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放大器重要参数有哪些?

时间:2023-05-12 17:23:27 作者:博纳德 点击:

一、放大器

任何放大器都具有某些参数。这些是使放大器以某种方式运行的特殊属性。典型的放大器参数如下所述。

二、增益

放大器的增益是放大器“放大”的量度,即它增加信号振幅的程度。更准确地说,它是输出信号幅度与输入信号幅度之比,并用符号“A”表示。可以计算电压(A v)、电流(A i)或功率(A p),当A后面的下标字母为小写时表示小信号情况,当下标为大写时表示到直流条件。可以使用适当的公式来描述三种不同类型放大器的增益或放大率:

电压增益 A v = 输出电压幅度 ÷ 输入电压幅度。

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电流增益 A i = 输出电流幅值 ÷ 输入电流幅值。

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功率增益 A p = 信号功率输出 ÷ 信号功率输入。

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放大器的增益不仅取决于所使用的元件(晶体管等),还取决于它们在放大器电路中的互连方式。

三、频率响应

放大器在所有频率下的增益都不相同。例如,设计用于音频放大的放大器将放大频率低于大约 20kHz 的信号,但不会放大具有更高频率的信号。专为射频设计的放大器会放大大约 100kHz 以上的频段,但不会放大较低频率的音频信号。在每种情况下,放大器都具有特定的频率响应,即它提供足够放大的频带,并排除放大不足的高于和低于该频带的频率。

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图4


为了显示放大器的增益如何随频率变化,使用了显示放大器频率响应的图表。图 4显示了音频放大器的典型频率响应曲线,图 5 显示了射频放大器的典型频率响应曲线。在此类图中,增益和频率可能会遇到非常大的值,这很常见。出于这个原因,通常图表的频率轴和增益轴都使用对数刻度。

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图5

从图4 可以看出,(水平)x轴上的刻度不是线性增加的;每个等分代表绘制的频率增加十倍。这确保可以在单个图形上绘制非常宽的频率范围。(垂直)y 轴使用线性分度,但使用对数单位(分贝 dB)。该图的曲线显示了以分贝为单位的增益如何。以这种方式绘制的图4 和 图5 显示了每种类型的放大器(音频、RF 等)如何具有其自己的频率响应曲线特征形状。具有非常窄、尖峰响应曲线的放大器被认为是非常“选择性”的。这是 RF 放大器的典型特征,并且正是专为无线电调谐阶段设计的放大器所需要的,在无线电调谐阶段中,必须仅选择数百个无线电载波中的一个无线电载波,例如,沿中波段拥挤。

四、带宽

可以从频率响应曲线中获得的一条重要信息是放大器的带宽。这是指放大器具有有用增益的频率“频带”。在这个有用频带之外,与带宽中心的增益相比,放大器的增益被认为是不足的。为电压放大器指定的带宽是放大器增益大于最大增益的 0.707 的频率范围(见图5)。或者,分贝用于表示增益,即输出电压与输入电压的比率(见图 4)。图4 中的有用带宽将被描述为扩展到电压增益比中频增益低 −3dB 的那些频率。可以使用几种描述带宽的方法,首先可以说(图 4的)“带宽从 10Hz 到 20kHz”。或者可以说(图5)“带宽为 9kHz,以 774kHz 为中心”。甚至是“774kHz 加减 4.5kHz”。

五、输入阻抗

阻抗这个词意味着反对交流电流。在 0 Hz 时,(即直流)阻抗(符号 Z)与电阻(R)相同,但在 0Hz 以外的频率下,阻抗和电阻并不相同。放大器的输入阻抗是输入端子之间的有效阻抗。“有效”意味着阻抗不一定只是实际连接在输入端子上的放大器元件(电阻器、电容器等)的阻抗,而是在给定条件下能够流入输入端子的电流量所经历的阻抗以特定频率施加的信号电压。输入阻抗受多种因素的影响,包括应用信号的频率、放大器的增益、使用的任何信号反馈,甚至连接到放大器输出端的信号。

六、输出阻抗

放大器的输出阻抗不仅仅取决于连接在放大器输出端的实际元件。它是一个“表观”阻抗,可以最好地证明它是造成放大器输出端信号电压下降的原因,当电流从输出端流出时。从输出端子汲取的电流越大,输出信号电压的降低就越大。其效果是与输出端子串联的阻抗或电阻的效果。

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图 6

七、多级放大器增益的计算

输入和输出的匹配是必要的,以确保最大量的信号可以在放大器和它之前或之后的任何其他电路或设备之间传输。当单个放大器的增益不足以满足给定目的时,通常会出现这种情况。然后使用几个放大级,包括将一个放大器的输出馈送到另一个放大器的输入。(这称为在“级联”中连接放大器)。在这种设计中,第一个放大器的输出阻抗和第二个放大器的输入阻抗形成一个分压器,如图 7

级联电压放大器时,第二级的输入信号理想情况下应为第一级输出电压的 100%,即具有尽可能高的电压幅度。如果第一个放大器的输出阻抗比第二个放大器的输入阻抗低得多,就会发生这种情况。这允许输出端(A 点)的大部分可用电压在第二个放大器的输入阻抗(因此在其输入端)而不是在第一个放大器的输出阻抗上产生。

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图 7

但是,如果第二个放大器是电流放大器,则有必要让尽可能多的电流流入其输入端子。因此,在这种情况下,第二个放大器的输入阻抗必须很低。对于功率放大器,如果两个阻抗相等,则最大功率从输出传输到输入。

输入和输出阻抗的值对多级放大器的增益有相当大的影响,并且由于连续放大器级的耦合,信号幅度总会有一些损失。在计算多级放大器的总增益时,总增益应等于每个放大器单独增益的乘积。即,如果两级放大器的每一级增益为 10,则总增益应为 10 x 10 = 100。然而在实践中,由于匹配放大器时会产生耦合损耗,因此这是无法实现的,并且略低整体增益结果。

八、相移

放大器中的相移是输出信号相对于输入信号在相位上延迟或超前的量(如果有的话),以度表示。如果发生 90 度的相移,则输出波的峰值出现在输入波峰值之后的四分之一周期。这种偏移可能是由放大器电路中的电阻器、电感器和电容器等元件的影响引起的。单级放大器中晶体管的动作会引起180度的相移,因此输入和输出将处于“反相”状态。放大器中的相移是否重要取决于放大器的用途。

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图8

多级放大器的设计必须考虑相移,因为相移量会随频率而变化,在某些频率下总相移加起来可能达到 360 度。如果允许此类系统的输出信号重新进入输入端,则会发生正反馈,放大器将变得不稳定并可能发生振荡。

九、反馈

反馈是获取放大器输出信号的一部分并将其反馈回输入的过程。可以安排反馈来增加或减少输入信号。当反馈用于增加输入信号时,它被称为正反馈,而当反馈的作用降低输入信号时,它被称为负反馈。

当反馈信号与输入信号同相时,就会出现正反馈,这会增加输入信号的幅度,从而增加输出信号的幅度,从而有效地增加放大器的增益。

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图 9

当反馈信号与输入信号反相时,就会出现负反馈,从而有效地降低输入信号的幅度,从而降低输出信号的幅度。这导致增益降低。见图 9。

在高质量放大器中,负反馈通常用于降低放大器的增益。这样做的一个特别好处是,放大器产生的任何信号失真或背景噪声也会减少。

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图 10

另一个有益效果是应用负反馈会增加放大器的带宽。其原因可以在图 10 中看出,其中降低增益曲线的高度会产生更宽的 0.707 点间距,从而加宽带宽。