放大

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[外文]：amplification增加电信号幅度或功率的物理过程。实现放大的装置称为放大器。放大器的核心是电子管、双极型晶体管和场效应晶体管等有源器件。为了实现放大，还必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源称为泵浦源（见参量放大器）。放大作用实质上是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。在电子技术中，电信号的放大占有极其重要的地位。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以电信号的放大作用为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。基本电路在晶体管发明以前，电子管是唯一应用最广的放大器件。这两类器件的工作机理虽然互有区别，但它们所构成的放大器都使用直流电源，电路形式也极为相似。图1是一个简单的晶体管共发射极放大电路。其中晶体管为NPN型；RC是负载电阻，用来提取放大了的信号电压；RB称偏置电阻，用来给晶体管提供偏置电流，使无信号时的发射极电流和集电极到发射极的电压降（分别称为工作点电流和电压）维持适当数值，以保证有信号输入时晶体管工作在特性曲线的线性区域；C1和C2是兼有隔直流作用的耦合电容。这种形式的电路，常被称为RC耦合放大器，具有比较宽的放大频带。将电阻RC换成调谐回路，使电路成为一个调谐放大器，可用来选择并放大某个窄频带的信号。图2和图3分别是共基极和共集电极放大电路。共基极电路的电流增益略小于1，但输出阻抗高，寄生反馈小，在高频时容易获得稳定的放大。共集电极电路的电压增益略小于1，但输入阻抗高，输出阻抗低，常用作隔离级和低阻抗输出级。在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。性能指标电子放大器的主要性能指标有增益、频率响应、非线性失真度和噪声指数等。放大器的输出电压值与输入电压值Ui之比称为电压放大系数，记为Au＝/Ui　　　(1)电压放大系数常常用分贝(dB)值表示，称为电压增益，记为Gu＝20logAu　(dB)　　　　　　(2)同理，放大器的功率放大系数和功率增益分别记为AP＝/Pi　　GP＝10logAP(dB)(3)其中和Pi分别是输出和输入功率。放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成　　(4)式中ω＝2πf，f是频率，ω是角频率，│Au(jω)│表示放大器的放大量与频率的关系，称为幅-频特性，φ(ω)表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系，称为相-频特性，它们合称为放大器的频率特性，也称为频率响应。放大器的频率特性应该与被放大信号的频谱相适应，以保证信号的各频率分量能均匀地得到放大。有应用还要求各频率分量之间的相位关系得到保持。频带过窄或不均匀以及相-频特性的非线性都会引起输出波形失真，这称为频率响应失真，或频率失真。对于大信号放大器，例如功率放大器，放大器件的非线性常常造成输出波形可觉察的失真，称为非线性失真，也称为谐波失真，其大小可以利用非线性失真系数D来衡量。若输入为一正弦波信号，输出总功率中含二次及高次谐波的功率之和为，则　　　　　(5)克服非线性失真的主要方法是合理选择放大器件的工作点以及限制输出信号的动态范围，或抑制高次谐波（用于调谐放大器）。对于弱信号放大，重要的是放大器的噪声特性。就接收机而言，其前端放大器的噪声特性是决定整机灵敏度的主要因素。放大器的内部噪声会叠加于输出信号上，使噪声对信号的比重增大。内部噪声的来源很多，如电阻的热噪声、电子器件的散粒效应噪声和半导体器件中的复合噪声等。衡量放大器噪声特性的参数叫作噪声指数，记为　　　(6)噪声指数的分贝值为FdB＝10lgF　(dB)　　(7)选用低噪声放大器件并适当地设计放大电路，可以减小放大器产生的噪声（见低噪声放大器）。不同用途的放大器还有其特定的重要性能指标，例如宽带放大器的频带宽度，直流放大器的零点漂移，对数放大器的输入、输出动态范围等。分类电子放大器除按所用有源器件类型和器件的运用方式来分类外，还可按放大器的主要功能分为电压（或电流）放大器、功率放大器、直流放大器、低噪声放大器等；按电路的耦合方式，分为RC耦合放大器、变压器耦合放大器、直接耦合放大器等；按频率响应特性，分为宽带放大器、窄带放大器或选频放大器等；按使用的频率范围，分为直流放大器、低（音）频放大器、中频放大器、高频放大器、射频放大器等；按特定的技术要求或结构方式还有各种名称，如对数放大器、差分放大器、运算放大器、弱电流放大器、前置放大器、天线放大器，隔离放大器、缓冲放大器、脉冲放大器等。现代使用最广的是以晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管）放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，还常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。参考书目清华大学电子工程系和工业自动化系：《晶体管电路》，科学出版社，北京，1974。J.M.佩提，M.M.麦克霍特著，柴振明译：《电子放大器的理论和设计》，上海科学技术出版社，上海，1966。(J.M.PettitandM.M.McWhorter，ElectronicAmplifierCircuits-TheoryandDesign，McGraw-HillCo.，NewYork，1961.)J.Millman，C.C.Halkias，IntegratedElectronics:AnalogandDigitalCircuitsandSystems，McGraw-HillCo.，NewYork，1972.