放大器的分类与性能分析

李思彤　宋海荣　樊金鹏

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450000）

放大器的分类与性能分析

李思彤宋海荣樊金鹏

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450000）

放大器作为一种在电子产品中广泛运用的电子器件，其技术的发展对各类电子行业都带来了变革式影响。基于此，从放大器的应用与分类，简析其主要技术的发展以及目前常用的功率放大器的性能特点，针对行业现状对放大器的应用进行探讨。

放大器；性能；运算放大器；功率放大器；富士通

放大器技术为一种能够将输入信号进行放大的技术。放大器器件是能够把输入信号的电压或者功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成，其放大所需能量由供能装置提供，如电压源或者电流源等。放大器技术广泛应用在通讯、广播、雷达、电视和自动控制等各类领域中。

1　放大器的分类

依据不同的标准和应用领域，对放大器有不同的分类，常用的几种分类方式如下：①按照视频的频率范围，分为单频道、宽频道和多频段3种类型；②按照使用位置划分，分为前端放大器和线路放大器两类；③依据处理的信号种类，分为机电放大器、电子放大器液动放大器、气动放大器和光放大器，其中应用最广泛的是电子放大器；④按照有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中晶体管放大器的应用最广，晶体管组成的放大器还可细分为单级放大、多级放大、单端信号放大和差动信号放大（见图1）等［1］，主要依据应用环境和处理信号的不同而有不同的分类。

图1　基本差动放大器电路图

其中，差动信号放大器的一个重要特点是能够抑制共模干扰，在电路完全对称并且电流源具有有限的输出

式（1）中，gm表示M1和M2晶体管的跨导。

2　放大器的基本性能

放大器性能是用来评价放大器特点的参数指标，通过各类性能参数表征，能够在众多的放大器类型中选择最佳的放大器，以达到理想的电路设计效果。下面简单介绍几类主要的放大器性能参数。

2.1增益

增益表征指放大器对信号放大的程度，通常用分贝（dB）来度量，用输出幅值比上输入幅值来计算。功率放大器的增益计算公式为：

2.2输出动态范围

常用dB作为单位，是指最大与最小有用输出幅值之间的范围。

2.3放大器带宽（BW）

是指放大器正常工作时的最低频率与最高频率之间的差值。

2.4上升时间

指当输入阶跃信号时，输出端的幅值从10%变化到90%所需的时间。

2.5理想频率特性

增益为常熟，相移与频率成正比，即放大器对不同频率的信号具有相同的放大量，并且对任何频率的信号放大的相移为0。通常针对放大器的改进也以逼近该理想频率特征为目标，该理想频率特性只是理想状态。

3　放大器技术的发展简史

放大器技术随着晶体管的发展而逐渐发展，在电子应用领域又称为运算放大器，根据不同的需要，放大器的种类也多种多样，根据每种类型的不同其发展的方向也各不相同。放大器的发展历程如图2所示，主要从放大器的性能和结构两方面进行改进。阻抗RSS，此时放大器的共模增益为：

图2　放大器技术发展的主要分支图

3.1性能方面

研发者开发的重点在于提高放大器的带宽，同时追求更低的噪声、更高的精度、更高的速度等，这与通信业的通信速度和不断膨胀的海量传输信息有关。例如，无线通信中的射频功率放大器，其作为无线通信中的关键组件，其输出功率决定着通信的距离，而使用效率决定着电池的消耗。因此，节能和低功耗的追求也加速放大器技术的发展。例如，Analog Devices公司曾推出一种用于开关电容结构的高速差分放大器，其在小信号工作期间减少了电流需求，而在大信号工作期间产生大的转换电流，在实际应用期间节约了功耗，这将降低整个器件运行过程中对电能的消耗，延长如移动设备的使用时间，提高用户的使用体验。

3.2结构方面

由于放大器的生产成本是实际产业化中的重要因素，因此，低成本的放大器也是发展的一大趋势。这涉及放大器的生产和使用过程，由于人们追求更加便捷和节能的电子设备，因此，放大器的规格在不断减小，其发展历程中有很长一段时间围绕更小尺寸，但同时保持更好的性能，又能够节约功耗这样一种理念在发展。目前的放大器最小尺寸能够做到亚微米级甚至更小，这也催生了放大器的生产行业和放大器的生产工艺等众多方面的发展。当然，尺寸的减小终究是有极限的，现在放大器元件制造技术的发展已经非常成熟，目前的发展趋势已经转换为对放大器外围电路的设计，通过外部的电源调整、偏置设置的调整、反馈信号的调整等处理，针对外部的电路优化提高放大器的性能，通常能够得到更好的性能。

从单个的晶体管放大器，到目前的芯片级封装的放大器，从其出现到现在的量化生产，放大器技术的提升也带动着各个行业的飞速发展，多种多样的放大器出现朝向某一领域的具体需求研究方向发展，这也是市场和用户需求引领技术发展方向转变的体现。

4　功率放大器及主要类型

在各类放大器中，功率放大器是使用较为广泛的放大器之一。功率放大器主要应用在通信领域，为了解决通信信号在传输过程中的损耗以及是否能够克服噪声而提取有用信号，将采用功率放大器将信号进行放大再传输或再还原。功率放大器［2］的性能对通信质量、传输距离和耗电量均有着较大影响，是通信领域的关键技术。因此，功率放大器为当前主流研究方向，具有广阔的应用前景。

4.1功率放大器的分类

依据晶体管工作在放大状态时的电压和电流不同，将功率放大器分为A类（也称甲类）、B类（乙类）、AB类（甲乙类）、C类（丙类）和D类（也称丁类或数字类）等几种。

4.2各类功率放大器的性能对比

由于放大器工作的晶体管的静态工作点的位置不同，放大器的性能也不相同，具体在性能上的差别见表1。

表1　不同种类功率放大器的性能对比表

4.3不同功率放大器的具体应用

不同种类的功率放大器根据其自身不同特性，在具体的应用领域中各有区别，主要原则是减少放大器本身对电路的不利影响，而充分利用其优势，达到电路设计目的［3］。

4.3.1甲类放大器。由于甲类功放线性度好，失真度小。因此，多用于小信号低频无失真放大，其多应用于音响系统以保证音质。又因其功耗高，输出功率受限，因此使用范围也因此受到限制。

4.3.2乙类放大器。又称推挽放大器，在没有信号时几乎不损耗能量，乙类放大器的大输出功率使得其在大功率应用中使用广泛。

4.3.3甲乙类放大器。其综合了甲类和乙类的特点，性能也介于两者之间，通常也用于音频放大电路中。

4.3.4丙类放大器。其通常应用在无线电发射机中，用来对载波信号或高频信号进行功率放大。

4.3.5丁类放大器。也称为数字放大器，可分为电压开关型和电流开关型，其通常用在高频工作。

5　放大器技术重要企业的技术路线

在众多研发放大器的公司中，富士通、AD（Analog Devices）公司、德州仪器（Texes Instrument）、高通等是其中的佼佼者，尤其是富士通和AD公司。

富士通早期放大器专利申请主要致力于减少放大失真，主要采用失真补偿的方法，采用预失真类型的失真补偿；接着开始转换为对放大器的偏移进行调控的技术方向，采用的校正多级放大器的DC偏移的方法，通过总校正电压充分抵消由该多级放大器引入的DC偏移，近代富士通中放大器设备趋向于更精密的调控，例如用功率放大器的功率调整方法，此时的预失真调控功率已比较成熟。

富士通于2008年研发出第一代基于45纳米工艺的CMOS晶体管，能够处于10V功率输出，这使得晶体管能够处理用于WiMAX，和其他高频应用的功率放大器的高输出要求。这一新技术能够将功能放大器和CMOS逻辑控制电路在一块芯片上集成，可实现单芯片的工作模式，从而使生产出高性能和低功耗的功能放大器成为可行，比较有代表性；使用氮化物半导体器件、Doherty放大器和漏极压控放大器，采用GaN电子沟道层制作的放大器，能够执行高电压操作或高输出操作。

最近的富士通关于放大器技术的研究方向趋向于更加精密、高集成度，功能更具针对性，并且更集中于高电压下的放大器研发。例如，选择GaN材料制作放大器，GaN是用于在高电压下操作并产生高输出功率的电源半导体器件的有前途的材料，富士通研发了大量使用该材料制作的放大器。富士通的放大器生产和研发历程能够反映出整个放大器技术领域的发展方向，未来的发展趋向于低噪声、低功耗、低成本和更高的集成度。

6　结语

放大器的性能影响着电子设备的通信传输性能，是电子设备发展中不可获取的关键技术。已有研究表明，国内在放大器及其设备的研发和生产中都处于劣势地位，从放大器这一小领域技术的视角，反映出我国与欧美和日本相比，仍然存在较大的差距。随着国家对创新改革的不断深化，在国际同技术行业竞争中，急需加强自身创新能力来摆脱现有窘状。目前国内已经出现部分高新兴产业，自主研发能力也在不断加强。国人对知识产权、科研成果保护认识的提高也有力地推动科技创新发展，专利保护也成为电子行业中保护知识产权的有效手段，同时也推动整个竞争环境良性运转。随着国家和社会不断建立的优良的创新环境，大批充满活力的创新力量正在不断涌现，相信未来我国在放大器技术领域乃至整个高精科技的研发和生产能力将迎来新的飞跃。

［1］毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计［M］.西安：西安交通大学出版社，2013.

［2］杨拴科.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［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，硕士，审查员，研究实习员，研究方向：信号处理、数字/模拟电路、放大器、加解密技术。