
由于这个中心偏置点，a 类放大器的输出晶体管可以变得非常热，即使没有输入信号存在，所以需要某种形式的热沉。流过晶体管集电极(ICQ)的直流偏置电流等于流过集电极负载的电流。因此，a 类放大器是非常低效的，因为大多数直流电源转换成热量。
B 类放大器运算
与上述使用单个晶体管作为输出功率级的 a 类放大器不同，b 类放大器使用两个互补的晶体管(NPN 和 PNP 或 NMOS 和 PMOS)来放大输出波形的每一半。
一个晶体管只导通信号波形的一半，而另一个晶体管导通信号波形的另一半或相反的一半。这意味着每个晶体管一半时间处于有源区，一半时间处于截止区，因此只放大50% 的输入信号。
与 a 类放大器不同，b 类放大器没有直流偏置电压，但晶体管只有在输入信号大于基极发射极电压(VBE)时才导通，而硅晶体管的直流偏置电压约为0.7 v。由于只有一半的输入信号是在放大器的输出，这提高了放大器的效率超过以前的 a 类配置如下所示。
B 类放大器输出波形

在 b 类放大器中，没有直流电压用于偏置晶体管，因此为了使输出晶体管开始传导正负波形的每一半，它们需要基极-发射极电压 VBE 大于标准双极性晶体管开始传导所需的0.7 v 正向电压降。
因此，低于这个0.7 v 窗口的输出波形的下半部分将不能准确地再现。当一个晶体管关闭等待另一个晶体管在 VBE > 0.7 v 时打开时，这会导致输出波形畸变。其结果是，在零电压交叉点的输出波形中有一小部分将被扭曲。这种类型的失真被称为交叉失真，并在本节稍后介绍。
AB 类放大器运算
Ab 类放大器是 a 类和 b 类配置之间的折衷。虽然 ab 级操作仍然使用两个互补晶体管在其输出级一个非常小的偏置电压施加到每个晶体管的基地，以偏置他们接近他们的截止区域时，没有输入信号。
输入信号将使晶体管在其有源区内正常工作，消除任何交叉失真，这种失真一直存在于 b 类配置中。当没有输入信号存在时，一个小的偏置集电极电流(ICQ)将流过晶体管，但通常它比 a 类放大器的配置要小得多。
因此，每个晶体管是导电，“ ON”的一个略多于半个周期的输入波形。Ab 类放大器结构的小偏置提高了放大器电路的效率和线性，与上述纯 a 类结构相比。
AB 类放大器输出波形

在设计放大器电路时，放大器的运算类别非常重要，因为它决定了运算所需的晶体管偏置量以及输入信号的最大振幅。
放大器的分类考虑到输出晶体管传导的输入信号部分，以及确定开关晶体管以废热形式消耗和散失的效率和功率。在这里，我们可以在下表中对最常见的放大器类型进行比较。
功率放大器类别
设计糟糕的放大器，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、散热风扇，甚至需要增加电源的大小，以提供放大器所需的额外功耗。由晶体管、电阻器或任何其他元件转换成的热量，会使任何电子线路效率低下，并导致设备过早失效。
因此，为什么要使用 a 类放大器，如果其效率低于40% 相比，b 类放大器具有更高的效率超过70% 。基本上，a 类放大器提供了更多的线性输出意味着它有，线性在更大的频率响应，即使它确实消耗大量的直流电源。
在这个关于放大器的介绍教程中，我们已经看到放大器电路有不同的类型，每一种都有自己的优点和缺点。在关于放大器的下一个教程中，我们将看到最常用的晶体管放大器电路，即共发射极放大器。大多数晶体管放大器是共发射极或 CE 型电路，因为它们在电压、电流和功率方面的增益很大，而且具有优良的输入/输出特性。
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