放大器的类型和特性

如果您在互联网上搜索“放大器”，您会在许多有关音频功率放大器的网站上找到结果。但“放大器”本身并不仅仅用于音频。放大某物的装置称为放大器。当然，在包括音频功率放大器在内的电路中，各种信号都是作为电信号进行交换的。所以，放大器是为了放大电路中流动的信号，它放大输入的电流或电压。它的作用是放大各种传感器输出的电信号，使其易于进行模数转换。

放大器是模拟电路的代表，它非常重要，如果将放大器从模拟电路中移除，就什么都没有了。此外，由于放大器可以提供任何电流和电压（或电力），因此它也可以用作电源模拟器。其实电源也是放大器的一种。直流电源也被称为单极（电源），因为只能提供正电荷。

我们称可以提供正负电荷电流源的两象限双极电源，以及也可以提供电流吸收器的四象限双极电源。我们将在最后一章详细介绍四象限双极电源。

有两种主要类型的放大器，称为“线性放大器”和“数字放大器”。
“线性放大器”具有输出信号相对于输入信号线性放大的频域和由于构成电路的放大元件（例如晶体管和FET）的特性而非线性的域。特别是，输出信号在接近零的区域变得非线性，元件输入信号的 ON/OFF 操作会导致输出波形失真。因此，输入信号在哪个区域使用就变得很重要，它分为三类，A类、B类和AB类（包括AB1类和AB2类）。

A类放大器

该放大器仅使用元件的线性放大区域。因此，虽然线性度高，但即使在输入信号接近于零时也需要提供偏置电流(或电压)，其缺点是效率下降，发热大。即为保证输出信号正确，即使在输入信号为零时也始终保持恒定的偏置电流。

B类放大器

该放大器按原样使用元件的非线性和线性放大区域。因此，当输入信号接近于零时，输出信号也为零而产生失真。取而代之的是不需要像甲类放大器那样的偏置电流，效率得到提高。

AB 类放大器

是一款在A类和B类之间享有盛誉的放大器。通过向 B 类放大器添加偏置电流来消除失真。

另一种放大器是“数字放大器”，也称为开关放大器、D 类放大器。通过使用 PWM 等开关技术，这比线性放大器更高效、体积更小。它主要用于紧凑型音频功率放大器，例如汽车应用。虽然采用MOSFET和IGBT作为开关器件，但也存在对应输入信号频带较窄的问题。

放大器稳定运行的必要条件

到目前为止，我们已经解释了放大器的类型和特性。从这里开始，我们将介绍在设计和实现放大器时应该注意哪些事项。

频段

为了使电流和电压输出值稳定，有必要了解抑制它们的因素。第一个因素是频带。频带对应于放大器的工作速度。在高频下，放大器跟不上输入信号，信号幅度下降。该图显示了在频带中幅度达到 -3 dB 之前的频率。

例如，额定电压为 120 V 的放大器的频段为 20 kHz 时，即使尝试在 20 kHz 下输出 ± 20 V 正弦波，输出幅度在 -3 dB 时也变为 70%，因此变为 ±14 V 正弦波。因此，有必要选择具有与您要使用的频率相适应的余量的频带的放大器。上升时间和下降时间与频带有关。一般响应速度(=频带)fc(Hz)放大器的上升时间可由tr≑0.35/fc求得。

压摆率

第二个因素是压摆率，代表放大器的响应速度。这显示了放大器的最大电压上升率。一般用每微秒的电压变化量来表示。放大器的响应速度可能受频带或该压摆率的限制。当阶跃响应受压摆率限制时，上升波形变为如图所示的直线。

受压摆率限制的情况

受频段限制的情况

感性负载

到目前为止，这是由于速度，但现在我们将介绍与负载相关的东西。第一个因素是感性负载。
在感性负载的情况下，电压-电流的关系是 V = L × di/dt 相对于电感值 L，在恒流 (CC) 控制下尝试高速运行时产生的电压会产生问题。

例如，当尝试输出上升速度较快的方波时，由于电压受到过压保护的限制，可能无法获得所需的波形。在这种情况下，需要减慢输入信号的上升速度并选择支持产生电压的模型。

此外，对输入信号使用诸如数字控制之类的阶跃信号也会产生许多电压脉冲。由于这些脉冲可能会产生问题，建议尽可能使用连续波形输入信号。

另一方面，过压保护也限制了输出信号。但是，如果输出信号突然关闭，则保护不起作用，感性负载可能会产生很大的电压。

容量负载

第二个因素是容量负载。对于容性负载，电容C的电压-电流关系为I = C × dV/dt。与感性负载相反，在恒压（CV）控制下尝试高速运行时需要大电流。处理大容量时，请在使用前了解电源的负载特性和输出特性。

二极管负载

第三个因素是二极管负载。在恒流（CC）控制下，即使在空载条件下电流控制为零，输出电压也会在轻微偏移的影响下上升到正或负过压保护水平。这意味着，即使电流控制为零，只允许正向电流的二极管或其他负载也可以输出反向过大的电压信号。如果这超过负载的耐压，可能会导致故障，因此需要采取反向插入保护二极管等措施。

电缆的电容和电感

最后一个因素是电缆。在高速运行放大器时，我们不能忽视电缆对输出信号的电容和电感的影响。在高压放大器中，电缆在输出线和屏蔽之间存在电容，因此电容影响电压波形的上升速度。电缆越长，容量越大。这就是为什么在音乐爱好者中使用低电阻电缆并构建最小化电缆长度的系统的原因。

另外，在低电压、大电流模型中，电缆的电感和接线方式产生的电感对电流波形的上升速度有很大影响。这可以通过使电流回路变小来在一定程度上缓解，例如扭曲接线。

四象限双极电源

最后介绍一下四象限双极电源，它是一种高性能的放大器，作为放大器的演进。放大器基本上有一个输出电流吸收器。因此，即使是容量负载、感性负载及其组合负载，也可以进行恒压操作。而且，因为响应速度快，可以说是理想的电源。一般的电源只能输出一个方向的电流。但是四象限双极电源可以输出正负两个方向的电压。

此外，它还具有灌电流和拉电流功能。在感性负载或容量负载上施加交流电时，同一电压可能有正负电流。需要一个四象限双极电源来驱动这样的负载。

在恒压 (CV) 控制下，四象限双极电源输出电压对应于输入信号。此时，输出电流在额定范围内可自由取值。同样，在恒流（CC）控制下，它根据输入信号输出电流。此时，如果输出电压在额定值内，则可以是正负自由值。

但是，由于输出保护是通过过压保护和过流保护进行的，因此可能无法获得所需的波形。最好在电压和电流都在额定范围内运行，了解负载特性对于稳定使用电源很重要。

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