放大器

放大器是一种双端口电子设备，用于在电源的帮助下放大信号或增加信号的功率。电源通过放大器的输入端子供电。放大器的输出可以是增加的幅度等。

放大器的增益决定了其放大倍数。它是决定设备输出的主要因素。放大器几乎用于所有类型的电子元件。增益计算为输出参数（功率、电流或电压）与输入参数的比率。

放大器广泛应用于自动化、海洋、传感器等各种应用中。放大器的功率增益通常大于一。让我们了解理想放大器的一些基本特性。

在这里，我们将讨论理想放大器、放大器类型、特性、功能和放大器应用。

让我们开始。

理想放大器

让我们考虑理想放大器的特性，如下所示

• 输入阻抗：无限大
• 输出阻抗：零
• 不同频率下的增益：固定

放大器的输入端口可以是电压源或电流源。电压源只依赖于输入电压，不接受电流。类似地，电流源接受电流而不接受电压。输出将与整个端口的电压或电流成比例。

理想放大器的输出可以是受控电流源或受控电压源。受控电压源的源电阻为零，而受控电流源的源电阻为无限大。

受控源的电压或电流仅取决于输入电压或电流。这意味着输出电压将取决于输入电压，输出电流将分别取决于独立电压源和电流源的输入电流。

理想放大器进一步分为CCCS（电流控制电流源）、CCVS（电流控制电压源）、VCVS（电压控制电压源）和VCCS（电压控制电流源）。

CCVS 和 CCCS 的输入阻抗为零，而 VCCS 和 VCVS 的输入阻抗为无限大。类似地，CCCS 和 VCCS 的输出阻抗为无限大，而 CCVS 和 VCVS 的输出阻抗为零。

放大器类型

让我们讨论不同类型的放大器。

运算放大器

运算放大器或运放是高增益直流耦合 (DC) 放大器，可执行各种数学运算，例如加法、微分、减法、积分等。

它有两个输入端子和一个输出端子。输入端子称为反相和非反相端子。施加到反相端子的信号将以反相出现，施加到非反相端子的信号在输出端子处不出现任何反相。

施加到反相输入端的电压表示为 V-，施加到非反相输入端的电压表示为 V+。

注意：理想运放的输出阻抗和漂移均为 0。理想运放的电压增益、输入阻抗和带宽均为无限大。

运算放大器进一步分为反相和非反相放大器。让我们详细讨论上述两种类型的运算放大器。

应用

运放广泛应用于电子学中的各种应用。例如，

• 过滤器
• 电压比较器
• 积分器
• 电流-电压转换器
• 求和放大器
• 移相器

放大器的反相和非反相输入如下所示

反相放大器

反相放大器如下所示

它是运放的电压并联反馈配置。施加到运放反相输入端的信号电压导致电流 I1 流入运放。我们知道运放的输入阻抗是无限大的。它不会允许电流流入放大器。电流将通过输出回路（通过电阻 R2）流向运放的输出端子。

反相放大器输出端子的电压增益计算如下

A = Vo/Vs = -R2/R1

其中，

Vo 和 Vs 是输出电压和信号电压。

负号表示放大器的输出与输入反相 180 度。

反相放大器是使用最广泛的运放之一。它具有非常低的输入和输出阻抗。

非反相放大器

非反相放大器如下所示

上述配置是电压串联反馈连接。施加到运放非反相输入端的信号电压导致电流 I1 流入运放，电流 I2 流出运放。

根据虚短路的概念，I1 = I2 且 Vx = Vs。

非反相放大器的电压增益可以计算为

A = A + (R2/R1)

非反相放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗。它也被认为是电压放大器。

直流放大器

直流或直接耦合放大器用于放大低频和直接耦合信号。直流放大器的两个级可以通过在这些级之间使用直接耦合进行互连。

直接耦合是一种简单易用的连接类型。它可以通过将第一级晶体管的集电极直接连接到第二级晶体管的基极来计算，分别表示为 T1 和 T2。

但是，直流放大器会产生两个问题，称为漂移和电平偏移。差分放大器的设计解决了这些问题。让我们讨论差分放大器。

差分放大器

差分放大器的结构解决了漂移和电平偏移的问题。该结构包括两个仅通过电源线连接的BJT（双极结型晶体管）放大器。它之所以被称为差分放大器，是因为放大器的输出是各个输入之间的差值，如下所示

Vo = A (Vi1 - Vi2)

其中，

Vo 是输出，Vi1 和 Vi2 是两个输入。

A 是差分放大器的增益。

现在，如果

Vi1 = -Vi2

Vo = 2AVi1 = 2AVi

上述操作称为差模操作。在这里，输入信号彼此反相。这种反相信号称为差模 (DM) 信号。

如果，

Vi1 = Vi2

Vo = A (Vi1 - Vi1)

Vo = 0

此操作称为共模 (CM)，因为输入信号彼此同相。此类信号的零输出表示放大器中不会有漂移。

功率放大器

功率放大器也称为电流放大器。这些放大器需要提高输入信号的电流电平，以便轻松驱动负载。功率放大器的类型包括音频功率放大器、射频功率放大器等。

功率放大器分为甲类、甲乙类、乙类和丙类放大器。我们将在本主题的后面讨论功率放大器类别。

开关模式放大器

开关模式放大器是一种高效的非线性放大器。

此类放大器的常见示例是 D 类放大器。

仪表放大器

仪表放大器用于模拟传感和测量仪器。让我们举个例子。

用于测量非常低电压的电压表需要仪表放大器才能正常工作。它具有各种特点，例如非常高的电压增益、良好的隔离性、非常低的噪声、低功耗、大带宽等。

负反馈

负反馈是控制放大器失真和带宽的重要功能之一。负反馈的主要目的是降低系统的增益。一部分输出以相反的相位反馈到输入端。该值进一步从输入中减去。在失真的输出信号中，具有失真的输出以相反的相位反馈。它从输入中减去；我们可以说放大器中的负反馈减少了非线性和不需要的信号。

下图表示负反馈

在负反馈的帮助下，还可以消除交越失真和其他物理误差。使用负反馈的其他优点是带宽扩展、纠正温度变化等。

负反馈可以是电压负反馈或电流负反馈。在这两种情况下，电压或电流反馈都与输出成比例。

我们不应该混淆正反馈和负反馈。正反馈倾向于放大变化，而负反馈倾向于减少变化。另一个区别是正反馈中的输入和输出信号是同相并相加的。在负反馈的情况下，输入和输出信号是反相并相减的。

放大器中的有源器件

放大器由一些负责放大过程的有源器件组成。它可以是单个晶体管、真空管、固态元件或集成电路的任何部分。

让我们讨论有源器件及其在放大过程中的作用。

BJT

BJT 通常被称为电流控制器件。双极结型晶体管用作开关，以放大放大器中的电流。

MOSFET

MOSFET 或金属氧化物半导体场效应晶体管通常用于放大电子信号。MOSFET 可以通过控制栅极电压来改变电导率。MOSFET 还可以增强弱信号的强度。因此，MOSFET 可以用作放大器。

真空管放大器

真空管放大器使用真空管作为源器件。它用于增加信号的幅度。在 19 世纪末左右，固态放大器取代了微波频率以下的管式放大器。

微波放大器

微波放大器通常用于微波系统。它用于以非常小的失真提高输入信号的电平。它还可以开关或提高电功率。与微波频率下的固态器件相比，它提供更好的单个器件输出。

磁放大器

磁放大器在 20 世纪开发，以克服真空管放大器的缺点（高电流容量和强度）。磁放大器类似于晶体管。它通过激励控制线圈（另一个绕组线圈）来控制磁芯的磁强度。

集成电路

集成电路可以容纳多个电子器件，例如电容器和晶体管。集成电路的普及也使电子设备遍布全球。

功率放大器类别

功率放大器类别分为甲类、乙类、甲乙类和丙类。让我们简要介绍一下功率放大器类别。

甲类功率放大器

甲类放大器的输入很小，因此输出也很小。因此，它不会产生太大的功率放大。对于晶体管，它可以作为电压放大器使用。带有真空五极管的甲类放大器也可以提供单个功率放大级来驱动负载，例如扬声器。

乙类功率放大器

BJT 通常需要乙类功率放大器来驱动负载，例如扬声器。乙类放大器的输入很大，因此输出也很大。因此，它产生大放大。但是，在单个晶体管的情况下，只有一半的输入信号被放大。

甲乙类功率放大器

甲乙类功率放大器的配置介于甲类和乙类放大器之间。甲乙类放大器通过结合乙类功率放大器的高输出和甲类功率放大器的低失真来产生。

在小输出的情况下，甲乙类功率放大器可以表现为甲类。在非常大输出的情况下，它可以表现为乙类功率放大器。

丙类功率放大器

丙类功率放大器的导通元件是晶体管。它具有更高的效率，但由于导通小于半个周期，因此会产生大的失真。因此，丙类功率放大器不适用于音频应用。此类放大器的常见应用包括射频电路。

放大器的特性

放大器根据其输入和输出特性进行定义。放大器的增益决定了其放大倍数。因此，增益和乘法因子是放大器的两个基本特性。

让我们讨论由不同参数定义的特性，如下所示

• 收益
  放大器的增益计算为输出（功率、电流或电压）与输入之比。它决定了放大器的放大倍数。例如，输入为 10 伏、输出为 60 伏的信号的增益为 6。
  增益 = 输出/输入
  增益 = 60/10
  增益 = 6
  增益以 dB（分贝）为单位表示。无源元件的增益通常小于 1，而有源元件的增益大于 1。
• 带宽
  带宽定义为以赫兹为单位测量的有用频率范围的宽度。
  频率范围 - 频率范围通常以频率响应或带宽表示。
• 噪音
  噪声定义为系统中任何作为干扰的 unwanted 信号。
• 效率
  放大器效率越高，产生的热量越少，输出功率越大。它计算为输出功率与总功率利用率之比。
• 压摆率
  压摆率以伏特/微秒为单位测量。它定义为输出的最大变化率。高于放大器可听范围的压摆率将导致更少的失真和误差。
• 线性度
  它定义为放大器产生输入信号精确副本的能力。
• 稳定性
  放大器电路需要在所有可用频率下保持稳定。它定义为避免电子设备中不必要的振荡的能力。

不同放大器的功能

其他类型的放大器具有不同的特性。让我们讨论当今使用的各种类型放大器的功能。

• 线性放大器不提供完美的线性能力，因为没有完美的放大器。这是因为使用了晶体管等放大器件，它们本质上是非线性的。这些器件会产生一些非线性。线性放大器不易失真。这意味着线性放大器产生的失真更少。
• 特殊设计的音频放大器可以放大音频频率。
• 窄带放大器在窄带频率范围内放大，而宽带放大器在宽范围频率范围内放大。
• 与线性器件相比，非线性放大器会产生失真。但是，非线性器件至今仍在使用。非线性放大器的例子是射频 (RF) 放大器等。
• 对数放大器的结构产生的输出与其输入的对数成比例。该电路由两个二极管和两个运算放大器组成。
• 如果CMOS（互补金属氧化物半导体）的工作点固定在有源区，它也可以用作放大器。它可以通过使用恒流源或电流镜来构建。

放大器的应用

放大器用于不同的应用。让我们详细讨论一下。

• 电压跟随器
  电压跟随器也称为单位增益放大器。它具有非常大的输入阻抗和非常低的输出阻抗，这是缓冲作用的基本原理。运算放大器的反相端子与输出端子短接。
  这意味着输出等于输入。它之所以被称为电压跟随器，是因为放大器的输出跟随输入。
  电压跟随器不提供负载效应，没有功率和电流增益，这是它的优点。
• 电流-电压转换器
  电流-电压转换器的构造如下所示
  其中，
  RT：热敏电阻或光敏电阻。
  IT：电流
  RF：反馈电阻
  IF：反馈电流
  VO：输出电压
  热敏电阻以反相模式驱动运放。温度变化导致热敏电阻电阻变化。它进一步改变了流过它的电流。电流通过反馈电阻作为反馈电流流入输出，产生输出电压。由于热敏电阻电流等于反馈电流，我们可以说输出电压与热敏电阻电流成比例。
  因此，输入电流被转换为输出电压。
• 微波放大器
  行波管放大器 (TWTA) 和速调管是常用的微波放大器设备。行波管放大器 (TWTA) 即使在低微波频率下也能提供良好的放大。这意味着 TWTA 更适合高功率放大。但是，与 TWTA 相比，速调管的调谐能力更好。
  速调管也用于微波频率的高功率应用。但是，与 TWTA 相比，它提供更宽的调谐放大。它的带宽也比 TWTA 窄。
  固态器件，例如 MOSFET、二极管、半导体材料（硅、镓等），在各种应用中用于低功率和微波频率。例如，手机、便携式射频终端等。在这些应用中，尺寸和效率是决定其能力和使用的主要因素。在微波放大器中使用固态器件还提供宽带宽。
• 乐器
  放大器用于各种乐器，例如吉他和鼓机，将来自不同来源（吉他弦等）的信号转换为产生声音的强大电子信号（功率放大器）。这种声音足以让观众或附近的人听到。一些乐器的输出连接到扬声器以获得更响亮的声音。
  乐器中的仪表放大器还具有信号调谐功能，允许表演者改变信号的音调。
• 振荡器
  振荡器电路用于生成任何所需频率、形状和功率的电波形。在振荡器中使用放大器可以提供恒定的输出幅度并放大反馈频率。
• 视频放大器
  视频放大器中存在的放大器会放大包含高频分量的信号。它还可以防止任何失真。视频放大器根据视频信号质量（例如 SDTV、HDTV、1080pi 等）具有不同的带宽。