模擬電路網絡課件 第二節:放大電路的基本知識

1.2.1 模擬信號的放大

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， 為信號源電壓，Rs為信號源內阻， 和 分別為輸入電壓和輸入電流，RL為負載電阻， 和 分別為輸出電壓和輸出電流。在實際應用中，根據放大電路輸入信號的條件和對輸出信號的要求，放大電路可分為四種類型。

電壓放大電路

如果只需考慮電路的輸出電壓 和輸出電壓 的關系，則可表達為

式中 為電路的電壓增益。前述爐溫控制系統中對高溫計輸出電壓信號的放大，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 的關系，則可表達為

式中 為電流增益，這種電路稱為電流放大電路。

互阻放大電路

當需要把電流信號轉換為電壓信號，如前述細胞電生理技術中，需要檢測細胞膜離子通道的微弱電流時，則可利用互阻放大電路，其表達式為

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。這里把信號放大的的概念延伸了，與前述無量綱的電壓增益和電流增益不同。

互導放大電路

當電路中輸入信號取 ，輸出信號取 ，輸出對輸入信號的關系可表達為

式中 稱為放大電路的互導增益，它具有導納量綱S。相應地，這種放大電路得名為互導放大電路。

一、電壓放大模型

如上一知識點所述，根據實際的輸入信號和所需的輸出信號是電壓或者電流，放大電路可分為四種類型，即：電壓放大、電流放大、互阻放大和互導放大。為了進一步討論這四類放大電路的性能指標，可以建立起四種不同的雙口網絡作為相應類型放大電路模型。這些模型采用一些基本的元件來構成電路，只是為了等效放大電路的輸入和輸出特性，而忽略各種實際放大電路的內部結構。

圖1虛線框內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 三個基本元件構成，其中 為輸入電壓， 為輸出開路（RL = ￥）時的電壓增益。圖中放大電路模型與電壓信號源 、信號源內阻Rs以及負載電阻RL的組合，可在RL兩端得到對應 的輸出信號 。

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

可見，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。這就要求在電路設計時努力使Ro<

信號衰減的另一個環節在輸入電路。信號源內阻Rs和放大電路輸入電阻Ri的分壓作用，致使到達放大電路輸入端的實際電壓只有

只有當Ri>>Rs時，才能使Rs對信號的衰減作用大為減小。這就要求設計電路時，應盡量設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為Ri=￥ 。 此時， = ，信號免受衰減。

從上述分析可知，電壓放大電路適用于信號源內阻Rs較小且負載電阻RL較大的場合。

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，并標以“^”符號，這是作為電路輸入與輸出信號的共同端點或參考電位點。這個參考點對于分析電子電路是必要的，而且是很方便的。

然而，當前有許多工業控制設備及醫療設備，為了提高安全性和抗干擾能力，在前級信號預放大中，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，輸入與輸出信號之間不存在任何公共參考點。這種類型的電壓放大電路模型如圖2所示。輸入和輸出之間有無公共參考點對本章所有內容的討論沒有影響。

二、電流放大模型

圖1的虛線框內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源，本例中控制信號是輸入電流 。電流放大電路與外電路相連同樣存在信號衰減問題。與電壓放大電路相對應，衰減發生是由于放大電路輸出電阻Ro和信號源內阻Rs分別在電路輸出和輸入端對信號電流的分流。由圖1可知，在輸出端，RL和Ro有如下的分流關系

帶負載RL時的電流增益為

在電路輸入端，Rs和Ri有如下的分流關系

由此可見，只有當Ro>>RL和Ri<

從電路特性可知，電流放大電路一般適用于信號源內阻Rs較大而負載電阻RL較小的場合。

三、互阻與互導放大電路模型

圖1（a）和（b）的虛線框內分別為互阻放大和互導放大電路模型。兩電路的輸出信號分別由受控制電壓源 和受控制電流源 產生。在理想狀態下，互阻放大電路要求輸入電阻Ri=0且輸出電阻Ro=0，而互導放大電路則要求輸入電阻Ri=￥ ，輸出電阻Ro=￥ 。電路中的 稱為輸出開路時的互阻增益， 稱為輸出短路的互導增益。兩模型的詳細情況讀者可自行分析。

(a)

(b)

圖1

四、模型的轉換

根據信號源的戴維寧-諾頓等效變換原理，上述四種電路模型相互之間可以實現任意轉換。例如圖1（a）電壓放大電路模型的開路輸出電壓為 ，而根據圖（b）電流放大電路模型可得開路輸出電壓為 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換為電壓放大電路模型。同理可實現其他放大電路模型之間的轉換。

一個實際的放大電路原則上可以取四類電路模型中任意一種作為它的電路模型，但是根據信號源的性質和負載的要求，一般只有一種模型在電路設計或分析中概念最明確，運用最方便。例如，信號源為低內阻的電壓源，要求輸出為電壓信號時，以選用電壓放大電路模型為宜。而某種場合需要將來自高阻抗傳感器的電流信號變換為電壓信號時，則以采用互阻放大電路模型較合適，如此等等。　

1.2.3 放大電路的性能指標

放大電路的性能指標是衡量它的品質優劣的標準，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、頻率響應和非線性失真等幾項主要性能指標。

放大電路除上述五種主要性能指標外，針對不同用途的電路，還常會提出一些其他指標，諸如最大輸出功率、效率、信號噪聲比、抗干擾能力等等，甚至在某些特殊使用場合還會提出體積、重量、工作溫度、環境溫度等要求。其中有些在通常條件下很容易達到的技術指標，但在特殊條件下往往就變得很難達到，如強背景噪聲、高溫等惡劣環境下運行，即屬這種情況。要想全面達到應用中所要求的性能指標，除合理設計電路外，還要靠選擇高質量的元器件及高水平的制造工藝來保證，尤其是后者經常被初學者所忽視。上述問題有些在后續各章中進行討論，有些則不屬于本課程的范圍，有興趣的讀者可參考有關資料及在以后工作實踐中學習。

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吸取信號幅值的大小。對輸入為電壓信號的放大電路，即電壓放大和互導放大，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。

當定量分析放大電路的輸入電阻Ri時，一般可假定在輸入端外加一測試電壓，如圖2所示，根據放大電路內的各元件參數計算出相應在的測試電流，則

二、輸出電阻

放大電路輸出電阻Ro的大小決定它帶負載的能力。

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（=0，但保留Rs）和負載開路（RL = ￥）的條件下，在放大電路的輸出端加一測試電壓，相應地產生一測試電流，于是可得輸出電阻為

根據這個關系，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，而是在線性運用情況下的交流電阻，用符號R帶有小寫字母下標i和o來表示。

三、對數增益

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 及互導增益 。它們實際反映了放大電路在輸入信號控制下，將供電電源能量轉換為信號能量的能力。其中 和 兩種無量綱增益在工程上常用以10為底的對數增益表達，其基本單位為B（貝爾，Bel），平時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 也許為負數，這意味著輸出與輸入之間的相位關系為180°，這與對數增益為負值時的意義不能混淆。在某種情況下，放大電路的增益為-20dB，這表示信號電壓衰減到1/10，即||=0.1。

用對數方式表達放大電路的增益之所以在工程上得到廣泛的應用是由于：

（1）當用對數坐標表達增益隨頻率變化的曲線時，可大大擴大增益變化的視野；

（2）計算多級放大電路的總增益時，可將乘法化為加法進行運算。

上述二點有助于簡化電路的分析和設計過程。

四、頻率響應與帶寬

如前所述的放大電路模型是極為簡單的模型，實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系必然和信號頻率有關。放大電路的頻率響應所指的是，在輸入正弦信號情況下，輸出隨頻率連續變化的穩態響應。

若考慮電抗性元件的作用和信號角頻率變量，則放大電路的電壓增益可表達為

或

式中：

ω——信號的角頻率；

AV(ω)——表示電壓增益的模與角頻率之間的關系，稱為幅頻響應；

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

幅頻響應和相頻響應綜合起來可全面表征放大電路的頻率響應。

圖1是一個普通音響系統放大電路的幅頻響應。為了符合通常習慣，橫坐標采用頻率單位f =ω/(2p)，與角頻率ω只存在標尺倍率之差。值得注意的是，圖中的坐標均采用對數刻度，稱為波特(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曲線時也十分簡便。

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

即? BW = fH - fL

fH——頻率響應的高端半功率點，也稱為上限頻率；

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。