2.2　放大电路基本知识

2.2.1　放大电路概述

实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。可见，放大电路的应用十分广泛，它是各种电子设备中最重要的一种基本单元。

扩音机是放大电路的典型应用，其结构示意图如图2.7所示。

所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，如上面的扩音机，其扬声器所获得的能量（或输出功率）远大于传声器送出的能量（或输入功率）。那么扬声器增加的功率，或者说增加的能量，是从哪里来的呢？实际上，放大电路不可能产生多余的能量，它只能在传声器输出的电信号的控制下，把直流电源的电能转化为负载所需要的能量，所以，放大的实质是能量的控制和转换，即由一个较小的输入信号来控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。

另外，放大的对象是变化量，也就是说，当输入信号有一个比较小的变化量时，要求在负载上得到一个较大变化量的输出信号，而放大电路的放大倍数也是指输出信号与输入信号的变化量之比。

在实际应用中对放大作用还有一个要求，即放大后的信号波形与放大前的信号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。

例如，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，去驱动负载，同时还要保证输出信号的原始质量。

任何一个放大电路都可以看成一个两端网络，其示意图如图2.8所示。

2.2.2　放大电路的动态性能指标

放大电路的放大对象是变化量，研究放大电路时除了要保证放大电路具有合适的静态工作点外，更重要的是要研究其放大性能。对于放大电路的放大性能有两方面的要求：一是放大倍数要尽可能大；二是输出信号要尽可能不失真。衡量放大电路性能优劣的重要指标有放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro等参数。

1.放大倍数

放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标，其值为输出量（uo或io）与输入量（ui或ii）之比。对于小功率的放大电路，人们常常只关心电路的单一指标的放大倍数，如电压放大倍数，而不研究其功率放大能力。

电压放大倍数定义为输出电压与输入电压的变化量之比，当输入一个正弦测试电压时，也可用输出电压与输入电压的正弦相量之比来表示，即

同样的电流放大倍数定义为输出电流与输入电流的变化量之比，也可以用两者的正弦相量之比来表示，即

2.输入电阻

放大电路与信号源相连接就成为信号源的负载，必然从信号源索取电流，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。输入电阻Ri就是从放大电路输入端看进去的等效电阻，被定义为输入电压和输入电流之比，即

输入电阻的大小表明放大电路对信号源的影响程度。Ri越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路所得到的输入电压就越接近信号源电压，即信号源内阻上的电压越小，信号源电压损失越小。在电子设备中，特别是电子测量仪表中，通常希望仪表有很高的输入电阻，以减小对被测电路的影响。

3.输出电阻

以负载RL作为被参考对象，信号源和放大电路组成的系统是一个有源（指所含的独立电源）两端网络，放大电路的输出端实质上可看作RL的信号源，这个信号源的内阻就是放大电路的输出电阻Ro。具体求法是：将有源一端口网络内的所有独立的电压源短路、所有独立的电流源开路，即令所有的独立电压源的电动势和所有独立的电流源的电流为零（若含受控源，受控源不可以省略），移去放大电路输出端所接的负载，在放大电路的输出端再接一电压源u，求出流入放大电路输出端的电流i，如图2.9所示。这一电压与电流之比即为放大电路的输出电阻Ro（需要指出的是，在实际的操作中，切不可真的将电压源短路，电流源开路），即

从以上分析可知，输出电阻Ro越小，接入负载RL后，输出电压变化越小，那么电路的带负载能力越强。因此，输出电阻Ro的大小反映了放大电路带负载能力的强弱。

需要注意的是：以上3个参数是分析放大电路时的最基本的动态参数。若输出波形出现明显的失真现象，其值就失去了意义。

4.通频带

由于放大电路中耦合电容、晶体管的结电容以及其他电抗元件的存在，当频率太高或太低时，电压放大倍数会降低并产生相移。所以，交流放大电路只能在中间某一频率范围（简称中频段）内工作。通频带就是反映放大电路对信号频率的适应能力的性能指标。

图2.10为电压放大倍数与频率f的关系曲线，称为幅频特性。可见在低频段Au有所下降，这是因为当频率低时，耦合电容的容抗不可忽略，信号在耦合电容上的电压降增加，因此造成下降。在高频段下降的原因，是由于高频时晶体管的β值的下降和电路的布线电容、PN结的结电容的影响。

在图2.10所示的幅频特性曲线中，中频段的电压放大倍数为。当电压放大倍数下降到时，所对应的两个频率分别称为上限频率fH和下限频率fL，fH和fL之间的频率范围称为放大电路的通频带（或称带宽），用BW表示，即

BW=fH-fL　　（2.2.5）

通频带越宽，表示放大电路的工作频率范围越大，对信号频率的变化具有更强的适应能力。对于频带宽的放大电路，如果幅频特性的频率坐标用十进制坐标，可能难以表达完整。在这种情况下，可用对数坐标来扩大视野，其横轴表示信号频率，用的是对数坐标；其纵轴表示放大电路的增益分贝值。在工程上为了便于计算，常用分贝（dB）表示放大倍数（增益）。由于，因此，在工程上通常把fH-fL的频率范围称为放大电路的“-3dB”通频带（简称3dB带宽）。