放大器的分類與性能分析

李思彤　宋海榮　樊金鵬

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450000）

放大器的分類與性能分析

李思彤宋海榮樊金鵬

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450000）

放大器作為一種在電子產(chǎn)品中廣泛運用的電子器件，其技術(shù)的發(fā)展對各類電子行業(yè)都帶來了變革式影響。基于此，從放大器的應(yīng)用與分類，簡析其主要技術(shù)的發(fā)展以及目前常用的功率放大器的性能特點，針對行業(yè)現(xiàn)狀對放大器的應(yīng)用進(jìn)行探討。

放大器；性能；運算放大器；功率放大器；富士通

放大器技術(shù)為一種能夠?qū)⑤斎胄盘栠M(jìn)行放大的技術(shù)。放大器器件是能夠把輸入信號的電壓或者功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成，其放大所需能量由供能裝置提供，如電壓源或者電流源等。放大器技術(shù)廣泛應(yīng)用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視和自動控制等各類領(lǐng)域中。

1　放大器的分類

依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用領(lǐng)域，對放大器有不同的分類，常用的幾種分類方式如下：①按照視頻的頻率范圍，分為單頻道、寬頻道和多頻段3種類型；②按照使用位置劃分，分為前端放大器和線路放大器兩類；③依據(jù)處理的信號種類，分為機(jī)電放大器、電子放大器液動放大器、氣動放大器和光放大器，其中應(yīng)用最廣泛的是電子放大器；④按照有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器、固體放大器和磁放大器，其中晶體管放大器的應(yīng)用最廣，晶體管組成的放大器還可細(xì)分為單級放大、多級放大、單端信號放大和差動信號放大（見圖1）等［1］，主要依據(jù)應(yīng)用環(huán)境和處理信號的不同而有不同的分類。

圖1　基本差動放大器電路圖

其中，差動信號放大器的一個重要特點是能夠抑制共模干擾，在電路完全對稱并且電流源具有有限的輸出

式（1）中，gm表示M1和M2晶體管的跨導(dǎo)。

2　放大器的基本性能

放大器性能是用來評價放大器特點的參數(shù)指標(biāo)，通過各類性能參數(shù)表征，能夠在眾多的放大器類型中選擇最佳的放大器，以達(dá)到理想的電路設(shè)計效果。下面簡單介紹幾類主要的放大器性能參數(shù)。

2.1增益

增益表征指放大器對信號放大的程度，通常用分貝（dB）來度量，用輸出幅值比上輸入幅值來計算。功率放大器的增益計算公式為：

2.2輸出動態(tài)范圍

常用dB作為單位，是指最大與最小有用輸出幅值之間的范圍。

2.3放大器帶寬（BW）

是指放大器正常工作時的最低頻率與最高頻率之間的差值。

2.4上升時間

指當(dāng)輸入階躍信號時，輸出端的幅值從10%變化到90%所需的時間。

2.5理想頻率特性

增益為常熟，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放大的相移為0。通常針對放大器的改進(jìn)也以逼近該理想頻率特征為目標(biāo)，該理想頻率特性只是理想狀態(tài)。

3　放大器技術(shù)的發(fā)展簡史

放大器技術(shù)隨著晶體管的發(fā)展而逐漸發(fā)展，在電子應(yīng)用領(lǐng)域又稱為運算放大器，根據(jù)不同的需要，放大器的種類也多種多樣，根據(jù)每種類型的不同其發(fā)展的方向也各不相同。放大器的發(fā)展歷程如圖2所示，主要從放大器的性能和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行改進(jìn)。阻抗RSS，此時放大器的共模增益為：

圖2　放大器技術(shù)發(fā)展的主要分支圖

3.1性能方面

研發(fā)者開發(fā)的重點在于提高放大器的帶寬，同時追求更低的噪聲、更高的精度、更高的速度等，這與通信業(yè)的通信速度和不斷膨脹的海量傳輸信息有關(guān)。例如，無線通信中的射頻功率放大器，其作為無線通信中的關(guān)鍵組件，其輸出功率決定著通信的距離，而使用效率決定著電池的消耗。因此，節(jié)能和低功耗的追求也加速放大器技術(shù)的發(fā)展。例如，Analog Devices公司曾推出一種用于開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的高速差分放大器，其在小信號工作期間減少了電流需求，而在大信號工作期間產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)換電流，在實際應(yīng)用期間節(jié)約了功耗，這將降低整個器件運行過程中對電能的消耗，延長如移動設(shè)備的使用時間，提高用戶的使用體驗。

3.2結(jié)構(gòu)方面

由于放大器的生產(chǎn)成本是實際產(chǎn)業(yè)化中的重要因素，因此，低成本的放大器也是發(fā)展的一大趨勢。這涉及放大器的生產(chǎn)和使用過程，由于人們追求更加便捷和節(jié)能的電子設(shè)備，因此，放大器的規(guī)格在不斷減小，其發(fā)展歷程中有很長一段時間圍繞更小尺寸，但同時保持更好的性能，又能夠節(jié)約功耗這樣一種理念在發(fā)展。目前的放大器最小尺寸能夠做到亞微米級甚至更小，這也催生了放大器的生產(chǎn)行業(yè)和放大器的生產(chǎn)工藝等眾多方面的發(fā)展。當(dāng)然，尺寸的減小終究是有極限的，現(xiàn)在放大器元件制造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，目前的發(fā)展趨勢已經(jīng)轉(zhuǎn)換為對放大器外圍電路的設(shè)計，通過外部的電源調(diào)整、偏置設(shè)置的調(diào)整、反饋信號的調(diào)整等處理，針對外部的電路優(yōu)化提高放大器的性能，通常能夠得到更好的性能。

從單個的晶體管放大器，到目前的芯片級封裝的放大器，從其出現(xiàn)到現(xiàn)在的量化生產(chǎn)，放大器技術(shù)的提升也帶動著各個行業(yè)的飛速發(fā)展，多種多樣的放大器出現(xiàn)朝向某一領(lǐng)域的具體需求研究方向發(fā)展，這也是市場和用戶需求引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變的體現(xiàn)。

4　功率放大器及主要類型

在各類放大器中，功率放大器是使用較為廣泛的放大器之一。功率放大器主要應(yīng)用在通信領(lǐng)域，為了解決通信信號在傳輸過程中的損耗以及是否能夠克服噪聲而提取有用信號，將采用功率放大器將信號進(jìn)行放大再傳輸或再還原。功率放大器［2］的性能對通信質(zhì)量、傳輸距離和耗電量均有著較大影響，是通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。因此，功率放大器為當(dāng)前主流研究方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1功率放大器的分類

依據(jù)晶體管工作在放大狀態(tài)時的電壓和電流不同，將功率放大器分為A類（也稱甲類）、B類（乙類）、AB類（甲乙類）、C類（丙類）和D類（也稱丁類或數(shù)字類）等幾種。

4.2各類功率放大器的性能對比

由于放大器工作的晶體管的靜態(tài)工作點的位置不同，放大器的性能也不相同，具體在性能上的差別見表1。

表1　不同種類功率放大器的性能對比表

4.3不同功率放大器的具體應(yīng)用

不同種類的功率放大器根據(jù)其自身不同特性，在具體的應(yīng)用領(lǐng)域中各有區(qū)別，主要原則是減少放大器本身對電路的不利影響，而充分利用其優(yōu)勢，達(dá)到電路設(shè)計目的［3］。

4.3.1甲類放大器。由于甲類功放線性度好，失真度小。因此，多用于小信號低頻無失真放大，其多應(yīng)用于音響系統(tǒng)以保證音質(zhì)。又因其功耗高，輸出功率受限，因此使用范圍也因此受到限制。

4.3.2乙類放大器。又稱推挽放大器，在沒有信號時幾乎不損耗能量，乙類放大器的大輸出功率使得其在大功率應(yīng)用中使用廣泛。

4.3.3甲乙類放大器。其綜合了甲類和乙類的特點，性能也介于兩者之間，通常也用于音頻放大電路中。

4.3.4丙類放大器。其通常應(yīng)用在無線電發(fā)射機(jī)中，用來對載波信號或高頻信號進(jìn)行功率放大。

4.3.5丁類放大器。也稱為數(shù)字放大器，可分為電壓開關(guān)型和電流開關(guān)型，其通常用在高頻工作。

5　放大器技術(shù)重要企業(yè)的技術(shù)路線

在眾多研發(fā)放大器的公司中，富士通、AD（Analog Devices）公司、德州儀器（Texes Instrument）、高通等是其中的佼佼者，尤其是富士通和AD公司。

富士通早期放大器專利申請主要致力于減少放大失真，主要采用失真補(bǔ)償?shù)姆椒?，采用預(yù)失真類型的失真補(bǔ)償；接著開始轉(zhuǎn)換為對放大器的偏移進(jìn)行調(diào)控的技術(shù)方向，采用的校正多級放大器的DC偏移的方法，通過總校正電壓充分抵消由該多級放大器引入的DC偏移，近代富士通中放大器設(shè)備趨向于更精密的調(diào)控，例如用功率放大器的功率調(diào)整方法，此時的預(yù)失真調(diào)控功率已比較成熟。

富士通于2008年研發(fā)出第一代基于45納米工藝的CMOS晶體管，能夠處于10V功率輸出，這使得晶體管能夠處理用于WiMAX，和其他高頻應(yīng)用的功率放大器的高輸出要求。這一新技術(shù)能夠?qū)⒐δ芊糯笃骱虲MOS邏輯控制電路在一塊芯片上集成，可實現(xiàn)單芯片的工作模式，從而使生產(chǎn)出高性能和低功耗的功能放大器成為可行，比較有代表性；使用氮化物半導(dǎo)體器件、Doherty放大器和漏極壓控放大器，采用GaN電子溝道層制作的放大器，能夠執(zhí)行高電壓操作或高輸出操作。

最近的富士通關(guān)于放大器技術(shù)的研究方向趨向于更加精密、高集成度，功能更具針對性，并且更集中于高電壓下的放大器研發(fā)。例如，選擇GaN材料制作放大器，GaN是用于在高電壓下操作并產(chǎn)生高輸出功率的電源半導(dǎo)體器件的有前途的材料，富士通研發(fā)了大量使用該材料制作的放大器。富士通的放大器生產(chǎn)和研發(fā)歷程能夠反映出整個放大器技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，未來的發(fā)展趨向于低噪聲、低功耗、低成本和更高的集成度。

6　結(jié)語

放大器的性能影響著電子設(shè)備的通信傳輸性能，是電子設(shè)備發(fā)展中不可獲取的關(guān)鍵技術(shù)。已有研究表明，國內(nèi)在放大器及其設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)中都處于劣勢地位，從放大器這一小領(lǐng)域技術(shù)的視角，反映出我國與歐美和日本相比，仍然存在較大的差距。隨著國家對創(chuàng)新改革的不斷深化，在國際同技術(shù)行業(yè)競爭中，急需加強(qiáng)自身創(chuàng)新能力來擺脫現(xiàn)有窘狀。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)部分高新興產(chǎn)業(yè)，自主研發(fā)能力也在不斷加強(qiáng)。國人對知識產(chǎn)權(quán)、科研成果保護(hù)認(rèn)識的提高也有力地推動科技創(chuàng)新發(fā)展，專利保護(hù)也成為電子行業(yè)中保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的有效手段，同時也推動整個競爭環(huán)境良性運轉(zhuǎn)。隨著國家和社會不斷建立的優(yōu)良的創(chuàng)新環(huán)境，大批充滿活力的創(chuàng)新力量正在不斷涌現(xiàn)，相信未來我國在放大器技術(shù)領(lǐng)域乃至整個高精科技的研發(fā)和生產(chǎn)能力將迎來新的飛躍。

［1］畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2013.

［2］楊拴科.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

Classification and Performance Analysis of Amplifiers

Li SitongSong HairongFan Jinpeng
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Henan，Zhengzhou Henan 450000）

Amplifier was widely used in electronic products as a kind of electronic devices，the development of its technology for all kinds of electronic industry has brought a change of influence.Based on this，from the application and classification of amplifier，the main technology development and the performance characteristics of the current commonly used power amplifier were analyzed，in view of the present situation of the industry，the application of the amplifier was discussed.

amplifier；performance；operational amplifier；power amplifier；Fujitsu

TN722.75

A

1003-5168（2016）06-0082-03

2016-05-15

李思彤（1986-），女，碩士，審查員，研究實習(xí)員，研究方向：信號處理、數(shù)字/模擬電路、放大器、加解密技術(shù)。