放大電路的基本知識(shí)

放大是最基本的模擬信號(hào)處理功能，它是通過(guò)放大電路實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應(yīng)用了不同類(lèi)型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路。

電子技術(shù)里的“放大”有兩方面的含義：

一是能將微弱的電信號(hào)增強(qiáng)到人們所需要的數(shù)值（即放大電信號(hào)），以便于人們測(cè)量和使用；

檢測(cè)外部物理信號(hào)的傳感器所輸出的電信號(hào)通常是很微弱的，例如前面介紹的高溫計(jì)，其輸出電壓僅有毫伏量級(jí)，而細(xì)胞電生理實(shí)驗(yàn)中所檢測(cè)到的細(xì)胞膜離子單通道電流甚至只有皮安（pA,10-12A）量級(jí)。對(duì)這些能量過(guò)于微弱的信號(hào)，既無(wú)法直接顯示，一般也很難作進(jìn)一步分析處理。通常必須把它們放大到數(shù)百毫伏量級(jí)，才能用數(shù)字式儀表或傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來(lái)。若對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，則須把信號(hào)放大到數(shù)伏量級(jí)才能被一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所接受。

二是要求放大后的信號(hào)波形與放大前的波形的形狀相同或基本相同，即信號(hào)不能失真，否則就會(huì)丟失要傳送的信息，失去了放大的意義。

某些電子系統(tǒng)需要輸出較大的功率，如家用音響系統(tǒng)往往需要把聲頻信號(hào)功率提高到數(shù)瓦或數(shù)十瓦。而輸入信號(hào)的能量較微弱，不足以推動(dòng)負(fù)載，因此需要給放大電路另外提供一個(gè)直流能源，通過(guò)輸入信號(hào)的控制，使放大電路能將直流能源的能量轉(zhuǎn)化為較大的輸出能量，去推動(dòng)負(fù)載。這種小能量對(duì)大能量的控制作用是放大的本質(zhì)。

針對(duì)不同的應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)不同的放大電路。

1.2.2 放大電路的四種模型

放大電路的一般符號(hào)如圖1所示，

圖2

前述四種放大電路，不論使用哪種模型，其輸入電阻Ri和輸出電阻Ro均可用圖1來(lái)表示。如圖所示，輸入電阻等于輸入電壓

圖1

當(dāng)定量分析放大電路的輸出電阻Ro時(shí)，可采用圖1所示的方法。在信號(hào)源短路（

圖2

fL——稱(chēng)為下限頻率。

由于通常有fL fH的關(guān)系，故有BW ?fH。

有些放大電路的頻率響應(yīng)，中頻區(qū)平坦部分一直延伸到直流，如圖2所示。可以認(rèn)為它是圖1的一種特殊情況，即下限頻率為零。這種放大電路稱(chēng)為直流（直接耦合）放大電路?，F(xiàn)代模擬集成電路大多采用直接耦合進(jìn)行放大。

五、頻率失真

從信號(hào)的頻譜一節(jié)的討論可知，理論上許多非正弦信號(hào)的頻譜范圍都延伸到無(wú)窮大，而放大電路的帶寬卻是有限的，并且相頻響應(yīng)也不能保持常數(shù)。例如圖1中輸入信號(hào)由基波和二次諧波組成，如果受放大電路帶寬所限制，基波增益較大，而二次諧波增益較小，于是輸出電壓波形產(chǎn)生了失真，這種由于放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的增益不同，產(chǎn)生的失真叫作幅度失真。

同樣，當(dāng)放大電路對(duì)不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生的相移不同時(shí)也要產(chǎn)生失真，稱(chēng)為相位失真，在圖2中，如果放大后的二次諧波滯后了一個(gè)相角，輸出電壓也會(huì)變形。由傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉反變換也可反映出，無(wú)論頻譜函數(shù)還是相位譜函數(shù)發(fā)生變化，相應(yīng)的時(shí)間函數(shù)波形都會(huì)由此而失真。幅度失真和相位失真總稱(chēng)為頻率失真，它們都是由于線性電抗元件所引起的，所以又稱(chēng)為線性失真，以區(qū)別于因?yàn)樵骷匦缘姆蔷€性造成的非線性失真。

為使信號(hào)的頻率失真限制在容許的程度之內(nèi)，則要求設(shè)計(jì)放大電路時(shí)正確估計(jì)信號(hào)的有效帶寬（即包含信號(hào)主要能量或信息的頻譜寬度），以使放大電路帶寬與信號(hào)帶寬相匹配。放大電路帶寬過(guò)寬，往往造成噪聲電平升高或生產(chǎn)成本增加。

上述音響系統(tǒng)放大電路帶寬定在20Hz~20kHz，這與人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)的生理功能相匹配。由于人耳對(duì)聲頻信號(hào)的相位變化不敏感，所以不過(guò)多考慮放大電路的相頻響應(yīng)特性。但在有些情況下，特別是對(duì)信號(hào)的波形形狀有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，確定放大電路的帶寬還須兼顧其相頻響應(yīng)特性。

六、非線性失真

信號(hào)的另一種失真是由放大器件的非線性特性所引起的。放大器件包括分立器件（如半導(dǎo)體三極管等）和集成電路器件（如集成運(yùn)算放大器等）。對(duì)于分立器件放大電路來(lái)說(shuō)，電子電路設(shè)計(jì)工作者應(yīng)設(shè)法使它工作在線性放大區(qū)。當(dāng)要求信號(hào)的幅值較大，如多級(jí)放大電路的末級(jí)，特別是功率放大電路，非線性失真難以避免。

對(duì)于集成運(yùn)算放大器，通常是由正、負(fù)雙電源供電，當(dāng)輸出信號(hào)的幅值接近雙電源值時(shí)，其輸出將產(chǎn)生非線性失真，稱(chēng)為飽和失真。有關(guān)上述非線性失真的細(xì)節(jié)，將在后續(xù)各章討論。

向放大電路輸入標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)，可以測(cè)定輸出信號(hào)的非線線失真，并用下面定義的非線性失真的系數(shù)來(lái)衡量。

Vo1——輸出電壓信號(hào)基波分量的有效值；

Vok——高次諧波分量的有效值，k為正整數(shù)。

非線性失真對(duì)某些放大電路的性能指標(biāo)，顯得比較重要，例如，高保真度的音響系統(tǒng)和廣播電視系統(tǒng)即是常見(jiàn)的例子。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，目前即使增益較高、輸出功率較大的放大電路，非線性失真系數(shù)也可做到不超過(guò)0.01%。

本章小結(jié)
1．本章首先通過(guò)具體實(shí)例簡(jiǎn)要介紹了電子系統(tǒng)與信號(hào)的概念，以及信號(hào)的頻譜特性，討論了本課程所涉及的各種信號(hào)的特點(diǎn)。模擬電路處理的是模擬信號(hào)，數(shù)字電路處理的是數(shù)字信號(hào)。

2．信號(hào)放大電路是最基本的模擬信號(hào)處理電路。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用所要求的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的關(guān)系，放大電路可分為四種類(lèi)型：電壓放大、電流放大、互阻放大和互導(dǎo)放大。用輸入電阻、輸出電阻和受控電壓源或受控電流源等基本元件，可建立起四種放大電路的簡(jiǎn)化模型，用于對(duì)放大電路基本特性的分析。根據(jù)電路分析的要求，這四種放大電路模型之間可實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

3．輸入電阻、輸出電阻、增益、頻率響應(yīng)和非線性失真等主要性能指標(biāo)是衡量放大電路品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，也是設(shè)計(jì)放大電路的依據(jù)。它們可以通過(guò)對(duì)電路的分析、計(jì)算或?qū)?shí)際電路的測(cè)量來(lái)確定。