放大器

概述

　　放大器是增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术（见射流元件）的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。

分类

　　1、按频率范围分为单频道、宽频带和多波段3种类型。

　　2、按使用位置划分，分为前端放大器和线路放大器两大类。

　　前端放大器：即在机房前端使用的放大器，分为频道放大器和宽带放大器，频道放大器用在混合器前，对单个频道的低信号进行放大；宽带放大器则用在混合器后，对所有频道信号同时放大，使其具有足够的电平送人干线传输。

　　线路放大器：即在传输系统中，对信号在传输电缆中的损失进行弥补的干线放大器和用于传输网最末端供给分配所需高电平的分配放大器。

　　3、按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。

　　4、按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。

基本特性

　　1、增益

　　增益是指放大器能在多大程度上增大信号的幅值。该参数常用分贝（dB）来度量。 用数学语言来说，增益等于输出幅值除以输入幅值。（对功率放大器而言，用分贝表示的增益可以由此关系式计算：G(dB)=10log(Pout/Pin)(Electrical)）。

　　2、输出动态范围

　　输出动态范围，常用dB为单位给出，是指与最小有用输出幅值之间的范围。因为的有用幅值受限于输出噪声，所以称之为放大器的动态范围。

　　3、带宽与上升时间

　　（1）放大器的带宽（BW）常定义为低频与高频半功率点之间的差值。因而也就是常说的-3dB BW。有时也定义在其它的响应容差下的带宽 （-1dB，－6dB等等。）。举例来说，一个好的音频放大器的－3dB带宽将在二十赫兹到两万赫兹左右（正常人的听觉频率范围）。

　　（2）放大器的上升时间是指当阶跃信号输入时，输出端由其最终输出幅度值10%变化到90%时所化的时间。

　　4、理想频率特性

　　增益为常数，相移与频率成正比。即放大器对不同频率的信号具有相同的放大量，并且对任何频率的信号的相移均为零。

　　5、建立时间与失调

　　是指输出幅值建立于最终幅值的某个比值（比如0.1%）以内时所花的时间。

　　6、效率

　　效率用来量度多少输入能量是应用于放大器输出的。甲类（A类）放大器效率十分低下，约在10-20%之间，不超过25%。现代甲乙类（AB类）放大器一般效率都在35-55%之间，理论值可达78.5%。有报道说商用的丁类（D类）放大器的效率可高达97%。放大器的效率限制了总功耗中有用部分所占的比例。注意，效率越高的放大器散热量越小，通常在几个瓦特的设计中也无需风扇。

　　7、回转率

　　回转率(slew rate)是指输出电压变量的变化率，常定义为伏特/每秒（或微秒）。

　　8、噪声系数

　　是对在放大过程中引入噪声多少的一个量度。噪声是电学器件和元件中不受欢迎却无法避免的。噪声由放大器零输入时输出的分贝或输出电压峰值来度量。也可由输入信号和输出信号的信噪比差值确定，输出信号信噪比恶化了多少dB，则该放大器的噪声系数就是多少dB。

　　9、线性度

　　理想放大器应当是完全线性器件，但是实际的放大器仅在某些实际限制下是线性的，其他情况下均会出现失真。当驱动放大器的信号增大后，输出也随之增大，直到达到某个电压值，使得放大器的某部分达到饱和从而不能再增大输出了，称之为“截止失真”（削顶失真、削峰失真）。同样的，存在着“饱和失真”（削底失真）。失真的原因与晶体管的特性以及静态工作点的选择密切相关。