放大器是能把輸入訊號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控制能源來實現的，放大所需功耗由能源提供。放大器廣泛應用于通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。

放大器是增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術工具中處理信號的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現的，放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器，輸出就是輸入信號的復現和增強。對于非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函數關系。

放大電路的基本原理

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

放大電路的放大作用，實質是把直流電源UCC的能量轉移給輸出信號。

放大電路的核心元件是晶體管，因此，放大電路若要實現對輸入小信號的放大作用，必須首先保證晶體管工作在放大區。

晶體管放大電路一般有三種組態：

無論放大電路的組態如何，其目的都是讓輸入的微弱小信號通過放大電路后，輸出時其信號幅度顯著增強。

其中，共發射極放大電路是電子技術中應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的幅值。該參數常用分貝(dB)來度量。 用數學語言來說，增益等于輸出幅值除以輸入幅值。

2、輸出動態范圍

輸出動態范圍，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。因為最低的有用幅值受限于輸出噪聲，所以稱之為放大器的動態范圍。

3、帶寬與上升時間

(1)放大器的帶寬(BW)常定義為低頻與高頻半功率點之間的差值。因而也就是常說的-3dB BW。有時也定義在其它的響應容差下的帶寬 (-1dB，-6dB等等。)。舉例來說，一個好的音頻放大器的-3dB帶寬將在二十赫茲到兩萬赫茲左右(正常人的聽覺頻率范圍)。

(2)放大器的上升時間是指當階躍信號輸入時，輸出端由其最終輸出幅度值10%變化到90%時所化的時間。

4、理想頻率特性

增益為常數，相移與頻率成正比。即放大器對不同頻率的信號具有相同的放大量，并且對任何頻率的信號的相移均為零。

5、建立時間與失調

是指輸出幅值建立于最終幅值的某個比值(比如0.1%)以內時所花的時間。

6、效率

效率用來量度多少輸入能量是應用于放大器輸出的。甲類(A類)放大器效率十分低下，約在10-20%之間，最大不超過25%。現代甲乙類(AB類)放大器一般效率都在35-55%之間，理論值可達78.5%。有報道說商用的丁類(D類)放大器的效率可高達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，通常在幾個瓦特的設計中也無需風扇。

7、回轉率

回轉率(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

是對在放大過程中引入噪聲多少的一個量度。噪聲是電學器件和元件中不受歡迎卻無法避免的。噪聲由放大器零輸入時輸出的分貝或輸出電壓峰值來度量。也可由輸入信號和輸出信號的信噪比差值確定，輸出信號信噪比惡化了多少dB，則該放大器的噪聲系數就是多少dB。

9、線性度

理想放大器應當是完全線性器件，但是實際的放大器僅在某些實際限制下是線性的，其他情況下均會出現失真。當驅動放大器的信號增大后，輸出也隨之增大，直到達到某個電壓值，使得放大器的某部分達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工作點的選擇密切相關。

光纖放大器

光放大器的開發成功及其產業化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光弧子通信以及全光網絡的發展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。

光纖放大器一般都由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網絡中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發射機側用作功率放大器以提高發射機的功率;在接收機之前作光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度;在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。

光放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、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中必不可少的關鍵器件。

光纖放大器原理及分類

EDFA的原理

EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統，在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態的Er3+離子抽運到激發態，處于激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由于Er3+離子在亞穩態能級上壽命較長，因此很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩態的Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射(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點，直接對光信號進行放大，無需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩定的功率放大。

EDFA的結構

典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(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，在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優于40 dB。

EDFA的特性及性能指標

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信號功率。增益系數是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益。g0是由泵浦強度定的小信號增益系數，由于增益飽和現象，隨著信號功率的增加，增益系數下降;Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量，與摻雜系數、熒光時間和躍遷截面有關。

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

EDFA的帶寬

增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區域。實際上的EDFA的增益頻率變化關系比理論的復雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米.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的級聯結構

EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中，常常采用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發輻射(ASE)，使其不能進入第一段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換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號，經EDFA放大到1 W左右。

光信號由LD激光器產生，是已調制的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導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到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。

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，當泵浦光輸入到EDF中時，就可以將大部分處于基態的Er3+抽運到激發態上，處于激發態的Er3+又迅速無輻射地轉移到亞穩態上，由于Er3+在亞穩態上的平均停留時間為10ms，因此很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉，此時，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應作用下產生大量與自身完全相同的光子，使信號光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號。

自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器(EDFA)，并開始應用于1.55mm頻段的光纖通信系統以來，推動了光纖通信向全光傳輸方向發展，且目前EDFA的技術開發和商品化最成熟;應用廣泛的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、與偏振無關、噪聲指數低、放大特性與系統比特率和數據格式無關，且同時放大多路波長信號等一系列的特性，在長途光通信系統中得到了廣泛的應用。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信道數。

然而隨著因特網技術的迅速發展，要求光纖傳輸系統的傳輸容量要不斷地擴大，面對傳輸容量的擴大，目前主要有三種解決途徑：

增加每個波長的傳輸速率;

減少波長間距;

增加總的傳輸帶寬。

半導體光放大器

半導體光放大器(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，當偏置電流低于振蕩閾值時，激光二極管就能對輸入相干光實現光放大作用。由于半導體放大器具有體積小、結構較為簡單、功耗低、壽命長、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產、成本低，可實現增益兼開關功能等特性，在全光波長變換、光交換、譜反轉、時鐘提取、解復用中的應用受到了廣泛的重視，特別是目前應變量子阱材料的半導體光放大器的研制成功，已引起人們對SOA的廣泛研究興趣。

國內武郵院與華中科技大學合作成功地研制開發了在光網絡中的關鍵器件--半導體光放大器，并很快實現了產品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應國際市場應用于光開關的半導體光放大器的供貨商，這標志著我國自行研制的應變量子阱器件邁出了商品化生產的關鍵一步。但半導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、對串擾和偏振敏感、與光纖耦合時損耗大，工作穩定性較差等缺陷，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多波長光纖通信系統中，無需增益鎖定，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系統的實現。

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象，它將一小部分入射光功率轉移到頻率比其低的斯托克斯波上;如果一個弱信號與一強泵浦光波同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內，弱信號光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器(FRA)。

近年來光纖拉曼放大器倍受關注，已成為研制開發的熱點，它具有許多優點：

(1)增益介質為普通傳輸光纖，與光纖系統具有良好的兼容性;

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

(3)增益高、串擾小、噪聲指數低、頻譜范圍寬、溫度穩定

性好。

正因為光纖拉曼放大器有這么多的優點，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光譜范圍內進行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬;再次增益介質為普通光纖，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纖拉曼放大器可以對信號光進行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應用于40Gbit/s的高速光網絡中，也特別適用于海底光纜通信系統，而且因為放大是沿著光纖分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應尤其是四波混頻效應大大減少，這對于大容量DWDM系統是十分適用的。FRA是EDFA的補充，而不是代替，兩者結合起來可獲得大于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主要的缺點就是需要特大功率的泵浦激光器，解決這個問題的主要途徑有：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;其三是將多個泵浦源激光器的波長采用列陣、單片組合的方法復用在一起，獲得一個大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個寬帶的增益譜，而且還可以通過調節單個激光器的功率來調整增益斜率。

運算放大器

運算放大器是一種很常見的集成電路，其將若干個三極管、電阻、電容等元件集成到一個很小的芯片中，以特定的電路形式來完成放大任務。運算放大器是集成電路，因此其同樣具有集成電路的優點，其放大精度高、增益大、噪聲低、設計簡單。在一些對放大元件要求較高的場合，設計人員大量使用運算放大器來代替傳統的三極管。

運算放大器的應用范圍很廣，它不僅可以用于普通的放大，還可以完成信號的加減乘除等“運算”任務，其在濾波器的設計中也擔任著重要的角色，一些速度較快、性能較高的運算放大器還可以完成比較簡單的信號比較的任務。

運算放大器的工作原理

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

運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。運算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應用這些特性可以獲得很多獨特的用途，總的來說，這些特性可以綜合為兩條：

1、運算放大器的放大倍數為無窮大。

2、運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。

首先，運算放大器的放大倍數為無窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會有與正的或負的電源一樣高的輸出電壓本來應該是無窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準確地說，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，運算放大器的輸出端就會輸出一個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，運算放大器的輸出端就會輸出一個與負電源電壓相同的電壓(如果運算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零)。

其次，由于放大倍數為無窮大，所以不能將運算放大器直接用來做放大器用，必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端(稱為負反饋)來降低它的放大倍數。如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號返回到運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，所以會減小電路的放大倍數，是一個負反饋電路，電阻Rf也叫做負反饋電阻。

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

運算放大器的分類

運算放大器按參數可分為如下幾類：

通用型運算放大器：主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。

低溫漂型運算放大器：在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運算放大器：特點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。

高速型運算放大器：主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。

低功耗型運算放大器：由于電子電路集成化的最大優點是能使復雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。

高壓大功率型運算放大器：運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

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

功率放大器

功率放大器，簡稱“功放”，很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統的任務，這時就要在主機和播放設備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統中起到了“組織、協調”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統能否提供良好的音質輸出。

功率放大器基本原理

利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的β倍的大信號，這現象成為三極管的放大作用。經過不斷的電流放大，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輸出電路形式來決定，常見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

根據三極管在放大信號時的信號工作狀態和三極管靜態電流大小劃分，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。音響系統中由于不允許存在信號的非線性失真，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偏置電流，這樣用一只三極管同時放大信號的正、負半周。在功率放大器電路中，功放輸出級中的信號幅度已經很大，如果仍然讓信號的正、負半周同時用一只三極管來放大，這種電路稱之為甲類放大器。

在功放輸出級放大器電路中，甲類放大器的功放管靜態工作電流設得比較大，要設在放大區的中間，以便給信號正、負半周有相同的線性范圍，這樣當信號幅度太大時(超出放大管的線性區域)，信號的正半周進入三極管飽和區而被削頂，信號的負半周進入截止區而被削頂，此時對信號正半周與負半周的削頂量是相同的。

甲類放大器電路的主要特點如下所述：

1、在音響系統中，甲類功率放大器的音質最好。由于信號的正、負半周用一只三極管來放大，信號的非線性失真很小，這是甲類功率放大器的主要優點。

2、信號的正、負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。

功率三極管的靜態工作電流比較大，在沒有輸入信號時對直流電源的消耗比較大。

乙類放大器

所謂乙類放大器就是不給三極管加靜態偏置電流，且用兩只性能對稱的三極管來分別放大信號的正半周和負半周，正、負半周再在放大器的負載上將正、負半周信號合成一個完整的周期信號。

由于這種放大器沒有給功放輸出管加入靜態電流，它會產生交越失真，這種失真是非線性失真的一種，對聲音的音質破壞嚴重。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，必須使輸入信號避開三極管的截止區，可以給三極管加入很小的靜態偏置電流，以使輸入信號“騎”在很小的靜態偏置電流上，這樣可以避開了三極管的截止區，使輸出信號不失真。

甲乙類放大器電路的主要特點如下所述：

(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的正、負半周，但給兩只三極管加入了很小的靜態偏置電流，以使三極管剛剛進入放大區。

(b).由于給三極管所加的靜態直流偏置電流很小，所以在沒有輸入信號時放大器對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點，同時因加入的偏置電流克服了三極管的截止區，對信號不存在失真，又具有甲類放大器無非線性失真的優點。所以，甲乙放大器具有甲類和乙類放大器的優點，同時克服了這兩種放大器的缺點。正是由于甲乙類放大器無交越失真，又具有輸出功率大和省電的優點，所以被廣泛地應用于音頻功率放大器電路中。

當這種放大電路中的三極管靜態直流偏置電流太小或沒有時，就成了乙類放大器，將產生交越失真。

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成一級放大器電路，兩只三極管分別放大輸入信號的正半周和負半周，即用一只三極管放大信號的正半周，用另一只三極管放大信號的負半周，兩只三極管輸出的半周信號在放大器負載上合并后得到一個完整周期的輸出信號。

推挽放大器電路中，一只三極管工作在導通、放大狀態時，另一只三極管處于截止狀態，當輸入信號變化到另一個半周后，原先導通、放大的三極管進入截止，而原先截止的三極管進入導通、放大狀態，兩只三極管在不斷地交替導通放大和截止變化，所以稱為推挽放大器。

互補推挽放大器

互補是通過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，用一個信號來激勵兩只不同極性的三極管，這樣可以不需要有兩個大小相等、相位相反的激勵信號。

這種利用NPN型和PNP型三極管的互補特性，用一個信號來同時激勵兩只三極管的電路，稱之為“互補”電路，由互補電路構成的放大器稱為互補放大器電路。由于VT1和VT2管工作時，一只三極管導通、放大，另一只三極管截止，工作在推挽狀態，所以稱為互補推挽放大器。