時至今日，越來越多的東西被冠上“數(shù)字（digital）”的前綴：數(shù)字隨身聽（mp3），數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相框……一直到數(shù)字化生活，那么在浩如煙海的數(shù)字設(shè)備出現(xiàn)之前我們采用的是什么技術(shù)呢？
首 先來看看什么叫做“數(shù)碼產(chǎn)品”，數(shù)碼產(chǎn)品得名于內(nèi)部使用數(shù)字電路進(jìn)行信息的儲存和處理。所謂“數(shù)字”是指僅僅采用有限個離散的狀態(tài)來儲存和表示信息，例如 數(shù)字電路中常見的利用“0”和“1”來表示和儲存數(shù)據(jù)，由于這兩個狀態(tài)的差別往往非常明顯，因此在儲存，傳輸和處理的過程當(dāng)中不易損壞和失真。
相 對的，如果采用連續(xù)的狀態(tài)來表示，儲存和處理信息的方式就被稱為“模擬（analog）”。由于表示的是無數(shù)連續(xù)狀態(tài)中的一個，那么任何一點(diǎn)點(diǎn)的干擾都會 使模擬的信號發(fā)生失真 。用一個形象的比喻說數(shù)字和模擬技術(shù)的區(qū)別就是，數(shù)字技術(shù)像寫書，每次抄寫和復(fù)印都不會使書得內(nèi)容發(fā)生變化；而模擬技術(shù)像繪畫，就算是臨摹的再好和原作也 是有區(qū)別的，所以復(fù)制N次之后往往會大有不同。
然而自然屆中絕大多是的信號和事件都是以模擬的形式存在的，比如人眼的7色彩虹是連續(xù)變化的，用再高倍數(shù)的望遠(yuǎn)鏡也沒法出其中的”像素“。而人類在開始使用繪畫，攝影，留聲機(jī)等技術(shù)來記錄這些信息的時候也都是從模擬的方式開始的。
從 很早開始人們就不再僅僅是被動地接收自然界得模擬信號，而開始主動的對這些信號進(jìn)行處理了，其中放大器是運(yùn)用得最為廣泛，也是最早的方式之一。我們每天都 會開關(guān)水龍頭，這個動作就可以看做是一個典型的模擬信號放大系統(tǒng)——我們用很小的力控制水龍頭的位置卻可以得到流量可變的，壓力很大的水流。
當(dāng) 人們進(jìn)入電氣時代之后，就開始了對電信號放大的不斷探索。1880年，愛迪生在進(jìn)行燈泡研究的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中在普通燈泡的兩個電極之外又加入了第三個電極，并且 還加入了一些箔片，他驚奇地發(fā)現(xiàn)在第三極通正電時箔片毫無反應(yīng)，但是在通負(fù)電時箔片有翻騰的運(yùn)動。他不經(jīng)意的這個發(fā)現(xiàn)實(shí)際上就是真空電子二極管的雛形。
到 了1904年約翰·弗萊明基于愛迪生效應(yīng)的原理發(fā)明了真空二極管，而在1907年李·德佛瑞斯特 發(fā)明了第一個真空三極管，從此世界進(jìn)入了電子時代。在此之后到了1947年，基于半導(dǎo)體技術(shù)的雙極型三極管被貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓和威 廉·肖克利發(fā)明出來，電子技術(shù)進(jìn)入了猛進(jìn)的黃金時代，并且越來越多的進(jìn)入到人們的生活當(dāng)中。
模擬放大器的本質(zhì)是利用一個較小幅度或者功率的 信號去控制一個較大幅度或者功率的信號。例如電吉他，大家都知到電吉他很多都是沒有共鳴腔的，實(shí)際用手撥弦產(chǎn)生的聲音其實(shí)非常小，但是利用的電子放大裝置 可以產(chǎn)生整個體育館都為之沸騰的聲音。在電吉他的琴弦下方裝有磁鐵，當(dāng)?shù)慕饘偾傧野l(fā)生震動的時候會切割磁鐵的磁感應(yīng)線而產(chǎn)生微弱的電壓，利用這些電壓作為 放大器的輸入來控制更大功率的電信號驅(qū)動揚(yáng)聲器從而產(chǎn)生很大的聲響。最初采用電子管的功率放大器的至少都有手提箱大小，而現(xiàn)在在手機(jī)中使用的半導(dǎo)體技術(shù)功 率放大器僅僅有幾個平方毫米。
雖然在生活中越來越多的信號處理，儲存采用了數(shù)字技術(shù)，但是模擬技術(shù)仍然是我們觀察世界入口醫(yī)院里的生化設(shè)備，相機(jī)中的光學(xué)傳感器，手機(jī)里的加速度計(jì)和陀螺儀等等使用的都是最先進(jìn)的模擬技術(shù)。
在數(shù)字化生存的時代，我們?nèi)匀浑x不開傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，因?yàn)檎鎸?shí)的世界總是“模擬”的。
在序章中我們講到，放大器是一種非常有代表性的模擬電路，那么到底什么叫做放大器呢？首先放大器 在系統(tǒng)當(dāng)中可以看作一個“輸入->黑盒->輸出”的模型。在廣義上，輸入和輸出可以是各種不同類型的，其中還可以包含物理量轉(zhuǎn)變的過程。在狹 義上，放大器是對相同的物理量進(jìn)行“放大”，因?yàn)橹挥形锢砹康牧烤V相同才能有數(shù)值上的倍數(shù)關(guān)系。
例如，我們常見的麥克風(fēng)電路，就是將聲音信 號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓髮㈦娦盘柕墓β史糯筝敵龅叫盘柌杉O(shè)備當(dāng)中。因此在這種情況下放大器的放大倍數(shù)單位（Gain）為dB/V，其中dB為聲音的強(qiáng)度單 位（在這里是有絕對大小的，在空氣中0dB聲參考聲壓為20uPa，這和電學(xué)中的相對單位dB有所區(qū)別），而V為電壓單位。而在音頻功率放大器中是將電信 號轉(zhuǎn)換為聲音，放大倍數(shù)單位為V/dB。而將以上兩個系統(tǒng)串聯(lián)起來形成一個新的放大系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的輸入輸出就都是聲音信號，增益就可以表示為一個沒有單 位的常數(shù)，例如100。這個倍數(shù)100也可以表示為相對量20dB來表示。
在這里數(shù)次提到的dB這個單位，在聲學(xué)和電學(xué)當(dāng)中都有非常重要的意義，而且很多時候容易混淆。更加詳細(xì)的說明會在《模擬電子——從放大器說起（番外）》中提到。
那么一個理想當(dāng)中的放大器的基本特征是什么樣的呢？
1. 不能對輸入的前級信號產(chǎn)生影響，簡而言之就是默默的接入了，這樣就不需要因?yàn)橐敕糯笃鞫鴮η凹壸鋈魏蔚奶厥馓幚?。換句話說就是輸入信號不需要向放大器提供任何能量。
2. 輸出是不受到后級接入系統(tǒng)的影響的，也就是任爾東西南北風(fēng)我自巋然不動的輸出，這樣的話就可以適應(yīng)各種后級而不擔(dān)心引入額外的問題。也就是放大器的能量輸出能力為無限的。
3. 放大倍數(shù)（轉(zhuǎn)換系數(shù)穩(wěn)定），也就是說它的性能不會隨著外部條件的變化例如溫度，濕度，外部能量源（大部分時候?yàn)殡娫矗┑鹊鹊挠绊懹肋h(yuǎn)保持恒定。
4. 不受輸入信號的幅度影響，如果一個放大器的放大倍數(shù)為10，那么對于輸入信號是1，那么輸出信號就應(yīng)該為10，輸入信號為10的時候，輸出應(yīng)該為100。無論輸入什么值，輸出總是這個值的10倍。
5. 輸入信號帶寬無限大，這是對于快速變化的信號而言的，指的是無論輸入信號變化得多快放大器的輸出都要立即跟上輸入。
那 么在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，電子線路中是如何實(shí)現(xiàn)放大的呢？在有源電子元器件例如電子管和晶體管出現(xiàn)之前，我們已經(jīng)可以利用變壓器實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。變壓器可以根據(jù)兩個 繞組的匝數(shù)比來將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為N倍輸出電壓。但是因?yàn)槭菬o源器件，因此輸出端所有的能量都來自于輸入端，與理想放大器的特征里面的第1條和第2條差距 非常大。
而以電子管和晶體管為基礎(chǔ)的有源放大電路將輸出信號的能量來源與輸入信號分開，使放大器的性能進(jìn)一步向理想放大器接近。
在之前的章節(jié)已經(jīng)說道，如果要實(shí)現(xiàn)一個放大器的功能，需要一個固定的放大倍數(shù)（Gain），這也就是說輸出信號應(yīng)該是跟隨輸入信號變化而變化，換句話說輸出信號應(yīng)該要受到輸入信號的控制。
在 電子學(xué)中使用的最多的兩個物理量就是電壓和電流，這也是比較容易控制和相互轉(zhuǎn)換的兩個物理量。那么由這兩個量就可以引申出4個不同的控制模式：電壓 ->電流，電壓->電壓，電流->電流以及電流->電壓。最簡單的電阻就可以實(shí)現(xiàn)電流->電壓，或者電壓->電流的 轉(zhuǎn)換，但是與變壓器相同的，電阻也是無源器件，這意味著輸出端無法提供比輸入更多的能量。
我們當(dāng)然希望能有一個理想當(dāng)中的對輸入沒有影響的可控源，但是，在有源放大電路出現(xiàn)之前，這些概念還基本上只是紙上談兵。
李·德佛瑞斯特（Lee De Forest） 在1907年制作出第一個基于真空電子管原理的三極管，開啟了用電壓來控制電流的新時代。
真 空管的基本原理是：當(dāng)一個極板上的電子被加熱之后會被激發(fā)，變成自由度很高的電子，在電場的影響下會飛向電勢高的方向。需要注意的是，這里因?yàn)楸患ぐl(fā)的是 電子，因此攜帶的是負(fù)電荷， 因此電子向電勢高的地方“飛”去，電流（在這里是等效的正電荷流動）還是從電勢高的地方流向電勢的地方。
在 真空二極管當(dāng)中有兩塊極板和一條加熱用的燈絲（Heater），靠近燈絲一邊的為發(fā)射電子的陰極（Cathode），遠(yuǎn)離燈絲的地方有一個接收電子的極板 為陽極（Plate） 。在陽極電壓高于陰極的時候，自由電子可以從陰極飛到陽極去；而當(dāng)陽極電壓低于陰極時，因?yàn)殛枠O沒有被加熱，無法產(chǎn)生自由電子，所以沒有電子從陽極飛向陰 極，產(chǎn)生不了電流。這樣就形成了二極管單向?qū)ǖ奶匦浴?br>
從二極管的工作原理可以看出，如果陰極和陽極之間電壓發(fā)生變化那么就會影響電子的流 速（電場的大小決定了在電子上施加的力的大?。?，因此可以形成一個簡單的電壓->電流的控制，但是與電阻相似，所有產(chǎn)生的負(fù)載電流都會流經(jīng)用來控制的電壓源上，也就是說所有的能量仍然來自于控制 用的電壓源，并沒有我們所期望的那樣用一個小的能量去控制一個更大的能量。
為了實(shí)現(xiàn)以小控大的目的，后來我們在二極管的陽極和陰極之間加入了一個新的“柵極”（Grid），之所以命名為柵極是因?yàn)樗皇且粋€完整的極板而是一種柵欄或者是網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。這樣就可以在提供控制電子流速的電壓同時，讓絕大部分電子穿過柵極仍然進(jìn)入陽極。
三極管柵極控制示意圖
然而，三級管的柵極仍然會吸收一部分的電子形成柵極電流，因此并不能成為完全的高阻抗輸入（對于電壓型信號來說，高阻抗輸入即為不吸收能量的一種輸入形式；相對的對于電流型信號低阻抗輸入為較為理想的輸入形式）。 因此在需要放大倍數(shù)比較大的場合也會使用多級串聯(lián)的方式。
真 空電子管需要燈絲加熱陰極，所以功耗巨大。而且在真空管內(nèi)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積巨大；因此并沒有作為大規(guī)模使用的電子元器件普及到千家萬戶（CRT電視機(jī)和顯 示器的屏幕倒是可以算真空管家族的一員）。但是它仍然作為雷達(dá)，計(jì)算機(jī)，音頻功率放大器等等當(dāng)時尖端科技最重要組成部分，扮演了自己在歷史上光榮角色。
1947年12月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓在威廉·肖克利的指導(dǎo)下共同發(fā)明了點(diǎn)接觸形式的雙極性晶體管，從這一天開始整整一個時代拉開了序幕 。
在 介紹半導(dǎo)體三極管之前，首先介紹一個半導(dǎo)體技術(shù)當(dāng)中一個非常重要的概念：摻雜。半導(dǎo)體的基本材料硅擁有和同族元素碳類似的結(jié)構(gòu)：最外層有4個電子。當(dāng)硅組 成晶體結(jié)構(gòu)的時候，這些電子被牢牢的束縛在晶體結(jié)構(gòu)之內(nèi)，需要比較大的能量才能釋放出來。當(dāng)一個外層有5個電子的元素雜質(zhì)進(jìn)入這種晶格結(jié)構(gòu)的時候就會有多 一個電子不用參與形成化學(xué)鍵，處在自由自在的狀態(tài)，這樣的電子可以很輕易的隨著電勢的影響而遷徙，成為自由的電子。我們將這種為基礎(chǔ)材料注入自由電子的摻 雜成為n型摻雜。與此同時，相應(yīng)的，如果有外層只有3個電子的元素進(jìn)入了晶格結(jié)構(gòu)，就會在化學(xué)鍵上形成一個空缺，這樣的話就形成了一個可以容納電子的空 位，可以捕獲經(jīng)過的電子，這就是P型摻雜。
三級管的基本結(jié)構(gòu)非常簡單，由三個摻雜濃度不同的半導(dǎo)體材料組成。以NPN型三極管為例，分別為n++發(fā)射極(高濃度的n型摻雜，意味著有大量自由可發(fā)射的電子存在)，P基極（低濃度p型摻雜表示有少量可以容納電子的空穴存在），n+集電極（次高濃度的自由電子，可以起導(dǎo)電的作用，以及防止在基極沒有電壓的時候電流從集電極直接流入到基極）
從結(jié)構(gòu)上可以看出來如果基極上沒有足夠高的電壓，電子沒有獲得足夠高的動能的話是無法從發(fā)射極（E）穿越充滿著可以捕獲電子的空穴的p摻雜基極（B）而到達(dá) 集電極（C）的。然而一旦我們在基極機(jī)上一點(diǎn)電壓，讓自由電子們先有一個助跑起來它們就可以一鼓作氣利用動能沖過P型摻雜當(dāng)中空穴陷阱的封鎖到達(dá)最終目的 地集電極（C）。但是在此過程當(dāng)中還是會有電子落入基極的空穴陷阱，從而形成了相對比較微小的基極電流。在特定條件下，穿越過基極的電子的數(shù)量和被基極捕 獲的電子的數(shù)量有一個大致恒定的比值，這也就決定了集電極電流和基極電流的比值我們一般稱這個值為Beta。
基極與發(fā)射極的電壓差越大，電子們起跑的速度就越快，單位時間內(nèi)就有更多的電子有能力穿越P型摻雜封鎖，因此雙極型三極管可以被看作電壓控制的電流源。基極電壓和發(fā)射極電流的關(guān)系一般可以如下表示：
可以看出，發(fā)射極電流電流的關(guān)系隨著VBE的上升稱指數(shù)增長！好強(qiáng)力的放大能力啊?。】上Р痪€性?。。?！
于 是大家回頭一看，不是有個Beta嗎，那個不是挺線性的嗎？是不是可以將三極管當(dāng)作電流控制電流的器件來用呢？我們將基極串聯(lián)一個電阻就可以將電壓信號轉(zhuǎn) 換為電流信號了（為什么可以這樣？？大家可以想想基極電壓的性質(zhì)哦）。因此也有很多人將雙極性三極管成為電流控制電流型的放大器，這種說法不那么精確但是 可以很好的描述這種應(yīng)用方式。但是需要提到的是根據(jù)物理學(xué)本質(zhì)來說雙極型三極管還是一個電壓控制電流的器件。
說了這么多……終于開始進(jìn)入正題啦，下一回就可以講講實(shí)際的放大器了……
啊對了，這個電流真的只收VBE控制嗎？？？實(shí)際上也會受到VCE也就是集電極到發(fā)射極的電壓的影響啦，不過不是那么明顯。只受一個主要因素控制的放大器！真是比電子管好了很多?。?！從下圖可以看到隨著VCE的增加，即使同樣的VBE條件下IC還是在微微增大哦。
在了解了三極管／MOSFET的原理之后，就可以涉及具體的電路來放大信號了。但是剛一拿起鉛筆和稿紙就發(fā)現(xiàn)一個非常現(xiàn)實(shí)的問題那就是三極管或者是 MOSFET的放大倍數(shù)都不是那么穩(wěn)定的，例如說三極管的電流增益Beta就是受到工藝影響非常大的一個指標(biāo)，如果我們要對信號進(jìn)行非常精準(zhǔn)的放大僅僅依 靠三極管的原生放大倍數(shù)肯定是不行的。
在實(shí)際生活當(dāng)中也可以找到非常生動的例子。如果讓一個射擊運(yùn)動員在開完一槍之后，閉上眼睛但是手臂保 持不動在開一槍是很難再打中目標(biāo)的，但是只要讓他睜著眼睛就可以再次射中同一個目標(biāo)。這是因?yàn)槿说难劬υ诟鶕?jù)看到的情況不斷給大腦提示同時修正槍口的指 向。這就是一種視覺到行為的反饋系統(tǒng)，這個反饋系統(tǒng)會不斷調(diào)整以使誤差不斷變小，也就是說行動的目的是與觀察的結(jié)果反向的（若果眼睛的觀測結(jié)果是偏左的誤 差，手的運(yùn)動就會讓槍口向右運(yùn)動從而減小向左的誤差）。這種反饋機(jī)制就被稱為為負(fù)反饋（negative feedback）。負(fù)反饋是一種讓系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的機(jī)制，在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中被非常廣泛的應(yīng)用。
在單個三極管的放大器中，有一種結(jié)構(gòu)就是采用的負(fù)反饋的機(jī)制。如圖所示，一個非常典型的帶有負(fù)反饋的共射三極管放大電路。
在 這個電路中我們的目的是實(shí)現(xiàn)一個電壓到電壓的放大，然而在我們面前最大的問題是三極管的電壓電流特性是指數(shù)型的，也就是說電壓變化一點(diǎn)點(diǎn)，電流就有很大的 變化。因此我們在傳統(tǒng)的共射三極管電路當(dāng)中加入了電阻RE來作為負(fù)反饋。RE的工作原理是：當(dāng)VBE增大的時候，三極管上的電流Ic就會相應(yīng)增大，此時 RE上的壓降也會相應(yīng)升高；這樣就反而減小了Vbe（因?yàn)閂b＝Vin相對于GND的值沒有變，而Ve升高了）。這就是典型的負(fù)反饋，這樣的反饋導(dǎo)致的直 接結(jié)果就是Vbe的電壓始終保持在三級管導(dǎo)通電壓附近（就如同上面的例子一樣，槍口始終對準(zhǔn)目標(biāo)）。
與此同時我們得到的間接結(jié)果就是電阻RE上的電壓會隨著輸入電壓Vin的升高而同步升高，而電流Ic＝Vin/RE。最后的輸出為dVout＝－RC/RE＊dVin，我們可以看到這樣就實(shí)現(xiàn)了一個放大倍數(shù)由外部電阻決定的反向放大器。
綜 上所屬，負(fù)反饋在放大器中的應(yīng)用絕大部分都是為了讓整個電路的某一個特性（某點(diǎn)的電壓／電流）進(jìn)入一個已知的，穩(wěn)定的狀態(tài)，利用這個狀態(tài)和電路上其他元器 件的配置達(dá)到確定／精確的放大效果。在分析電路的時候只要現(xiàn)找到負(fù)反饋導(dǎo)致的穩(wěn)定態(tài)具體是什么就可以很容易地掌握電路地工作狀態(tài)了。
