放大器

定义

放大器(amplifier)指在输入信号作用下产生幅度或功率更大的输出信号的电子器件或电路，又称电子放大器。它通常是一个双端口网络：信号由输入端口进入，经放大后从输出端口送出，输出波形的变化与输入波形相对应^[2][1]。国际电气电子工程师学会(IEEE)的资料把放大器的输出量与输入量之比称为增益，该比值可以用无量纲的倍数表示，也可以换算成分贝(dB)^[1]。

按被放大的电量不同，放大器可分为电压放大器、电流放大器和功率放大器；按工作频段则有音频放大器、射频放大器、微波放大器以及放大光信号的光纤放大器等^[1]。中文工具书还把增大信号幅度或功率的电路装置统称为放大器，其核心是电子管、双极型晶体管、场效应晶体管、行波管和变容管等有源器件^[2]。

原理

放大的实质是能量的受控转移。放大器由直流电源（部分类型用高频泵源）供电，输入信号只起控制作用，使电源能量按输入信号的变化规律转移到输出端，因此输出信号功率大于输入信号功率^[2][3]。为实现这种控制，晶体管必须由偏置电路设置在特性曲线的合适区域，使器件在有信号输入时工作于近似线性的状态^[2]。

增益是衡量放大能力的首要指标。电压增益与功率增益的定义分别为：

$A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}}$，$G_v = 20\lg|A_v|$（dB）；$G_p = 10\lg\frac{P_{out}}{P_{in}}$（dB）^[4][3]

放大器的增益随频率变化，其幅频特性与相频特性合称频率特性。在中间频段增益基本恒定，在低频和高频两端因耦合电容、旁路电容和器件寄生电容的作用而下降，带宽常以增益相对中频值下降3 dB的频率区间来定义^[1][3]。对电压反馈型运算放大器，闭环增益与带宽之积近似为常数，提高增益就要以牺牲带宽为代价^[5]。

引入负反馈是改善放大器性能的常用手段。反馈把输出信号的一部分送回输入端，闭环增益变为 $A = \frac{A_0}{1+\beta A_0}$，其中 $A_0$ 为开环增益，$\beta$ 为反馈系数；负反馈以降低增益为代价，换取增益稳定性、带宽和失真特性的改善^[5]。

flowchart LR

S[输入信号] --> M[求和节点]

M --> A[放大环节 A0]

A --> O[输出信号]

O --> F[反馈网络 β]

F --> M

P[直流电源] --> A

发展历程

1904 年，英国的弗莱明发明了真空二极管；1906 年，美国的德福雷斯特在二极管中加装栅极，制成真空三极管，使电信号放大成为可能，被视为电子学进入新阶段的标志^[6][3]。此后电子管长期是应用最广的放大器件，早期电子管放大器放大倍数有限，四极管、五极管相继出现后有所提高^[7][3]。

1947 年 12 月，美国贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利研制出点接触型锗晶体管，三人因晶体管的发明获得 1956 年诺贝尔物理学奖^[6]。晶体管体积小、耗电低、寿命长，逐渐在多数场合取代电子管，也推动了放大器的小型化^[8][3]。

集成电路出现后，放大器进入集成化阶段。1963 年，仙童半导体公司推出单片集成运算放大器 μA702；1965 年的 μA709 是首个取得商业成功的集成运放，1968 年的 μA741 将补偿电容集成在芯片内，使用更为简便^[9][10]。运算放大器以高开环增益配合负反馈，成为模拟电路中最常用的放大单元^[1]。在光通信领域，掺铒光纤放大器于 20 世纪 80 年代后期走向实用，使密集波分复用的长途光纤网络在商业上成为可能^[1]。

应用

通信系统是放大器的重要应用场合。无线发射机与接收机的前端需要射频放大器，把微弱的接收信号提升到可处理的电平，或把发射信号放大到足够的功率；卫星转发器和雷达发射机则使用行波管放大器、速调管等真空电子器件^[1]。在光纤通信中，掺铒光纤放大器工作在 1530 至 1570 纳米波段，增益可达 40 dB，噪声系数低于 5 dB，用于长途链路的信号中继^[1]。

音频与测量领域同样依赖放大器。高保真音响和扩声系统使用音频功率放大器驱动扬声器，其工作类别从甲类到丁类，效率差别很大^[1][11]。心电、脑电、核磁共振等医疗仪器以及锁相放大器、低噪声前置放大器等科学仪器，都以前置放大电路作为信号链的第一级^[1]。工业与科研中的运算放大器还用于滤波、积分、比较和信号调理等多种功能^[1]。

局限

放大器的输出能力受电源电压与器件特性的约束。当输入信号增大到一定程度，器件进入饱和或截止状态，输出无法继续跟随输入增长，形成削顶或削底失真；工作点选择不当会加剧这种非线性失真^[12]。增益与带宽之间存在交换关系，电压反馈型放大器在提高闭环增益时可用带宽随之变窄，宽带与高增益难以同时兼得^[5]。

放大器自身会引入噪声，噪声系数描述放大过程中信噪比的恶化程度，在放大微弱信号时这一指标尤为关键^[12]。负反馈在改善性能的同时也带来稳定性问题：若环路相移达到 180 度时环路增益仍不小于 1，负反馈将转变为正反馈，电路产生自激振荡^[13]。因此实际电路需要留出足够的相位裕量，并可能借助补偿电容加以抑制^[5]。

效率是功率放大器的另一项限制。甲类放大器输出器件在整个周期导通，失真小但效率低，未输送给负载的功率以热量形式耗散；乙类、甲乙类效率较高，却可能出现交越失真；丁类采用开关工作方式，效率高但会产生高频杂散辐射^[11]。

参见

• 运算放大器 —— 高开环增益、配合负反馈使用的集成放大器件，是模拟电路的基本单元。

• 晶体管 —— 半导体有源器件，20 世纪 50 年代后成为放大器的主要放大元件。

• 负反馈 —— 把输出信号的一部分送回输入端以改善增益稳定性、带宽和失真的技术。

• 增益 —— 放大器输出量与输入量之比，衡量放大能力的核心指标。

• 光纤放大器 —— 在光域直接放大光信号的器件，用于长途光纤通信。

• 功率放大器 —— 向负载输出足够大信号功率的一类放大器。