模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第二節(jié):放大電路的基本知識(shí)

模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第二節(jié):放大電路的基本知識(shí)

1.2.1 模擬信號(hào)的放大

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， 為信號(hào)源電壓，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻， 和 分別為輸入電壓和輸入電流，RL為負(fù)載電阻， 和 分別為輸出電壓和輸出電流。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)放大電路輸入信號(hào)的條件和對(duì)輸出信號(hào)的要求，放大電路可分為四種類(lèi)型。

電壓放大電路

如果只需考慮電路的輸出電壓 和輸出電壓 的關(guān)系，則可表達(dá)為

式中 為電路的電壓增益。前述爐溫控制系統(tǒng)中對(duì)高溫計(jì)輸出電壓信號(hào)的放大，就是使用了這種放大電路。

電流放大電路

若只考慮圖1中放大電路的輸出電流 和輸入電流 的關(guān)系，則可表達(dá)為

式中 為電流增益，這種電路稱(chēng)為電流放大電路。

互阻放大電路

當(dāng)需要把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，如前述細(xì)胞電生理技術(shù)中，需要檢測(cè)細(xì)胞膜離子通道的微弱電流時(shí)，則可利用互阻放大電路，其表達(dá)式為

式中 為放大電路的輸入電流， 為輸出電壓， 為互阻增益，其量綱為W。這里把信號(hào)放大的的概念延伸了，與前述無(wú)量綱的電壓增益和電流增益不同。

互導(dǎo)放大電路

當(dāng)電路中輸入信號(hào)取 ，輸出信號(hào)取 ，輸出對(duì)輸入信號(hào)的關(guān)系可表達(dá)為

式中 稱(chēng)為放大電路的互導(dǎo)增益，它具有導(dǎo)納量綱S。相應(yīng)地，這種放大電路得名為互導(dǎo)放大電路。

一、電壓放大模型

如上一知識(shí)點(diǎn)所述，根據(jù)實(shí)際的輸入信號(hào)和所需的輸出信號(hào)是電壓或者電流，放大電路可分為四種類(lèi)型，即：電壓放大、電流放大、互阻放大和互導(dǎo)放大。為了進(jìn)一步討論這四類(lèi)放大電路的性能指標(biāo)，可以建立起四種不同的雙口網(wǎng)絡(luò)作為相應(yīng)類(lèi)型放大電路模型。這些模型采用一些基本的元件來(lái)構(gòu)成電路，只是為了等效放大電路的輸入和輸出特性，而忽略各種實(shí)際放大電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1虛線框內(nèi)的電路是一般化的電壓放大電路模型，它由輸入電阻Ri、輸出電阻Ro和受控電壓源 三個(gè)基本元件構(gòu)成，其中 為輸入電壓， 為輸出開(kāi)路（RL = ￥）時(shí)的電壓增益。圖中放大電路模型與電壓信號(hào)源 、信號(hào)源內(nèi)阻Rs以及負(fù)載電阻RL的組合，可在RL兩端得到對(duì)應(yīng) 的輸出信號(hào) 。

從圖1可以看出，由于Ro與RL的分壓作用，使負(fù)載電阻RL上的電壓信號(hào) 小于受控電壓源的信號(hào)幅值，即

可見(jiàn)，其電壓增益為

的恒定性受到RL變化的影響，隨RL的減小而降低。這就要求在電路設(shè)計(jì)時(shí)努力使Ro<

信號(hào)衰減的另一個(gè)環(huán)節(jié)在輸入電路。信號(hào)源內(nèi)阻Rs和放大電路輸入電阻Ri的分壓作用，致使到達(dá)放大電路輸入端的實(shí)際電壓只有

只有當(dāng)Ri>>Rs時(shí)，才能使Rs對(duì)信號(hào)的衰減作用大為減小。這就要求設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法提高電壓放大電路的輸入電阻Ri。理想電壓放大電路的輸入電阻應(yīng)為Ri=￥ 。 此時(shí)， = ，信號(hào)免受衰減。

從上述分析可知，電壓放大電路適用于信號(hào)源內(nèi)阻Rs較小且負(fù)載電阻RL較大的場(chǎng)合。

圖1中所示電路模型的下部，輸入回路和輸出回路之間都有一根連線，并標(biāo)以“^”符號(hào)，這是作為電路輸入與輸出信號(hào)的共同端點(diǎn)或參考電位點(diǎn)。這個(gè)參考點(diǎn)對(duì)于分析電子電路是必要的，而且是很方便的。

然而，當(dāng)前有許多工業(yè)控制設(shè)備及醫(yī)療設(shè)備，為了提高安全性和抗干擾能力，在前級(jí)信號(hào)預(yù)放大中，普遍采用所謂的隔離放大，即放大電路的輸入與輸出電路（包括供電電源）相互絕緣，輸入與輸出信號(hào)之間不存在任何公共參考點(diǎn)。這種類(lèi)型的電壓放大電路模型如圖2所示。輸入和輸出之間有無(wú)公共參考點(diǎn)對(duì)本章所有內(nèi)容的討論沒(méi)有影響。

二、電流放大模型

圖1的虛線框內(nèi)是電流放大電路模型。與電壓放大電路模型在形式上不同之處在輸出回路，它是由受控制電流源 和輸出電阻Ro并聯(lián)而成，其中 為輸入電流， 為輸出短路（RL=0）的電流增益。受控電流源是另一種受控信號(hào)源，本例中控制信號(hào)是輸入電流 。電流放大電路與外電路相連同樣存在信號(hào)衰減問(wèn)題。與電壓放大電路相對(duì)應(yīng)，衰減發(fā)生是由于放大電路輸出電阻Ro和信號(hào)源內(nèi)阻Rs分別在電路輸出和輸入端對(duì)信號(hào)電流的分流。由圖1可知，在輸出端，RL和Ro有如下的分流關(guān)系

帶負(fù)載RL時(shí)的電流增益為

在電路輸入端，Rs和Ri有如下的分流關(guān)系

由此可見(jiàn)，只有當(dāng)Ro>>RL和Ri<

從電路特性可知，電流放大電路一般適用于信號(hào)源內(nèi)阻Rs較大而負(fù)載電阻RL較小的場(chǎng)合。

三、互阻與互導(dǎo)放大電路模型

圖1（a）和（b）的虛線框內(nèi)分別為互阻放大和互導(dǎo)放大電路模型。兩電路的輸出信號(hào)分別由受控制電壓源 和受控制電流源 產(chǎn)生。在理想狀態(tài)下，互阻放大電路要求輸入電阻Ri=0且輸出電阻Ro=0，而互導(dǎo)放大電路則要求輸入電阻Ri=￥ ，輸出電阻Ro=￥ 。電路中的 稱(chēng)為輸出開(kāi)路時(shí)的互阻增益， 稱(chēng)為輸出短路的互導(dǎo)增益。兩模型的詳細(xì)情況讀者可自行分析。

(a)

(b)

圖1

四、模型的轉(zhuǎn)換

根據(jù)信號(hào)源的戴維寧-諾頓等效變換原理，上述四種電路模型相互之間可以實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)換。例如圖1（a）電壓放大電路模型的開(kāi)路輸出電壓為 ，而根據(jù)圖（b）電流放大電路模型可得開(kāi)路輸出電壓為 且 ，令兩電路等效，于是有

即可得 。

同理可得和兩式。

(a)

(b)

圖1

這樣其他三種電路模型都可轉(zhuǎn)換為電壓放大電路模型。同理可實(shí)現(xiàn)其他放大電路模型之間的轉(zhuǎn)換。

一個(gè)實(shí)際的放大電路原則上可以取四類(lèi)電路模型中任意一種作為它的電路模型，但是根據(jù)信號(hào)源的性質(zhì)和負(fù)載的要求，一般只有一種模型在電路設(shè)計(jì)或分析中概念最明確，運(yùn)用最方便。例如，信號(hào)源為低內(nèi)阻的電壓源，要求輸出為電壓信號(hào)時(shí)，以選用電壓放大電路模型為宜。而某種場(chǎng)合需要將來(lái)自高阻抗傳感器的電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)時(shí)，則以采用互阻放大電路模型較合適，如此等等?！?/P>

1.2.3 放大電路的性能指標(biāo)

放大電路的性能指標(biāo)是衡量它的品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并決定其適用范圍。這里主要討論放大電路的輸入電阻、輸出電阻、增益、頻率響應(yīng)和非線性失真等幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)。

放大電路除上述五種主要性能指標(biāo)外，針對(duì)不同用途的電路，還常會(huì)提出一些其他指標(biāo)，諸如最大輸出功率、效率、信號(hào)噪聲比、抗干擾能力等等，甚至在某些特殊使用場(chǎng)合還會(huì)提出體積、重量、工作溫度、環(huán)境溫度等要求。其中有些在通常條件下很容易達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，但在特殊條件下往往就變得很難達(dá)到，如強(qiáng)背景噪聲、高溫等惡劣環(huán)境下運(yùn)行，即屬這種情況。要想全面達(dá)到應(yīng)用中所要求的性能指標(biāo)，除合理設(shè)計(jì)電路外，還要靠選擇高質(zhì)量的元器件及高水平的制造工藝來(lái)保證，尤其是后者經(jīng)常被初學(xué)者所忽視。上述問(wèn)題有些在后續(xù)各章中進(jìn)行討論，有些則不屬于本課程的范圍，有興趣的讀者可參考有關(guān)資料及在以后工作實(shí)踐中學(xué)習(xí)。

一、輸入電阻

? 圖1 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 與輸入電流 的比值，

即

輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號(hào)吸取信號(hào)幅值的大小。對(duì)輸入為電壓信號(hào)的放大電路，即電壓放大和互導(dǎo)放大，Ri愈大，則放大電路輸入端的值愈大。反之，輸入為電流信號(hào)的放大電路，即電流放大和互阻放大，Ri愈小，注入放大電路的輸入電流愈大。

當(dāng)定量分析放大電路的輸入電阻Ri時(shí)，一般可假定在輸入端外加一測(cè)試電壓，如圖2所示，根據(jù)放大電路內(nèi)的各元件參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)在的測(cè)試電流，則

二、輸出電阻

放大電路輸出電阻Ro的大小決定它帶負(fù)載的能力。

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（=0，但保留Rs）和負(fù)載開(kāi)路（RL = ￥）的條件下，在放大電路的輸出端加一測(cè)試電壓，相應(yīng)地產(chǎn)生一測(cè)試電流，于是可得輸出電阻為

根據(jù)這個(gè)關(guān)系，即可算出各種放大電路的輸出電阻。

必須注意，以上所討論的放大電路的輸入電阻和輸出電阻不是直流電阻，而是在線性運(yùn)用情況下的交流電阻，用符號(hào)R帶有小寫(xiě)字母下標(biāo)i和o來(lái)表示。

三、對(duì)數(shù)增益

如前所述，四種放大電路分別具有不同的增益，如電壓增益 、電流增益 、互阻增益 及互導(dǎo)增益 。它們實(shí)際反映了放大電路在輸入信號(hào)控制下，將供電電源能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)能量的能力。其中 和 兩種無(wú)量綱增益在工程上常用以10為底的對(duì)數(shù)增益表達(dá)，其基本單位為B（貝爾，Bel），平時(shí)用它的十分之一單位dB（分貝）。

這樣用分貝表示的電壓增益和電流增益分別如下式所示：

電壓增益=20lg| | dB

電壓增益=20lg| | dB

由于功率與電壓（或電流）的平方成比例，因而功率增益表示為

功率增益=10lg dB

上述電壓增益 和電流增益 用其幅值。在某些情況下， 或 也許為負(fù)數(shù)，這意味著輸出與輸入之間的相位關(guān)系為180°，這與對(duì)數(shù)增益為負(fù)值時(shí)的意義不能混淆。在某種情況下，放大電路的增益為-20dB，這表示信號(hào)電壓衰減到1/10，即||=0.1。

用對(duì)數(shù)方式表達(dá)放大電路的增益之所以在工程上得到廣泛的應(yīng)用是由于：

（1）當(dāng)用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表達(dá)增益隨頻率變化的曲線時(shí)，可大大擴(kuò)大增益變化的視野；

（2）計(jì)算多級(jí)放大電路的總增益時(shí)，可將乘法化為加法進(jìn)行運(yùn)算。

上述二點(diǎn)有助于簡(jiǎn)化電路的分析和設(shè)計(jì)過(guò)程。

四、頻率響應(yīng)與帶寬

如前所述的放大電路模型是極為簡(jiǎn)單的模型，實(shí)際的放大電路中總是存在一些電抗性元件，如電容、電感、電子器件的極間電容以及接線電容與接線電感等。因此，放大電路的輸出和輸入之間的關(guān)系必然和信號(hào)頻率有關(guān)。放大電路的頻率響應(yīng)所指的是，在輸入正弦信號(hào)情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

若考慮電抗性元件的作用和信號(hào)角頻率變量，則放大電路的電壓增益可表達(dá)為

或

式中：

ω——信號(hào)的角頻率；

AV(ω)——表示電壓增益的模與角頻率之間的關(guān)系，稱(chēng)為幅頻響應(yīng)；

j(ω)——表示放大電路輸出與輸入正弦電壓信號(hào)的相位差與角頻率之間的關(guān)系，稱(chēng)為相頻響應(yīng)。

幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)綜合起來(lái)可全面表征放大電路的頻率響應(yīng)。

圖1是一個(gè)普通音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng)。為了符合通常習(xí)慣，橫坐標(biāo)采用頻率單位f =ω/(2p)，與角頻率ω只存在標(biāo)尺倍率之差。值得注意的是，圖中的坐標(biāo)均采用對(duì)數(shù)刻度，稱(chēng)為波特(Bode)圖，這樣處理不僅把頻率和增益變化范圍展得很寬，而且在繪制近似頻率響應(yīng)曲線時(shí)也十分簡(jiǎn)便。

圖1所示幅頻響應(yīng)的中間一段是平坦的，即增益保持常數(shù)60dB，稱(chēng)為中頻區(qū)。在20Hz和20kHz兩點(diǎn)增益分別下降3dB，而在低于20Hz和高于20kHz的兩個(gè)區(qū)域，增益隨頻率遠(yuǎn)離這兩點(diǎn)而下降。在輸入信號(hào)幅值保持不變條件下，增益下降3dB的頻率點(diǎn)，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一半，通常稱(chēng)為半功率點(diǎn)。一般把幅頻響應(yīng)的高、低兩個(gè)半功率點(diǎn)間的頻率差定義為放大電路的帶寬，

即? BW = fH - fL

fH——頻率響應(yīng)的高端半功率點(diǎn)，也稱(chēng)為上限頻率；

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?？梢哉J(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。