放大器能量守恒的說明

標籤：style   class   問題   工作   時間   c   

摘要

放大電路中，所有元件的工作都需要能量的提供，而實現這一功能的就是“源”。在工作過程中，能量的轉換方式主要有損耗和儲存，但整個過程中都遵循能量守恒定律。

關鍵詞：

能量  轉換  守恒  損耗  儲存
    我們經常會聽到人家會問：“放大電路放大的時候總感覺放大後能量就不守恒了？或者電流和電壓不是增大了嗎，能量怎麼會守恒呢？”首先，在這裡提出一個概念---電訊號，就是指電子的訊號，放大電路中放大的就是電訊號，而我們一直用電流電壓來描述一個電路只是為了簡單和方便，說到電路的本質就不能用電流電壓來解析了。 

在放大電路中，放大電路應由放大器件、直流電源和偏置電路、輸入電路和輸出電路幾部分組成。放大器件是放大電路的核心，一般指的是三極體或其組合。它們按照不同的原理製造成對電流、電壓和功率有放大作用的元件。按照我們的知識，如果現在有一個功率放大倍數是100的電路，設輸入功率是1W，則輸出功率就是100W，我們會很習慣的認為由W=PT，在相同時間內，輸出的能量就是輸入能量的100倍，導致會有能量不守恒的想法。但我們知道放大電路中直流電源，而正是它提供這99W*T功率的，能量是從電源來的，不是無中生有的，具體說電路中有個偏置電壓Vcc，電流增益的能量就是從偏置電源來的。直流電源和輸入源的能量是給整個電路工作提供能量的，輸入源的能量一部分提供輸入電阻工作，剩下的就是整個放大電路的輸入連接埠能量，也就是輸入源不會為輸出端提供能量，所以說不管你電路怎麼放大，能量增益都不會超過直流電源提供的能量。三極體自身和電阻（不包括輸入電阻）存在能量損耗，在這裡電阻就實現了對能量的轉換，大部分能量用來工作，其中一小部分以熱輻射和電磁輻射散發到外界，這是不可避免的。所以在誤差允許的範圍內，整個電路也就符合能量守恒。

那為什麼我們會有那樣的錯覺，根源就是“控制”，通俗地說，就是我們可以通過放大器用小電流量控制大電流。舉個簡單的執行個體：小時候玩的鞭炮，我們把它扔出去了，爆開那一瞬間的能量很明顯比我們扔這個動作消耗的能量大得多，那我們能不能說這違背了能量守恒呢？---不能，那瞬間巨大的能量還由鞭炮裡面化學成分的能量和空氣分子劇烈運動的能量提供，但這種能量我們可以控制，這種現象本質上符合能量守恒。從專業的知識說，晶體管放大的過程，實際上是指小訊號控制大訊號的過程。而不是小訊號獨自產生大訊號的過程。所以在某種程度上我們可以說放大電路能量的守恒就是晶體管的能量守恒。

而在放大電路中，實現能量轉換的手段有很多種，最常見的就是電阻損耗能量（自身損耗、熱輻射和電磁輻射），電容電感儲存能量。消耗和儲存電能其實都是能量轉換。但電阻損耗能量是無法復原的，電容電感儲存能量是可逆的，有時候電容電感儲存能量提供給電阻工作，但有時候他們由電路原型轉變而來，此時他們的作用就不再是儲存能量，而是消耗能量，這能量是無法復原的，所以此時可以將它們看做是具有一定阻值的電阻。可見，電路中的能量轉換手段多彩多樣，而且實現轉換能量的主體都是有著密切聯絡的。

在放大電路中，如果為了得到穩定的輸出電壓，電路會引入二極體起穩幅作用：把二極體並聯在電阻兩端，當流過電阻的電流改變，其兩端電壓保持在0.7V左右。這就是穩幅二極體的原理。這裡存在一個問題：當輸入訊號為該電阻兩端提供10V的電壓，二極體起作用時，其電壓只有0.7V，那剩下的9.3V去哪裡了？是不是引入穩幅二極體之後電路不遵循能量守恒？但事實不是如此，當其兩端電壓沒有達到二極體導通壓降（約0.7V）時，二極體相當於不工作，當超過導通壓降時，多餘的電壓會讓訊號源的內阻消耗掉。在能量的角度看，這隻是能量的轉換過程，所以整個電路還是符合能量守恒。

所以，我們不能以為電流、電壓或電功率放大了，放大電路會違背能量守恒定律，它確實是做到能量的放大，但其能量增益不是無中生有的，而是由電源提供的，並且電路中每一個元件工作所需能量都是由“源”提供的，而其獲得的能量可以通過損耗或儲存等方式實現能量的轉換，但整個過程都滿足能量守恒定律。