放大电路的基本知识

放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单元电路。

电子技术里的“放大”有两方面的含义：

一是能将微弱的电信号增强到人们所需要的数值（即放大电信号），以便于人们测量和使用；

检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的，例如前面介绍的高温计，其输出电压仅有毫伏量级，而细胞电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流甚至只有皮安（pA,10-12A）量级。对这些能量过于微弱的信号，既无法直接显示，一般也很难作进一步分析处理。通常必须把它们放大到数百毫伏量级，才能用数字式仪表或传统的指针式仪表显示出来。若对信号进行数字化处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。

二是要求放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同或基本相同，即信号不能失真，否则就会丢失要传送的信息，失去了放大的意义。

某些电子系统需要输出较大的功率，如家用音响系统往往需要把声频信号功率提高到数瓦或数十瓦。而输入信号的能量较微弱，不足以推动负载，因此需要给放大电路另外提供一个直流能源，通过输入信号的控制，使放大电路能将直流能源的能量转化为较大的输出能量，去推动负载。这种小能量对大能量的控制作用是放大的本质。

针对不同的应用，需要设计不同的放大电路。

1.2.2 放大电路的四种模型

放大电路的一般符号如图1所示，

图2

前述四种放大电路，不论使用哪种模型，其输入电阻Ri和输出电阻Ro均可用图1来表示。如图所示，输入电阻等于输入电压

图1

当定量分析放大电路的输出电阻Ro时，可采用图1所示的方法。在信号源短路（

图2

fL——称为下限频率。

由于通常有fL fH的关系，故有BW »fH。

有些放大电路的频率响应，中频区平坦部分一直延伸到直流，如图2所示。可以认为它是图1的一种特殊情况，即下限频率为零。这种放大电路称为直流（直接耦合）放大电路。现代模拟集成电路大多采用直接耦合进行放大。

五、频率失真

从信号的频谱一节的讨论可知，理论上许多非正弦信号的频谱范围都延伸到无穷大，而放大电路的带宽却是有限的，并且相频响应也不能保持常数。例如图1中输入信号由基波和二次谐波组成，如果受放大电路带宽所限制，基波增益较大，而二次谐波增益较小，于是输出电压波形产生了失真，这种由于放大电路对不同频率信号的增益不同，产生的失真叫作幅度失真。

同样，当放大电路对不同频率的信号产生的相移不同时也要产生失真，称为相位失真，在图2中，如果放大后的二次谐波滞后了一个相角，输出电压也会变形。由傅里叶级数或傅里叶反变换也可反映出，无论频谱函数还是相位谱函数发生变化，相应的时间函数波形都会由此而失真。幅度失真和相位失真总称为频率失真，它们都是由于线性电抗元件所引起的，所以又称为线性失真，以区别于因为元器件特性的非线性造成的非线性失真。

为使信号的频率失真限制在容许的程度之内，则要求设计放大电路时正确估计信号的有效带宽（即包含信号主要能量或信息的频谱宽度），以使放大电路带宽与信号带宽相匹配。放大电路带宽过宽，往往造成噪声电平升高或生产成本增加。

上述音响系统放大电路带宽定在20Hz~20kHz，这与人类听觉的生理功能相匹配。由于人耳对声频信号的相位变化不敏感，所以不过多考虑放大电路的相频响应特性。但在有些情况下，特别是对信号的波形形状有严格要求的场合，确定放大电路的带宽还须兼顾其相频响应特性。

六、非线性失真

信号的另一种失真是由放大器件的非线性特性所引起的。放大器件包括分立器件（如半导体三极管等）和集成电路器件（如集成运算放大器等）。对于分立器件放大电路来说，电子电路设计工作者应设法使它工作在线性放大区。当要求信号的幅值较大，如多级放大电路的末级，特别是功率放大电路，非线性失真难以避免。

对于集成运算放大器，通常是由正、负双电源供电，当输出信号的幅值接近双电源值时，其输出将产生非线性失真，称为饱和失真。有关上述非线性失真的细节，将在后续各章讨论。

向放大电路输入标准的正弦波信号，可以测定输出信号的非线线失真，并用下面定义的非线性失真的系数来衡量。

Vo1——输出电压信号基波分量的有效值；

Vok——高次谐波分量的有效值，k为正整数。

非线性失真对某些放大电路的性能指标，显得比较重要，例如，高保真度的音响系统和广播电视系统即是常见的例子。随着电子技术的进步，目前即使增益较高、输出功率较大的放大电路，非线性失真系数也可做到不超过0.01%。

本章小结
1．本章首先通过具体实例简要介绍了电子系统与信号的概念，以及信号的频谱特性，讨论了本课程所涉及的各种信号的特点。模拟电路处理的是模拟信号，数字电路处理的是数字信号。

2．信号放大电路是最基本的模拟信号处理电路。根据实际应用所要求的输入信号和输出信号之间的关系，放大电路可分为四种类型：电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。用输入电阻、输出电阻和受控电压源或受控电流源等基本元件，可建立起四种放大电路的简化模型，用于对放大电路基本特性的分析。根据电路分析的要求，这四种放大电路模型之间可实现相互转换。

3．输入电阻、输出电阻、增益、频率响应和非线性失真等主要性能指标是衡量放大电路品质优劣的标准，也是设计放大电路的依据。它们可以通过对电路的分析、计算或对实际电路的测量来确定。