电子学/放大器
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放大器是一种电子设备，可以增加信号的电压、电流或功率。放大器被用于无线通信系统、广播和各种音频设备。
放大器通常分为四类
- 电压放大器
- 电流放大器
- 跨阻放大器和
- 跨导放大器。
这些模型适用于放大器内部电路的复杂性，无论多么复杂。模型参数的值可以通过分析放大器电路或通过对放大器端子进行测量来获得。
电压放大器的模型如图1所示。真实的放大器具有输入和输出电阻。这在模型中得到了体现。
- 图1：电压放大器。
增益是信号强度增加的量，通常用分贝 (dB) 表示。3 dB 的增加大约等于线性刻度上的加倍。增益大于 1 称为放大，而增益小于 1 称为衰减。
增益根据类型使用不同的符号。对于无负载增益
- 电压增益为 Avo
- 电流增益 Aio
- 跨导 Gm
- 跨阻 Rm
使用该模型，可以计算带负载的增益。
定性特征
- 电流增益： ..... 高
- 电压增益： ..... 高
- 功率增益： ..... 高
- 输入阻抗： ... 平均
- 输出阻抗：... 平均
QUANTITATIVE CHARACTERISTICS Input Resistance(base): Zb=β×re' -> β: Current Gain (Ic/Ib), where 'Ic' is Colector DC current and 'Ib' is DC Base current; -> re': Base-Emitter dynamic resistor (Ut/Ie), where Ut is thermal voltage(≈25mV at 25°C) and 'Ie' is DC emitter current; Input Resistance(general): Zg= Zb || R1 || R2, where R1 and R2 are the same as the picture above.
QUALITATIVE CHARACTERISTICS Current Gain: ..... HIGH Voltage Gain: ..... ≈1 Power Gain: ..... LOW Input Resistance: ... HIGH Output Resistance:... LOW
QUALITATIVE CHARACTERISTICS Current Gain: ..... ≈1 Voltage Gain: ..... HIGH Power Gain: ..... AVERAGE Input Resistance: ... LOW Output Resistance:... HIGH
与 BJT 配置一样，场效应管也有三种配置，每一种对应于晶体管的一个端子。
晶体管可以以多种类进行偏置。通常需要权衡线性度和功耗，其中 A 类
晶体管始终“开启”。我们说 360 度导通，代表正弦波形的整个周期。理想情况下，此类产生很少的失真，但功耗很大，也是最不受欢迎的。
这是最线性的一类，这意味着输出信号是输入信号的更真实的表现。以下是该类的特点：1. 输出器件（晶体管）在输入信号的整个周期内都导通电流。换句话说，它们以完整的形式复制整个波形。2. 这些放大器运行很热，因为功率放大器中的晶体管始终开启并以全功率运行。3. 没有晶体管关闭的情况。这并不意味着放大器永远不会或不能关闭；它意味着放大器内部工作的晶体管始终有电流流过。这个恒定信号称为“偏置”。4. A 类是所有功率放大器设计中最不节能的，平均效率仅约 20%。
由于它们通常的设计方式，A 类放大器效率非常低。它们不需要以这种方式构建，但对于每瓦输出功率，它们通常会浪费 4-5 瓦作为热量。它们通常非常大、很重，而且由于每瓦输出功率会释放 4-5 瓦的热能，所以它们运行起来非常热，需要大量的通风（对于汽车来说完全不理想，在家庭中也很少被接受）。这不是由于放大器类型造成的，而是由于许多设计工程师并不完全了解它们的工作原理，并且经常从以前的放大器设计中复制他们的设计。好处是这些放大器是所有放大器中最受喜爱的。当设计得当，A 类放大器可以最好地呈现音乐细节，不会出现波形削波。结果，声音更干净、更线性；也就是说，它包含更低的失真水平。
它们是所有可用放大器中最精确的，但制造成本更高，需要更严格的公差和额外的冷却和热调节组件。
晶体管在正弦波周期的一半以上 (>180 度) “开启”，是推挽式音频功率放大器中最常用的配置。在推挽式放大器中，AB 类主要产生奇次谐波失真，但它比 A 类更节能。奇次谐波失真在音频功率放大器中被认为听起来不悦耳。这种失真可以通过在系统中添加一个简单的负反馈回路来轻松消除，如下图所示。
这种类型的放大器非常容易构建，是音频放大器的行业标准。
这种类型放大器的缺点包括效率低下、尺寸大和成本高。典型的 AB 类放大器的功率效率为 40-80%。因此，它们需要大型散热器来冷却晶体管，这也会由于制造这些散热器所需的额外材料而增加放大器的成本。
这是两者兼得的方案。AB 类操作结合了 A 类和 B 类的优点。它最主要的优势是音质可与 A 类媲美，效率与 B 类相当。大多数现代放大器设计都采用这种拓扑结构。
其主要特点是：事实上，许多 AB 类放大器在较低的输出电平下运行在 A 类，再次体现了二者兼得的优势。输出偏置设置为在超过信号周期一半但少于整个周期的特定输出设备中流动电流。每个设备都有足够的电流流过以保持其运行，因此它们可以立即响应输入电压需求。在推挽输出级中，存在一些重叠，因为每个输出设备在信号从正半周到负半周的短过渡期或交叉期都会协助另一个输出设备。
AB 类设计有许多实现方式。其优势在于，几乎完全消除了 B 类设计固有的非线性，同时避免了 A 类设计带来的发热和效率低下的问题。如前所述，在某些输出电平下，AB 类放大器在 A 类下运行。正是这种良好的效率（约 50%）与优异的线性度的结合，使得 AB 类成为最流行的音频放大器设计。
有很多优秀的 AB 类放大器可供选择。这是我推荐用于大多数家庭和汽车通用应用的设计。通常，元件选择可以与 A 类放大器相媲美，而且物有所值，它们是立体声放大器中最好的选择之一。设计原理可能有所不同，但通常这些都是设计良好的放大器，因为音频设计师对其功能非常了解。
晶体管在正弦波的周期内仅“开启”一半（正好 180 度），并且通常用于推挽放大器电路。理想情况下，此类放大器主要产生奇次谐波失真。在音频应用中，人们认为奇次谐波失真听起来不悦耳。很难构建低失真 B 类放大器，因此 AB 类几乎是普遍的。
在此放大器中，信号的正半周和负半周由电路的不同部分处理。输出设备不断地开关。B 类操作具有以下特点：输入信号必须大得多才能适当驱动晶体管。这几乎与 A 类操作相反。这种类型的放大器必须至少有两个输出设备。此输出级采用两个输出设备，因此每个输出设备放大波形的一半。[li 两个输出设备绝不允许同时开启，或者每个设备的偏置（记住，那股微弱的电流？）设置为当没有输入信号时，一个输出设备中的电流为零。每个输出设备在完整的信号周期内正好开启一半。
这些放大器的运行温度低于 A 类放大器，但音质不如 A 类放大器纯净，因为在每个信号周期内，一个输出设备关闭而另一个输出设备开启时，会出现大量的“交叉”失真。
这种类型的放大器设计或拓扑结构使我们得到了“推挽”这个术语，因为它描述了向扬声器输出音频信号的输出设备的串联：一个设备推动信号，另一个设备拉动信号。它们可能更便宜，因为在设计中可以使用两个廉价的输出设备，而不是一个高质量的输出设备。
正如我之前提到的，输入信号必须大得多，这意味着从放大器输入端开始，它需要在一个增益级中“升压”，以便信号能够使输出晶体管在设计规格范围内更有效地工作。这意味着在信号路径中需要更多的电路，即使在信号到达输出级之前也会降低音质。
晶体管在正弦波周期内“开启”的时间少于一半。我们说它<180 度导通。此类放大器产生偶次谐波失真和奇次谐波失真，但效率很高。
D 类放大器是在过去几代放大器（包括 A 类、B 类、AB 类和 C 类）的缺点出现后发展起来的。许多人错误地认为 D 类代表数字。虽然它是一种“开关”放大器，这意味着它以特定频率“开启”和“关闭”，但这种假设是错误的。D 类仅仅是在字母表中的下一个字母。D 类放大器消耗的功率低于前几代放大器，通常体积更小，使其成为移动设备的理想选择。正是由于 D 类放大器的功率效率高、体积小、成本低，它们正迅速成为音频电子产品的新行业标准。诸如 Advanced Analog、德州仪器等公司以及其他公司已经发布了体积如一枚硬币的 50 瓦立体声 D 类放大器，并且不需要任何散热片，这在其他类型的放大器中是不可能实现的。
基本设计包括串联的两个 MOSFET 晶体管，一个 pFET 和一个 nFET 由脉冲宽度调制 (PWM) 信号驱动。由于 MOSFET 晶体管的特性，它们要么完全开启，要么完全关闭。当晶体管关闭且电流为零时（因此浪费在使晶体管发热的功率为零），或者晶体管完全开启且其上的电压非常接近零时（因此浪费在使晶体管发热的功率再次非常接近零）。
由于模拟信号需要转换为 PWM 信号，因此可能会出现一定程度的失真，但失真程度可以最小化。由于 PWM 信号非常类似于数字信号，因此 采样定理 规定，如果采样频率大于源信号最大频率的一半，则可以精确地重现源信号。对于音频信号，人类能听到的最大频率约为 20kHz，因此 PWM 发生器只需要提供至少 40kHz 的开关频率。由于更快元件的可用性，许多 D 类放大器设计师会使用更接近 400kHz 的开关频率来进一步降低失真。
D 类放大器的关注问题包括电磁辐射。由于电路中存在 中频信号，必须采取措施来减少可能干扰其他电子设备的这些信号的辐射。
==== E 类 ====（哎呀，又是 D 类？）开关放大器 这些放大器被媒体和许多音频“专家”错误地称为“数字”放大器。以下是关于 D 类的简要说明：虽然一些 D 类放大器确实以真正的数字模式运行，使用相干二进制数据，但大多数放大器不是。它们更准确地被称为“开关”放大器，因为在这里，输出设备以至少每周期两次的速率快速开启和关闭。根据它们的开关频率，它们可能每秒“开启”或“关闭”数百万次。理论上 D 类操作的效率为 100%，但在实践中，它们的效率更接近 80-90%。这种效率的提高是以高保真度为代价的。
可以将 D 类放大器想象成类似于可切换电源，但由音频信号控制或调制开关动作。为此，可以使用一种称为脉冲宽度调制 (PWM) 的技术，这种技术存在于许多 CD 播放器中。
据专家介绍，音频信号可以用于调制 PWM 系统，以使用非常小的元件在相当低的电压下创建高功率音频放大器。D 类音频使用固定频率的高频信号，该信号具有脉冲，这些脉冲的宽度根据输入信号幅度而变化。例如，一个低音音符会在载波信号中产生一个大脉冲。这可以通过输出设备的开启/关闭特性转换为音乐信号。
D 类放大器通常用于非高保真或超低音应用。
存在第五类（名义上还有第六类）放大器，但它们在消费市场上很少见。一个例子是 G 类，另一个是 H 类。它们在设计上类似于 AB 类拓扑结构，但都具有两个电源，这些电源根据输入的音乐信号开启或关闭。使用两个电源可以显著提高效率，从而在给定的尺寸和重量下提供更高的功率。G 类正逐渐成为专业音频设计中的常见选择。H 类放大器的设计采用与 G 类相同的拓扑结构，但它只提供足以使输出设备最佳运行的电压。同样，这是一种试图提高效率的尝试，但最终是以保真度为代价的。
