放大器的類型和特性

如果您在互聯網上搜索“放大器”，您會在許多有關音頻功率放大器的網站上找到結果。但“放大器”本身并不僅僅用于音頻。放大某物的裝置稱為放大器。當然，在包括音頻功率放大器在內的電路中，各種信號都是作為電信號進行交換的。所以，放大器是為了放大電路中流動的信號，它放大輸入的電流或電壓。它的作用是放大各種傳感器輸出的電信號，使其易于進行模數轉換。

放大器是模擬電路的代表，它非常重要，如果將放大器從模擬電路中移除，就什么都沒有了。此外，由于放大器可以提供任何電流和電壓（或電力），因此它也可以用作電源模擬器。其實電源也是放大器的一種。直流電源也被稱為單極（電源），因為只能提供正電荷。

我們稱可以提供正負電荷電流源的兩象限雙極電源，以及也可以提供電流吸收器的四象限雙極電源。我們將在最后一章詳細介紹四象限雙極電源。

有兩種主要類型的放大器，稱為“線性放大器”和“數字放大器”。
“線性放大器”具有輸出信號相對于輸入信號線性放大的頻域和由于構成電路的放大元件（例如晶體管和FET）的特性而非線性的域。特別是，輸出信號在接近零的區域變得非線性，元件輸入信號的 ON/OFF 操作會導致輸出波形失真。因此，輸入信號在哪個區域使用就變得很重要，它分為三類，A類、B類和AB類（包括AB1類和AB2類）。

A類放大器

該放大器僅使用元件的線性放大區域。因此，雖然線性度高，但即使在輸入信號接近于零時也需要提供偏置電流(或電壓)，其缺點是效率下降，發熱大。即為保證輸出信號正確，即使在輸入信號為零時也始終保持恒定的偏置電流。

B類放大器

該放大器按原樣使用元件的非線性和線性放大區域。因此，當輸入信號接近于零時，輸出信號也為零而產生失真。取而代之的是不需要像甲類放大器那樣的偏置電流，效率得到提高。

AB 類放大器

是一款在A類和B類之間享有盛譽的放大器。通過向 B 類放大器添加偏置電流來消除失真。

另一種放大器是“數字放大器”，也稱為開關放大器、D 類放大器。通過使用 PWM 等開關技術，這比線性放大器更高效、體積更小。它主要用于緊湊型音頻功率放大器，例如汽車應用。雖然采用MOSFET和IGBT作為開關器件，但也存在對應輸入信號頻帶較窄的問題。

放大器穩定運行的必要條件

到目前為止，我們已經解釋了放大器的類型和特性。從這里開始，我們將介紹在設計和實現放大器時應該注意哪些事項。

頻段

為了使電流和電壓輸出值穩定，有必要了解抑制它們的因素。第一個因素是頻帶。頻帶對應于放大器的工作速度。在高頻下，放大器跟不上輸入信號，信號幅度下降。該圖顯示了在頻帶中幅度達到 -3 dB 之前的頻率。

例如，額定電壓為 120 V 的放大器的頻段為 20 kHz 時，即使嘗試在 20 kHz 下輸出 ± 20 V 正弦波，輸出幅度在 -3 dB 時也變為 70%，因此變為 ±14 V 正弦波。因此，有必要選擇具有與您要使用的頻率相適應的余量的頻帶的放大器。上升時間和下降時間與頻帶有關。一般響應速度(=頻帶)fc(Hz)放大器的上升時間可由tr?0.35/fc求得。

壓擺率

第二個因素是壓擺率，代表放大器的響應速度。這顯示了放大器的最大電壓上升率。一般用每微秒的電壓變化量來表示。放大器的響應速度可能受頻帶或該壓擺率的限制。當階躍響應受壓擺率限制時，上升波形變為如圖所示的直線。

受壓擺率限制的情況

受頻段限制的情況

感性負載

到目前為止，這是由于速度，但現在我們將介紹與負載相關的東西。第一個因素是感性負載。
在感性負載的情況下，電壓-電流的關系是 V = L × di/dt 相對于電感值 L，在恒流 (CC) 控制下嘗試高速運行時產生的電壓會產生問題。

例如，當嘗試輸出上升速度較快的方波時，由于電壓受到過壓保護的限制，可能無法獲得所需的波形。在這種情況下，需要減慢輸入信號的上升速度并選擇支持產生電壓的模型。

此外，對輸入信號使用諸如數字控制之類的階躍信號也會產生許多電壓脈沖。由于這些脈沖可能會產生問題，建議盡可能使用連續波形輸入信號。

另一方面，過壓保護也限制了輸出信號。但是，如果輸出信號突然關閉，則保護不起作用，感性負載可能會產生很大的電壓。

容量負載

第二個因素是容量負載。對于容性負載，電容C的電壓-電流關系為I = C × dV/dt。與感性負載相反，在恒壓（CV）控制下嘗試高速運行時需要大電流。處理大容量時，請在使用前了解電源的負載特性和輸出特性。

二極管負載

第三個因素是二極管負載。在恒流（CC）控制下，即使在空載條件下電流控制為零，輸出電壓也會在輕微偏移的影響下上升到正或負過壓保護水平。這意味著，即使電流控制為零，只允許正向電流的二極管或其他負載也可以輸出反向過大的電壓信號。如果這超過負載的耐壓，可能會導致故障，因此需要采取反向插入保護二極管等措施。

電纜的電容和電感

最后一個因素是電纜。在高速運行放大器時，我們不能忽視電纜對輸出信號的電容和電感的影響。在高壓放大器中，電纜在輸出線和屏蔽之間存在電容，因此電容影響電壓波形的上升速度。電纜越長，容量越大。這就是為什么在音樂愛好者中使用低電阻電纜并構建最小化電纜長度的系統的原因。

另外，在低電壓、大電流模型中，電纜的電感和接線方式產生的電感對電流波形的上升速度有很大影響。這可以通過使電流回路變小來在一定程度上緩解，例如扭曲接線。

四象限雙極電源

最后介紹一下四象限雙極電源，它是一種高性能的放大器，作為放大器的演進。放大器基本上有一個輸出電流吸收器。因此，即使是容量負載、感性負載及其組合負載，也可以進行恒壓操作。而且，因為響應速度快，可以說是理想的電源。一般的電源只能輸出一個方向的電流。但是四象限雙極電源可以輸出正負兩個方向的電壓。

此外，它還具有灌電流和拉電流功能。在感性負載或容量負載上施加交流電時，同一電壓可能有正負電流。需要一個四象限雙極電源來驅動這樣的負載。

在恒壓 (CV) 控制下，四象限雙極電源輸出電壓對應于輸入信號。此時，輸出電流在額定范圍內可自由取值。同樣，在恒流（CC）控制下，它根據輸入信號輸出電流。此時，如果輸出電壓在額定值內，則可以是正負自由值。

但是，由于輸出保護是通過過壓保護和過流保護進行的，因此可能無法獲得所需的波形。最好在電壓和電流都在額定范圍內運行，了解負載特性對于穩定使用電源很重要。

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