放大電路的基本知識

放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實現的，大多數模擬電子系統中都應用了不同類型的放大電路。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。對這些能量過于微弱的信號，既無法直接顯示，一般也很難作進一步分析處理。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。若對信號進行數字化處理，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，不足以推動負載，因此需要給放大電路另外提供一個直流能源，通過輸入信號的控制，使放大電路能將直流能源的能量轉化為較大的輸出能量，去推動負載。這種小能量對大能量的控制作用是放大的本質。

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，可采用圖1所示的方法。在信號源短路（

圖2

fL——稱為下限頻率。

由于通常有fL fH的關系，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。可以認為它是圖1的一種特殊情況，即下限頻率為零。這種放大電路稱為直流（直接耦合）放大電路。現代模擬集成電路大多采用直接耦合進行放大。

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生的相移不同時也要產生失真，稱為相位失真，在圖2中，如果放大后的二次諧波滯后了一個相角，輸出電壓也會變形。由傅里葉級數或傅里葉反變換也可反映出，無論頻譜函數還是相位譜函數發生變化，相應的時間函數波形都會由此而失真。幅度失真和相位失真總稱為頻率失真，它們都是由于線性電抗元件所引起的，所以又稱為線性失真，以區別于因為元器件特性的非線性造成的非線性失真。

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。放大電路帶寬過寬，往往造成噪聲電平升高或生產成本增加。

上述音響系統放大電路帶寬定在20Hz~20kHz，這與人類聽覺的生理功能相匹配。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合，確定放大電路的帶寬還須兼顧其相頻響應特性。

六、非線性失真

信號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說，電子電路設計工作者應設法使它工作在線性放大區。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，其輸出將產生非線性失真，稱為飽和失真。有關上述非線性失真的細節，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線失真，并用下面定義的非線性失真的系數來衡量。

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的例子。隨著電子技術的進步，目前即使增益較高、輸出功率較大的放大電路，非線性失真系數也可做到不超過0.01%。

本章小結
1．本章首先通過具體實例簡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。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。根據實際應用所要求的輸入信號和輸出信號之間的關系，放大電路可分為四種類型：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現相互轉換。

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