第4章放大器基礎(chǔ)-1-5

第4章放大器基礎(chǔ)概述4.1偏置電路和耦合方式4.2放大器的性能指標4.3基本組態(tài)放大器4.4差分放大器4.5電流源電路及其應(yīng)用4.6集成運算放大器4.7放大器的頻率響應(yīng)1概述

在廣播、通信、自動控制、電子測量等各種電子設(shè)備中，放大器是必不可少的組成部分。

放大器是應(yīng)用最廣泛的一類電子線路。它的主要功能是將輸入信號進行不失真的放大。2按信號強弱分：小信號放大器

大信號放大器

按電路結(jié)構(gòu)分：直流放大器交流放大器(線性放大器)(非線性放大器)(多用于集成電路)(多用于分立元件電路)放大器分類按信號特征分：寬頻帶放大器音頻放大器視頻放大器脈沖放大器諧振放大器(放大語音信號)(放大圖像信號)(放大脈沖信號)(放大高頻載波信號)3保證半導(dǎo)體器件工作在放大模式放大器組成框圖耦合電路耦合電路輸出負載輸入信號直流偏置電路外圍電路具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件是整個電路的核心將放大器輸出端與輸出負載進行連接。將輸入信號源與放大器輸入端進行連接。44.1偏置電路和耦合方式4.1.1偏置電路設(shè)置靜態(tài)工作點的電路稱放大器的偏置電路。對偏置電路的要求

提供合適的Q

點，保證器件工作在放大模式。例如：偏置電路須保證三極管E結(jié)正偏、C結(jié)反偏。

當環(huán)境溫度等因素變化時，能穩(wěn)定電路的Q

點。例如：溫度升高，三極管參數(shù)、ICBO、VBE(on)，而這些參數(shù)的變化將直接引起Q點發(fā)生變化。

當Q點過高或過低時，輸出波形有可能產(chǎn)生飽和或截止失真。5QiCtICQtvCEOVCEQibQ點在中點，動態(tài)范圍最大，輸出波形不易失真。Q點波動對輸出波形的影響：Q點升高，不失真動態(tài)范圍減小，輸出易飽和失真。Q點降低，不失真動態(tài)范圍減小，輸出易截止失真。QibibiCvCEOQO6三極管偏置電路(1)固定偏流電路VCCRCRBIBIC

Q

點估算：

電路優(yōu)點：Q點設(shè)置方便，計算簡單。

電路缺點：不具有穩(wěn)定Q點的功能。T時、ICBO、VBE(on)ICQQ點升高7(2)分壓偏置電路

Q

點估算：

電路優(yōu)點：T

ICQVCCRCRB1IBQI1RB2RECE(固定)具有穩(wěn)定Q點的功能。

VEQ(=ICQRE)

VBEQ(=VBQ-

VEQ)IBQICQ假設(shè)I1>>IBQ則8

存在問題：工程上，常選用：VCCRCRB1IBQI1RB2RECERE越大

VBEQ越大Q點越穩(wěn)定VCEQ越小輸出動態(tài)范圍越小VEQ=0.2VCC或VEQ=1~3VRB1、RB2過大不滿足I1>>IBQ工程上，常選用：I1=(5~10)IBQ則VBQ不穩(wěn)定RB1、RB2過小放大器Ri

減小9例：試設(shè)計一分壓偏置電路，要求ICQ=1mA，VCEQ=4.5V。已知VCC=9V，=100。VCCRCRB1IBQI1RB2RECE解(1)取求得(2)取IBQ可忽略，則又(3)10場效應(yīng)管偏置電路(1)分壓偏置電路

Q

點估算：

電路特點：

分壓偏置電路不僅適用于三極管，同時適用于各種類型的場效應(yīng)管。

VDDTSRG1RG2RDRSGID11(2)自偏置電路

Q

點估算：

電路特點：

故自偏置電路只適合于耗盡型場效應(yīng)管。VDDSRGRDRSGID由于VDS與VGS極性始終相反，

例如，JFET、DMOS管。12(3)零偏置電路

Q

點估算：

電路特點：

由于

VGS=0，故零偏置電路只適合耗盡型MOS管。VDDSRGRDGID由于

RS=0，故該電路不具有穩(wěn)定Q點的功能。13(4)雙電源偏置電路(5)恒流源偏置電路144.1.2耦合方式

放大器與信號源、放大器與負載以及放大器級與級之間的連接方式稱為耦合方式。交流信號正常傳輸。為保證交流信號正常傳輸、不失真放大，耦合方式必須保證：盡量減小有用信號在傳輸過程中的損失。實際電路常采用兩種耦合方式：集成電路中廣泛采用的一種耦合方式——直接耦合。具有隔直流作用的耦合方式——電容耦合、變壓器耦合。15電容耦合VCCR3R1R2R4RSvS+--+CBviT1+R7R5R6R8CCT2+直流工作時：由于CB、CC具有隔直流作用，因此信號源不影響放大器Q點正常設(shè)置，且各級Q點相互獨立。交流工作時：由于CB較大，在信號頻率上近似看作短路。因此，CB的接入不會影響信號的正常傳輸。電路缺點：體積大，不易集成。16直接耦合各級之間不經(jīng)過任何元件直接相連。直接耦合方式：電路優(yōu)點：頻率特性好，便于集成。

存在問題：級間直流電平配置問題。零點漂移問題。VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn17級間直流電平配置問題一

結(jié)果：T1管Q點靠近飽和區(qū)，輸出易出現(xiàn)失真。

由圖若RE2=0，后級接入RE，擴大前級動態(tài)范圍。解決方法：VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn18工作在放大模式時：加電平位移電路解決方法：由圖越往后級

VBQnICQnVCEQn輸出動態(tài)范圍VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTnVBQ3VCQ3VBQ2VBQ119采用PNP管的電平位移電路：

利用NPN管與PNP管電位極性相反的特點，將直流電平下移，擴大后級的輸出動態(tài)范圍。VCCRC2RET2RC1T1RB+--+VBQ1VCQ2+-VCQ1VCQ1

>VBQ1放大模式NPN管放大模式PNP管VCQ2<VBQ2=VCQ120零點漂移：指

vi

=0

時，輸出端靜態(tài)電壓的波動。第一級采用低溫漂的差分放大器。

解決方法：則第一級Q點變

(VCEQ1+V)，溫度漂移：因溫度變化引起的漂移，簡稱溫漂。溫漂危害：若溫度變淹沒有用信號。例如：假設(shè)直接耦合放大器原輸出端靜態(tài)電壓為

VCEQn，V

經(jīng)后級逐級放大

輸出靜態(tài)電壓變?yōu)?/p>

(VCEQn

+

AvnV)當漂移嚴重即V

較大時，溫漂信號有可能淹沒有用信號，使電路喪失對有用信號的放大能力。電容耦合放大器由于電容的隔直作用，溫漂很小，可忽略。零點漂移問題二21放大器的組成原則：

直流偏置電路(即直流通路)要保證器件工作在放大模式。

交流通路要保證信號能正常傳輸，即有輸入信號

vi

時，應(yīng)有

vo

輸出。

判斷一個電路是否具有放大作用，關(guān)鍵就是看它的直流通路與交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，則該電路就不具有放大作用。

元件參數(shù)的選擇要保證信號能不失真地放大，即電路需提供合適的Q

點及足夠的放大倍數(shù)。22

就信號而言，各種小信號放大器均可統(tǒng)一表示為有源線性四端網(wǎng)絡(luò)：

4.2放大器的性能指標線性有源四端網(wǎng)絡(luò)RSRLvS+-+-viiiiovo+-RiRo反映放大器性能的主要指標有：增益A。輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、234.2.1輸入電阻、輸出電阻、增益輸入電阻

對輸入信號源而言，放大器相當于它的一個負載，而這個等效負載電阻就是放大器輸入電阻Ri。

或RSRivS+-+-viiiRSRiiS+-viii定義上式中，Ri表示本級電路對輸入信號源的影響程度。

24輸出電阻

對輸出負載而言(根據(jù)戴維寧定理和諾頓定理)，任何放大器均可看作它的信號源，該信號源內(nèi)阻即放大器輸出電阻Ro?；騌oRLvot+-+-voioRoRLion+-voiovot：負載開路時

vi

或

ii

在電路輸出端產(chǎn)生的開路電壓。ion：負載短路時

vi

或

ii

在電路輸出端產(chǎn)生的短路電流。25輸出電阻Ro

計算：RLvS+-vo放大器RS+-(放大器一般框圖)iv+-放大器RS(

Ro的定義)

令負載電阻RL

開路，信號源為零。在輸出端外加電壓v，則產(chǎn)生電流i。定義Ro反映放大器受負載電阻RL的影響程度。26小信號放大器四種電路模型RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo電壓放大器RoRLionioRSRiiSii電流放大器RSRivS+-+-vi互導(dǎo)放大器RoRLionioRoRLvot+-+-voRSRiiSii互阻放大器27放大器的增益：增益(放大倍數(shù))不同類型放大器輸入、輸出電量不同，故增益的含義不同。

即放大器輸出信號變化量與輸入信號變化量的比值。A=xo/xi電壓放大器RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo電壓增益：開路電壓增益：源電壓增益：Ro越小，RL對Av

影響越小。Ri越大，RS對Avs

影響越小。28電流放大器電流增益：短路電流增益：源電流增益：RoRLionioRSRiiSiiRi越小，RS對Ais

影響越小。Ro越大，RL對Ai

影響越小?；?dǎo)放大器互導(dǎo)增益：互阻放大器互阻增益：29理想放大器性能特點

電壓放大器：

Ri0、Ro、

Ai

大且不隨RL和信號源而變化。電流放大器：

Ri、Ro0、

Av

大且不隨RL和信號源而變化。互導(dǎo)放大器：

Ri、Ro、Ag

大且不隨RL和信號源而變化。互阻放大器：

Ri0、Ro0、Ar

大且不隨RL和信號源而變化。30多級放大器可拆分成單級電路進行分析：將后級輸入電阻作為前級的負載電阻。

多級放大器

RLvS+-voRS+-A1vi+-A2將前級帶負載后的輸出電壓作為后級輸入電壓。Ri2+-+-vo1=vi2

總輸入電阻即為第一級的輸入電阻Ri1。

總輸出電阻即為最后一級的輸出電阻Ro2。3132(4)通頻帶及頻響特性fAvAvofL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：BW0.7

=fH–fL放大倍數(shù)隨頻率變化曲線——幅頻特性曲線通頻帶越寬，放大器對信號的頻率變化適應(yīng)能力越強;但也不易過寬，易使信號以外的噪聲得到放大。Av0/幅頻特性和相頻特性，統(tǒng)稱為頻響特性。

33(5)信噪比與噪聲系數(shù)信噪比：有用信號功率噪聲信號功率噪聲系數(shù)：信噪比越大越好NF越小，說明放大器對微弱信號的實際放大能力越強。344.2.2放大器的失真

頻率失真

放大器的失真是指輸出信號不能重現(xiàn)輸入信號波形的一種物理現(xiàn)象。失真類型頻率失真瞬變失真線性失真非線性失真

一般而言，放大器中含有電抗元件。在正弦信號激勵下，不同頻率呈現(xiàn)不同電抗，因而放大器增益應(yīng)為頻率的復(fù)函數(shù)：幅值，幅頻特性相角，相頻特性35

波特圖在半對數(shù)坐標紙上描繪的頻率特性曲線即波特圖。Of/HzA(f)/dBOf/HzA(f)幅頻特性相頻特性(對數(shù)刻度)(對數(shù)刻度)(線性刻度)(線性刻度)增益分貝值：通頻帶：對應(yīng)上限頻率fH及下限頻率fL。AIAI2fHfL36頻率特性的三個頻段中頻段：通頻帶以內(nèi)的區(qū)域。放大器的增益、相角均為常數(shù)，不隨f變化。特點：原因：所有電抗影響均可忽略不計。高頻段：f>fH的區(qū)域。頻率增大，增益減小并產(chǎn)生附加相移。特點：原因：極間電容容抗分流不能視為開路。即極間電容開路、耦合旁路電容短路。低頻段：f<fL的區(qū)域。頻率減小，增益降低并產(chǎn)生附加相移。特點：原因：耦、旁電容容抗分壓不能視為短路。37

幅度失真與相位失真實際輸入信號含有眾多頻率分量，當通過放大器時：若不同頻率信號呈現(xiàn)不同增益幅度失真相位失真幅度失真與相位失真統(tǒng)稱放大器的頻率失真。若不同頻率信號呈現(xiàn)不同相角由于頻率失真由線性電抗元件引起，故稱線性失真。注意：線性失真不產(chǎn)生新的頻率成分。一般音頻放大器的頻率失真主要指幅度失真。視頻放大器的頻率失真則包括幅度失真與相位失真。38

指放大脈沖信號時，電抗元件上的電壓或電流不能突變而引起的失真。

瞬變失真RC+-vi-vo+vit1Ovot0.10.9trRC+-vi-vo+vitOvott1vot139

非線性失真非線性失真由三極管產(chǎn)生，它產(chǎn)生了新的頻率成份。假設(shè)三極管基射間外加電壓：則利用傅里葉級數(shù)展開得：非線性失真系數(shù)：40

根據(jù)三極管(場效應(yīng)管)在放大器中的不同接法，放大器分為三種基本組態(tài)。4.3基本組態(tài)放大器T+-+-VCCRCvivo(共發(fā))T+-+-VCCREvivo(共集)T+-+-VCCRCvivo(共基)無論何種組態(tài)放大器，分析方法均相同。1)由直流通路確定電路靜態(tài)工作點。注意：2)由交流通路畫出小信號等效電路，并進行分析。41共發(fā)射極放大器4.3.1三種組態(tài)放大器的實際電路VCCRCRB1RB2RE直流通路RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C242共基極放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC43共集電極放大器VCCRB1RB2RE直流通路交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RSVCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C244共發(fā)電路性能分析4.3.2共發(fā)、共基和共集放大器的性能畫微變等效電路分析電路輸入、輸出電阻故rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-viRiRo45共發(fā)電路電流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe短路電流增益46共發(fā)電路電壓增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce開路電壓增益源電壓增益471)既有電壓放大作用、又有電流放大作用。2)輸出電壓與輸入電壓反相。共發(fā)電路提供的最大電壓增益若采用有源負載作為RC，可使RC>>rce

因此

由于厄爾利電壓|VA|>>VT，因此共發(fā)電路提供的Av很大，且其值與靜態(tài)電流ICQ無關(guān)。共發(fā)電路特點48共基電路性能分析畫微變等效電路(忽略rce

影響)

共基電路輸入電阻vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibecii因此(小)Rivs+-RL+-voRERSRCvi+-49共基電路輸出電阻共基電路電流增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

短路電流增益50共基電路電壓增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibec共基電路特點1)有電壓放大作用、但無電流放大作用。2)輸出電壓與輸入電壓同相。

3)輸入電阻低、輸出電阻高。51考慮rce

時共基電路輸出電阻令vs=0、RL開路，畫出求Ro的等效電路。vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibecrce則得因此+-vRERSRCrbegmvbeberceiiRoRS=RS//RE52共集電路性能分析畫微變等效電路共集電路輸入電阻(忽略rce)因此(大)RERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-Ribce53共集電路輸出電阻令vs=0、RL開路，畫出求Ro的等效電路。rbeibiRERB+

vRSrce-iibRoRS=RS//RB則得因此(小)rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-bcebec54

共集電路電流增益(忽略rce)短路電流增益

共集電路電壓增益(忽略rce)1其中rbeibiiioRERBvs+-RL+

voRS+-virceib-55共集電路特點1)有電流放大作用、但無電壓放大作用。2)輸出電壓與輸入電壓同相。

3)輸入電阻高、輸出電阻低。56三種組態(tài)電路性能比較小大小大大小大大1大中中共發(fā)共基共集RiRoAvAinRCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi57三種組態(tài)電路的應(yīng)用共發(fā)放大器

廣泛應(yīng)用于多級放大器提供增益的增益級中。共基放大器

由于頻率特性好，故常與共發(fā)電路配合，組成寬帶放大器。共集放大器

利用Ri

高的特點，常作多級放大器輸入級；

利用Ro

低的特點，常作多級放大器輸出級，提高帶負載能力。

利用Ri

高、Ro

低的特點，常作緩沖級(隔離級)，以提高前級電路的增益。58共發(fā)-共基組合放大器4.3.3改進型放大器

三種基本組態(tài)放大器的性能特點各不相同，若將它們適當組合，可使放大器的性能更接近理想化。組合放大器vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T259共集-共發(fā)組合放大器（達林頓電路）

利用共發(fā)電路增益高、共基電路Ri低、Ro高的特性，使共發(fā)-共基組合電路更接近理想的電流放大器。

利用共發(fā)電路增益高、共集電路Ri高、Ro低的特性，使共集-共發(fā)組合電路更接近理想的電壓放大器。vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T260共集-共基組合放大器由于則(假設(shè)兩管參數(shù)相同)其中(假設(shè)兩管參數(shù)相同)vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T26162接RE

的共發(fā)放大器

其中rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(微變等效電路)RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)63共發(fā)電路射極接電阻RE后：

由于RE的負反饋作用，使Ri

增大、Ro

增大，放大器更接近理想的互導(dǎo)放大器。

由于RE

的負反饋作用，不僅增益穩(wěn)定性提高，而且還便于集成化。當RL時，

此時，Avt近似等于兩電阻的比值，與三極管參數(shù)無關(guān)。

存在問題：交流工作時：RCAv

但集成困難；直流工作時：RCVCEQ

易飽和失真。64采用有源負載的共發(fā)放大器

解決方法：用恒流源(有源負載)取代電阻

RC。恒流源特點：直流電阻小，交流電阻大。RLvoviVCCR1R2RET1T2RLvoviVCCT1ICQ其中等效為65共源放大器4.3.4共源、共柵和共漏放大器的性能

場效應(yīng)管電路性能特點、分析方法與三極管放大器相似。不同之處僅在于，F(xiàn)ET或場效晶體管的ig=0。gmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRDRGvs+-RL+-voRS+-vi66接RS

的共源放大器不變經(jīng)推導(dǎo)則增大減小RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSgmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRo67共柵放大器vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因為所以而vs+-RL+-voRSRSRDvi+-68共漏放大器經(jīng)推導(dǎo)RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgss69FET三種組態(tài)電路性能比較小大小大大1大大大共源共柵共漏RiRoAvRDRGvs+-RL+-voRS+-viRSvs+-RL+-voRSRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viRS704.3.5集成MOS放大器

集成MOS放大器與分立MOS放大器電路結(jié)構(gòu)相同，只是為了提高集成度，集成MOS放大器中的負載電阻采用了以不同方法實現(xiàn)的有源電阻。集成MOS放大器類型：NMOS放大器CMOS放大器放大管NEMOS負載管NEMOS放大管NEMOS負載管NDMOSE/EMOS放大器E/DMOS放大器放大管、負載管均為E型但溝道互補71

E/EMOS放大器VDD+-vo+viT2T1-要求兩管工作在飽和區(qū)，由于gm2vgs2=-gm2vo，則受控源gm2vgs2等效為電阻：1/gm2因gmu2vus2=-gmu2vo，則受控源gmu2v