康第四章4.1放大器的基本概念

1、第四章,放大器基礎(chǔ),4.1,放大器的基本概念,4.2,基本放大器,4.3,差分放大器,4.4,電流源電路及其應(yīng)用,4.5,多級放大器,* 4.6,放大器的頻率響應(yīng),* 4.7,放大器的噪聲,概,述,放大器是應(yīng)用最廣泛的電子線路。,主要功能,:,將輸入信號進(jìn)行,不失真、放大。,在廣播、通信、自動(dòng)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,。,?,1,、放大器分類,?,按信號特征分：,音頻放大器,（放大語音信號）,A,視頻放大器,（放大圖像信號）,V,寬帶,脈沖放大器,（放大脈沖信號）,放大器,諧振放大器,（放大高頻載波或已調(diào)制信號）,?,按信號強(qiáng)弱分：,小信號放大器,（線性放大

2、器、本章）,大信號放大器,（功率、非線性放大器）,?,按電路結(jié)構(gòu)分：,直流放大器,（,DC,、緩慢變化的。多用于集成電路）,交流放大器,（多用于分立元件電路）,4.1,放大器的基本概念,?,4.1.1,放大的原理與實(shí)質(zhì),v,BE,?,V,BB,?,v,s,?,V,BB,?,v,sm,sin,?,t,（,4-1-1,）,i,B,?,I,BQ,?,i,b,?,I,BQ,?,I,bm,sin,?,t,4-1-2,）,（,i,C,?,?,i,B,?,?,i,b,?,?,I,BQ,?,I,Cm,sin,?,t,?,I,CQ,iC,R,B,i,B,+,（,4-1-3,）,+,-,v,BE,+,-,+,v,

3、CE,-,-,-,+,R,L,v,CE,?,V,CC,?,i,C,R,L,（,4-1-4,）,V,BB,V,CC,放大的實(shí)質(zhì),一般有,1,P,?,2,?,1,輸入端：,P,I,?,2,?,?,?,2,?,0,v,?,i,d,?,t,（,4-1-5,）,1,d,?,t,?,V,BB,?,I,BQ,?,Vsm,?,I,bm,（,4-1-6,）,2,2,?,v,BE,?,i,B,0,輸出端：,?,電源,V,CC,提供的功率：,1,P,D,?,2,?,?,2,?,0,V,CC,i,C,d,?,t,?,V,CC,I,CQ,（,4-1-7,）,?,負(fù)載電阻,R,L,上的功率：,1,P,L,?,2,?,?,

4、2,?,0,2,i,C,R,L,d,?,t,?,2,I,CQ,R,L,1,2,?,I,cm,R,L,2,（,4-1-8,）,?,三極管集電極上的功率：,1,P,C,?,2,?,?,1,2,V,CE,i,C,d,?,t,?,V,CEQ,I,CQ,?,I,cm,R,L,0,2,2,?,（,4-1-9,）,?,V,CC,?,V,CEQ,?,I,CQ,R,L,?,P,D,?,P,C,?,P,L,（,4-1-10,）,電源提供的功率,P,D,除了轉(zhuǎn)換成負(fù)載上有用的輸出功,率,P,L,外，其余均消耗在晶體三極管上（,P,C,）。,放大器放大的實(shí)質(zhì)：,利用三極管的正向受控作,用，將電源,V,CC,提供的直流

5、功率，部分地轉(zhuǎn)換為輸,出功率。,注意：,?,電源,V,CC,不僅要為三極管提供偏置，保證管子工作,在放大區(qū)，同時(shí)還是整個(gè)電路的能源。,?,三極管僅是一個(gè)換能器。,4.1.2,放大器的性能指標(biāo),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)：,i,i,i,o,R,S,+,有源線,性四端,+,v,+,v,i,R,L,v,o,S,網(wǎng)絡(luò),-,-,-,R,i,R,o,反映放大器性能的主要指標(biāo)有：,輸入電阻,R,i,、,輸出電阻,R,o,、,增益,A,(,4,種,),注意：輸入、輸出電阻為交流電阻。,P162,：,有源線性網(wǎng)絡(luò)中存在的電抗性元件的容抗,與電容值,C,有關(guān)，大小為1/C,如電容

6、值,C,足夠小,（極間,P65,、分布電容）,，,呈現(xiàn)出很大的容抗可忽略不計(jì)，開路。,如電容值,C,足夠大,（耦合、旁路電容）,，就,可認(rèn)為電容容抗可忽略不計(jì)，作短路處理。,?,一、輸入電阻、輸出電阻,P164,與參數(shù)、,R,L,有關(guān)。,1,、輸入電阻,R,i,對輸入信號源而言，放大器相當(dāng)于它的一個(gè)負(fù)載，,而這個(gè)等效負(fù)載電阻就是放大器輸入電阻,R,i,i,。,i,i,i,R,S,+,+,v,R,v,+,i,R,i,或,i,S,S,v,i,R,i,S,-,-,-,定義,R,?,v,i,i,i,i,(4-1-11),R,i,大小,表示放大器對輸入信號源的獲取程度。,左：,R,i,越大好，右：越小好

7、。,?,2,、輸出電阻,R,o,定義,1,對輸出負(fù)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,R,o,P164,：與參數(shù)、,R,S,有關(guān),。,i,i,o,o,v,ot,R,o,?,?,i,on,(4-1-13),R,o,+,v,ot,-,+,R,L,v,o,-,+,或,i,on,R,o,R,L,v,o,-,v,ot,：,負(fù)載開路時(shí),v,i,或,i,i,在電路輸出端產(chǎn)生的開路電壓。,i,on,：,負(fù)載短路時(shí),v,i,或,i,i,在電路輸出端產(chǎn)生的短路電流。,輸出電阻,R,o,計(jì)算：,R,S,+,v,S,-,P164,與參數(shù)、,R,S,有關(guān)。

8、,放,大,器,+,R,L,v,o,-,R,S,放,大,器,（,R,o,的定義）,i,+,v,-,（放大器一般框圖）,?,令負(fù)載,R,L,開路，在輸出端外加,v,，則產(chǎn)生電流,i,。,v,定義,2:,R,o,?,(4-1-12),i,R,o,大小,反映放大器受負(fù)載電阻,R,L,的影響程度。,?,令信號源為零,(v,s,=0,、,i,s,=0),，保留受控源,(,共,C,有,),。,電路，第五版，,2006.3.,?,P91,戴維寧定理：,R,o=,，,一端口中，全部獨(dú)立電源,為零,(v,s,=0,、,i,s,=0),，保留受控源后的等效輸入電阻。,P90,，齊性定理：,一端口中，,無,獨(dú)立電源，

9、端口,U,與,端口,I,成比例關(guān)系，且比值定義為端口等效電阻。,?,二、增益,A,（放大倍數(shù)）,1,、四種增益：,即放大器輸出信號變化量與輸入信號變化量的比值。,放大器的增益：,A,=,x,o,/,x,i,反映放大電路在輸入信號控制下，將電源能量轉(zhuǎn)換為輸,出信號能量的能力。,不同類型放大器輸入、輸出電量不同，故增益的含義不同。,其中,A,V,、,A,i,太大,常用,分貝（,dB,）表,示,電壓增益,?,20,lg,A,V,(,dB,),V,o,A,V,?,V,i,I,o,A,i,?,I,i,V,o,(,?,),A,r,?,I,i,(4-1-14),I,o,A,g,?,(,S,),V,i,電流增

10、益,?,20,lg,A,i,(,dB,),功率增益,?,10,lg,A,P,(,dB,),四種增益間可互相轉(zhuǎn)換。,?,v,i,?,i,i,?,R,i,，,v,o,?,?,i,o,?,R,L,(4-1-15),v,o,?,i,o,?,R,L,R,L,Av,?,?,?,?,Ai,v,i,i,i,?,R,i,R,i,(4-1-16),2,、負(fù)載開路,電壓,和短路的,電流,增益：,開路電壓增益：,A,vt,v,ot,?,v,i,R,S,v,S,-,+,+,v,i,R,i,-,R,o,+,R,L,v,ot,-,+,v,o,-,兩電壓增益關(guān)系：,R,L,v,o,?,v,ot,?,R,L,?,R,o,v,o

11、,v,ot,R,L,A,v,?,?,?,?,A,v,t,v,i,v,ot,v,i,R,L,?,R,o,v,o,(4-1-18),?,電壓放大器,R,O,越小，,R,L,對,A,v,影響越小，與,R,L,幾乎,大小無關(guān)。,問：要想減小負(fù)載的影響，則希望,？,?,電流放大器,i,on,短路電流增益：,A,in,?,i,i,i,i,i,on,i,S,i,o,兩電流增益關(guān)系：,R,o,i,o,?,i,on,?,R,L,?,R,o,i,o,i,on,i,o,R,o,A,i,?,?,?,?,A,in,?,i,i,i,i,i,on,R,L,?,R,o,i,R,S,R,i,R,o,R,L,(4-1-20),R

12、,O,越大，,R,L,對,A,i,影響越小，與,R,L,幾乎,大小無關(guān)。,問：要想減小負(fù)載的影響，則希望,？,?,例,1,：電壓放大器,在實(shí)驗(yàn)二中，,?,v,i,?,v,R,i,S,?,R,i,?,R,S,?,R,?,v,i,i,v,?,R,S,S,?,v,i,R,+,S,+,R,o,+,v,i,R,i,+,R,L,v,o,v,S,-,-,-,v,ot,-,?,v,L,o,?,v,ot,?,R,R,L,?,R,o,?,R,v,ot,o,?,(,v,?,1,),?,R,L,o,3,、源增益：,v,o,v,o,v,i,R,i,源電壓增益：,A,v,s,?,?,?,?,A,v,(4-1-21),v,

13、s,v,i,v,s,R,s,?,R,i,問：要想減小衰減，則希望,？,R,i,越大，,R,S,對,A,vs,影響越小。,源電流增益：,i,o,i,o,i,i,R,S,A,i,s,?,?,?,?,A,i,i,s,i,i,i,s,R,S,?,R,i,(4-1-22),問：要想減小對信號源的衰減，則希望,？,?,例,3,：互導(dǎo)放大器,?,例,4,：互阻放大器,i,o,A,g,?,互導(dǎo)增益：,v,i,v,o,互阻增益：,A,r,?,i,i,R,i,越小，,R,S,對,A,is,影響越小。,(,S,),(,?,),?,4,、小結(jié),?,P166,：小信號放大器四種電路模型,R,S,+,R,+,o,v,+,

14、v,i,R,i,+,S,v,R,L,v,o,-,-,-,ot,-,電壓放大器,i,o,R,S,+,i,on,v,+,v,i,R,i,R,o,R,L,S,-,-,互導(dǎo)放大器,i,i,i,o,on,i,i,i,S,R,S,R,i,R,R,L,o,i,電流放大器,i,i,i,R,+,R,o,S,R,S,i,+,v,R,L,v,o,-,ot,-,互阻放大器,P166,表,4-1-1,，對設(shè)計(jì)者的要求。,?,4,、小結(jié)：理想放大器性能特點(diǎn),1,、電壓放大器：,2,、電流放大器：,3,、互導(dǎo)放大器：,R,i,?,、,R,o,?,0,、,A,v,大且不隨,R,L,和信號源而變化。,R,i,?,R,s,，,R

15、,o,?,R,L,R,i,?,R,s,，,R,o,?,R,L,R,i,?,R,s,，,R,o,?,R,L,R,i,?,0,、,R,o,?,?,、,A,i,大且不隨,R,L,和信號源而變化。,R,i,?,、,R,o,?,、,A,g,大且不隨,R,L,和信號源而變化。,4,、互阻放大器：,R,i,?,R,s,，,R,o,?,R,L,R,i,?,0,、,R,o,?,0,、,A,r,大且不隨,R,L,和信號源而變化。,三、頻率響應(yīng),一般，放大器中含有電抗元件,(L,、,C),。在正弦信,號激勵(lì)下，不同頻率呈現(xiàn)不同的電抗。因而，放大,器的增益應(yīng)為頻率的復(fù)函數(shù)：,A,(,j,?,),?,A,(,?,),e

16、,j,?,A,(,?,),波特圖,放大器,幅頻特性曲線,，兩個(gè)截止頻率間，頻率范圍,從幾十,Hz,到幾千,MHz,，幅度放大倍數(shù)從幾倍到幾,十萬倍。如采用線性刻度，不太實(shí)際。,?,為縮短坐標(biāo)，擴(kuò)大視野，頻率,常采用,對數(shù)刻度，放,大倍數(shù)用對數(shù),20lg|A,V,|,，,相角,總在,0,360,之間，,仍用,線性,刻度。,?,這樣描繪出的頻率特性曲線,稱為,半（單）,對數(shù)頻,率特性曲線,或波特圖。,?,P167,圖,4-1-7,橫軸,波特圖的組成,對數(shù)幅頻特性,縱軸,lg,f,刻度,（單位,dB,）,20,lg,A,V,對數(shù)相頻特性,橫軸,縱軸,lg,f,刻度,?,幅頻特性曲線：,?,A,?,A

17、,(,f,),的關(guān)系曲線如后。,增益分貝值：,幅,A,(,f,)/dB,頻,特,A,A,I,I,性,2,0,f,相,(,對數(shù)刻度,f,H,f,/Hz,),頻,(,?,L,線性刻度,A,(,f,),),特,性,0,(,對數(shù)刻度,f,/Hz,),A,(,?,),dB,?,20,lg,A,(,?,),-3dB,(4-1-23),1,、通頻帶：,增益下降到,1,2,時(shí)，,A,I,對應(yīng)上限頻率,f,H,、,及下限頻率,f,L,。,BW,0,.,7,?,f,H,?,f,L,(4-1-24),幅頻特性曲線：,實(shí)際的信號,多個(gè)正弦波的疊加。,衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。,3dB,頻率點(diǎn)（半功率,3d

18、B,頻率點(diǎn)（半功率點(diǎn)）,點(diǎn)）,上限截,止頻率,下限截,止頻率,f,bW,=,f,H,-,f,L,2,、頻率響應(yīng)及帶寬（頻域指標(biāo)）,新問題,：如何避免頻率失真？,信號的帶寬,?,放大器的帶寬,低頻區(qū),當(dāng),f,H,?,f,L,時(shí),BW,0,.,7,?,f,H,20lg|,A,V,|/dB,60,中頻區(qū),高頻區(qū),3dB,若輸入,50kHz,的正弦波,40,是否會(huì)產(chǎn)生頻率失真？,20,0,2,20,f,L,帶寬,直流放大電路的幅頻響,應(yīng)與此有何區(qū)別？,普通音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng),2,?,10,2,2,?,10,3,2,?,10,4,f,H,f,/Hz,?,頻率特性的三個(gè)頻段：,中頻段：通頻帶以內(nèi)的

19、區(qū)域。,特點(diǎn)：,放大器的增益、相角均為常數(shù)，不隨,f,變化。,所有電抗影響均可忽略不計(jì)。,原因：,即極間、,分布,電容開路；耦合、旁路電容短路。,高頻段：,f f,H,的區(qū)域。,頻率增大，增益減小并產(chǎn)生附加相移。,特點(diǎn)：,極間,、,分布,電容容抗,?,?,分流,?,不能視為開路。,原因：,低頻段：,f f,L,的區(qū)域。,特點(diǎn)：,頻率減小，增益降低并產(chǎn)生附加相移。,原因：,耦、旁電容容抗,?,?,分壓,?,不能視為短路。,四、失真,放大器的失真，指輸出信號不能,真實(shí),重現(xiàn)輸入,信號波形的一種物理現(xiàn)象。,頻率失真,幅度失真,失真類型,線性失真,非線性失真,瞬變失真,相位失真,、頻率失真分,：,實(shí)際

20、輸入信號含有眾多頻率分量，當(dāng)通過放大器時(shí)：,1,幅度失真與相位失真。,若不同頻率信號呈現(xiàn)不同增益,若不同頻率信號呈現(xiàn)不同相角,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。,由于頻率失真由電容或電感這類線性電抗元件引起，故,稱線性失真,它和由三極管的非線性引起的失真不同。,一般，音頻放大器的頻率失真主要指幅度失真。,音視頻放大器的頻率失真則包括幅度失真與相位失真。,注意：,線性失真不產(chǎn)生新的頻率成份。,非,=,有,相位失真,：改變各頻率分量之間的相位關(guān)系。,幅度失真：上下,對信號的不同頻率成分增益,不同，產(chǎn)生的失真。,輸入信號,基波,?,t,O,?,I,相位失真：左右,對信號的

21、不同頻率成分相移,不同，產(chǎn)生的失真。,?,I,O,?,t,二次諧波,?,O,輸出信號,基波,A,V,=1,?,t,O,?,O,O,?,t,二次諧波,A,V,=2,?,2,、瞬變失真,指放大脈沖信號時(shí)，電抗元件上的電壓或電流不,能突變而引起的失真。如：輸入單位階躍電壓。,R,v,i,C,v,o,0.9,V,i,=,v,R,+,v,O,t,ms,+,v,i,-,C,+,v,o,-,+,v,o,-,1,0,v,i,R,ms,1,s,t,0.1,t,r,+,v,i,-,v,o,t,v,o,1,?,1,t,1,V,i,=,v,C,+,v,O,?,0,t,s,振蕩時(shí)，最大過沖量,t,?,3,、非線性失真,

22、三極管的非線性特性產(chǎn)生的失真，有新的頻率成份。,假設(shè)三極管基射間外加電壓,:,則,v,?,V,BEQ,v,?,V,m,sin,?,t,v,V,T,i,C,?,I,S,e,V,T,?,I,CQ,e,利用付氏級數(shù)展開得：,v,1,v,2,1,v,3,i,C,?,I,CQ,1,?,?,(,),?,(,),?,.,V,T,2,!,V,T,3,!,V,T,?,THD,?,U,?,U,?,?,U,1,2,2,2,3,?,I,0,?,I,1m,sin,?,t,?,I,2m,sin,2,?,t,?,.,?,I,nm,sin,n,?,t,.,非線性總失真系數(shù)：,THD,?,?,n,?,2,2,I,nm,?,?,

23、n,?,2,?,2,I,n,(4-1-26),有效值,I,1,m,I,1,（,1,）非線性失真系數(shù),THD,、,D,A,1,輸出波形中的基波幅值,A,2,，,A,3,，,諧波幅值,?,A,2,?,?,A,3,?,?,?,?,D,?,?,?,?,A,?,?,A,?,?,?,?,1,?,?,1,?,2,2,（,2,）,最大不失真輸出電壓,V,om,當(dāng)輸入電壓再增大就會(huì)使輸出波形產(chǎn)生非線性失真時(shí)的輸出電,壓。用有效值,V,om,或峰峰值,V,opp,表示。,V,opp,=2,V,om,（,3,）最大輸出功率,P,om,與效率,?,P,om,2.,效率：,直流電源能量的利用率。,?,?,P,v,1.,

24、最大輸出功率,P,om,例,2-7,電路如圖所示，已知,U,CC,?,12,V,R,b,1,?,180,k,?,R,e1,?,2,.,7,k,?,R,1,?,100,k,?,R,2,?,50,k,?,R,c,2,?,2,k,?,R,e,2,?,1,.,6,k,?,R,s,?,1,k,?,R,L,?,8,k,?,h,ie,1,?,h,ie,2,?,0,.,8,k,?,，,h,fe,1,?,h,fe,2,?,50,&,、,R,i,、,A,計(jì)算：,u,m,&,和,R,o,。,A,u,sm,35,例,2-7,解,:,圖中所示的兩級放大器第一級是射極跟,隨器，第二級是共射放大器。,(1),計(jì)算,R,i,

25、：,R,i,2,?,R,1,/,R,2,/,h,ie2,?,100,/,50,/,0,.,8,?,0,.,8,k,R,i,?,R,b1,/,?,h,ie,1,?,(,1,?,h,fe,1,),(,R,e,1,/,R,i,2,),?,?,180,/,0,.,8,?,(,1,?,50,),?,(,2,.,7,/,0,.,8,),?,27,.,4,k,36,例,2-7,?,?,(2),計(jì)算,A,u,m,和,A,u,sm,：,?,?,A,u,m,1,(,1,?,h,fe1,)(,R,e,1,/,R,i,2,),h,ie1,?,(,1,?,h,fe,1,)(,R,e,1,/,R,i,2,),51,?,(

26、,2,.,7,/,0,.,8,),?,?,0,.,975,0,.,8,?,51,?,(,2,.,7,/,0,.,8,),h,fe,2,(,R,c,2,/,R,L,),?,A,u,m,2,?,?,h,ie2,50,?,(,2,/,8,),?,?,?,?,100,0,.,8,?,?,1,而不必計(jì)算,),(,實(shí)際上,V,T,1,組成射隨器可以認(rèn)為,A,u,m,1,37,例,2-7,A,?,u,m,?,A,?,u,m,1,A,?,u,m,2,?,?,0,.,975,?,100,?,?,97,.,5,A,?,u,sm,?,R,i,R,A,?,27,.,4,u,m,?,?,(,?,97,.,5,),?,?,94,.,1,s,?,R,i,1,?,27,.,4,(3),計(jì)算,R,o,：,R,o,?,R,c,2,?,2,k,38,例,2-8,一兩級放大器的原理電路圖如圖所示,求,R,i,、,A,?,u,m,和,R,o,的表達(dá)式。,39,例,2-8,解,:,該電路的交流,通路如圖所示，,放大器為,CE-CB,組態(tài),由圖可知,R,i,?,U,i,I,i,?,h,ie1,?,?,U,?,U,?,?,?,h,R,A,u,m,1,o,1,i,fe,1,L1,h,ie,1,40,例,2-8,R,L,1,?,R,i2,?,h,ie2,(,1,?,h,fe,2,),?,?,