電子學/放大器
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放大器是一種電子裝置，可以增加訊號的電壓、電流或功率。放大器被用於無線通訊系統、廣播和各種音訊裝置。
放大器通常分為四類
- 電壓放大器
- 電流放大器
- 跨阻放大器和
- 跨導放大器。
這些模型適用於放大器內部電路的複雜性，無論多麼複雜。模型引數的值可以透過分析放大器電路或透過對放大器端子進行測量來獲得。
電壓放大器的模型如圖1所示。真實的放大器具有輸入和輸出電阻。這在模型中得到了體現。
- 圖1：電壓放大器。
增益是訊號強度增加的量，通常用分貝 (dB) 表示。3 dB 的增加大約等於線性刻度上的加倍。增益大於 1 稱為放大，而增益小於 1 稱為衰減。
增益根據型別使用不同的符號。對於無負載增益
- 電壓增益為 Avo
- 電流增益 Aio
- 跨導 Gm
- 跨阻 Rm
使用該模型，可以計算帶負載的增益。
定性特徵
- 電流增益： ..... 高
- 電壓增益： ..... 高
- 功率增益： ..... 高
- 輸入阻抗： ... 平均
- 輸出阻抗：... 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
與 BJT 配置一樣，場效電晶體也有三種配置，每一種對應於電晶體的一個端子。
電晶體可以以多種類進行偏置。通常需要權衡線性度和功耗，其中 A 類
電晶體始終“開啟”。我們說 360 度導通，代表正弦波形的整個週期。理想情況下，此類產生很少的失真，但功耗很大，也是最不受歡迎的。
這是最線性的一類，這意味著輸出訊號是輸入訊號的更真實的表現。以下是該類的特點：1. 輸出器件（電晶體）在輸入訊號的整個週期內都導通電流。換句話說，它們以完整的形式複製整個波形。2. 這些放大器執行很熱，因為功率放大器中的電晶體始終開啟並以全功率執行。3. 沒有電晶體關閉的情況。這並不意味著放大器永遠不會或不能關閉；它意味著放大器內部工作的電晶體始終有電流流過。這個恆定訊號稱為“偏置”。4. A 類是所有功率放大器設計中最不節能的，平均效率僅約 20%。
由於它們通常的設計方式，A 類放大器效率非常低。它們不需要以這種方式構建，但對於每瓦輸出功率，它們通常會浪費 4-5 瓦作為熱量。它們通常非常大、很重，而且由於每瓦輸出功率會釋放 4-5 瓦的熱能，所以它們執行起來非常熱，需要大量的通風（對於汽車來說完全不理想，在家庭中也很少被接受）。這不是由於放大器型別造成的，而是由於許多設計工程師並不完全瞭解它們的工作原理，並且經常從以前的放大器設計中複製他們的設計。好處是這些放大器是所有放大器中最受喜愛的。當設計得當，A 類放大器可以最好地呈現音樂細節，不會出現波形削波。結果，聲音更乾淨、更線性；也就是說，它包含更低的失真水平。
它們是所有可用放大器中最精確的，但製造成本更高，需要更嚴格的公差和額外的冷卻和熱調節元件。
電晶體在正弦波週期的一半以上 (>180 度) “開啟”，是推輓式音訊功率放大器中最常用的配置。在推輓式放大器中，AB 類主要產生奇次諧波失真，但它比 A 類更節能。奇次諧波失真在音訊功率放大器中被認為聽起來不悅耳。這種失真可以透過在系統中新增一個簡單的負反饋迴路來輕鬆消除，如下圖所示。
這種型別的放大器非常容易構建，是音訊放大器的行業標準。
這種型別放大器的缺點包括效率低下、尺寸大和成本高。典型的 AB 類放大器的功率效率為 40-80%。因此，它們需要大型散熱器來冷卻電晶體，這也會由於製造這些散熱器所需的額外材料而增加放大器的成本。
這是兩者兼得的方案。AB 類操作結合了 A 類和 B 類的優點。它最主要的優勢是音質可與 A 類媲美，效率與 B 類相當。大多數現代放大器設計都採用這種拓撲結構。
其主要特點是：事實上，許多 AB 類放大器在較低的輸出電平下執行在 A 類，再次體現了二者兼得的優勢。輸出偏置設定為在超過訊號週期一半但少於整個週期的特定輸出裝置中流動電流。每個裝置都有足夠的電流流過以保持其執行，因此它們可以立即響應輸入電壓需求。在推輓輸出級中，存在一些重疊，因為每個輸出裝置在訊號從正半周到負半周的短過渡期或交叉期都會協助另一個輸出裝置。
AB 類設計有許多實現方式。其優勢在於，幾乎完全消除了 B 類設計固有的非線性，同時避免了 A 類設計帶來的發熱和效率低下的問題。如前所述，在某些輸出電平下，AB 類放大器在 A 類下執行。正是這種良好的效率（約 50%）與優異的線性度的結合，使得 AB 類成為最流行的音訊放大器設計。
有很多優秀的 AB 類放大器可供選擇。這是我推薦用於大多數家庭和汽車通用應用的設計。通常，元件選擇可以與 A 類放大器相媲美，而且物有所值，它們是立體聲放大器中最好的選擇之一。設計原理可能有所不同，但通常這些都是設計良好的放大器，因為音訊設計師對其功能非常瞭解。
電晶體在正弦波的週期內僅“開啟”一半（正好 180 度），並且通常用於推輓放大器電路。理想情況下，此類放大器主要產生奇次諧波失真。在音訊應用中，人們認為奇次諧波失真聽起來不悅耳。很難構建低失真 B 類放大器，因此 AB 類幾乎是普遍的。
在此放大器中，訊號的正半周和負半周由電路的不同部分處理。輸出裝置不斷地開關。B 類操作具有以下特點：輸入訊號必須大得多才能適當驅動電晶體。這幾乎與 A 類操作相反。這種型別的放大器必須至少有兩個輸出裝置。此輸出級採用兩個輸出裝置，因此每個輸出裝置放大波形的一半。[li 兩個輸出裝置絕不允許同時開啟，或者每個裝置的偏置（記住，那股微弱的電流？）設定為當沒有輸入訊號時，一個輸出裝置中的電流為零。每個輸出裝置在完整的訊號週期內正好開啟一半。
這些放大器的執行溫度低於 A 類放大器，但音質不如 A 類放大器純淨，因為在每個訊號週期內，一個輸出裝置關閉而另一個輸出裝置開啟時，會出現大量的“交叉”失真。
這種型別的放大器設計或拓撲結構使我們得到了“推輓”這個術語，因為它描述了向揚聲器輸出音訊訊號的輸出裝置的串聯：一個裝置推動訊號，另一個裝置拉動訊號。它們可能更便宜，因為在設計中可以使用兩個廉價的輸出裝置，而不是一個高質量的輸出裝置。
正如我之前提到的，輸入訊號必須大得多，這意味著從放大器輸入端開始，它需要在一個增益級中“升壓”，以便訊號能夠使輸出電晶體在設計規格範圍內更有效地工作。這意味著在訊號路徑中需要更多的電路，即使在訊號到達輸出級之前也會降低音質。
電晶體在正弦波週期內“開啟”的時間少於一半。我們說它<180 度導通。此類放大器產生偶次諧波失真和奇次諧波失真，但效率很高。
D 類放大器是在過去幾代放大器（包括 A 類、B 類、AB 類和 C 類）的缺點出現後發展起來的。許多人錯誤地認為 D 類代表數字。雖然它是一種“開關”放大器，這意味著它以特定頻率“開啟”和“關閉”，但這種假設是錯誤的。D 類僅僅是在字母表中的下一個字母。D 類放大器消耗的功率低於前幾代放大器，通常體積更小，使其成為移動裝置的理想選擇。正是由於 D 類放大器的功率效率高、體積小、成本低，它們正迅速成為音訊電子產品的新行業標準。諸如 Advanced Analog、德州儀器等公司以及其他公司已經發布了體積如一枚硬幣的 50 瓦立體聲 D 類放大器，並且不需要任何散熱片，這在其他型別的放大器中是不可能實現的。
基本設計包括串聯的兩個 MOSFET 電晶體，一個 pFET 和一個 nFET 由脈衝寬度調製 (PWM) 訊號驅動。由於 MOSFET 電晶體的特性，它們要麼完全開啟，要麼完全關閉。當電晶體關閉且電流為零時（因此浪費在使電晶體發熱的功率為零），或者電晶體完全開啟且其上的電壓非常接近零時（因此浪費在使電晶體發熱的功率再次非常接近零）。
由於模擬訊號需要轉換為 PWM 訊號，因此可能會出現一定程度的失真，但失真程度可以最小化。由於 PWM 訊號非常類似於數字訊號，因此 取樣定理 規定，如果取樣頻率大於源訊號最大頻率的一半，則可以精確地重現源訊號。對於音訊訊號，人類能聽到的最大頻率約為 20kHz，因此 PWM 發生器只需要提供至少 40kHz 的開關頻率。由於更快元件的可用性，許多 D 類放大器設計師會使用更接近 400kHz 的開關頻率來進一步降低失真。
D 類放大器的關注問題包括電磁輻射。由於電路中存在 中頻訊號，必須採取措施來減少可能干擾其他電子裝置的這些訊號的輻射。
==== E 類 ====（哎呀，又是 D 類？）開關放大器 這些放大器被媒體和許多音訊“專家”錯誤地稱為“數字”放大器。以下是關於 D 類的簡要說明：雖然一些 D 類放大器確實以真正的數字模式執行，使用相干二進位制資料，但大多數放大器不是。它們更準確地被稱為“開關”放大器，因為在這裡，輸出裝置以至少每週期兩次的速率快速開啟和關閉。根據它們的開關頻率，它們可能每秒“開啟”或“關閉”數百萬次。理論上 D 類操作的效率為 100%，但在實踐中，它們的效率更接近 80-90%。這種效率的提高是以高保真度為代價的。
可以將 D 類放大器想象成類似於可切換電源，但由音訊訊號控制或調製開關動作。為此，可以使用一種稱為脈衝寬度調製 (PWM) 的技術，這種技術存在於許多 CD 播放器中。
據專家介紹，音訊訊號可以用於調製 PWM 系統，以使用非常小的元件在相當低的電壓下建立高功率音訊放大器。D 類音訊使用固定頻率的高頻訊號，該訊號具有脈衝，這些脈衝的寬度根據輸入訊號幅度而變化。例如，一個低音音符會在載波訊號中產生一個大脈衝。這可以透過輸出裝置的開啟/關閉特性轉換為音樂訊號。
D 類放大器通常用於非高保真或超低音應用。
存在第五類（名義上還有第六類）放大器，但它們在消費市場上很少見。一個例子是 G 類，另一個是 H 類。它們在設計上類似於 AB 類拓撲結構，但都具有兩個電源，這些電源根據輸入的音樂訊號開啟或關閉。使用兩個電源可以顯著提高效率，從而在給定的尺寸和重量下提供更高的功率。G 類正逐漸成為專業音訊設計中的常見選擇。H 類放大器的設計採用與 G 類相同的拓撲結構，但它只提供足以使輸出裝置最佳執行的電壓。同樣，這是一種試圖提高效率的嘗試，但最終是以保真度為代價的。
