資深工程師帶你了解放大電路的基本原理和特征

放大器是增加信號(hào)幅度或功率的裝置，它是自動(dòng)化技術(shù)工具中處理信號(hào)的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號(hào)控制能源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對(duì)于線性放大器，輸出就是輸入信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和增強(qiáng)。對(duì)于非線性放大器，輸出則與輸入信號(hào)成一定函數(shù)關(guān)系。

放大器是能把輸入訊號(hào)的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源、變壓器和其他電器元件組成。放大器的放大作用是用輸入信號(hào)控制能源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。放大器廣泛應(yīng)用于通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置中。

放大電路的基本原理

所謂“放大”，是指將一個(gè)微弱的電信號(hào)，通過(guò)某種裝置，得到一個(gè)波形與該微弱信號(hào)相同、但幅值卻大很多的信號(hào)輸出。這個(gè)裝置就是晶體管放大電路。

放大電路的放大作用，實(shí)質(zhì)是把直流電源UCC的能量轉(zhuǎn)移給輸出信號(hào)。

放大電路的核心元件是晶體管，因此，放大電路若要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入小信號(hào)的放大作用，必須首先保證晶體管工作在放大區(qū)。

晶體管放大電路一般有三種組態(tài)：

無(wú)論放大電路的組態(tài)如何，其目的都是讓輸入的微弱小信號(hào)通過(guò)放大電路后，輸出時(shí)其信號(hào)幅度顯著增強(qiáng)。

其中，共發(fā)射極放大電路是電子技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的放大電路形式，其電路組成的一般形式為：

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(lái)度量。 用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，增益等于輸出幅值除以輸入幅值。

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(shuō)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(lái)說(shuō)，一個(gè)好的音頻放大器的-3dB帶寬將在二十赫茲到兩萬(wàn)赫茲左右(正常人的聽(tīng)覺(jué)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(lái)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(guò)25%?，F(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(shuō)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(wú)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(guò)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(wú)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(lái)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)。

光纖放大器

光放大器的開(kāi)發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的一個(gè)非常重要的成果，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光弧子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。顧名思義，光放大器就是放大光信號(hào)。

光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率;在接收機(jī)之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度;在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補(bǔ)償光纖傳輸損耗，延長(zhǎng)傳輸距離。

光放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件。

光纖放大器原理及分類

EDFA的原理

EDFA的泵浦過(guò)程需要使用三能級(jí)系統(tǒng)，在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上壽命較長(zhǎng)，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過(guò)摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。

摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，無(wú)需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，能夠保證光信號(hào)在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。

EDFA的結(jié)構(gòu)

典型的EDFA結(jié)構(gòu)主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。

摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質(zhì)，在纖芯中摻人固體激光工作物質(zhì)鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi)，光與物質(zhì)相互作用而被放大、增強(qiáng)。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無(wú)關(guān)，隔離度優(yōu)于40 dB。

EDFA的特性及性能指標(biāo)

增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比，Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號(hào)功率。增益系數(shù)是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過(guò)光纖放大器所獲得的增益。g0是由泵浦強(qiáng)度定的小信號(hào)增益系數(shù)，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號(hào)功率的增加，增益系數(shù)下降;Is，Ps分別為飽和光強(qiáng)和飽和光功率，是表明增益物質(zhì)特性的量，與摻雜系數(shù)、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān)。

增益和增益系數(shù)的區(qū)別在于：增益主要是針對(duì)輸入信號(hào)而言的，而增益系數(shù)主要是針對(duì)輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長(zhǎng))有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)是980 nm和1 480 nm。由于各處的增益系數(shù)是不同的，而增益須在整個(gè)光纖上積分得到，故此特性可用以通過(guò)選擇光纖長(zhǎng)度得到較為平坦的增益譜。

EDFA的帶寬

增益頻譜帶寬指信號(hào)光能獲得一定增益放大的波長(zhǎng)區(qū)域。實(shí)際上的EDFA的增益頻率變化關(guān)系比理論的復(fù)雜得多，它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在EDFA的增益譜寬已達(dá)到上百納米.而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1 525～1 565 nm之間。

EDFA的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

EDFA對(duì)光信號(hào)功率的放大，特別在無(wú)線光通信大功率(瓦級(jí))應(yīng)用中，常常采用級(jí)聯(lián)的方式，比如兩級(jí)或者三級(jí)放大。之所以采用級(jí)聯(lián)的方式，是因?yàn)樵贓DFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個(gè)光隔離器，構(gòu)成帶光隔離器的兩段級(jí)聯(lián)EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進(jìn)入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉(zhuǎn)換成信號(hào)光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數(shù)和輸出功率等特性。本文采用麗級(jí)級(jí)聯(lián)放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號(hào)，經(jīng)EDFA放大到1 W左右。

光信號(hào)由LD激光器產(chǎn)生，是已調(diào)制的信號(hào)，第一級(jí)放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級(jí)采用單模半導(dǎo)體激光器泵浦，先將光信號(hào)穩(wěn)定可靠的放大到一定功率，保證了整個(gè)光信號(hào)的完整，又為下一級(jí)光放大提供了較高的光功率基礎(chǔ)。第二級(jí)采用雙包層光纖放大器，多模半導(dǎo)體激光器泵浦源將光功率放大到1 W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺(tái)到纖芯中，使第二級(jí)光信號(hào)的輸出功率可達(dá)到瓦級(jí)。

摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質(zhì)，當(dāng)泵浦光輸入到EDF中時(shí)，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于Er3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時(shí)間為10ms，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖，在受激輻射效應(yīng)作用下產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，使信號(hào)光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號(hào)。

自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器(EDFA)，并開(kāi)始應(yīng)用于1.55mm頻段的光纖通信系統(tǒng)以來(lái)，推動(dòng)了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展，且目前EDFA的技術(shù)開(kāi)發(fā)和商品化最成熟;應(yīng)用廣泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纖損耗最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏振無(wú)關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)，且同時(shí)放大多路波長(zhǎng)信號(hào)等一系列的特性，在長(zhǎng)途光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其不足是C-Band EDFA的增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長(zhǎng)信道數(shù)。

然而隨著因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量要不斷地?cái)U(kuò)大，面對(duì)傳輸容量的擴(kuò)大，目前主要有三種解決途徑：

增加每個(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率;

減少波長(zhǎng)間距;

增加總的傳輸帶寬。

半導(dǎo)體光放大器

半導(dǎo)體光放大器(SOA)是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二極管就能對(duì)輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大作用。由于半導(dǎo)體放大器具有體積小、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、功耗低、壽命長(zhǎng)、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產(chǎn)、成本低，可實(shí)現(xiàn)增益兼開(kāi)關(guān)功能等特性，在全光波長(zhǎng)變換、光交換、譜反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘提取、解復(fù)用中的應(yīng)用受到了廣泛的重視，特別是目前應(yīng)變量子阱材料的半導(dǎo)體光放大器的研制成功，已引起人們對(duì)SOA的廣泛研究興趣。

國(guó)內(nèi)武郵院與華中科技大學(xué)合作成功地研制開(kāi)發(fā)了在光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件--半導(dǎo)體光放大器，并很快實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)應(yīng)用于光開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體光放大器的供貨商，這標(biāo)志著我國(guó)自行研制的應(yīng)變量子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。但半導(dǎo)體光放大器與摻鉺光纖放大器相比存在著噪聲大、功率較小、對(duì)串?dāng)_和偏振敏感、與光纖耦合時(shí)損耗大，工作穩(wěn)定性較差等缺陷，迄今為止，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距。又由于半導(dǎo)體光放大器覆蓋了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)中，無(wú)需增益鎖定，那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案，而且還可以促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

光纖拉曼放大器

受激拉曼散射(SRS)是光纖中的一種非線性現(xiàn)象，它將一小部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上;如果一個(gè)弱信號(hào)與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號(hào)光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機(jī)制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器(FRA)。

近年來(lái)光纖拉曼放大器倍受關(guān)注，已成為研制開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：

(1)增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性;

(2)增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng)，就可以放大任意波長(zhǎng)的信號(hào)光;

(3)增益高、串?dāng)_小、噪聲指數(shù)低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定

性好。

正因?yàn)楣饫w拉曼放大器有這么多的優(yōu)點(diǎn)，它可以放大摻鉺光纖放大器所不能放大的波段，并可在1292~1660nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬;再次增益介質(zhì)為普通光纖，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纖拉曼放大器可以對(duì)信號(hào)光進(jìn)行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應(yīng)用于40Gbit/s的高速光網(wǎng)絡(luò)中，也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)，而且因?yàn)榉糯笫茄刂饫w分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應(yīng)尤其是四波混頻效應(yīng)大大減少，這對(duì)于大容量DWDM系統(tǒng)是十分適用的。FRA是EDFA的補(bǔ)充，而不是代替，兩者結(jié)合起來(lái)可獲得大于100nm增益平坦寬帶，這就是采用分布式光纖拉曼放大器的好處。

但光纖拉曼放大器有一個(gè)主要的缺點(diǎn)就是需要特大功率的泵浦激光器，解決這個(gè)問(wèn)題的主要途徑有：一是研究降低閾值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半導(dǎo)體激光器能作為拉曼泵浦使用;其二是提高獲得更大輸出功率泵浦激光器的研制水平;其三是將多個(gè)泵浦源激光器的波長(zhǎng)采用列陣、單片組合的方法復(fù)用在一起，獲得一個(gè)大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個(gè)寬帶的增益譜，而且還可以通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)激光器的功率來(lái)調(diào)整增益斜率。

運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是一種很常見(jiàn)的集成電路，其將若干個(gè)三極管、電阻、電容等元件集成到一個(gè)很小的芯片中，以特定的電路形式來(lái)完成放大任務(wù)。運(yùn)算放大器是集成電路，因此其同樣具有集成電路的優(yōu)點(diǎn)，其放大精度高、增益大、噪聲低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在一些對(duì)放大元件要求較高的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)人員大量使用運(yùn)算放大器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三極管。

運(yùn)算放大器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅可以用于普通的放大，還可以完成信號(hào)的加減乘除等“運(yùn)算”任務(wù)，其在濾波器的設(shè)計(jì)中也擔(dān)任著重要的角色，一些速度較快、性能較高的運(yùn)算放大器還可以完成比較簡(jiǎn)單的信號(hào)比較的任務(wù)。

運(yùn)算放大器的工作原理

運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，如圖所示，其中標(biāo)有“+”號(hào)的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端)，另一只標(biāo)有“一”號(hào)的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)端，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號(hào)，則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號(hào)：輸出端輸出的信號(hào)與同相輸人端的信號(hào)同相，而與反相輸入端的信號(hào)反相。

運(yùn)算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖1-2所示。運(yùn)算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途，總的來(lái)說(shuō)，這些特性可以綜合為兩條：

1、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大。

2、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零。

首先，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會(huì)有與正的或負(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來(lái)應(yīng)該是無(wú)窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準(zhǔn)確地說(shuō)，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點(diǎn)，運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與正電源電壓相同的電壓;反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與負(fù)電源電壓相同的電壓(如果運(yùn)算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零)。

其次，由于放大倍數(shù)為無(wú)窮大，所以不能將運(yùn)算放大器直接用來(lái)做放大器用，必須要將輸出的信號(hào)反饋到反相輸入端(稱為負(fù)反饋)來(lái)降低它的放大倍數(shù)。如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號(hào)返回到運(yùn)算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會(huì)減小電路的放大倍數(shù)，是一個(gè)負(fù)反饋電路，電阻Rf也叫做負(fù)反饋電阻。

還有，由于運(yùn)算放大器的輸入為無(wú)窮大，所以運(yùn)算放大器的輸入端是沒(méi)有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想象在運(yùn)算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無(wú)窮大的電阻，那么加在這個(gè)電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒(méi)有電流，根據(jù)歐姆定律，電阻兩端就不會(huì)有電壓，所以我們又可以認(rèn)為在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸人端電壓是相同的(電壓在這種情況就有點(diǎn)像用導(dǎo)線將兩個(gè)輸入端短路，所以我們又將這種現(xiàn)象叫做“虛短”)。

運(yùn)算放大器的分類

運(yùn)算放大器按參數(shù)可分為如下幾類：

通用型運(yùn)算放大器：主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。

低溫漂型運(yùn)算放大器：在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運(yùn)算放大器：特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。

高速型運(yùn)算放大器：主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。

低功耗型運(yùn)算放大器：由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。

高壓大功率型運(yùn)算放大器：運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

可編程控制運(yùn)算放大器：在儀器儀表得使用過(guò)程中都會(huì)涉及到量程得問(wèn)題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)。

功率放大器

功率放大器，簡(jiǎn)稱“功放”，很多情況下主機(jī)的額定輸出功率不能勝任帶動(dòng)整個(gè)音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時(shí)就要在主機(jī)和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來(lái)補(bǔ)充所需的功率缺口，而功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。

功率放大器基本原理

利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的β倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流放大，就完成了功率放大。

功率放大器的分類

功率放大器電路的劃分主要是由功放級(jí)輸出電路形式來(lái)決定，常見(jiàn)的音頻功率放大器主要有下列幾種：

1、變壓器耦合甲類放大器電路主要用于電子管放大器中;

2、變壓器耦合推挽功率放大器電路主要用于一些輸出功率較大的電子管放大器中;

3、OTL功率放大器電路主要用于一些輸出功率較小的放大器中;

4、OCL功率放大器是一種常用的放大器電路，常用于一些輸出功率要求較大的功率放大器中;

5、BTL功率放大器電路主要用于一些要求輸出功率更大的場(chǎng)合。

其中，OTL、OCL和BTL功率放大器電路主要用于晶體管放大器中。

功率放大器的類型

根據(jù)三極管在放大信號(hào)時(shí)的信號(hào)工作狀態(tài)和三極管靜態(tài)電流大小劃分，放大器電路主要有3種放大器類型：一是甲類放大器電路，二是乙類放大器電路，三是甲乙類放大器電路。

除上述三種放大器電路之外，還有超甲類等許多種放大器電路。音響系統(tǒng)中由于不允許存在信號(hào)的非線性失真，所以只用甲類放大器電路和甲乙類放大器電路。

甲類放大器

甲類放大器就是給放大管加入合適的靜態(tài)偏置電流，這樣用一只三極管同時(shí)放大信號(hào)的正、負(fù)半周。在功率放大器電路中，功放輸出級(jí)中的信號(hào)幅度已經(jīng)很大，如果仍然讓信號(hào)的正、負(fù)半周同時(shí)用一只三極管來(lái)放大，這種電路稱之為甲類放大器。

在功放輸出級(jí)放大器電路中，甲類放大器的功放管靜態(tài)工作電流設(shè)得比較大，要設(shè)在放大區(qū)的中間，以便給信號(hào)正、負(fù)半周有相同的線性范圍，這樣當(dāng)信號(hào)幅度太大時(shí)(超出放大管的線性區(qū)域)，信號(hào)的正半周進(jìn)入三極管飽和區(qū)而被削頂，信號(hào)的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)而被削頂，此時(shí)對(duì)信號(hào)正半周與負(fù)半周的削頂量是相同的。

甲類放大器電路的主要特點(diǎn)如下所述：

1、在音響系統(tǒng)中，甲類功率放大器的音質(zhì)最好。由于信號(hào)的正、負(fù)半周用一只三極管來(lái)放大，信號(hào)的非線性失真很小，這是甲類功率放大器的主要優(yōu)點(diǎn)。

2、信號(hào)的正、負(fù)半周用同一只三極管放大，使放大器的輸出功率受到了限制，即一般情況下甲類放大器的輸出功率不可能做得很大。

功率三極管的靜態(tài)工作電流比較大，在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)對(duì)直流電源的消耗比較大。

推挽放大器

在功率放大器電路中大量采用推挽放大器電路，這種電路中用兩只三極管構(gòu)成一級(jí)放大器電路，兩只三極管分別放大輸入信號(hào)的正半周和負(fù)半周，即用一只三極管放大信號(hào)的正半周，用另一只三極管放大信號(hào)的負(fù)半周，兩只三極管輸出的半周信號(hào)在放大器負(fù)載上合并后得到一個(gè)完整周期的輸出信號(hào)。

推挽放大器電路中，一只三極管工作在導(dǎo)通、放大狀態(tài)時(shí)，另一只三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)變化到另一個(gè)半周后，原先導(dǎo)通、放大的三極管進(jìn)入截止，而原先截止的三極管進(jìn)入導(dǎo)通、放大狀態(tài)，兩只三極管在不斷地交替導(dǎo)通放大和截止變化，所以稱為推挽放大器。

互補(bǔ)推挽放大器

互補(bǔ)是通過(guò)采用兩種不同極性的三極管，利用不同極性三極管的輸入極性不同，用一個(gè)信號(hào)來(lái)激勵(lì)兩只不同極性的三極管，這樣可以不需要有兩個(gè)大小相等、相位相反的激勵(lì)信號(hào)。

這種利用NPN型和PNP型三極管的互補(bǔ)特性，用一個(gè)信號(hào)來(lái)同時(shí)激勵(lì)兩只三極管的電路，稱之為“互補(bǔ)”電路，由互補(bǔ)電路構(gòu)成的放大器稱為互補(bǔ)放大器電路。由于VT1和VT2管工作時(shí)，一只三極管導(dǎo)通、放大，另一只三極管截止，工作在推挽狀態(tài)，所以稱為互補(bǔ)推挽放大器。

乙類放大器

所謂乙類放大器就是不給三極管加靜態(tài)偏置電流，且用兩只性能對(duì)稱的三極管來(lái)分別放大信號(hào)的正半周和負(fù)半周，正、負(fù)半周再在放大器的負(fù)載上將正、負(fù)半周信號(hào)合成一個(gè)完整的周期信號(hào)。

由于這種放大器沒(méi)有給功放輸出管加入靜態(tài)電流，它會(huì)產(chǎn)生交越失真，這種失真是非線性失真的一種，對(duì)聲音的音質(zhì)破壞嚴(yán)重。所以，乙類放大器電路是不能用于音頻放大器電路中的。

甲乙類放大器

為了克服交越失真，必須使輸入信號(hào)避開(kāi)三極管的截止區(qū)，可以給三極管加入很小的靜態(tài)偏置電流，以使輸入信號(hào)“騎”在很小的靜態(tài)偏置電流上，這樣可以避開(kāi)了三極管的截止區(qū)，使輸出信號(hào)不失真。

甲乙類放大器電路的主要特點(diǎn)如下所述：

(a).這種放大器同乙類放大器電路一樣，也是用兩只三極管分別放大輸入信號(hào)的正、負(fù)半周，但給兩只三極管加入了很小的靜態(tài)偏置電流，以使三極管剛剛進(jìn)入放大區(qū)。

(b).由于給三極管所加的靜態(tài)直流偏置電流很小，所以在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)放大器對(duì)直流電源的消耗比較小(比起甲類放大器要小得多)，這樣具有乙類放大器的省電優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)因加入的偏置電流克服了三極管的截止區(qū)，對(duì)信號(hào)不存在失真，又具有甲類放大器無(wú)非線性失真的優(yōu)點(diǎn)。所以，甲乙放大器具有甲類和乙類放大器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了這兩種放大器的缺點(diǎn)。正是由于甲乙類放大器無(wú)交越失真，又具有輸出功率大和省電的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于音頻功率放大器電路中。

當(dāng)這種放大電路中的三極管靜態(tài)直流偏置電流太小或沒(méi)有時(shí)，就成了乙類放大器，將產(chǎn)生交越失真。