功放之于放大器

标签:放大器
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       放大器是一种电子设备或电路,用于增加施加到其输入的信号的幅度。放大器是一个通用术语,用于描述产生并增加其输入信号版本的电路。但是,并非所有的放大器电路都是相同的,因为它们是根据其电路配置和工作模式进行分类的。

 

       在“电子产品”中,小信号放大器是常用的设备,因为它们具有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,灯或放大器的能力。

 

       从运算放大器和小信号放大器到大信号和功率放大器,有许多形式的电子电路被归类为放大器。放大器的分类取决于信号的大小(大小),其物理配置以及如何处理输入信号,即输入信号与负载中流动的电流之间的关系。

 

       下表给出了放大器的类型或分类。

 

       信号放大器的分类

 

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       可以将放大器视为包含放大设备的简单盒子或模块,例如双极晶体管,场效应晶体管或运算放大器,其具有两个输入端子和两个输出端子(接地是公共的),而输出信号要大得多。比已“放大”的输入信号要大。

 

       理想的信号放大器将具有三个主要属性:  输入电阻或(R IN),输出电阻  或(R OUT),当然还有通常被称为增益或(A)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特性的关系。

 

       理想放大器模型

 

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       输入和输出信号之间的放大差异称为放大器的增益。增益基本上是放大器“放大”输入信号的量度。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为“ 50”。换句话说,输入信号已增加了50倍。这种增加称为增益。

 

       放大器增益就是输出与输入之比。增益没有单位作为比例,但是在电子产品中,放大通常用符号“ A”表示。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输入端测量的信号之间存在的关系。可以测量三种不同的放大器增益,分别是:电压增益(Av),电流增益(Ai)和功率增益(Ap),取决于所测量的量,下面给出了这些不同类型的增益的示例。

 

       输入信号的放大器增益

 

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       电压放大器增益

 

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       电流放大器增益

 

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       功率放大器增益

 

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       请注意,对于功率增益,您还可以将输出获得的功率除以输入获得的功率。同样,在计算放大器的增益时,下标v,i和p用于表示所使用的信号增益的类型。

 

       放大器的功率增益(Ap)或功率电平也可以用分贝(dB)表示。Bel(B)是对数测量单位(以10为底),没有任何单位。由于贝尔是测量的过大的单元,它带有前缀DECI使它分贝代替与一个分贝是一个贝尔的十分之一(1/10日)。要计算以分贝或dB为单位的放大器增益,我们可以使用以下表达式。

 

        电压增益(dB):a v   = 20 * log(Av)

        电流增益(dB):a i   = 20 * log(Ai)

        功率增益(dB):a p   = 10 * log(Ap)

 

       请注意,放大器的DC功率增益等于输出与输入比率的常用对数的十倍,而电压和电流增益则是比率的常用对数的20倍。但是请注意,由于对数标度,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,放大器增益为+ 3dB表示放大器的输出信号已“加倍”(x2),而放大器增益为-3dB则表明信号已“减半”(x0.5)或换句话说是损耗。

 

       放大器的-3dB点称为半功率点,它比最大值降低了-3dB,以0dB作为最大输出值。

 

       放大器示例1

 

       确定放大器的电压,电流和功率增益,该放大器在10mV时具有1mA的输入信号,在1V时具有10mA的相应输出信号。同样,用分贝(dB)表示所有三个增益。

 

       各种放大器增益:

 

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       放大器增益以分贝(dB)表示:

 

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       然后,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,根据放大器的功率或电压增益,它们可以细分为两种不同的类型。一种类型称为小信号放大器,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很小的信号电压电平,仅几微伏(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。大型信号放大器的设计可放大大型输入电压信号或切换重载电流,就像您会发现驱动扬声器一样。

 

       功率放大器

 

       该小信号放大器一般被称为“电压”放大器,因为它们通常转换小输入电压转换成一个更大的输出电压。有时需要放大器电路来驱动电动机或为扬声器供电,对于需要高开关电流的这类应用,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,并且如我们从上方所知,是施加到负载的电压和电流的乘积。负载时输出信号功率大于输入信号功率。换句话说,功率放大器会放大输入信号的功率,这就是为什么将这些类型的放大器电路用于音频放大器输出级来驱动扬声器的原因。

 

       功率放大器的基本原理是将从电源汲取的直流电转换为传递到负载的交流电压信号。尽管放大率很高,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将为我们提供100%的效率等级,或者至少功率“ IN”等于功率“ OUT”。但是,实际上这是永远不会发生的,因为一些功率会以热量的形式损失掉,而且,放大器本身会在放大过程中消耗功率。则放大器的效率为:

 

       放大器效率

 

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       理想放大器

 

       通过上面的讨论,我们可以知道理想放大器的特性,即增益,即电压增益:

 

       对于输入信号的变化值,放大器的增益(A)应保持恒定。

       增益不受频率的影响。所有频率的信号必须放大完全相同的量。

       放大器增益不得在输出信号中增加噪声。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,从而具有良好的温度稳定性。

       放大器的增益必须长时间保持稳定。

 

       电子放大器类

 

       通过比较输入和输出信号的特性(通过测量相对于电流在输出电路中流动的输入信号的时间量),可以将放大器分为电压放大器还是功率放大器。

 

       我们在“ 公共发射极晶体管”教程中看到,要使晶体管在其“有源区域”内工作,就需要某种形式的“基极偏置”。加到输入信号上的这个很小的基本偏置电压使晶体管能够在其输出端再现完整的输入波形,而不会丢失信号。

 

       但是,通过改变该基本偏置电压的位置,可以使放大器以不同于全波形再现的放大模式工作。通过将基本偏置电压引入放大器,可以获得不同的工作范围和工作模式,这些工作范围和工作模式根据其分类进行了分类。这些各种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来指定,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。

 

       没有哪一种操作比其他任何一种“好”或“差”,其操作类型是通过使用放大电路来确定的。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%,但信号再现性和线性良好。

 

       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%,因为该放大器仅传导(并使用功率)一半的输入信号。

 

       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   –是效率最高的放大器,但失真非常大,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类放大器操作

 

       A类放大器操作是在晶体管的有效区域内完美偏置时,在放大器的输出端忠实地再现整个输入信号波形,从而永远不会到达其截止或饱和区域。然后,这将导致交流输入信号在放大器的信号上限和信号下限之间完全“集中”,如下所示。

 

       甲类放大器输出波形

 

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       在这种配置中,A类放大器对输出波形的两半使用相同的晶体管,并且由于其偏置结构,即使没有输入信号,输出晶体管也始终流过电流。换句话说,输出晶体管永远不会“关闭”。这导致A类操作的效率非常低,因为其将直流电源转换为传递给负载的交流信号功率的转换通常非常低。

 

       通常,即使不存在输入信号,A类放大器的输出晶体管也会变得非常热,因此需要某种形式的散热。当没有输出信号时,流经输出晶体管(Ic)的直流电流将等于流经负载的电流。然后,由于大多数直流电源都转换为热量,因此A类放大器的效率非常低。

 

       B类放大器操作

 

       与上述A类放大器的输出功率级使用单个晶体管的工作模式不同,B类放大器对输出波形的每半使用两个互补晶体管(NPN和PNP或NMOS和PMOS)。一个晶体管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一半。这意味着每个晶体管将其一半的时间花费在有源区域中,并将一半的时间花费在截止区域中,从而仅放大50%的输入信号。

 

       B类操作没有A类放大器那样的直接DC偏置电压,而是仅在输入信号大于基极-发射极电压且对于硅器件约为0.7v时,晶体管才导通。因此,在零输入处为零输出。然后,这导致只有一半的输入信号出现在放大器的输出端,从而产生更大的放大器效率,如下所示。

 

       B类放大器输出波形

 

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       在B类放大器中,没有DC电压用于偏置晶体管,因此要使输出晶体管开始传导波形的每一半(正负),它们都需要基极-发射极电压Vbe大于0.7。双极晶体管开始导通所需的电压。

 

       这样一来,低于此0.7v窗口的输出波形下部将无法准确再现,从而导致输出波形失真,因为一个晶体管变为“ OFF”,等待另一个晶体管变为“ ON”。结果是在零电压交叉点处有一小部分输出波形会失真。这种失真称为交叉失真,将在本节后面介绍。

 

       AB类放大器的操作

 

       在AB类放大器是A类和B类的配置上面之间的折衷。虽然AB类操作在其输出级中仍使用两个互补晶体管,但当不存在输入信号时,会向晶体管的基极施加很小的偏置电压,以使其偏置到截止区域附近。

 

       输入信号将使晶体管在其有源区正常工作,从而消除B类配置中出现的任何交叉失真。当没有输入信号时,将流过一个很小的集电极电流,但远小于A类放大器配置的电流。

 

       这意味着晶体管将处于“ ON”状态超过波形的半个周期。与纯A类配置相比,这种类型的放大器配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

 

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       放大器的操作类别非常重要,它取决于操作所需的晶体管偏置量以及输入信号所需的幅度。放大器的分类考虑了晶体管导通的输入信号部分,并确定了开关晶体管以浪费的热量形式消耗和耗散的效率和功率。然后,我们可以在下表中比较最常见的放大器分类类型。

 

       功率放大器类

 

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       设计不良的放大器,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,甚至需要增加功率来提供放大器所浪费的额外功率。功率从晶体管,电阻器或任何其他组件转换成热能,会使任何电子电路效率低下,并会导致设备过早失效。

 

       那么,为什么使用A类,如果相比于它的效率低于40%放大器B类,其具有超过70%的较高效率等级放大器。基本上,A类放大器会提供更多的线性输出,这意味着即使它确实消耗了大量的DC功率,它在更大的频率响应上也具有线性。

 

       在本放大器简介教程中,我们已经看到了不同类型的放大器电路,各有其优缺点。在下一个关于放大器的教程中,我们将介绍最常见的晶体管放大器电路连接类型,即公共发射极放大器。大多数晶体管放大器具有大的电压,电流和功率增益,以及出色的输入/输出特性,因此属于共发射极或CE型电路。

 
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分相器分析

分相器电路从单个输入信号中产生两个幅度相等但相位相反的输出信号。分相器是另一种类型的双极结型晶体管(BJT)配置,其中,单个正弦输入信号被分为两个相互之间相差180电角度的独立输出。晶体管分相器的输入信号利用从集电极端子取得的一个输出信号和从发射极端子取得的第二输出信号施加到基极端子。因此,晶体管分相器是一个双输出放大器,从其集电极和发射极端子产生相位差为180 o的互补输出。

共基放大器

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共集放大器

共集电极放大器在其发射极负载两端产生与输入信号同相的输出电压。在公共集电极放大器是另一种类型的双极结型晶体管,的(BJT)配置,其中输入信号被施加到基极端,并从发射终端所采取的输出信号。因此,集电极端子对于输入和输出电路都是公共的。这种类型的配置称为“公共收集器”(CC),因为收集器端子通过电源有效地“接地”或“接地”。

除A、B外的第三类AB放大器

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使用增强型MOSFET的MOSFET放大电路

MOSFET放大器使用以共源配置连接的金属氧化物硅晶体管。在我们以前的有关FET放大器的文章中,我们看到可以使用结型场效应晶体管或JFET制作简单的单级放大器。但是还有其他类型的场效应晶体管可用于构建和放大,在本文中,我们将研究MOSFET放大器。