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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载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：一是能将柔弱的电信号增强到人们所需要的数值 人们测量和使用；（即放大电信号） ,以便于检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很柔弱的,例如前面介绍的高温计, 其输出电压仅有毫伏量级, 而细胞电生理试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
2、能量过于柔弱的信号,既无法直接显示, 一般也很难作进一步分析处理； 通常必需把它们放大到数百毫伏量级,才能用数字式外表或传统的指针式外表显示出来；如对信号进行数字化处理,就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外形相同或基本相同,即信号 不能失真,否就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柔弱, 不足以推动负载, 因此需要给放大电路另外供应一个直流能源,能源的能量转化为较大的输出能量,用是放大的本质；通过输入信号的掌握, 使放大
3、电路能将直流 去推动负载； 这种小能量对大能量的掌握作针对不同的应用,需要设计不同的放大电路；1.2.2 放大电路的四种模型名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 放大电路的一般符号如图学习必备欢迎下载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, 依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；电压放大电路假如只需考虑电路的输出电压 和输出电压 的关系,就可表达为式中 为电路的电压增益； 前述炉温掌握系统中对
4、高温计输出电压信号的放大,就是使用了这种放大电路；电流放大电路如只考虑图 1 中放大电路的输出电流 和输入电流 的关系,就可表达为式中 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柔弱电流时,就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长了,与前述无量纲的电压增益和电流增益不同；互导放大电路名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当电路中输入信号取学习必备欢迎
5、下载,输出对输入信号的关系可表达,输出信号取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学问点所述,依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；为了进一步争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； 这些模型采纳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,而忽视各种实际放大电路的内部结构；图 1 虚线框内的电路是一 图 1 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
6、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；名师归纳总结 号从图 1 可以看出,由于 Ro 与 RL 的分压作用,使负载电阻RL 上的电压信第 3 页,共 16 页小于受控电压源的信号幅值,即- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载可见,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 RoRs 时,才能使 Rs 对信号的衰减作用大为减小
7、；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；抱负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 较大的场合；Rs 较小且负载电阻 RL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,而且是很便利的；图 2 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载然而,当前有很多工业掌握设备及医疗 设备,为了提高安
8、全性和抗干扰才能, 在前 级信号预放大中,普遍采纳所谓的隔离放 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全部内容的争论没有影响；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, 它是由受掌握电流源 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,本例中掌握信号是输入电流；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,
9、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 有如下的分流关系名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载由此可见,只有当 放大成效；RoRL 和 RiRo 时,才可使电路具有较抱负的电流从电路特性可知,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
10、阻放大和互导放大电路模型；两电路的输出信号分别由受掌握电压源和受掌握电流源产生；在抱负状态下,互阻放大电路要求输入电阻Ri=0 且输出电阻 Ro=0,而互导放大电路就要求输入电阻 Ri=￥ ,输出电阻 Ro=￥ ；电路中的 称为输出开路时的互阻增益,称为输出短路的互导增益；两模型的具体情形读者可自行分析；a b 图 1 四、模型的转换依据信号源的戴维宁 -诺顿等效变换原理,上述四种电路模型相互之间可以名师归纳总结 实现任意转换；例如图1（a）电压放大电路模型的开路输出电压为,而第 6 页,共 16 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载且
11、,令依据图（ b）电流放大电路模型可得开路输出电压为两电路等效,于是有即可得；同理可得和两式；a b 图 1 这样其他三种电路模型都可转换为电压放大电路模型；电路模型之间的转换；同理可实现其他放大一个实际的放大电路原就上可以取四类电路模型中任意一种作为它的电路模型,但是依据信号源的性质和负载的要求,一般只有一种模型在电路设计或分析中概念最明确,运用最便利；例如,信号源为低内阻的电压源,要求输出为电 压信号时, 以选用电压放大电路模型为宜； 而某种场合需要将来自高阻抗传感器 的电流信号变换为电压信号时,就以采纳互阻放大电路模型较合适,如此等等；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,
12、共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载1.2.3 放大电路的性能指标放大电路的性能指标是衡量它的品质优劣的标准,并打算其适用范畴； 这里主要争论放大电路的输入电阻、输出电阻、 增益、频率响应和非线性失真等几项主要性能指标；放大电路除上述五种主要性能指标外,针对不同用途的电路, 仍常会提出一些其他指标,诸如最大输出功率、效率、信号噪声比、抗干扰才能等等,甚至在 某些特殊使用场合仍会提出体积、重量、工作温度、环境温度等要求；其中有些在通常条件下很简洁达到的技术指标,但在特殊条件下往往就变得很难达到,如强背景噪声、 高温等恶劣环境下运行, 即属这种情形； 要
13、想全面达到应用中所要 求的性能指标, 除合理设计电路外, 仍要靠挑选高质量的元器件及高水平的制造工艺来保证, 特殊是后者常常被初学者所忽视；上述问题有些在后续各章中进行争论,有些就不属于本课程的范畴, 有爱好的读者可参考有关资料及在以后工作 实践中学习；一、输入电阻图 1 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载前述四种放大电路, 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；如下列图, 输入电阻等于输入电压与输入电流图 2 的比值,即 输入电阻 Ri 的大小打算了放大电
14、路从信号吸取信号幅值的大小；对输入为电压信号的放大电路, 即电压放大和互导放大, Ri 愈大,就放大电路输入端的 值愈大；反之,输入为电流信号的放大电路,即电流放大和互阻放大,Ri 愈小,注入放大电路的输入电流 愈大；当定量分析放大电路的输入电阻Ri 时,一般可假定在输入端外加一测试电压,如图 2 所示,依据放大电路内的各元件参数运算出相应在的测试电流,就二、输出电阻放大电路输出电阻Ro 的大小打算它带负载的才能；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载当定量分析放大电路的输 出电阻 Ro 时,可采纳图
15、 1 所示的方法；在信号源短路（=0,但保留 Rs）和负载开路（RL = ￥）的条件下,在放大电路的输出端加一测试电压,相应地产生一测试电流,于是可得输出电阻为依据这个关系,即可算出各种放大电路的输出电阻；必需留意,以上所争论的放大电路的输入电阻和输出电阻不是直流电阻,而是在线性运用情形下的沟通电阻,用符号 三、对数增益R 带有小写字母下标 i 和 o 来表示；如前所述, 四种放大电路分别具有不同的增益,如电压增益、电流增益、互阻增益及互导增益；它们实际反映了放大电路在输入信号掌握下,将供电电源能量转换为信号能量的能名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 16 页精选学习资料
16、 - - - - - - - - - 力；其中学习必备欢迎下载两种无量纲增益在工程上常和用以 10 为底的对数增益表达,其基本单位为 之一单位 dB（分贝）；B（贝尔, Bel）,平常用它的非常这样用分贝表示的电压增益和电流增益分别如下式所示：电压增益 =20lg| | dB 电压增益 =20lg| | dB 由于功率与电压（或电流）的平方成比例,因而功率增益表示为上述电压增益功率增益 =10lg dB 或也和电流增益用其幅值；在某些情形下,许为负数,这意味着输出与输入之间的相位关系为180 ,这与对数增益为负值时的意义不能混淆；在某种情形下,放大电路的增益为-20dB ,这表示信号电压衰减到
17、 1/10,即 | |=0.1 ；用对数方式表达放大电路的增益之所以在工程上得到广泛的应用是由于：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载（1）当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线时,可大大扩大增益变化的视野；（2）运算多级放大电路的总增益时,可将乘法化为加法进行运算；上述二点有助于简化电路的分析和设计过程；四、频率响应与带宽如前所述的放大电路模型是极为简洁的模型,实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件, 如电容、电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感等；因此,放大电路的输出和输入之间的关系必
18、定和信号频率有关；放大电路的频率 响应所指的是,在输入正弦信号情形下,输出随频率连续变化的稳态响应；为如考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量,就放大电路的电压增益可表达或式中： 信号的角频率；AV 表示电压增益的模与角频率之间的关系,称为幅频响应；j 表示放大电路输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系,称为相频响应；幅频响应和相频响应综合起来可全面表征放大电路的频率响应；图 1 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载图 1 是一个一般音响系统放大 电路的幅频响应；为了符合通常习 惯,横坐标
19、采纳频率单位 f = /2p,与角频率 只存在标尺 倍率之差；值得留意的是,图中的 坐标均采纳对数刻度,称为波特Bode 图,这样处理不仅把频率和增益变化范畴展得很宽,响应曲线时也非常简便；而且在绘制近似频率图 1 所示幅频响应的中间一段是平整的,即增益保持常数 60dB ,称为中频区；在 20Hz 和 20kHz 两点增益分别下降 3dB ,而在低于 20Hz 和高于 20kHz的两个区域,增益随频率远离这两点而下降；在输入信号幅值保持不变条件下,增益下降 3dB 的频率点,其输出功率约等于中频区输出功率的一半,通常称为半功率点； 一般把幅频响应的高、 低两个半功率点间的频率差定义为放大电路
20、的带宽,即 BW = fH - fL fH 频率响应的高端半功率点,也称为上限频率；图 2 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载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, 中频区平整 部分始终延长到直流, 如图 2 所示；可以认 为它是图 1 的一种特殊情形, 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纳直接耦 合进行放大；五、频率失真从信号的频谱一节的争论可知, 理论上很多非正弦信号的频谱范畴都延长到无
21、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,假如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；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载同样,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,假如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
22、谱 函数仍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 区分于由于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,就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, 往往造成噪声电平上升或生产成本增加；上述音响系统放大电路带宽定在20Hz20kHz ,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锐,所以不过多考虑放大电路的相频响应特性； 但在有
23、些情形下, 特殊是对信号的波形外形有严格要求的场合,确定放大电路的带宽仍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）；对于分立名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 16 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载器件放大电路来说, 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, 特殊是功率放大电路, 非线性失真难 以防止；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,将在后续各章争论；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 输出电压信号基波重量的有效值；Vok 高次谐波重量的有效值, 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,高保真度的名师归纳总结 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, 目前即使增益第 16 页,共 16 页较高、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% ；- - - - - - -