放大电路的性能指标
- 放大倍数
- 输入电阻
- 输出电阻
- 通频带
- 非线性失真系数
- 最大不失真输出电压
- 最大输出功率与效率
  下图所示为放大电路的示意图。
 
 对于信号而言,任何一个放大电路均可看成一个两端口网络。左边为输入端口,当内阻为 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          s 
         
        
       
      
        R\tiny s 
       
      
    Rs的正弦波信号源 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          s 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny s 
       
      
    U˙s作用时,放大电路得到输入电压 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny i 
       
      
    U˙i,同时产生输入电流 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny i 
       
      
    I˙i;右边为输出端口,输出电压为 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o,输出电流为 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny o 
       
      
    I˙o, 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        R\tiny L 
       
      
    RL为负载电阻。不同放大电路在 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          s 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny s 
       
      
    U˙s和 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        R\tiny L 
       
      
    RL相同的条件下, 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny i 
       
      
    I˙i、 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o、 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny o 
       
      
    I˙o将不同,说明不同放大电路从信号源索取的电流不同,且对同样信号的放大能力也不同;同一放大电路在幅值相同、频率不同的 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          s 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny s 
       
      
    U˙s作用下, 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o也将不同,即对不同频率的信号同一放大电路的放大能力也存在差异。为了反应放大电路的各方面的性能,引出如下主要指标。
放大倍数
  放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标,其值为输出量 
     
      
       
        
        
          X 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{X}\tiny o 
       
      
    X˙o( 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o或 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny o 
       
      
    I˙o)与输入量 
     
      
       
        
        
          X 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{X}\tiny i 
       
      
    X˙i( 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny i 
       
      
    U˙i或 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny i 
       
      
    I˙i)之比。对于小功率放大电路,人们常常只关心电路单一指标的放大倍数,如电压放大倍数,而不研究其功率放大能力。
   电压放大倍数是输出电压 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o与输入电压 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o之比,即
  
      
       
        
         
          
          
            A 
           
          
            ˙ 
           
          
          
          
            u 
           
          
            u 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
          
            A 
           
          
            ˙ 
           
          
          
          
            u 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
           
           
             U 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             o 
            
           
          
          
           
           
             U 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             i 
            
           
          
         
        
       
         {\.{A}\tiny uu}={\.{A}\tiny u}=\frac {\.{U}\tiny o}{\.{U}\tiny i} 
        
       
     A˙uu=A˙u=U˙iU˙o
   电流放大倍数是输出电流 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny o 
       
      
    I˙o与输入电流 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny i 
       
      
    I˙i之比,即
  
      
       
        
         
          
          
            A 
           
          
            ˙ 
           
          
          
          
            i 
           
          
            i 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
          
            A 
           
          
            ˙ 
           
          
          
          
            i 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
           
           
             I 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             o 
            
           
          
          
           
           
             I 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             i 
            
           
          
         
        
       
         {\.{A}\tiny ii}={\.{A}\tiny i}=\frac {\.{I}\tiny o}{\.{I}\tiny i} 
        
       
     A˙ii=A˙i=I˙iI˙o
   电压对电流的放大倍数是输出电压 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny o 
       
      
    U˙o与输入电流 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny i 
       
      
    I˙i之比,即
  
      
       
        
         
          
          
            A 
           
          
            ˙ 
           
          
          
          
            u 
           
          
            i 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
           
           
             U 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             o 
            
           
          
          
           
           
             I 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             i 
            
           
          
         
        
       
         {\.{A}\tiny ui}=\frac {\.{U}\tiny o}{\.{I}\tiny i} 
        
       
     A˙ui=I˙iU˙o因其量纲为电阻,有些文献也称之为互阻放大倍数。
  电流对电压的放大倍数是输出电流 
     
      
       
        
        
          I 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        \.{I}\tiny o 
       
      
    I˙o与输入电压 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        \.{U}\tiny i 
       
      
    U˙i之比,即
  
      
       
        
         
          
          
            A 
           
          
            ˙ 
           
          
          
          
            i 
           
          
            u 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
           
           
             I 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             o 
            
           
          
          
           
           
             U 
            
           
             ˙ 
            
           
           
           
             i 
            
           
          
         
        
       
         {\.{A}\tiny iu}=\frac {\.{I}\tiny o}{\.{U}\tiny i} 
        
       
     A˙iu=U˙iI˙o因其量纲为电导,有些文献也称之为互导放大倍数。
   在实测放大倍数时,必须用示波器观察输出端的波形,只有在不失真的情况下,测试数据才有意义。其他的指标也如此。
   当输入信号为缓慢变化量或直流变化量时,输入电压,输入电流、输出电压和输出电流分别用 
     
      
       
       
         Δ 
        
        
        
          u 
         
         
         
           I 
          
         
        
       
      
        \Delta \large u\tiny I 
       
      
    ΔuI、 
     
      
       
       
         Δ 
        
        
        
          i 
         
         
         
           I 
          
         
        
       
      
        \Delta \large i\tiny I 
       
      
    ΔiI、 
     
      
       
       
         Δ 
        
        
        
          u 
         
         
         
           O 
          
         
        
       
      
        \Delta \large u\tiny O 
       
      
    ΔuO和 
     
      
       
       
         Δ 
        
        
        
          i 
         
         
         
           O 
          
         
        
       
      
        \Delta \large i\tiny O 
       
      
    ΔiO表示。放大倍数 
     
      
       
        
        
          A 
         
         
         
           u 
          
         
        
       
         = 
        
        
         
         
           Δ 
          
          
          
            u 
           
           
           
             O 
            
           
          
         
         
         
           Δ 
          
          
          
            u 
           
           
           
             I 
            
           
          
         
        
       
      
        {A\tiny u}=\frac {\Delta \large u\tiny O}{{\Delta \large u\tiny I}} 
       
      
    Au=ΔuIΔuO、 
     
      
       
        
        
          A 
         
         
         
           i 
          
         
        
       
         = 
        
        
         
         
           Δ 
          
          
          
            i 
           
           
           
             O 
            
           
          
         
         
         
           Δ 
          
          
          
            i 
           
           
           
             I 
            
           
          
         
        
       
      
        {A\tiny i}=\frac {\Delta \large i\tiny O}{{\Delta \large i\tiny I}} 
       
      
    Ai=ΔiIΔiO、 
     
      
       
        
        
          A 
         
         
         
           u 
          
         
           i 
          
         
        
       
         = 
        
        
         
         
           Δ 
          
          
          
            u 
           
           
           
             O 
            
           
          
         
         
         
           Δ 
          
          
          
            i 
           
           
           
             I 
            
           
          
         
        
       
      
        {A\tiny ui}=\frac {\Delta \large u\tiny O}{{\Delta \large i\tiny I}} 
       
      
    Aui=ΔiIΔuO、 
     
      
       
        
        
          A 
         
         
         
           i 
          
         
           u 
          
         
        
       
         = 
        
        
         
         
           Δ 
          
          
          
            i 
           
           
           
             O 
            
           
          
         
         
         
           Δ 
          
          
          
            u 
           
           
           
             I 
            
           
          
         
        
       
      
        {A\tiny iu}=\frac {\Delta \large i\tiny O}{{\Delta \large u\tiny I}} 
       
      
    Aiu=ΔuIΔiO。
输入电阻
  放大电路与信号源相连接就成为信号源的负载,必然从信号源索取电流,电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。输入电阻 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        R\tiny i 
       
      
    Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压有效值 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        U\tiny i 
       
      
    Ui和输入电流有效值 
     
      
       
       
         I 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        I\tiny i 
       
      
    Ii之比,即
  
      
       
        
         
         
           R 
          
          
          
            i 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
          
            U 
           
           
           
             i 
            
           
          
          
          
            I 
           
           
           
             i 
            
           
          
         
        
       
         {R\tiny i}=\frac { \large U\tiny i}{{ \large I\tiny i}} 
        
       
     Ri=IiUi
    
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        R\tiny i 
       
      
    Ri越大,表明放大电路从信号源索取的电流越小,放大电路所得到的输入电压 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        U\tiny i 
       
      
    Ui越接近信号源电压 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          s 
         
        
       
      
        U\tiny s 
       
      
    Us。换言之,信号源内阻的压降越小,信号电压损失越小。然而,若信号源内阻 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          s 
         
        
       
      
        R\tiny s 
       
      
    Rs是常亮,为使输入电流大一些,则应使 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        {R\tiny i} 
       
      
    Ri小一些。因此,放大电路输入电阻的大小要视需要而设计。
输出电阻
  任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源,从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        {R\tiny o} 
       
      
    Ro,如下图所示
  U 
         
        
          ′ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        {U'\tiny o} 
       
      
    U′o为空载时输出电压的有效值, 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        {U\tiny o} 
       
      
    Uo为带负载后输出电压的有效值,因此
 
     
      
       
        
        
          U 
         
        
          ′ 
         
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        {U'\tiny o} 
       
      
    U′o为空载时输出电压的有效值, 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        {U\tiny o} 
       
      
    Uo为带负载后输出电压的有效值,因此
  
      
       
        
         
         
           U 
          
          
          
            o 
           
          
         
        
          = 
         
         
          
          
            R 
           
           
           
             L 
            
           
          
          
           
           
             R 
            
            
            
              o 
             
            
           
          
            + 
           
           
           
             R 
            
            
            
              L 
             
            
           
          
         
        
          ∗ 
         
         
          
          
            U 
           
          
            ′ 
           
          
          
          
            o 
           
          
         
        
       
         {U\tiny o}=\frac {{R\tiny L}}{{R\tiny o}+{R\tiny L}}*{U'\tiny o} 
        
       
     Uo=Ro+RLRL∗U′o
   输出电阻
  
      
       
        
         
         
           R 
          
          
          
            o 
           
          
         
        
          = 
         
        
          ( 
         
         
          
           
           
             U 
            
           
             ′ 
            
           
           
           
             o 
            
           
          
          
          
            U 
           
           
           
             o 
            
           
          
         
        
          − 
         
        
          1 
         
        
          ) 
         
        
          ∗ 
         
         
         
           R 
          
          
          
            L 
           
          
         
        
       
         {R\tiny o}=(\frac {{U'\tiny o}}{{U\tiny o}}-1)*{R\tiny L} 
        
       
     Ro=(UoU′o−1)∗RL
    
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        {R\tiny o} 
       
      
    Ro越小,负载电阻 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        R\tiny L 
       
      
    RL变化时 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        U\tiny o 
       
      
    Uo的变化越小,称为放大电路的带负载能力越强。然而,若要使负载电阻获得的信号电流大一些,则放大电路的输出电阻就应当大一些。因此,放大电路输出电阻的大小要视负载的需要而设计。
   输入电阻与输出电阻描述了电子电路在相互连接时所产生的影响。当两个放大电路相互连接时,如下图所示,放大电路Ⅱ的输入电阻 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          i 
         
        
          2 
         
        
       
      
        R\tiny i2 
       
      
    Ri2是放大电路Ⅰ的负载电阻,而放大电路Ⅰ是放大电路Ⅱ的信号源,其内阻就是放大电路Ⅰ的输出电阻 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          o 
         
        
          1 
         
        
       
      
        R\tiny o1 
       
      
    Ro1。因此,输入电阻和输出电阻均会直接或间接地影响放大电路的放大能力。
 
通频带
  通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在,在输入信号频率较低或较高时,放大倍数的数值会下降并产生相移。一般情况,放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。下图所示为某放大电路放大倍数的数值与信号频率的关系曲线,称为幅频特性曲线,图中 
     
      
       
        
        
          A 
         
        
          ˙ 
         
        
        
        
          m 
         
        
       
      
        \.{A}\tiny m 
       
      
    A˙m为中频放大倍数。
 
   在信号频率下降到一定程度时,放大倍数的数值明显下降,使放大倍数的数值等于0.707倍 
     
      
       
       
         ∣ 
        
        
         
         
           A 
          
         
           ˙ 
          
         
         
         
           m 
          
         
        
       
         ∣ 
        
       
      
        |{\.{A}\tiny m}| 
       
      
    ∣A˙m∣的频率称为下限截止频率 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        f\tiny L 
       
      
    fL。信号频率上升到一定程度,放大倍数数值也将减小,使放大倍数的数值等于0.707倍 
     
      
       
       
         ∣ 
        
        
         
         
           A 
          
         
           ˙ 
          
         
         
         
           m 
          
         
        
       
         ∣ 
        
       
      
        |{\.{A}\tiny m}| 
       
      
    ∣A˙m∣的频率称为上限截止频率 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          H 
         
        
       
      
        f\tiny H 
       
      
    fH。f小于 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        f\tiny L 
       
      
    fL的部分称为放大电路的低频端,f大于 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          H 
         
        
       
      
        f\tiny H 
       
      
    fH的部分称为放大电路的高频端,而 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        f\tiny L 
       
      
    fL与 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          H 
         
        
       
      
        f\tiny H 
       
      
    fH之间形成的频带称为中频段,也称为放大电路的通频带 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          b 
         
        
          w 
         
        
       
      
        f\tiny bw 
       
      
    fbw。
  
      
       
        
         
         
           f 
          
          
          
            b 
           
          
            w 
           
          
         
        
          = 
         
         
         
           f 
          
          
          
            H 
           
          
         
        
          − 
         
         
         
           f 
          
          
          
            L 
           
          
         
        
       
         {f\tiny bw}={f\tiny H}-{f\tiny L} 
        
       
     fbw=fH−fL
   通频带宽,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。当频率趋近于零或无穷大时放大倍数的数值趋近于零。对于扩音机,其通频带应宽于音频(20Hz ~ 20kHz)范围,才能完全不失真地放大声音信号。在实用电路中有时也希望频带尽可能窄,比如选频放大电路,从理论上讲希望它只对单一频率的信号放大,以避免干扰和噪声的影响。
非线性失真系数
  由于放大器件具有非线性特性,它们的线性放大范围有一定的限度,当输入信号幅度超过一定值后,输出电压将会产生非线性失真。输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D。设基波幅值 
     
      
       
       
         A 
        
        
        
          1 
         
        
       
      
        A\tiny 1 
       
      
    A1,谐波幅值为 
     
      
       
       
         A 
        
        
        
          2 
         
        
       
      
        A\tiny 2 
       
      
    A2、 
     
      
       
       
         A 
        
        
        
          3 
         
        
       
      
        A\tiny 3 
       
      
    A3…则
  
      
       
        
        
          D 
         
        
          = 
         
         
          
           
           
             ( 
            
            
             
             
               A 
              
              
              
                2 
               
              
             
             
             
               A 
              
              
              
                1 
               
              
             
            
            
            
              ) 
             
            
              2 
             
            
           
             + 
            
           
             ( 
            
            
             
             
               A 
              
              
              
                3 
               
              
             
             
             
               A 
              
              
              
                1 
               
              
             
            
            
            
              ) 
             
            
              2 
             
            
           
             + 
            
           
             . 
            
           
             . 
            
           
             . 
            
           
          
         
        
       
         D=\sqrt{\smash[b]{(\frac{A\tiny 2}{A\tiny 1})^2+(\frac{A\tiny 3}{A\tiny 1})^2+...}} 
        
       
     D=(A1A2)2+(A1A3)2+...
最大不失真输出电压
最大不失真输出电压定义为当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。实测时,需要定义非线性失真系数的额定值,比如10%,输出波形的非线性失真系数刚刚达到此额定值时的输出电压即为最大不失真输出电压。一般以有效值 U o m U\tiny om Uom表示,也可以用峰 - 峰值 U o p p U\tiny opp Uopp表示, U o p p = 2 2 U o m {U\tiny opp}=2\sqrt{\smash[b]{2}}U\tiny om Uopp=22Uom。
最大输出功率与效率
  在输出信号不失真的情况下,负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率 
     
      
       
       
         P 
        
        
        
          o 
         
        
          n 
         
        
       
      
        P\tiny on 
       
      
    Pon。此时,输出电压达到最大不失真输出电压。
   直流电源能量的利用率称为效率 
     
      
       
       
         η 
        
       
      
        \eta 
       
      
    η,设电源消耗的功率为 
     
      
       
       
         P 
        
        
        
          V 
         
        
       
      
        P\tiny V 
       
      
    PV,则效率 
     
      
       
       
         η 
        
       
      
        \eta 
       
      
    η等于最大输出功率 
     
      
       
       
         P 
        
        
        
          o 
         
        
          n 
         
        
       
      
        P\tiny on 
       
      
    Pon与 
     
      
       
       
         P 
        
        
        
          V 
         
        
       
      
        P\tiny V 
       
      
    PV之比,即
  
      
       
        
        
          η 
         
        
          = 
         
         
          
          
            P 
           
           
           
             o 
            
           
             n 
            
           
          
          
          
            P 
           
           
           
             V 
            
           
          
         
        
       
         \eta=\frac{P\tiny on}{P\tiny V} 
        
       
     η=PVPon
   在测试上述指标参数时,对于 
     
      
       
        
        
          A 
         
        
          ˙ 
         
        
       
      
        \.{A} 
       
      
    A˙、 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          i 
         
        
       
      
        R\tiny i 
       
      
    Ri、 
     
      
       
       
         R 
        
        
        
          o 
         
        
       
      
        R\tiny o 
       
      
    Ro,应给放大电路输入中频段小幅值信号;对于 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          L 
         
        
       
      
        f\tiny L 
       
      
    fL、 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          H 
         
        
       
      
        f\tiny H 
       
      
    fH、 
     
      
       
       
         f 
        
        
        
          B 
         
        
          W 
         
        
       
      
        f\tiny BW 
       
      
    fBW,应给放大电路输入小幅值、宽频率范围的信号;对于 
     
      
       
       
         U 
        
        
        
          o 
         
        
          m 
         
        
       
      
        U\tiny om 
       
      
    Uom、 
     
      
       
       
         P 
        
        
        
          o 
         
        
          m 
         
        
       
      
        P\tiny om 
       
      
    Pom、 
     
      
       
       
         η 
        
       
      
        \eta 
       
      
    η和D,应给放大电路输入中频段大幅值信号。






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