【科普帖】放大器工作原理

放大器工作原理

我們周圍實際上有很多放大器。你可以在電視，電腦，便攜式CD播放器和大多數其他使用揚聲器產生聲音的設備中找到它們。

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。用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。

聲音是一種迷人的現象。當某些東西在大氣中振動時，它會將空氣顆粒移動到它周圍。這些空氣顆粒反過來使空氣顆粒在它們周圍移動，通過空氣傳遞振動脈沖。

我們的耳朵會發現氣壓的這些波動并將它們轉化為大腦可以處理的電信號。

電子音響設備的工作方式基本相同。它將聲音表示為變化的電流。

從廣義上講，這種聲音再現有三個步驟：

聲波來回移動麥克風振膜，麥克風將此移動轉換為電信號。電信號波動以表示聲波的壓縮和稀疏。

記錄器將這種電信號編碼為某種介質中的圖案 - 例如磁帶上的磁脈沖，或記錄中的凹槽。

播放器（例如磁帶卡座）將此模式重新解釋為電信號，并使用此電力來回移動揚聲器錐體。這重新產生了麥克風最初記錄的氣壓波動。

該系統中的所有主要組件都是翻譯器：它們以一種形式接收信號并將其放入另一種形式。

最后，聲音信號被轉換回其原始形式，即物理聲波。

為了記錄聲波中的所有微小壓力波動，麥克風振膜必須非常靈敏。

這意味著它非常薄并且只移動很短的距離。因此，麥克風產生相當小的電流。

這對于過程中的大多數階段來說都很好 - 例如，它足夠強大，可以在錄像機中使用，并且很容易通過電線傳輸。但是這個過程的最后一步 - 來回推動揚聲器錐體 - 更加困難。

要做到這一點，需要增強音頻信號，使其具有更大的電流，同時保持相同的電荷波動模式。

這是放大器的工作。它只是產生一個更強大的音頻信號版本。

放大器可以是非常復雜的設備，具有數百個小塊，但可以通過檢查最基本的組件來清楚地了解放大器的工作原理。

放大器的工作是采用弱音頻信號并將其增強以產生足以驅動揚聲器的強大信號。

實際上，放大器根據輸入信號產生一個全新的輸出信號。

可以將這些信號理解為兩個獨立的電路。該輸出電路是由放大器的產生電源，其從吸收能量電池或電源插座。

如果放大器由家用交流電供電，其中電荷流改變方向，則電源將其轉換為直流電，其中電荷總是以相同的方向流動。電源還可以平滑電流，以產生絕對均勻，不間斷的信號。輸出電路的負載（它所做的工作）正在移動揚聲器錐體。

所述輸入電路是記錄在磁帶上或從麥克風中運行的電音頻信號。它的負載正在修改輸出電路。它對輸出電路施加變化的電阻，以重新產生原始音頻信號的電壓波動。

在大多數放大器中，這種負載對原始音頻信號來說太多了。

由于這個原因，該信號首先由一個升壓前置放大器，它發送一個更強的輸出信號提供給功率放大器。

前置放大器的工作方式與放大器相同：輸入電路對電源產生的輸出電路施加不同的電阻。

一些放大器系統使用多個前置放大器逐漸建立高壓輸出信號。

那么放大器是如何做到的呢？

放大器需要這種精心設置，以確保正確和準確地表示音頻信號的每個部分。

高保真輸出需要非常精確的控制。

放大器中的所有部件都很重要，在放大器內部，有大量的電子元件。只有少數元素對放大器的功能至關重要，中心部分是大晶體管，晶體管產生大量熱量，這些熱量由散熱器消散。

電子元件

大多數放大器核心部件是晶體管。晶體管中的主要元素是半導體，具有不同傳導電流能力的材料。

通常，半導體由諸如硅的不良導體制成，其具有添加到其中的雜質（另一種材料的原子）。添加雜質的過程稱為摻雜。

在純硅中，所有的硅原子都與它們的鄰居完美結合，沒有留下自由電子來傳導電流。在摻雜的硅中，額外的原子會改變平衡，要么添加自由電子，要么在電子可以存在的地方產生空穴。當電子從一個孔移動到另一個孔時，電荷移動，因此這些添加中的任何一個將使材料更具導電性。

N型半導體的特征在于額外的電子（具有負電荷）。P型半導體具有大量額外的空穴（具有正電荷）。

來看一個圍繞基本雙極結晶體管構建的放大器。這種晶體管由三個半導體層組成 - 在這種情況下，夾在兩個n型半導體之間的p 型半導體。這種結構最好用條形表示，如下圖所示（現代晶體管的實際設計略有不同）。

n型層稱為發射極，p型層稱為基極，第二個n型層稱為集電極。所述輸出電路（即驅動揚聲器的電路）連接到在晶第一個體管的發射極和集電極的電極。輸入電路連接到發射極和基極。

n型層中的自由電子自然希望填充p型層中的空穴。有比空穴更多的自由電子，因此空穴填充得非常快。這在n型材料和p型材料之間的邊界處產生耗盡區。在耗盡區中，半導體材料返回到其原始的絕緣狀態 - 所有的孔都被填充，因此沒有自由電子或空間用于電子，并且電荷不能流動。當耗盡區很厚時，即使兩個電極之間存在強電壓差，也很少有電荷從發射極移動到集電極。

我們可以采取哪些措施來改變這種情況。

提升電壓

當耗盡區很厚時，可以提高基極上的電壓。該電極的電壓直接受輸入電流控制。當輸入電流流動時，基極具有相對正電荷，因此它從發射極向其吸收電子。這釋放了一些孔，縮小了耗盡區。隨著耗盡區減小，電荷可以更容易地從發射極移動到集電極 - 晶體管變得更具導電性。耗盡區的尺寸以及晶體管的導電率由基極電壓決定。以這種方式，基極處的波動輸入電流改變了集電極處的電流輸出。此輸出驅動揚聲器。

像這樣的單個晶體管代表放大器的一個“級”。典型的放大器將有幾個升壓級，最后一級驅動揚聲器。