放大器

放大器

放大器(英語:Amplifier)或俗稱擴音機,一般而言是指能夠使用較小的能量來控制較大能量的任何元件。現在,在日常使用中,這個名詞常常是指放大器電路,經常用於音頻應用中。

一個放大器的輸入輸出關係——常常表示為一個與輸入頻率相關的函數,這個關係稱為放大器的傳輸函數,同時這個傳輸函數在特定頻率下的數值定義為增益

放大器的基本特性

大多數放大器的特性可以由一系列的參數來描述。

增益

增益是指放大器能在多大程度上增大訊號的幅值。該參數常用分貝(dB)來度量。用數學語言來說,增益等於輸出幅值除以輸入幅值。(對功率放大器而言,用分貝表示的增益可以由此關係式計算:G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical))。

理想頻率特性

放大器對於不同的頻率有不同的轉換倍率,一個放大器會有最佳的放大波段,即聽音樂時調整的EQ.

輸出動態範圍

輸出動態範圍,常用dB為單位給出,是指最大與最小有用輸出幅值之間的範圍。因為最低的有用幅值受限於輸出雜訊,所以稱之為放大器的動態範圍。

帶寬與上升時間

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

放大器的上升時間是指當階躍訊號輸入時,輸出端由其最終輸出幅度值10%變化到90%時所用的時間。對於高斯響應系統(或一個簡單的RC振盪迴路),上升時間大約可以表達為:

,其中BW的單位是Hz,Tr的單位是秒。

建立時間與失調

是指輸出幅值建立於最終幅值的某個比值(比如0.1%)以內時所花的時間。

壓擺率

壓擺率(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)。

雜訊係數

是對在放大過程中引入雜訊多少的一個量度。雜訊是電學元件和元件中不受歡迎卻無法避免的。雜訊由放大器零輸入時輸出的分貝或輸出電壓峰值來度量。也可由輸入訊號和輸出訊號的信噪比差值確定,輸出訊號信噪比惡化了多少dB,則該放大器的雜訊係數就是多少d 5

效率

效率用來量度多少輸入能量是應用於放大器輸出的。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%。現代甲乙類(AB類)放大器一般效率都在35-55%之間,理論值可達78.5%。有報導說商用的丁類(D類)放大器的效率可高達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,通常在幾個瓦特的設計中也無需風扇。

線性度

理想放大器應當是完全線性元件,但是實際的放大器僅在某些實際限制下是線性的,其他情況下均會出現失真。當驅動放大器的訊號增大後,輸出也隨之增大,直到達到某個電壓值,使得放大器的某部分達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)。失真的原因與電晶體的特性以及靜態工作點的選擇密切相關。

有些放大器在設計中通過某種可控途徑來解決這個問題,即以犧牲增益為代價換取較小的失真。其結果是一種補償效應,即(如果放大器是音頻放大器的話)大大減少聽起來不悅耳的聲音。對於這些放大器,其增益比小訊號時小1dB時的輸入功率(或輸出功率)定義為1dB補償點。

線性度是一個關鍵的問題,目前有很多技術來避免非線性帶來的影響,比如前饋、預矯正、後矯正、包跡抑制還原(波包消除重建)、用非線性元件實現線性放大(LINC)、CALLUM、Cartesian回饋……

放大器電路

對於不同的應用,電子放大器有很多種類。

最普通的一類放大器就是電子放大器,常應用於廣播電視發射台及接收器,高傳真(hi-fi)立體聲裝置,微型計算機和其它電子數位裝置,以及其他儀表放大器。它最關鍵的元件是主動元件,比如真空管電晶體

功率放大器

放大器常依據通過放大元件的輸入訊號(正弦波)的導通角(有時也稱為angle of flow)來分類;詳見功率放大器類型

真空管放大器(閥式)放大器

The glow from four "Electro Harmonix KT88" brand power tubes lights up the inside of a Traynor YBA-200吉他放大器

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。

運算放大器(op-amps)

運算放大器通常在類比輸入上運作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

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。

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、上升時間、overshoot和變形的規格要求,使得設計此種放大器是極端困難的

分散式放大器

微波放大器

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。

樂器(音頻)放大器

音頻放大器通常用於放大音樂或說話的訊號。

其他類型放大器

碳膜麥克風

磁放大器

磁放大器,是用具有非線性特性的鐵磁材料製成鐵心,並用直流和交流電流使其磁化以進行電量變換的電器。磁放大器主要用於電氣自動控制系統中,如電機的調速、調壓等。

光學放大器

通過受激輻射過程放大光的元件。比如用於光纖通訊網絡中的摻鉺光纖放大器(EDFA,Erbium doped fiber amplifier)。

雜項類型

參考資料


參閱條目

外部連結

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