放大电路

放大器是做什么的

信号是随时间变化、并带有信息的电压，比如声音或无线电消息。很多信号都非常微弱。放大器把弱信号变成一个更强的复制品。

多出来的功率不是凭空产生的。放大器从电源（电池或电源适配器）取得能量，再用输入信号来控制有多少能量送到输出端。

里面的核心元件通常是晶体管（一种像开关的小元件，很小的电流就能控制它），或者是装满晶体管的芯片。

增益和分贝

电压增益告诉我们输出是输入的多少倍：Av = Vout / Vin。它是一个比值，所以没有单位。

工程师常用分贝（dB）：增益（dB）= 20 × log10(Vout / Vin)。增益10是20 dB，增益100是40 dB，增益1000是60 dB。每增加20 dB，增益就变成10倍。

两级放大器前后相连时，增益要相乘，而分贝值只需相加。

功率增益 = Pout / Pin，用分贝表示是 10 × log10(Pout / Pin)。

低频（音频）放大器

低频放大器处理从几赫兹到约20 kHz的信号，这正是人耳能听到的范围。音乐播放器、收音机、广播系统和电视的末级都有它。

• 偏置：一个很小的稳定电压让晶体管保持半导通的“待命”状态，这样它才能跟着信号向上和向下变化。
• 耦合电容：它让变化的信号从一级传到下一级，却挡住稳定的偏置电压。所以频率很低时增益会下降。
• 电压级，然后是功率级：前面几级把电压变大；最后一级（功率放大器）提供足够的电流去推动扬声器。
• 推挽：两个晶体管分工合作，一个推正半周，另一个拉负半周。这比一个晶体管一直工作（甲类）更省电、发热更少。

频率响应和带宽

放大器在每个频率上的增益并不相同。把增益随频率变化画成图，就是它的频率响应。曲线中间高，两端低。

增益降到中间值的约70%（0.707），也就是下降3 dB的两个点，叫做截止频率。两者之间的范围就是带宽：BW = f_high − f_low。

低频端下降是因为耦合电容。高频端下降是因为晶体管和导线里有微小的杂散电容，把很快的波动漏掉了。

高频（射频）放大器

高频放大器处理从几百千赫到好几吉赫的无线电信号。它们需要速度快的元件，导线也要尽量短，因为频率越高，杂散电容的影响越大。

• 射频（RF）放大器：紧接在天线后面，放大非常微弱的电台信号，同时不增加太多噪声。
• 中频（IF）放大器：在收音机里，把已经转换到固定中间频率的信号放大。
• 调谐放大器：用一个线圈和一个电容（LC电路），只放大某个电台附近很窄的一段频率，忽略其他频率。
• 功率放大器：在发射机里，给天线提供所需的大功率。

对宽带放大器来说，增益 × 带宽大致是固定的：增益要得越多，带宽就越小。

局限：削波、噪声和失真

输出永远不能超过电源电压。如果输入太大或增益太高，波的顶部就会被削平。这叫削波，是一种失真，会产生多余的、不想要的声音。

噪声是元件产生的随机嘶嘶声。放大器连噪声一起放大，所以第一级必须是低噪声的。

负反馈（把一小部分输出送回去，减小输入）会降低增益，但让放大器更稳定、声音更干净。

动手试试

在3D场景里，把增益设为12，看看输出。算一算它应该是多少伏（0.5 V × 12 = 6 V）。电源限制是3.5 V，所以会削波。现在把增益调低，直到不再削波。在家里，把耳机插进手机，用很大音量播放音乐：你可能听到的刺耳噪声，就是手机放大器在削波。

重点公式和概念

• 电压增益 Av = Vout / Vin
• 增益（dB）= 20 log10(Vout / Vin)
• 功率增益（dB）= 10 log10(Pout / Pin)
• 多级串联：Av = Av1 × Av2；dB = dB1 + dB2
• 带宽 BW = f(high) − f(low)
• 最大输出 ≈ 电源电压（超过就会削波）

例题讲解

常见错误

• 以为放大器会制造能量。其实它只是用电源的能量，再按输入信号的样子塑造输出。
• 多级相连时把增益相加。倍数要相乘，只有分贝才相加。
• 电压增益用了10 log，而不是20 log。电压用20 log，功率用10 log。
• 忘记单位：20 mV 要先换成 0.02 V 再去除。