模拟电路的基本放大电路知识

1.2.1 模拟信号的放大

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，为信号源电压，Rs为信号源内

阻，和分别为输入电压和输入电流，RL为负载电阻，和分别为输出电压和输出电流。在实际应用中，根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大电路可分为四种类型。

电压放大电路

如果只需考虑电路的输出电压和输出电压的关系，则可表达为

式中为电路的电压增益。前述炉温控制系统中对高温计输出电压信号的放大，就是使用了这种放大电路。

电流放大电路

若只考虑图1中放大电路的输出电流和输入电流的关系，则可表达为

式中为电流增益，这种电路称为电流放大电路。

互阻放大电路

当需要把电流信号转换为电压信号，如前述细胞电生理技术中，需要检测细胞膜离子通道的微弱电流时，则可利用互阻放大电路，其表达式为

式中为放大电路的输入电流，为输出电压，为互阻增益，其量纲为W。这里把信号放大的的概念延伸了，与前述无量纲的电压增益和电流增益不同。

互导放大电路

当电路中输入信号取，输出信号取，输出对输入信号的关系可表达为

式中称为放大电路的互导增益，它具有导纳量纲S。相应地，这种放大电路得名为互导放大电路。

一、电压放大模型

如上一知识点所述，根据实际的输入信号和所需的输出信号是电压或者电流，放大电路可分为四种类型，即：电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。为了进一步讨论这四类放大电路的性能指标，可以建立起四种不同的双口网络作为相应类型放大电路模型。这些模型采用一些基本的元件来构成电路，只是为了等效放大电路的输入和输出特性，而忽略各种实际放大电路的内部结构。

图1虚线框内的电路是一般化的电压放大电路模型，它由输入电阻Ri、输出电阻Ro和受控电压源三个基本元件构成，其中为输入电压，为输出开路（RL = ¥）时的电压增益。图中放大电路模型与电压信号源、信号源内阻Rs以及负载电阻RL的组合，可在RL两端得到对应的输出信号。

从图1可以看出，由于Ro与RL的分压作用，使负载电阻RL上的电压信号小于受控电压源的信号幅值，即

可见，其电压增益为

的恒定性受到RL变化的影响，随RL的减小而降低。这就要求在电路设计时努力使Ro<

信号衰减的另一个环节在输入电路。信号源内阻Rs和放大电路输入电阻Ri的分压作用，致使到达放大电路输入端的实际电压只有

只有当Ri>>Rs 时，才能使Rs 对信号的衰减作用大为减小。这就要求设计电路时，应尽量设法提高电压放大电路的输入电阻Ri 。理想电压放大电路的输入电阻应为Ri=¥ 。 此时，

=

，信号免受衰减。

从上述分析可知，电压放大电路适用于信号源内阻Rs 较小且负载电阻RL 较大的场合。 图1中所示电路模型的下部，输入回路和输出回路之间都有一根连线，并标以“^”符号，这是作为电路输入与输出信号的共同端点或参考电位点。这个参考点对于分析电子电路是必要的，而且是很方便的。

然而，当前有许多工业控制设备及医疗设备，为了提高安全性和抗干扰能力，在前级信号预放大中，普遍采用所谓的隔离放大，即放大电路的输入与输出电路（包括供电电源）相互绝缘，输入与输出信号之间不存在任何公共参考点。这种类型的电压放大电路模型如图2所示。输入和输出之间有无

公共参考点对本章所有内容的讨论没有影响。 二、电流放大模型

图1的虚线框内是电流放大电路模型。与电压放大电路模型在形式上不同之处在输出回路，

它是由受控制电流源 和输出电阻Ro 并联而成，其中 为输入电

流，

为输出短路（RL=0）的电流增益。受控电流源是另一种受控信号源，本例中控

制信号是输入电流

。电流放大电路与外电路相连同样存在信号衰减问题。与电压放大

电路相对应，衰减发生是由于放大电路输出电阻Ro 和信号源内阻Rs 分别在电路输出和输

入端对信号电流的分流。由图1可知，在输出端，RL 和Ro 有如下的分流关系

带负载RL 时的电流增益为

在电路输入端，Rs 和Ri 有如下的分流关系

由此可见，只有当Ro>>RL 和Ri<

从电路特性可知，电流放大电路一般适用于信号源内阻Rs 较大而负载电阻RL 较小的场合。 三、互阻与互导放大电路模型

图1（a ）和（b ）的虚线框内分别为互阻放大和互导放大电路模型。两电路的输出信号分别由受控制电压源

和受控制电流源

产生。在理想状态下，

互阻放大电路要

图1