1.4 放大电路的基本概念

在生产实践和科学研究中需要利用放大电路（又称放大器）放大微弱的信号，以便观察、测量和利用。信号放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路来实现的，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。

放大电路的基本功能是对输入信号进行电流、电压和功率的放大。

放大电路利用晶体管的电流控制作用，把微弱的信号不失真地放大到实际需要的数值，实现将直流电源的能量转换为按输入信号规律变化的且具有较大能量的输出信号。所以，放大电路的实质是一种以较小能量去控制较大能量的能量控制和转换装置。

1.4.1 放大电路的组成

一个基本放大电路的组成框图如图1.16（a）所示，包括输入信号源、晶体三极管、输出负载、直流电源和相应的偏置电路等部分。

直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏，集电结反偏。

输入信号源一般是将非电量变为电量的转换器，如各种传感器，将声音变换为电信号的话筒，将图像变换为电信号的摄像管等。它所提供的电压信号或电流信号就是放大电路的输入信号。输入信号源可以用戴维南等效电路或诺顿等效电路描述，分别如图1.16（b）、图1.16（c）所示。

1.4.2 放大电路的主要性能指标

分析放大电路的性能时，必须了解放大电路有哪些性能指标。

各种小信号放大电路都可以用图1.17所示的双口网络表示。图1.17（a）中US代表输入信号的等效电压源，RS代表内阻。输入信号也可用电流源等效电路，如图1.17（b）所示。Ui和Ii分别为放大电路输入信号电压和电流的有效值，RL为负载电阻，Uo和Io分别为放大电路输出信号电压和电流的有效值。

衡量放大电路性能的指标很多，现介绍输入电阻、输出电阻、电压（电流）放大倍数、通频带、效率和非线性失真等基本指标。

1.输入电阻和输出电阻

对于输入信号源，可把放大电路当作它的负载，用Ri表示，称为放大电路的输入电阻，如图1.18所示。输入电阻的定义是的放大电路输入端电压对电流的比值，即

对于输出端接负载RL的放大电路，可把放大电路当作RL的信号源，用相应的电压源或电流源等效电路表示，如图1.18所示。Ro是等效电压源或电流源的内阻，也就是放大电路的输出电阻。UOC为断开负载RL的开路电压。图1.18所示电路可得放大电路的输出电阻为

因为，Io=Uo/RL，代入上式得

Ri、Ro只是等效意义上的电阻。如在放大电路内部有电抗元件，Ri、Ro应为复数值。

2.放大倍数

放大电路的放大倍数是用来衡量放大电路放大信号的能力的，有电压放大倍数、电流放大倍数、功率放大倍数等。

（1）电压放大倍数

电压放大倍数用Au表示，定义为放大电路输出信号电压与输入信号电压的比值。即

若考虑信号源内阻RS，电压放大倍数要减小，因为

所以

（2）电流放大倍数

同理，电流放大倍数Ai和考虑信号源内阻RS的电流放大倍数Ais分别定义为

由图1.17（b），并利用分流公式有

所以

（3）功率放大倍数

功率放大倍数表示放大电路放大信号功率的能力，定义为

一个信号源能够提供的最大功率，就是信号源加到匹配负载上的功率，我们定义为信号源额定功率，它是度量信号源功率容量大小的参数。负载能否得到这么大的功率，取决于负载是否与信号源内阻匹配。额定功率与负载大小无关，而实际得到的功率则与负载大小有关。

在工程上，常用分贝（dB）来表示放大倍数，称为增益。它们的定义如下。

电压增益： Au（dB）=20lg Au

电流增益： Ai（dB）=20lg Ai

功率增益： Ap（dB）=20lg Ap

3.放大电路的频率特性

因放大电路一般含有电抗元件，所以对于不同频率的输入信号，放大电路具有不同的放大倍数，相应的增益是频率的复函数，即

A=A（jω）=A（ω）∠φ（ω）

上式中，A（ω）是增益的幅值，φ（ω）是增益的相角，都是频率的函数。我们将幅值A（ω）随ω变化的特性称为放大电路的幅频特性，其相应的曲线称为幅频特性曲线；相角φ（ω）随ω变化的特性称为放大电路的相频特性，其相应的曲线称为相频特性曲线。电压放大倍数的幅频特性曲线如图1.19（a）所示；相频特性曲线如图1.19（b）所示。

当最大电压放大倍数Aum下降到时，对应的频率范围称为放大电路的通频带（或频带宽度），用BW表示，如图1.19（a）所示。图中fL称为放大电路的下限频率；fH称为放大电路的上限频率，则通频带为

在工程上，一个实际输入信号包含许多频率分量，放大电路不能对所有频率分量进行等增益放大，那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。这种波形失真称为放大电路的频率失真。要把这种失真限制在允许值范围内，则放大电路频率特性曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度，即输入信号的频率范围不能超过放大电路的通频带BW。

在无线电通信系统中，为了便于分析和应用，习惯上将无线电的频率范围划分为若干个区域，叫做频段，也叫做波段。

无线电波段可以按频率划分，也可以按波长划分，表1.1列出了按波长划分的波段名称。米波和分米波有时合称为超短波，波长小于10cm的厘米波称为微波。上述各种波段的划分是相对的，因为波段之间并没有显著的分界线。不过各个不同波段的特点仍然有明显的差别。从使用的元件、器件以及线路结构与工作原理等方面来说，中波、短波和米波段基本相同，但它们和微波段则有明显的区别。前者大都采用集中参数的元件，即我们通常所用的电阻、电容、电感线圈等；后者则采用所谓分布参数的元件，如同轴线、波导等。

本书仅讨论工作频率小于1500kHz的模拟电子电路。

4.非线性失真

非线性失真主要由晶体三极管伏安特性曲线的非线性产生。假如输入信号为正弦信号电压时，由于非线性失真，输出集电极电流波形将是非正弦的，该波形可分解为众多的频率分量。基波分量为不失真分量，假设它的振幅为Ic1m；二次及其以上各次谐波分量为失真分量，假设它们的振幅分别为Ickm（k=2，3，4，…），则衡量放大电路非线性失真大小的非线性失真系数定义为THD，即