放大器的基本概念

三极管是电子技术中非常核心的一种器件，在设计电子系统时会大量使用集成电路而不用三极管，但是，三极管电路蕴含许多与设计有关的基础知识和技能，三极管的一个典型应用就是放大器，而放大器也是电子学最重要的内容之一，这一期重点讲讲放大器的一些基本概念，做个基础。

关键词：放大器;

01小信号的放大

一个歌手在一个面积巨大的音乐厅里演唱，无论她的嗓门有多大，也不能保证音乐厅每个角落的观众都能清楚的听到她甜美的歌声，原因就是人的嗓子发出的声音强度有限，而且声波在空气中传播时会发生衰减，如果用话筒采集声音，经过放大之后，由音乐厅里的扬声器同步播放出来，就可以解决这个问题了。话筒和扬声器组成的扩音系统，其本质就是音频放大器，这个放大器可以利用电源提供的能量提高声音，或者说输入信号的能量，从而提高其由负载(如扬声器)重放的强度，由此可以得到放大器的一个显著的特点：提高信号的能量。

除了音乐厅里需要放大器，在生活、生产许多应用中都离不开它，比如在医院里，医生为病人做心电图(ECG)检测。

将一些电极贴到胸口以及附近的皮肤表面上，由于人体是导体，心电信号会从心脏传到皮肤表面并被电极接收到。由于心电信号的幅值非常小，只有几个mV，甚至噪声信号的幅度都比它大，如果直接用仪器来观察是很难看到心电信号的。但是，使用放大倍数为1000倍的放大器，可以把微弱的心电信号放大到若干V，再用仪器来观察或处理就很容易多了，如图1-3所示：

图1-3 心电检测仪器

把放大器用一个模型来表示，如图1-4所示，小信号Vin从放大器输端输入，经过放大器的放大，在输出端获得了一个保持原来信号频率的大幅度信号Vout，用Av来表示信号的放大倍数：

图1-4 放大器模型

放大倍数通常也叫增益(gain)，式(1.1)中，Vin是输入信号，Vout是输出信号，可见放大器的增益等于输出信号与输入信号的比值，比如上面谈到的心电信号的采集，假设输入信号Vin=5mV，经过放大之后输出信号为Vout=5V，所以放大倍数为Av=5V/5mV=1000倍。

到底什么样的电路能如此神奇的把信号放大1000倍呢?在实验室里常常用一种叫仪表放大器的集成运算放大器来对心电信号进行放大，如图1-5所示，人体上的电极把心电信号传导到仪表放大器AD620A的输入端(2脚和3脚)，经AD620A和输出放大器两级共1000倍的放大之后，在输出端可用示波器等仪表直接观察到心电信号。

图1-5 仪表放大器对心电信号进行放大

02小信号的放大及功率放大

心电信号放大器把信号的幅度(amplitude)进行了放大，这种以放大信号幅度为主的放大器称为小信号放大器(small signal
amplifier)，与之相对的是功率放大器(power amplifier)实现的是电流放大。

为什么会有小信号放大器和功率放大器之分呢?如图2-1所示的是话筒扩音器系统框图，话筒输出的是反映声音的微小信号首先由前置放大器(小信号放大器)进行一定倍数的幅度放大，之后送入主放大器(功率放大器)进行电流放大后推动扬声器工作。

图2-2 话筒扩音器系统框图

有人会问，为什么不直接提高前置放大器的放大倍数直接驱动扬声器或干脆把话筒输出信号直接送到主放大器中进行放大呢?原因是前置放大器虽然说把信号的幅度放大了，但是放大之后的信号没有什么“劲”，对于扬声器这种消耗功率较大的负载，它是没有办法驱动的。另一方面，功率放大器输入阻抗与话筒的阻抗不匹配，因此话筒的输入信号还没有放大就被消耗了，这样功率放大器获得不了足够的输入信号，也是无法输出有效地驱动扬声器的信号的。所以，通过小信号放大器与功率放大器的组合，可以很好地实现信号的传递和有效放大。

图2-2-所示结构说到底还是为了达到阻抗匹配的条件，通常前置放大器，也就是小信号放大器都是电压放大器，这种放大器输出阻抗比较高，如图2-3所示：

图2-3 阻抗匹配说明图

由图2-3所示，如果把扬声器接在图2-3中的A店上，而不使用主放大器，可以利用简单的计算分析以下扬声器上获得的电压。 假设扬声器阻抗为8Ω，小信号放大器的输出阻抗Rout和扬声器是串联关系，于是扬声器分得的电压为：

扬声器在这个0.02V电压的驱动下发出的声音恐怕只有蚊子才能听得到，可见只用前置放大器驱动扬声器是不可取的，如果加上主放大器，也就是功率放大器，而把扬声器接到图2-3中B点上，功率放大器出入阻抗Rin与前置放大器输出阻抗Rout相匹配，它主要对电流进行放大，其输出阻抗Rout很低，与扬声器的阻抗8Ω相匹配，这时再计算扬声器分得的电压为：

所以说，放大器的阻抗匹配就是指放大器的输出阻抗和下一级放大器或负载的输入阻抗相等或相近，此时能够实现比较理想的功率传递，如果相差很大，就是不匹配的状态。