模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第二節(jié)放大電路的基本知識

1、模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第二節(jié):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(xiàn)的，大多數(shù)模擬 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增強(qiáng)到人們所需要的數(shù)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 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(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功率提高到數(shù)瓦或數(shù)十瓦。而輸入信號的能量較微弱，不足以推動負(fù)載，因此需要給放大電路另外提供一個直流 針對不同的應(yīng)用，需要設(shè)計不同的

2、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(nèi)阻， 和 分別為輸入電壓和輸入電流，RL 為負(fù)載 和 分別為輸出電壓和輸出電流。在實際應(yīng)用中，根據(jù)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(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(guān)系，則可表達(dá)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(dāng)需要把電

3、流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如前述細(xì)胞電生理技術(shù)中，需要檢測細(xì)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(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(dǎo)放大電路 當(dāng)電路中輸入信號取 ，輸出信號取 ，輸出對輸入信號的關(guān)系可表達(dá)為 式中 稱為放大電路的互導(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 如上一知識點所述，根據(jù)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(dǎo)放大。為了進(jìn)一步討論這四

4、類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)類型放大電路模型。這些模型采用一些基本的元件來構(gòu)成電路，只是為了等效放大電路的輸入和輸出特性，而忽略各種實際放大電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 圖 1 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 三個基本元件構(gòu)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(nèi)阻 Rs 以及負(fù)載電阻 RL 的組合，可在 RL 兩端得到對應(yīng) 的輸出信號 。 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 小于受控電壓源的信號幅

5、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(shè)計時努力使 RoRs 時，才能使 Rs 對信號的衰減作用大為減小。這就要求設(shè)計電路時，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， = ，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(nèi)阻 Rs 較小且負(fù)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(biāo)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 圖 2 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

6、全性和抗干擾能力，在前級信號預(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 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(yīng)，衰減發(fā)生是由于放大電路輸出電阻Ro 和信號源內(nèi)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(guān)系 帶負(fù)載 RL

7、時的電流增益為 在電路輸入端，Rs 和 Ri 有如下的分流關(guān)系 由此可見，只有當(dāng) RoRL 和 RiRo 時，才可使電路具有較理想的電流放大效果。 從電路特性可知，電流放大電路一般適用于信號源內(nèi)阻 Rs 較大而負(fù)載電阻RL 較小的場合。 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 稱為輸出開路時的互阻增益， 稱為輸出短路的互導(dǎo)增益。兩模型的詳細(xì)情況讀

8、者可自行分析。 (a) (b) 圖 1 四、模型的轉(zhuǎn)換 根據(jù)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(xiàn)任意轉(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)換為電壓放大電路模型。同理可實現(xiàn)其他放大電路模型之間的轉(zhuǎn)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(jù)信號源的性質(zhì)和負(fù)載的要求，一般只有一種模型在電路設(shè)計或分析中概念最明確，運(yùn)用最方便。例如，信號源為低內(nèi)阻的電壓源，

9、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(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，針對不同用途的電路，還常會提出一些其他指標(biāo)，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(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

10、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保證，尤其是后者經(jīng)常被初學(xué)者所忽視。上述問題有些在后續(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(dǎo)放大

11、，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(dāng)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(jù)放大電路內(nèi)的各元件參數(shù)計算出相應(yīng)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(fù)載的能力。 圖 1 當(dāng)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(fù)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(yīng)地產(chǎn)生一測試電流，于是可得輸出電阻為 根據(jù)這個關(guān)系，即可算出各種放大電路的輸

12、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 R 帶有小寫字母下標(biāo) i 和 o 來表示。 三、對數(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 。它們實際反映了放大電路在輸入信號控制下，將供電電源能量轉(zhuǎn)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(shù)增益表達(dá)，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

13、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，這與對數(shù)增益為負(fù)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(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)用對數(shù)坐標(biāo)表達(dá)增益隨頻率變化的曲線時，可大大擴(kuò)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(jìn)行運(yùn)算。 上述二點有助于簡化電路的分析和設(shè)計過程。 四、頻率響應(yīng)與帶寬 如前所述的放大電路

14、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 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(dá)為 或 式中： 信號的角頻率； AV()表示電壓增益的模與角頻率之間的關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)； j()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(guān)系，稱為相頻響應(yīng)。 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)綜合起來可全面表征放大電路的頻率響應(yīng)。 圖 1 圖 1 是一個普通音響系統(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 =/(2p)，與角頻率 只存在標(biāo)尺倍率之差。值得注意的是，圖中的坐標(biāo)均采用對數(shù)刻度，稱為波特(Bode)圖，這樣處理不僅把頻率和增益變化范

15、圍展得很寬，而且在繪制近似頻率響應(yīng)曲線時也十分簡便。 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，稱為中頻區(qū)。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(qū)域，增益隨頻率遠(yuǎn)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(qū)輸出功率的一半，通常稱為半功率點。一般把幅頻響應(yīng)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(yīng)的高端半功率點，也稱為上限頻率； 圖 2 fL稱為下限頻率。 由于通常有 fL fH 的關(guān)系，故有 BW f

16、H。 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。這種放大電路稱為直流（直接耦合）放大電路?，F(xiàn)代模擬 五、頻率失真 從信號的頻譜一節(jié)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(yīng)也不能保持常數(shù)。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(chǎn)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(chǎn)生的失真叫作幅度失真。 同樣，當(dāng)放大電路對不同頻率的信號產(chǎn)生的相移不同時也要產(chǎn)生失真，稱為相位失真，

17、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(shù)或傅里葉反變換也可反映出，無論頻譜函數(shù)還是相位譜函數(shù)發(fā)生變化，相應(yīng)的時間函數(shù)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(qū)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(nèi)，則要求設(shè)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(chǎn)成本增加。 上述音響系統(tǒng)放大電路帶寬定在 20Hz20kHz，這與人類聽覺的生理功能相

18、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(yīng)特性。但在有些情況下，特別是對信號的波形形狀有嚴(yán)格要求的場合，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 對于集成運(yùn)算放大器，通常是由正、負(fù)雙電源供電，當(dāng)輸出信號的幅值接近雙電源值時，其輸出將產(chǎn)生非線性失真，稱為飽和失真。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，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(shù)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(shù)。 非線性失真對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 本章小結(jié) 1本章首先通過具體實例簡要介紹了電子系統(tǒng)與信號的概念，以及信號的頻譜特性，討論了本課程所涉及