放大電路的基本知識

放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過(guò)放大電路實(shí)現的，大多數模擬電子系統中都應用了不同類(lèi)型的放大電路。放大電路也是構成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩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增強到人們所需要的數值（即放大電信號），以便于人們測量和使用；

檢測外部物理信號的傳感器所輸出的電信號通常是很微弱的，例如前面介紹的高溫計，其輸出電壓僅有毫伏量級，而細胞電生理實(shí)驗中所檢測到的細胞膜離子單通道電流甚至只有皮安（pA,10-12A）量級。對這些能量過(guò)于微弱的信號，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百毫伏量級，才能用數字式儀表或傳統的指針式儀表顯示出來(lái)。若對信號進(jìn)行數字化處理，則須把信號放大到數伏量級才能被一般的模數轉換器所接受。

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

某些電子系統需要輸出較大的功率，如家用音響系統往往需要把聲頻信號功率提高到數瓦或數十瓦。而輸入信號的能量較微弱，不足以推動(dòng)負載，因此需要給放大電路另外提供一個(gè)直流能源，通過(guò)輸入信號的控制，使放大電路能將直流能源的能量轉化為較大的輸出能量，去推動(dòng)負載。這種小能量對大能量的控制作用是放大的本質(zhì)。

針對不同的應用，需要設計不同的放大電路。

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，中頻區平坦部分一直延伸到直流，如圖2所示?？梢哉J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

從信號的頻譜一節的討論可知，理論上許多非正弦信號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，并且相頻響應也不能保持常數。例如圖1中輸入信號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不同頻率信號的增益不同，產(chǎn)生的失真叫作幅度失真。

同樣，當放大電路對不同頻率的信號產(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。由傅里葉級數或傅里葉反變換也可反映出，無(wú)論頻譜函數還是相位譜函數發(fā)生變化，相應的時(shí)間函數波形都會(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(xiàn)性電抗元件所引起的，所以又稱(chēng)為線(xiàn)性失真，以區別于因為元器件特性的非線(xiàn)性造成的非線(xiàn)性失真。

為使信號的頻率失真限制在容許的程度之內，則要求設計放大電路時(shí)正確估計信號的有效帶寬（即包含信號主要能量或信息的頻譜寬度），以使放大電路帶寬與信號帶寬相匹配。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。由于人耳對聲頻信號的相位變化不敏感，所以不過(guò)多考慮放大電路的相頻響應特性。但在有些情況下，特別是對信號的波形形狀有嚴格要求的場(chǎng)合，確定放大電路的帶寬還須兼顧其相頻響應特性。

六、非線(xiàn)性失真

信號的另一種失真是由放大器件的非線(xiàn)性特性所引起的。放大器件包括分立器件（如半導體三極管等）和集成電路器件（如集成運算放大器等）。對于分立器件放大電路來(lái)說(shuō)，電子電路設計工作者應設法使它工作在線(xiàn)性放大區。當要求信號的幅值較大，如多級放大電路的末級，特別是功率放大電路，非線(xiàn)性失真難以避免。

對于集成運算放大器，通常是由正、負雙電源供電，當輸出信號的幅值接近雙電源值時(shí)，其輸出將產(chǎn)生非線(xiàn)性失真，稱(chēng)為飽和失真。有關(guān)上述非線(xiàn)性失真的細節，將在后續各章討論。

向放大電路輸入標準的正弦波信號，可以測定輸出信號的非線(xiàn)線(xiàn)失真，并用下面定義的非線(xiàn)性失真的系數來(lái)衡量。

Vo1——輸出電壓信號基波分量的有效值；

Vok——高次諧波分量的有效值，k為正整數。

非線(xiàn)性失真對某些放大電路的性能指標，顯得比較重要，例如，高保真度的音響系統和廣播電視系統即是常見(jiàn)的例子。隨著(zhù)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(xiàn)性失真系數也可做到不超過(guò)0.01%。

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

2．信號放大電路是最基本的模擬信號處理電路。根據實(shí)際應用所要求的輸入信號和輸出信號之間的關(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，用于對放大電路基本特性的分析。根據電路分析的要求，這四種放大電路模型之間可實(shí)現相互轉換。

3．輸入電阻、輸出電阻、增益、頻率響應和非線(xiàn)性失真等主要性能指標是衡量放大電路品質(zhì)優(yōu)劣的標準，也是設計放大電路的依據。它們可以通過(guò)對電路的分析、計算或對實(shí)際電路的測量來(lái)確定。