伊利亚姆·肖克利， 诺贝尔奖 获奖共同发明人 晶体管 (革命者 可追溯到 1940 年代的电子放大器)具有生动的方式 解释一下： “如果你拿一捆干草把它绑在尾巴上 一头骡子，然后划一根火柴，点燃干草包，然后 如果您随后比较 能源 此后不久由 骡子用自己在打击中消耗的能量 匹配，你就会明白放大的概念。

　　放大器是助听器中发出声音的微小组件 声音更大。它们也是 收音机 那提升 远距离信号和立体声设备中的设备驱动您的 扬声器 以及你插入的巨大黑匣子 电吉他 让他们抬起屋顶。什么是放大器?它们是如何工作的? 让我们仔细看看!

　　照片：自制 威廉姆森真空管(阀)放大器 从1949年左右开始，从杂志文章到D T N Williamson的设计。照片由伦敦科学博物馆提供，发表于 维基共享资源 在 知识共享许可(CC BY-SA 2.0).

　　什么是放大器?

　　放大器(通常松散地称为“放大器”)是一个 电磁 或 电子的 提升 电 当前。如果你 戴上助听器，你会知道它使用 麦克风 取件 听 起来 从你周围的世界，把它们转换成一个波动的 电流(A 信号) 不断变化 强度。基于晶体管的放大器接收信号( 输入) 并在将其送入微型扬声器之前对其进行多次增强 放置在您的耳道内，这样您就可以听到放大的 原始声音( 输出).

　　很容易计算出放大器的差异有多大：它是输出的比率 信号到输入信号，这种测量称为 获得 的放大器 (有时是增益因子或放大因子)。所以一个 使原始信号大小加倍的放大器的增益 2.对于音频(声音)放大器，增益通常表示为 分贝 (具体来说，它是输出功率的对数除以输入功率的十倍)。

　　照片：使用电感放大器测试电话电路。这是一种探头，可以在没有直接电接触的情况下测试电路，并通过电磁感应工作，有点像 感应充电器.照片由Denise Rayder提供，由美国空军提供。

　　失真和反馈

　　现在，放大器的关键不仅仅是它能增强电流。 这是容易的一点。困难的一点是它必须忠实地再现 输入信号，即使该信号不断(有时是剧烈)变化 在频率和幅度上(对于音频放大器，这意味着 卷)。

　　音频放大器在某些声音频率下可能比其他声音频率工作得更好;范围 它令人满意地工作的频率称为其 带宽.理想情况下，它必须产生合理的 平 响应 或 线性响应 具有广泛的 不同的输入信号(因此增益在 频率范围)。如果放大器不能忠实地再现 其输出中的输入频率，它遭受所谓的 频率响应，这意味着它可以提升一些 频率高于其他人。(有时这种效果是故意的。 小耳塞 耳机 通常以这种方式设计，因此 他们提供额外的低音。

　　图表： 顶部： 线性放大：如果放大器的增益始终相同，无论输入信号如何，我们称之为线性响应。在这里您可以看到输出(垂直轴)总是比输入(水平轴)大十倍。底部：削波：实际上，没有放大器会有完美的线性响应：它只能放大这么多。如果输入信号太大，响应将是线性的，直到一个点，然后“削波”超过它：即使你增加输入，输出也不会增加那么多。

　　放大器还必须在很宽的振幅范围内工作(通常意味着音量)， 这导致了另一个问题。随着输入幅度的增加，放大器将难以产生 产量相应增加，因为产量有限 它可以制造的力量。这意味着输入的任何进一步增加 将简单地产生相同水平的输出——这种现象称为 裁剪——以及越来越多的失真。

　　放大器的另一个问题称为 反馈—以及使用 台上的麦克风对此非常熟悉。如果麦克风是 调得太多或离扬声器太近，它会拾取 不仅是一个人的声音或乐器的声音(因为它是 应该)，但也是声音或乐器的放大声音 从扬声器稍稍晚一点，然后 重新放大 - 只是再次通过扬声器并 再次放大。结果是可怕的震耳欲聋的哨声，我们 呼叫反馈。许多摇滚明星和团体都做出了反馈效果 他们声音的一部分，包括吉米亨德里克斯和涅槃。

　　插图：反馈是如何产生的：顶部：当麦克风(左)拾取声音(红色箭头)时，放大器(未显示)会增强信号，扬声器(右)会创建相同声音的更响亮版本。底部：如果来自扬声器的足够放大的声音到达麦克风(蓝色箭头)，则会再次放大，产生更大的声音(蓝色大箭头)，依此类推。这会产生震耳欲聋的反馈声。

　　放大器如何工作?

　　放大器的工作是将小电流转换为较大的电流，并且有 实现此目的的方法多种多样，具体取决于您要执行的操作。

　　如果你想提升一个合理恒定的电压，你可以使用 一种称为 变压器.我们大多数人 有一个满是变压器的房子，却没有意识到。它们广泛用于驱动低压电器，例如 MP3播放器 和 来自高压家用电源插座的笔记本电脑， 它们还用于变电站，以转换来自 电厂 到家庭和办公室低得多的电压 需要。在所有这些日常情况下，变压器正在将大电压转换为较小的电压， (它们是“降压”变压器)，但我们也可以以相反的方式使用它们(作为“升压”设备) 将较小的电压提升为较大的电压。

　　如果输入电流只是设计用于开关的短暂电脉冲 开或关的东西，你可以使用电磁 中继 自 放大它。继电器使用电磁铁耦合两个电 电路在一起，以便当小电流流过其中一个时 电路中，流过另一个电路的电流要大得多。使用 继电器，微小的电流可以为某些东西供电 通常需要更大的电流来操作它。例如，您 可能有一个 光电电池 (“魔术眼”)设置为接收 看不见的光束 红外线 入侵者警报中的指示灯。当有人打破光束时，微小的电流被发送到一个继电器，该继电器会卡入 动作并打开更大的电流，敲响警钟 在房子的一侧。来自光电的微小输出电流 电池太小了，无法单独为铃铛供电。

　　照片：在继电器中，流过一个电路的小电流激活电磁铁，允许更大的电流流过第二个电路。因此，继电器可以用作放大器，但它们往往很嘈杂，触点会振动，并且对于某些应用来说，它们的开关速度不够快。在这张照片中，您可以看到输出电路的弹簧触点(左)和电流流过输入电路时将它们拉在一起的电磁铁(右)。

　　如果要放动信号，例如收音机或电视信号，声音 某人的声音从电话线中传来，或者来自 助听器中的麦克风，您通常会使用 晶体管-基于 放大器。晶体管有三根导线连接，称为 基座、发射器和集电极。当您输入少量输入时 基极和发射极之间的电流，你会得到更大的电流 输出电流在发射极和集电极之间流动。所以在 像助听器这样的东西，从广义上讲，你会喂 从麦克风输出到底座，并使用来自 用于驱动扬声器的收集器。在晶体管发明之前 1947年，更大的电子放大器称为 真空管 (在英国俗称“阀门”)被用于这样的事情 如 电视 和 收音机.

　　照片：安装在电路板上的典型晶体管。 从技术上讲，它是专为音频放大器而设计的 A1048。 它有三个连接，基座，集电极和发射器(尽管很难从这张照片中分辨出哪个是哪个)。成百上千甚至数百万个这样的芯片被内置在微小的芯片中，称为 集成电路.

　　正如我们已经看到的，放大器增强信号的程度是有限制的。 没有削波或失真。解决此问题的一种方法是连接多个 放大器在一起，以便一个的输出馈送到下一个放大器的 输入——依此类推，在一个链条中，直到你得到和你一样多的提升 需要。像这样工作的设备称为 多级 放大 器.

　　某些类型的音频设备使用两个独立的放大器 - 一个 前置放大器 (“前置放大器”)和一个主放大器。前置放大器采用 原始信号并将其提升到最低输入电平 主放大器可以处理。然后主放大器增强信号 足以为扬声器供电。诸如此类 唱片机播放器 转盘 MP3播放器(通过大型立体声设备播放)通常需要 前置放大器。

　　放大器能产生能量吗?

　　无论您使用哪种放大器，您都不会得到更多 能源 比你投入的。 确实，输出电流或电压可能大很多倍 比输入信号，但这并不意味着您正在生成额外的信号 免费能量——一种基本的物理定律，称为 能量守恒 不允许这样的事情。

　　那么，为什么像电吉他放大器这样的东西发出的声音比它吸收的声音多呢? 这不是在创造能量吗?不!放大器几乎总是使用某种外部电源，这解释了您获得的能量和您输入的能量之间的差异：“额外”能量是 来自电源。

　　想想一个典型的助听器。有更多的声音能量 从扬声器出来比进入它的 麦克风，但这并不意味着它是凭空制造能量。 放大 输入信号必须由 电池，这就是 额外的能量来自。同样，用电吉他：你 必须先将放大器插入电源插座，然后才能听到 任何声音。

　　艺术品：放大器不产生能量。像宇宙中的其他一切一样，它们遵守能量守恒定律。使用吉他放大器，它发出的总能量(2)等于任何能量 它从你的吉他 (1) 加上它从电源 (3) 获得的任何能量，减去它浪费的任何能量 作为热量。因此，尽管看起来您正在将少量能量(1)转换为较大的能量(2)， 您从(3)提供的能量解释了差异;能源账簿总是平衡的。

　　唉，没有免费的能源——“额外”的能量 总是 必须来自某个地方。 即使有肖克利的骡子，能量也不是凭空产生的： 你击打的火柴和反击之间的能量差异 骡子来自骡子事先吃过的食物!

　　放大器的类型

　　照片：放大器并不总是电动的。在电子助听器发明之前，耳喇叭被听力障碍者广泛使用，以放大声音。它们在大面积上收集声能， 把它漏斗到一个更小的区域，让它听起来更响亮——这就是简单的机械放大。军方使用了完全相同的想法来监听接近的敌机。在这张 1921 年的照片中，您可以看到一个 博林菲尔德空军基地的飞行员(红色)使用两个指向地平线的巨大耳喇叭(蓝色)。 这些天我们使用 雷达 相反。 照片由国家摄影公司提供 美国国会图书馆.

　　如果放大器只有一个简单的工作 do - 使信号变大，同时使其失真 可能 — 您可能认为一种类型的放大器就足够了。 毕竟，有多少种不同的方法可以把东西做得更大?在 事实上，正如快速在线搜索所揭示的那样，有无数 不同种类的放大器，它们有各种形状和尺寸(从 助听器中使用的单个晶体管直至巨大的音频 用于为摇滚音乐会上的扬声器供电的放大器)，我们可以分类 他们以许多不同的方式。例如，我们可以按什么对它们进行排序 他们为我们做(也许是增强无线电信号，或者使 来自唱片播放器拾音器的信号响亮到足以推动扬声器 来回)或他们如何做到这一点(他们的电路是如何连接的 里面);无论它们以模拟方式还是使用数字方式工作 电路; 无论它们是单独使用还是与其他 放大 器;它们为我们的信号提供了多少增益或效率如何 他们使用权力;甚至通过什么样的组件构建它们 来自(真空管、晶体管或集成电路)。有这么多 要考虑的不同因素，放大器可能非常混乱 当你第一次遇到它们时;让我们尝试理解它们 一样。

　　按电压、电流和功率分类

　　每个放大器都接收某种输入信号 (一定的电流和电压，它们一起相乘得到 一定的功率水平)并产生更大的输出信号(可能具有 不同的电流、电压或功率)。一个非常基本的分类 我们可以在电压和功率放大器之间做。在电压中 放大器，输出电压总是大于输入电压 (所以有电压增益)，尽管这并不一定意味着 功率也有增益(因为电流可以降低 同时)。在功率放大器中，输出功率始终 大于输入功率，因为输出电压的乘积 和输出电流(输出功率)大于乘积 输入电压和输入电流(输入功率)。

　　放大器并不总是设计为变小 电压或功率电平成一个更大的;有时是当前的 相反，我们对此感兴趣。使用传统放大器时，增益 我们感兴趣的是定义为输出电压与 输入电压(或输出电流到输入电流)。 然而，有时我们需要一个放大器来产生输出电流 这与我们的输入成正比 电压;为了这份工作，我们会 使用所谓的跨导放大器。跨电阻 放大器做相反的工作(产生输出电压 与输入成比例 当前).

　　按频率分类

　　来自空气中噼里啪啦的无线电信号 从LP的脸上刮下来的沙哑声音， 放大器通常不是升压恒定的电压或电流，而是 波动 某种信号。波动是指 它以一定的频率变化(每秒多次，测量 这么多赫兹，赫兹)。音频信号(我们可以听到的信号)，例如， 在大约 20 Hz 至 20，000 kHz 的宽频率范围内变化 (声音范围年轻，敏锐的人耳可以察觉);无线电信号 波动速度快数千倍(范围从千赫兹到 兆赫兹);和视频信号(用于电视广播)覆盖广泛 频带，相当于从非常低的音频(几赫兹)运行 直到非常高的收音机(许多兆赫兹)。因为方式 放大器是设计好的，它们总是在某些方面工作得更好 频率比其他人高。这意味着放大器设计用于 忠实地增强音频信号不太可能有效地工作 使用无线电或视频信号，反之亦然。

　　照片：这款 1950 年代至 1960 年代的电子助听器(此处显示的是打开外壳)本质上是一个袖珍音频放大器：左侧的四个黑色晶体管进行放大。我们在这里想要放大的只是可听见的声音频率。早期助听器将所有频率放大了相同的量;现代辅助工具可以调整为对特定频率进行更具选择性的放大，以匹配一个人的精确听力损失模式。

　　A–D 类

　　没有放大器在各个方面都是完美的，或者 完美适合各种应用;有很多不同的 适用于放大器和许多不同类型的放大器。什么时候 您为特定应用选择放大器，您始终如此 在某件事上妥协——要么获得(你得到多少提升)， 线性度(输出信号与输入的相似程度，通常 非正式地称为“保真度”，特别是对于音频 放大器)或效率(您在 扩增过程)。除了被分类之外 电压、功率、电流和频率或其最终用途放大器 通常也使用字母表中的字母进行分类(通常为 到 D)，从广义上讲，它会告诉您某个放大器是否 针对线性度、效率、 或它们之间的妥协 双。

　　A类放大器通常提供最好的 输出质量(最佳线性度)，但往往较大、发热、 沉重、耗电且效率低下。B 类提供较差的线性度 但更便宜，运行温度更低，效率更高。AB 类 是一个折衷的解决方案，旨在实现A级的输出质量 C类放大器的效率要高得多 效率，但输出质量差得多。您有时还会看到 其他放大器类别(D、F、G、H、I、S 和 T)，尽管我们不会 在这里进一步讨论这些。

　　照片：是的，如果你想要一个吉他放大器，但你买不起，有一个应用程序。这是AmpKit，一个在iPhone上运行的“虚拟放大器”。只需插入吉他，下载您选择的放大器、踏板、箱体和麦克风，即可开始。在这里，我在iPod Touch上模拟Peavey ValveKing，但这个应用程序提供了许多其他应用程序可供选择。

　　按结构分类

　　如果放大器的制造方式真的重要吗? 它增强了你的信号?对很多人来说，答案是很 响亮的“是”。 高保真爱好者经常以旧式发誓 真空管(“阀门”)放大器，他们坚持认为可以提供 “温暖”，高保真声音，尽管不可避免地归结为 个人喜好。真空管可能很棒，如果您的目标是 用昂贵的转盘驱动一对优雅的扬声器，但是 如果你是聋子，你想要一个小， 谨慎，但仍然高度准确的助听器。早在 1950 年代 1960年代，晶体管彻底改变了助听器技术，但确实如此。 只不过是来自麦克风的增强信号(放大所有 输入相等，因此使背景噪音和声音都更糟 你真的很想听);从1980年代开始， 数字听力 AIDS使用更复杂的集成电路来提供更多 选择性放大信号，无噪声，精确定制 每个人的特定听力损失模式。换句话说，它 放大器的构造方式非常重要。

　　其他特殊放大器

　　放大器并不总是设计用于执行 简单、直接的信号增强。运算放大器 例如，(“运算放大器”)是电子设备中的常见组件 可用于各种事物的电路，从基本 计算运算，如信号的加法和减法 滤波和振荡。

　　谁发明了放大器?

　　虽然他喜欢称自己为 “无线电之父”，美国物理学家和电子工程师 李德福雷斯特可能更能被描述为“父亲 20世纪初，他 在无线电工作(当时经常是“无线电报” called)，并申请了几十项改进天线专利 和接收器。1906年10月25日，他为“设备”申请了专利 用于放大微弱的电流“：紧凑的电子 真空管称为Audion，后来被称为三极管(因为，在 它的最终版本，里面有三个关键的电气元件)。虽然德 福里斯特最初将三极管想象成电话电路 放大器，它最终成为无线电接收器的重要组成部分。尽管 发明音频， 德福雷斯特既没有完善它，也没有真正做到 了解它是如何工作的(这两件事很可能已经联系起来);留给别人 (特别是通用电气的欧文·朗缪尔和调频收音机的发明者爱德华·阿姆斯特朗)来改变这个想法 变成一个实用的设备，并解释它背后的物理学。

　　艺术品：李德福雷斯特的原始草图 Audion(三极管)真空管来自他后来的专利之一， 美国专利879，532：太空电报，1907 年 1 月 29 日提交并授予 1908 年 2 月 18 日。这件艺术品取自其中，由美国专利商标局提供。

　　那么，它是如何工作的呢?密封玻璃真空吸尘器 管(灰色阴影并标记为D，所有空气都来自其中 抽出)里面有三个关键组件，我把它们涂成红色， 蓝色和绿色。在左边，有一根电线丝(红色，F)加热 通过电池。这是阴极端子或负极端子。在右边， 有一个铂金板(绿色，B)，它是正极。 在它们之间，有一个铂丝网格(蓝色，a)。当 灯丝被加热，带负电的电子从它身上蒸发掉，并且 拉向带正电的板，使电 电流。负电压也施加到电网， 有效地“制动”电子的流动。因为网格是 离灯丝如此之近， 即使对其电压的微小变化也会使 与从灯丝流向 盘子。如果我们将网格视为放大器的输入，则 阴极板电路是其输出;施加到 网格可以在板上变成一个更大的放大信号。

　　基于三极管的真空管做得很棒 放大器，但它们很大，不可靠且耗电。什么时候 John Bardeen，Walter Brattain和William Shockley开发了他们的 1947年的“固态”晶体管，他们解决了这三个问题 一举，使小巧、便携、高度可靠成为可能 助听器和晶体管收音机等放大器。 当集成电路在 1950 年代后期被发明时，它们引领了 到更小、更复杂的放大电路封装为单芯片 (就像现在的运算放大器一样)。

　　延伸阅读

　　关于德福雷斯特的发明及其发展方式，有一段很好的、简明的历史，在“第1章：微波技术的微观历史”中。 平面微波工程：理论、测量和电路实用指南，第1卷，托马斯·剑桥大学出版社，2004年。