三極管是電子技術中非常核心的一種器件，在設計電子系統時會大量使用集成電路而不用三極管，但是，三極管電路蘊含許多與設計有關的基礎知識和技能，三極管的一個典型應用就是放大器，而放大器也是電子學最重要的內容之一，這一期重點講講放大器的一些基本概念，做個基礎。

關鍵詞：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出的聲音強度有限，而且聲波在空氣中傳播時會發生衰減，如果用話筒采集聲音，經過放大之后，由音樂廳里的揚聲器同步播放出來，就可以解決這個問題了。話筒和揚聲器組成的擴音系統，其本質就是音頻放大器，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，從而提高其由負載(如揚聲器)重放的強度，由此可以得到放大器的一個顯著的特點：提高信號的能量。

除了音樂廳里需要放大器，在生活、生產許多應用中都離不開它，比如在醫院里，醫生為病人做心電圖(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：

圖1-4 放大器模型

放大倍數通常也叫增益(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，假設輸入信號Vin=5mV，經過放大之后輸出信號為Vout=5V，所以放大倍數為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算放大器來對心電信號進行放大，如圖1-5所示，人體上的電極把心電信號傳導到儀表放大器AD620A的輸入端(2腳和3腳)，經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所示的是話筒擴音器系統框圖，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)進行一定倍數的幅度放大，之后送入主放大器(功率放大器)進行電流放大后推動揚聲器工作。

圖2-2 話筒擴音器系統框圖

有人會問，為什么不直接提高前置放大器的放大倍數直接驅動揚聲器或干脆把話筒輸出信號直接送到主放大器中進行放大呢?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”，對于揚聲器這種消耗功率較大的負載，它是沒有辦法驅動的。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動揚聲器的信號的。所以，通過小信號放大器與功率放大器的組合，可以很好地實現信號的傳遞和有效放大。

圖2-2-所示結構說到底還是為了達到阻抗匹配的條件，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揚聲器上獲得的電壓。 假設揚聲器阻抗為8Ω，小信號放大器的輸出阻抗Rout和揚聲器是串聯關系，于是揚聲器分得的電壓為：

揚聲器在這個0.02V電壓的驅動下發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動揚聲器是不可取的，如果加上主放大器，也就是功率放大器，而把揚聲器接到圖2-3中B點上，功率放大器出入阻抗Rin與前置放大器輸出阻抗Rout相匹配，它主要對電流進行放大，其輸出阻抗Rout很低，與揚聲器的阻抗8Ω相匹配，這時再計算揚聲器分得的電壓為：

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載的輸入阻抗相等或相近，此時能夠實現比較理想的功率傳遞，如果相差很大，就是不匹配的狀態。