放大器的基本概念

三極管是電子技術(shù)中非常核心的一種器件，在設(shè)計電子系統(tǒng)時會大量使用集成電路而不用三極管，但是，三極管電路蘊(yùn)含許多與設(shè)計有關(guān)的基礎(chǔ)知識和技能，三極管的一個典型應(yīng)用就是放大器，而放大器也是電子學(xué)最重要的內(nèi)容之一，這一期重點(diǎn)講講放大器的一些基本概念，做個基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：放大器;

01小信號的放大

一個歌手在一個面積巨大的音樂廳里演唱，無論她的嗓門有多大，也不能保證音樂廳每個角落的觀眾都能清楚的聽到她甜美的歌聲，原因就是人的嗓子發(fā)出的聲音強(qiáng)度有限，而且聲波在空氣中傳播時會發(fā)生衰減，如果用話筒采集聲音，經(jīng)過放大之后，由音樂廳里的揚(yáng)聲器同步播放出來，就可以解決這個問題了。話筒和揚(yáng)聲器組成的擴(kuò)音系統(tǒng)，其本質(zhì)就是音頻放大器，這個放大器可以利用電源提供的能量提高聲音，或者說輸入信號的能量，從而提高其由負(fù)載(如揚(yáng)聲器)重放的強(qiáng)度，由此可以得到放大器的一個顯著的特點(diǎn)：提高信號的能量。

除了音樂廳里需要放大器，在生活、生產(chǎn)許多應(yīng)用中都離不開它，比如在醫(yī)院里，醫(yī)生為病人做心電圖(ECG)檢測。

將一些電極貼到胸口以及附近的皮膚表面上，由于人體是導(dǎo)體，心電信號會從心臟傳到皮膚表面并被電極接收到。由于心電信號的幅值非常小，只有幾個mV，甚至噪聲信號的幅度都比它大，如果直接用儀器來觀察是很難看到心電信號的。但是，使用放大倍數(shù)為1000倍的放大器，可以把微弱的心電信號放大到若干V，再用儀器來觀察或處理就很容易多了，如圖1-3所示：

圖1-3 心電檢測儀器

把放大器用一個模型來表示，如圖1-4所示，小信號Vin從放大器輸端輸入，經(jīng)過放大器的放大，在輸出端獲得了一個保持原來信號頻率的大幅度信號Vout，用Av來表示信號的放大倍數(shù)：

圖1-4 放大器模型

放大倍數(shù)通常也叫增益(gain)，式(1.1)中，Vin是輸入信號，Vout是輸出信號，可見放大器的增益等于輸出信號與輸入信號的比值，比如上面談到的心電信號的采集，假設(shè)輸入信號Vin=5mV，經(jīng)過放大之后輸出信號為Vout=5V，所以放大倍數(shù)為Av=5V/5mV=1000倍。

到底什么樣的電路能如此神奇的把信號放大1000倍呢?在實驗室里常常用一種叫儀表放大器的集成運(yùn)算放大器來對心電信號進(jìn)行放大，如圖1-5所示，人體上的電極把心電信號傳導(dǎo)到儀表放大器AD620A的輸入端(2腳和3腳)，經(jīng)AD620A和輸出放大器兩級共1000倍的放大之后，在輸出端可用示波器等儀表直接觀察到心電信號。

圖1-5 儀表放大器對心電信號進(jìn)行放大

02小信號的放大及功率放大

心電信號放大器把信號的幅度(amplitude)進(jìn)行了放大，這種以放大信號幅度為主的放大器稱為小信號放大器(small signal
amplifier)，與之相對的是功率放大器(power amplifier)實現(xiàn)的是電流放大。

為什么會有小信號放大器和功率放大器之分呢?如圖2-1所示的是話筒擴(kuò)音器系統(tǒng)框圖，話筒輸出的是反映聲音的微小信號首先由前置放大器(小信號放大器)進(jìn)行一定倍數(shù)的幅度放大，之后送入主放大器(功率放大器)進(jìn)行電流放大后推動揚(yáng)聲器工作。

圖2-2 話筒擴(kuò)音器系統(tǒng)框圖

有人會問，為什么不直接提高前置放大器的放大倍數(shù)直接驅(qū)動揚(yáng)聲器或干脆把話筒輸出信號直接送到主放大器中進(jìn)行放大呢?原因是前置放大器雖然說把信號的幅度放大了，但是放大之后的信號沒有什么“勁”，對于揚(yáng)聲器這種消耗功率較大的負(fù)載，它是沒有辦法驅(qū)動的。另一方面，功率放大器輸入阻抗與話筒的阻抗不匹配，因此話筒的輸入信號還沒有放大就被消耗了，這樣功率放大器獲得不了足夠的輸入信號，也是無法輸出有效地驅(qū)動揚(yáng)聲器的信號的。所以，通過小信號放大器與功率放大器的組合，可以很好地實現(xiàn)信號的傳遞和有效放大。

圖2-2-所示結(jié)構(gòu)說到底還是為了達(dá)到阻抗匹配的條件，通常前置放大器，也就是小信號放大器都是電壓放大器，這種放大器輸出阻抗比較高，如圖2-3所示：

圖2-3 阻抗匹配說明圖

由圖2-3所示，如果把揚(yáng)聲器接在圖2-3中的A店上，而不使用主放大器，可以利用簡單的計算分析以下?lián)P聲器上獲得的電壓。 假設(shè)揚(yáng)聲器阻抗為8Ω，小信號放大器的輸出阻抗Rout和揚(yáng)聲器是串聯(lián)關(guān)系，于是揚(yáng)聲器分得的電壓為：

揚(yáng)聲器在這個0.02V電壓的驅(qū)動下發(fā)出的聲音恐怕只有蚊子才能聽得到，可見只用前置放大器驅(qū)動揚(yáng)聲器是不可取的，如果加上主放大器，也就是功率放大器，而把揚(yáng)聲器接到圖2-3中B點(diǎn)上，功率放大器出入阻抗Rin與前置放大器輸出阻抗Rout相匹配，它主要對電流進(jìn)行放大，其輸出阻抗Rout很低，與揚(yáng)聲器的阻抗8Ω相匹配，這時再計算揚(yáng)聲器分得的電壓為：

所以說，放大器的阻抗匹配就是指放大器的輸出阻抗和下一級放大器或負(fù)載的輸入阻抗相等或相近，此時能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的功率傳遞，如果相差很大，就是不匹配的狀態(tài)。