放大电路基础

第3章放大电路基础 引言　用来对电信号进行放大的电路称为放大电路，习惯上称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一，也是构成其他电子电路的基本单元电路。

根据用途以及采用的有源放大器件的不同，放大电路的种类很多，它们的电路形式以及性能指标不完全相同，但它们的基本工作原理是相同的。

必须指出，这里所指的“放大”是指在输入信号的作用下，利用有源器件的控制作用将直流电源提供的部分能量转换为与输入信号成比例的输出信号。

因此，放大电路实际上是一个受输入信号控制的能量转换器。

本章主要讨论以三极管构成的各种基本单元放大电路，集成运算放大器的组成、特点以及放大电路调整测试的基本方法。

3畅1　放大电路的基本知识3畅1畅1　放大电路的组成 放大电路组成框图如图３畅１畅１所示。

图中信号源是所需放大的电信号，它可由将非电信号物理量变换为电信号的换能器提供，也可是前一级电子电路的输出信号，但它们都可等效为图３畅１畅１（ｂ）所示的电压源或电流源电路，RＳ为它们的源内阻，uｓ、iｓ分别为理想电压源和电流源，且uｓ＝iｓRＳ。

负载是接受放大电路输出信号的元件（或电路），它可由将电信号变成非电信号的输出换能器构成，也可是下一级电子电路的输入电阻，一般情况下它们都可等效为一纯电阻RＬ（实际上它不可能为纯电阻，可能是容性阻抗也可能是感性阻抗，但为了分析问题方便起见，一般都把负载用一纯电阻RＬ来等效）。

96图３畅１畅１　放大电路组成框图（ａ）放大电路结构示意图　（ｂ）信号源等效电路　（ｃ）多级放大电路 信号源和负载不是放大电路的本体，但由于实际电路中信号源内阻R Ｓ及负载电阻R Ｌ不是定值，因此它们都会对放大电路的工作产生一定的影响，特别是它们与放大电路之间的连接方式（称耦合方式），将会直接影响到放大电路的正常工作。

直流电源用以供给放大电路工作时所需要的能量，其中一部分能量转变为输出信号输出，还有一部分能量消耗在放大电路中的电阻、器件等耗能元器件中。

基本单元放大电路由三极管构成，但由于单元放大电路性能往往达不到实际要求，所以实际使用的放大电路是由基本单元放大电路组成的多级放大电路，如图３畅１畅１（ｃ）所示，或是由多级放大电路组成的集成放大器件构成，这样才有可能将微弱的输入信号不失真地放大到所需大小。

由此可见，放大电路中除含有源器件、直流电源外，还应具有提供放大电路正常工作所需直流工作点的偏置电路，以及信号源与放大电路、放大电路与负载、级与级之间的耦合电路。

要求偏置电路不仅要给放大电路提供合适的静态工作点电流和电压，同时还要保证在环境温度、电源电压等外界因素变化以及器件更换时，维持工作点不变。

常采用的偏置电路主要有分压式电流负反馈偏置电路、恒流源偏置电路等。

耦合电路应保证有效地传输信号、使之损失最小，同时使放大电路直流工作状态不受影响。

常用的耦合方式有直接耦合和电容耦合等方式。

图３畅１畅２　放大电路四端网络表示3畅1畅2　放大电路的主要性能指标 一个放大电路性能如何，可以用许多性能指标来衡量。

为了说明各指标的含义，将放大电路用图３畅１畅２所示有源线性四端网络表示，图中，１－１′端为放大电路的输入端，R Ｓ为信号源内阻，u ｓ为信号源电压，此时放大电路的输入电压和电流分别为u ｉ和i ｉ。

２－２′端为放大电路的输出端，接实际负载电阻R Ｌ，u ｏ、i ｏ分别为放大电路的输出电压和输出电流。

图中电压、电流的正方向符合四端网络的一般约定。

07 一般来说，上述有源线性四端网络中均含有电抗元件，不过，在放大电路的实际工作频段（通常将这个频段称为中频段），这些电抗元件的影响均可忽略，有源线性四端网络实际上是电阻性的。

在线性电阻网络中，输出信号具有与输入信号相同的波形，仅幅度或极性有所变化。

因此，为了使符号具有普遍意义，不论输入信号是正弦信号还是非正弦信号，各电量统一用瞬时值表示。

放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等，现根据图３畅１畅２说明如下。

一、放大倍数 放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法，其中电压放大倍数应用最多。

放大电路的输出电压u ｏ与输入电压u ｉ之比，称为电压放大倍数A u ，即A u ＝u ｏ／u ｉ（３畅１畅１） 放大电路的输出电流i ｏ与输入电流i ｉ之比，称为电流放大倍数A i ，即A i ＝i ｏ／i ｉ（３畅１畅２） 放大电路的输出功率P ｏ与输入功率P ｉ之比，称为功率放大倍数A p ，即A p ＝P ｏ／P ｉ（３畅１畅３）工程上常用分贝（ｄＢ）来表示放大倍数，称为增益，它们的定义分别为电压增益A u （ｄＢ）＝２０ｌｇ｜A u ｜电流增益A i （ｄＢ）＝２０ｌｇ｜A i ｜功率增益A p （ｄＢ）＝１０ｌｇA p （３畅１畅４） 例如，某放大电路的电压放大倍数｜A u ｜＝１００，则电压增益为４０ｄＢ。

二、输入电阻 放大电路的输入电阻是从输入端１－１′向放大电路内看进去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻R Ｌ后，输入电压u ｉ与输入电流i ｉ之比，即R ｉ＝u ｉ／i ｉ（３畅１畅５）图３畅１畅３　放大电路输入等效电路 对于信号源来说，R ｉ就是它的等效负载，如图３畅１畅３所示。

由图可得 u ｉ＝u ｓR ｉR Ｓ＋R ｉ（３畅１畅６）可见，R ｉ的大小反映了放大电路对信号源的影响程度。

例3畅1畅1　已知信号源u ｓ＝２０ｍＶ，R Ｓ＝６００Ω。

当R ｉ分别等于６ｋΩ、６００Ω、６０Ω时，试求输入电流i ｉ和输入电压u ｉ的大小。

解：当R ｉ＝６ｋΩ时i ｉ＝u ｓR Ｓ＋R ｉ＝２０ｍＶ０畅６ｋΩ＋６ｋΩ＝３μＡu ｉ＝u ｓR ｉR Ｓ＋R ｉ＝２０ｍＶ×６ｋΩ０畅６ｋΩ＋６ｋΩ＝１８畅２ｍＶ 当R ｉ＝６００Ω时i ｉ＝２０ｍＶ６００Ω＋６００Ω＝１６畅７μＡ17uｉ＝２０ｍＶ×６００Ω６００Ω＋６００Ω＝１０ｍＶ 当Rｉ＝６０Ω时iｉ＝２０ｍＶ６００Ω＋６０Ω＝３０畅３μＡuｉ＝２０ｍＶ×６０Ω６００Ω＋６０Ω＝１畅８２ｍＶ 例３畅１畅１说明，Rｉ越大，放大电路从信号源吸取的电流（即输入电流iｉ）就越小，信号源内阻RＳ上的压降就越小，其实际输入电压uｉ就越接近于信号源电压uｓ，当Rｉ＞＞RＳ时，uｉ≈uｓ通常称为恒压输入。

反之，当要求恒流输入时，则必须使Rｉ＜＜RＳ；若要求获得最大功率输入，则要求Rｉ＝RＳ，通常称为阻抗匹配。

三、输出电阻 对负载RＬ而言，放大电路的输出端可等效为一个信号源，如图３畅１畅４（ａ）所示。

图中uｏｔ为等效信号源电压，它等于负载RＬ开路时，放大电路２－２′端的输出电压。

Rｏ为等效信号源的内阻，它是在输入信号源电压短路（即uｓ＝０）保留RＳ、RＬ开路时，由输出端２－２′两端向放大电路看进去的等效电阻，如图３畅１畅４（ｂ）所示，该电阻也称为输出电阻。

因此，将放大电路输出端断开RＬ，接入一信号源电压u，如图３．１．４（ｃ）所示，求出由u产生的电流i，则可得到放大电路的输出电阻为Rｏ＝u／i（３畅１畅７）图３畅１畅４　放大电路的输出电阻（ａ）等效信号源　（ｂ）输出电阻　（ｃ）输出电阻的求法 由于Rｏ的存在，放大电路实际输出电压为uｏ＝uｏｔRＬRＬ＋Rｏ（３畅１畅８）式（３畅１畅８）表明，Rｏ越小，输出电压uｏ受负载RＬ的影响就越小，若Rｏ＝０，则uｏ＝uｏｔ，它的大小将27不受R Ｌ大小的影响，称为恒压输出。

当R Ｌ＜＜R ｏ时即可得到恒流输出。

因此，R ｏ的大小反映了放大电路带负载能力的大小。

由式（３畅１畅８）可得放大电路输出电阻的关系式为R ｏ＝u ｏｔu ｏ－１R Ｌ（３畅１畅９） 必须指出，以上所讨论的放大电路输入电阻和输出电阻不是直流电阻，而是在线性运用情况下的交流电阻，用符号R 带有小写字母下标ｉ和ｏ表示，同时，在一般情况下，放大电路的R ｉ和R ｏ不仅与电路参数有关，R ｉ还与R Ｌ有关；R ｏ还与R Ｓ有关。

四、通频带与频率失真 放大电路中通常含有电抗元件（外接的或有源放大器件内部寄生的），它们的电抗值与信号频率有关，这就使放大电路对于不同频率的输入信号有着不同的放大能力。

所以，放大电路的电压放大倍数可表示为信号频率的函数，即A u （ｊf ）＝A u （f ）φ（f ）（３畅１畅１０）式（３畅１畅１０）中，A u （f ）表示电压放大倍数的模与信号频率的关系，称为幅频特性；而φ（f ）则表示输出电压与输入电压之间的相位差与信号频率的关系，称为相频特性。

幅频特性与相频特性总称为放大电路的频率特性或频率响应。

图３畅１畅５所示为放大电路的典型幅频特性曲线。

一般情况下，在中频段的放大倍数不变，用图３畅１畅５　放大电路的幅频特性曲线Ａu ｍ表示，在低频段和高频段放大倍数都将下降，当下降到A u ｍ／２≈０畅７A u ｍ时的低端频率和高端频率，称为放大电路的下限频率和上限频率，分别用f Ｌ和f Ｈ表示。

f Ｈ和f Ｌ之间的频率范围称为放大电路的通频带，用BW 表示，即BW ＝f Ｈ－f Ｌ（３畅１畅１１） 放大电路所需的通频带由输入信号的频带来确定，为了不失真地放大信号，要求放大电路的通频带应大于信号的频带。

如果放大电路的通频带小于信号的频带，由于信号低频段或高频段的放大倍数下降过多，放大后的信号不能重现原来的形状，也就是输出信号产生了失真。

这种失真称为放大电路的频率失真，由于它是由线性的电抗元件引起的，在输出信号中并不产生新的频率成分，仅是原有各频率分量的相对大小和相位发生了变化，故这种失真是一种线性失真。

放大电路除了上述指标外，针对不同的使用场合，还可提出一些其他指标，如非线性失真系数、最大不失真输出电压、最大输出功率、效率等。

37复习与讨论题３畅１畅１　已知放大电路的｜A u ｜＝８０，｜A i ｜＝１０，试问该放大电路的电压、电流增益各为多少分贝？图３畅１畅６　放大电路测量电路框图３畅１畅２　放大电路的测量电路框图如图３畅１畅６所示，Ｓ为开关。

试问：（１）开关Ｓ断开与闭合时测得U ｉ是否相等？为什么？若两次测得结果相等，说明什么？（２）Ｓ闭合测得电压U ｉ近似为零，说明什么？（３）若R Ｓ＝１５０Ω，Ｓ断开测得U ｉ＝２０ｍＶ，Ｓ闭合测得U ｉ＝１６ｍＶ，该放大电路的输入电阻R ｉ等于多大？ ３畅１畅３　图３畅１畅４（ａ）所示放大电路中，外接负载电阻R Ｌ为已知，若接上R Ｌ，测得２－２′端输出电压为u ｏ，R Ｌ开路测得２－２′端输出电压为u ｏｔ。

试根据下列几种测量结果，说明放大电路输出电阻的大小？（１）u ｏ＝u ｏｔ；（２）u ｏ＝１２u ｏｔ；（３）u ｏ＝２Ｖ、u ｏｔ＝２畅８Ｖ；（４）u ｏ随R Ｌ线性变化。