放大器是能把輸入訊號(hào)的電壓或功率放大的裝置，其基本任務(wù)是將微弱信號(hào)不失真地放大到所需的值，用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置中，是自動(dòng)化技術(shù)工具中處理信號(hào)的重要元器件。

一.放大器的工作原理

放大器主要由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成，輸入待測(cè)信號(hào)，經(jīng)放大和帶通濾波后與參考信號(hào)共同輸入乘法器得到的結(jié)果再通過低通濾波器濾波后輸出。

通俗點(diǎn)說，放大器的作用就是將微弱的信號(hào)放大，在設(shè)備裝置本身能量不足的情況下，為了能讓信號(hào)被顯示或者推動(dòng)負(fù)載工作，可利用放大器將其能量放大，其放大作用是通過輸入信號(hào)控制能源來實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。

放大器實(shí)現(xiàn)放大作用，實(shí)際上是用小能量的信號(hào)去控制電源驅(qū)動(dòng)大能量，使其按小信號(hào)相同的變化規(guī)律，即用較小的信號(hào)去控制較大的信號(hào)，換句話講，就是信息幅度放大。

圖1：放大器原理圖

圖1為放大器的通用原理圖：每個(gè)放大器都必須由5個(gè)引腳組成，它們是：2個(gè)供電端（單電源供電或雙電源供電），1個(gè)同向輸入端（標(biāo)正號(hào)引腳），1個(gè)反向輸入端（標(biāo)負(fù)號(hào)引腳），還有一個(gè)輸出端。

圖2

圖3

在這里需要注意：有的放大器芯片在一個(gè)封裝內(nèi)集成了多個(gè)放大器，而且把它們共用的兩個(gè)電源端子分別連到一起；而有的外部引腳中沒有同向輸入或負(fù)向輸入，因?yàn)樗鼉?nèi)部電路已經(jīng)設(shè)定好，不允許設(shè)計(jì)者再次改動(dòng)。圖2和圖3就如此。

二．放大器的分類

放大器種類繁多，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。

1.按頻率范圍可分為單頻道、寬頻帶、多波段。

2.按使用位置可分為前端放大器和線路放大器。

前端放大器：即在機(jī)房前端使用的放大器，分為頻道放大器和寬帶放大器，頻道放大器用在混合器前，對(duì)單個(gè)頻道的低信號(hào)進(jìn)行放大；寬帶放大器則用在混合器后，對(duì)所有頻道信號(hào)同時(shí)放大，使其具有足夠的電平送人干線傳輸。

線路放大器：即在傳輸系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)在傳輸電纜中的損失進(jìn)行彌補(bǔ)的干線放大器和用于傳輸網(wǎng)最末端供給分配所需高電平的分配放大器。

3.按放大器的放大目的可分為電流放大器、電壓放大器、功率放大器。

顧名思義，電流放大器主要用于放大電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)小電流輸入、大電流輸出。

電壓放大器主要用于放大電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)小電壓輸入、大電壓輸出。

功率放大器主要用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載（如喇叭、發(fā)射天線等）。

4.按信號(hào)特征可分為音頻放大器（用于放大語音信號(hào)）、視頻放大器（用于放大圖像信號(hào)）、脈沖放大器（用于放大脈沖信號(hào)）、諧振放大器（用于放大高頻載波信號(hào)）。

5.按信號(hào)強(qiáng)弱可分為小信號(hào)放大器（即線性放大器）、大信號(hào)放大器（即非線性放大器）。

線性放大器輸出就是輸入信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和增強(qiáng)。

非線性放大器，輸出則與輸入信號(hào)成一定函數(shù)關(guān)系。

6.按電流結(jié)構(gòu)可分為交流放大器、直流放大器。

交流放大器又可按頻率分為低頻、中源、高頻，多用于分立元件電路。

直流放大器能夠放大直流信號(hào)或變化很緩慢的信號(hào)的電路稱為直流放大電路或直流放大器，多用于集成電路，測(cè)量和控制方面常用到這種放大器。

7.按所處理信號(hào)物理量可分為機(jī)械放大器、機(jī)電放大器、電子放大器、液動(dòng)放大器和氣動(dòng)放大器等。其中用得最廣泛的是電子放大器，隨著射流技術(shù)的推廣，液動(dòng)或氣動(dòng)放大器的應(yīng)用也逐漸增多。

電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器、固體放大器和磁放大器，其中又以晶體管放大器應(yīng)用最廣。

晶體管放大器在自動(dòng)化儀表中常用于信號(hào)的電壓放大和電流放大，主要形式有單端放大和推挽放大，此外還常用于阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉(zhuǎn)換、電荷-電壓轉(zhuǎn)換（如電荷放大器）以及利用放大器實(shí)現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系（如運(yùn)算放大器）。

8.按照信號(hào)導(dǎo)通角的大小，可分為甲類（A類）、乙類（B類）、丙類（C類）、甲乙類（AB類）、丁類（D類）、戊類（E類）等。（以下統(tǒng)一以“甲乙丙丁”稱）

甲類放大器

甲類放大器是指電流連續(xù)地流過所有輸出器件的一種放大器，其電流的流通角為360o，適用于小信號(hào)低功率放大，由于避免了器件開關(guān)所產(chǎn)生的非線性，只要偏置和動(dòng)態(tài)范圍控制得當(dāng)，僅從失真的角度來看，可認(rèn)為它是一種良好的線性放大器。

乙類放大器

乙類放大器是指器件導(dǎo)通時(shí)間為50％的一種工作類別，流通角約等于 180度。乙類放大器使用非常廣泛，適用于大功率工作。

丙類放大器

丙類放大器指器件導(dǎo)通時(shí)間小于50％的工作類別，在輸入信號(hào)超過偏置點(diǎn)時(shí)才有電流流過晶體管，電流的流通角小于180度，這類放大器，一般用于射頻放大，適用于大功率工作。

甲乙類放大器

實(shí)際上是甲類和乙類的結(jié)合，每個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間在50-100％之間，依賴于偏置電流的大小和輸出電平。該類放大器的偏置按乙類設(shè)計(jì)，然后增加偏置電流，使放大器進(jìn)入甲乙類。

丁類放大器

丁類放大器的特點(diǎn)是斷續(xù)地轉(zhuǎn)換器件的開通，其頻率超過音頻，可控制信號(hào)的占空比以使它的平均值能代表音頻信號(hào)的瞬時(shí)電平，這種情況被稱為脈寬調(diào)制（PWM），其效率在理論上來說是很高的。

戊類放大器

戊類放大器可在幾乎所有工作時(shí)間內(nèi)，通過的電壓或電流是較小的，亦即功率耗散很低，不過它僅用于射頻技術(shù)，不用于音頻。

隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，放大器早已不限于甲類、乙類等基礎(chǔ)類別，出現(xiàn)了更多的類別，除了上述類別外，還有己類（F類）放大器、 庚類（G類）放大器、辛類（H類）放大器、S類放大器，但總體上，仍以甲類、乙類、甲乙類使用得較多，這些使用得較少，在此就不一一列舉了。

三．放大器的基本特性

1.增益

增益是指放大器能在多大程度上增大信號(hào)的幅值。該參數(shù)常用分貝（dB）來度量。 用數(shù)學(xué)語言來說，增益等于輸出幅值除以輸入幅值。（對(duì)功率放大器而言，用分貝表示的增益可以由此關(guān)系式計(jì)算：G（dB）=10log（Pout/Pin）（Electrical））。

2.輸出動(dòng)態(tài)范圍

輸出動(dòng)態(tài)范圍，常用dB為單位給出，是指最大與最小有用輸出幅值之間的范圍。因?yàn)樽畹偷挠杏梅凳芟抻谳敵鲈肼?，所以稱之為放大器的動(dòng)態(tài)范圍。

3.帶寬與上升時(shí)間

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

（2）放大器的上升時(shí)間是指當(dāng)階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出端由其最終輸出幅度值10%變化到90%時(shí)所化的時(shí)間。

4.理想頻率特性

增益為常數(shù)，相移與頻率成正比。即放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)具有相同的放大量，并且對(duì)任何頻率的信號(hào)的相移均為零。

5.建立時(shí)間與失調(diào)

是指輸出幅值建立于最終幅值的某個(gè)比值（比如0。1%）以內(nèi)時(shí)所花的時(shí)間。

6.效率

效率用來量度多少輸入能量是應(yīng)用于放大器輸出的。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(xiàn)代甲乙類（AB類）放大器一般效率都在35-55%之間，理論值可達(dá)78。5%。有報(bào)道說商用的丁類（D類）放大器的效率可高達(dá)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(gè)瓦特的設(shè)計(jì)中也無需風(fēng)扇。

7.回轉(zhuǎn)率

回轉(zhuǎn)率（slew rate）是指輸出電壓變量的變化率，常定義為伏特/每秒（或微秒）。

8.噪聲系數(shù)

是對(duì)在放大過程中引入噪聲多少的一個(gè)量度。噪聲是電學(xué)器件和元件中不受歡迎卻無法避免的。噪聲由放大器零輸入時(shí)輸出的分貝或輸出電壓峰值來度量。也可由輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的信噪比差值確定，輸出信號(hào)信噪比惡化了多少dB，則該放大器的噪聲系數(shù)就是多少dB。

9.線性度

理想放大器應(yīng)當(dāng)是完全線性器件，但是實(shí)際的放大器僅在某些實(shí)際限制下是線性的，其他情況下均會(huì)出現(xiàn)失真。當(dāng)驅(qū)動(dòng)放大器的信號(hào)增大后，輸出也隨之增大，直到達(dá)到某個(gè)電壓值，使得放大器的某部分達(dá)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）。失真的原因與晶體管的特性以及靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇密切相關(guān)。

四．功率放大器與運(yùn)算放大器

功率放大器和運(yùn)算放大器是使用最為廣泛的兩大類，在此特拿出來簡(jiǎn)單介紹一下。

1.功率放大器

功率放大器的作用是將來自前置放大器的信號(hào)放大到足夠能推動(dòng)相應(yīng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)所需的功率。就其功率來說遠(yuǎn)比前置放大器簡(jiǎn)單，就其消耗的電功率來說遠(yuǎn)比前置放大器為大，因?yàn)楣β史糯笃鞯谋举|(zhì)就是將交流電能“轉(zhuǎn)化”為音頻信號(hào)，當(dāng)然其中不可避免地會(huì)有能量損失，其中尤以甲類放大和電子管放大器為甚。

功率放大器的方框圖

2.運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱運(yùn)放，是一種具有較強(qiáng)放大作用的電路單元，經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合組成某種功能模塊作用于電路中。隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，已衍生出各種不同的種類，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)中。

運(yùn)算放大器包含兩個(gè)輸入端（同相輸入端和反相輸入端，也成為倒向輸入端和非倒向輸入端）和一個(gè)輸出端，為區(qū)別兩輸入端，將同相輸入端用“+”標(biāo)明，將反相輸入端用“-”標(biāo)明，但應(yīng)注意，此處的“+”和“-”僅用于標(biāo)識(shí)，并不代表其正負(fù)極性。

運(yùn)算放大器具有雙電源和單電源兩種供電方式，對(duì)于采用雙電源供電的運(yùn)放而言，其輸出值允許在零電壓上下變化，差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)也可將輸出置零；而對(duì)于采用單電源供電的運(yùn)放而言，其輸出值僅允許在電源與地之間的某范圍內(nèi)進(jìn)行變化。