湖南大學(xué)電子線路課件4(放大器基礎(chǔ))

1、 放大器基本概念放大器基本概念 q放大器(Amplifier)是應(yīng)用最廣泛的一類電子線路。 它的功能是將輸入信號進行不失真地放大。 q根據(jù)被放大信號的不同特征，放大器分為 1.直流(DC)放大器：放大緩慢變化信號 2.音頻(Audio)放大器：放大語音信號 3.視頻(Video)放大器：放大圖像信號 4.脈沖(Pulse)放大器：放大脈沖信號 5.諧振(Resonance)放大器（或高頻放大器）：放大高頻載波 信號或已調(diào)制信號 q根據(jù)信號的強弱，放大器分為 q小信號（Small Signal）放大器 q大信號（Large Signal）放大器，后者主要作為功率 （Power）放大器。 4.1

2、放大器的基本概念 4.1.1放大的原理和實質(zhì) vs：欲放大的輸入信號電壓； VBB、 VCC ：偏置電壓； RL：負載電阻。 s v ssm sinvVt BEsBB vvV BBQbBQbm siniIiIIt CBBQbCQcm siniiIiIIt CECCCLCCCQLcmL sinvVi RVIRIRt cmLomo sinsinIRtVtv 只要RL足夠大，輸出信號電壓振幅Vom就可大于輸入信號電壓振 幅Vsm，實現(xiàn)放大功能 22 IBEBsmBBBQbm 00 BBBQsmbm 11 (sin) (sin) 22 1 2 Pvi d tVtVIIt d t VIV I 功率分析

3、22 DCCCCCCQcmCCCQ 00 11 (sin) 22 PVi d tVIIt d tVI 2 22 22 LCLCQcmL 00 2 CQLcmL 11 (sin) 22 1 2 Pi R d tIItR d t IRIR 2 CCCE 0 2 CQcmCCCQLcmL 0 22 CCCQCQLcmL 1 2 1 (sin)(sin) 2 1 2 Pi v d t IIt VIRIRt d t VIIRIR DLC PPP 放大器的本質(zhì)： VCC不僅保證晶體管工作在放大區(qū)，而且也是提供能量的 能源。 無信號時PL只是直流功率，加輸入信號后，PC減小，減小 部分恰好等于RL上取出的信

4、號功率。晶體管不產(chǎn)生輸出所 需功率，本身還消耗功率，它僅是能量轉(zhuǎn)換器，將直流電 源提供的功率部分地轉(zhuǎn)換為輸出信號功率，另一部分則消 耗在晶體管和電路元件中。 輸入信號功率僅僅是為了實現(xiàn)控制而消耗在輸入回路中， 它不會對輸出信號功率有所貢獻，且其值一般很小。 4.1.2 放大器的性能指標放大器的性能指標 當晶體管工作在放大模式且疊加在直流工作點上的信號幅 度很小時，晶體管可用小信號等效電路進行分析，將其看作有源 線性四端網(wǎng)絡(luò)。vs=isRs 一、輸入電阻、輸出電阻 Rivi / ii i R Lni(n+1) RR 若放大器的前面是另一級放大器，則該級輸入電阻是前一級的負載，即 等效信號源 如圖

5、所示，vot為將RL移 去后的輸出電壓；ion為 將RL短路的輸出電流， 則有： oonotRiv Ro是在獨立電壓源短路（vs0）或獨立電流源開路 （is0），保留信號源內(nèi)阻，由RL兩端向放大器看進去 的等效電阻 此時可定義Ro=v/i為放 大器的輸出電阻 二、二、 增益增益 q電壓增益： q電流增益： i o v v Av i o i i i A q 互導(dǎo)增益： q 互阻增益： i o g v i A i o r i v A 增益又稱放大倍數(shù)，定義為放大器輸出量對輸 入量的比值，用來衡量放大器放大電信號的能力。 Avvo / viioRL / (iiRi)AiRL / Ri q增益轉(zhuǎn)換：

6、源增益： 同理有負載短路時的電流增益： 負載開路，即RL開路時的電壓增益： i ot t v v Av 此時， L L t oRR R AAvv 此時， i on in i i A Lo o ini RR R AA is i s RR R AAvv 同理： is s iis RR R AA ，Ro/RL越小，Av越大 ，RL/Ro越小，Ai越大 ，Rs/Ri越小，Avs越大 ，Ri/Rs越小，Ais越大。 其中Rs為信號源內(nèi)阻。 不同類型放大器對不同類型放大器對Ri和和Ro的要求的要求 n在輸入端，為了有效地激勵放大器，且在Rs 變化時， 力求維持輸入量不變，則 輸入量為vi時，要求 Ri R

7、s，理想情況下，Ri 輸 入量為 ii 時，要求Ri Rs，理想情況下，Ri 0。 n在輸出端，為了將信號有效地傳送到輸出負載上，且 RL 變化時，力求輸出量維持不變，則 輸出量為 vo時，要求Ro RL，理想情況下，Ro 三、頻率響應(yīng)三、頻率響應(yīng) 具有電抗元件的放大器增益頻率的復(fù)函數(shù)： A j() (j )( )AAe A()和A()分別是增益的幅值和相角，稱為放大器的幅頻特性和相頻 特性，統(tǒng)稱放大器的頻率特性。用半對數(shù)坐標紙描繪的頻率特性又稱為放大器 波特圖 dB ( )20lg( )AA A()自中頻區(qū)增益AI下降到 倍（即0.707倍或3dB）所對應(yīng)的頻率分別稱為上 限頻率fH和下限頻

8、率fL，并將它們的差值稱為放大器的通頻帶BW0.7 BWff 0.7HL 12 四、四、 失真失真 放大器的失真是指其輸出信號不能重現(xiàn)輸入信號波形的一種 物理現(xiàn)象。 線性失真：指相對于輸入信號，輸出信號各頻率分量的相對 幅度和相位發(fā)生了變化，一般是由于放大器的頻率響應(yīng)引起的； 非線性失真：指相對于輸入信號，輸出信號中產(chǎn)生了新的頻 率分量，這是由于器件、電路的非線性引起的。 1、頻率失真、頻率失真 放大電路對不同頻率成分信號的相移不同，從而使輸出波形 產(chǎn)生的失真，稱為相位失真。幅度失真和相位失真是頻率失真。 因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同，從而使輸出波 形產(chǎn)生失真，稱為幅度失真。 2、瞬

9、變失真、瞬變失真 放大脈沖信號時，由于電抗元件上的電壓和電 流不能突變而引起輸出波形的失真稱為瞬變失真。 3、非線性失真、非線性失真 非線性失真：由半導(dǎo)體器件伏安特性非線性引起。 例如一個晶體管，當其基射極間加上正弦信號電壓v=Vmsint時， 由于伏安特性的非線性，輸出波形將會是非正弦的。該輸出波形 可分解為眾多頻率分量之和，即 非線性失真可用非線性失真系數(shù)THD來衡量： m n nm I I THD 1 2 2 iIItItIn t C1m2mnm 0 2sinsinsin n場效應(yīng)管三種基本組成電路： 4.2 基本放大器基本放大器 共源共源共漏共漏共柵共柵 一、共源放大器一、共源放大器

10、q 輸入電阻: q 輸出電阻 : i R ods Rr odsD /RrR q 電壓增益： o smoL i (/) vv v AAgRR v 4.2.1共源、共柵和共漏放大器性能共源、共柵和共漏放大器性能 共源放大電路如圖所示，已知N溝道EMOSFET的參數(shù) 為 ， ，設(shè) ， 。CG、 CD為 耦合電容，Cs為旁路電容，試求電路的輸入電阻，輸出電阻和電 壓增益。 GS(th) 2VV 2 nox /(2 )0.25mA/VC Wl0 DD 20VV G2 DD G1G2 80 208V 80 120 G R VV RR GSGDSD 84VVI RI 222 nox DGSGS(th)DD

11、()0.25 (842)(32) 2 C W IVVII l 舍去2.25mA，因此工作點電流為1mA。 管子跨導(dǎo) nox mDQ 21mS 2 C W gI l iG1G2 80 120 /48 80 120 RRRk odsDD /10RrRRk o moL i (/)5 v v AgRR v oi s ssi 48 5 0.0548 vvvv vR AAAA vRR 二、共柵放大器二、共柵放大器 小信號等效電路 q電流增益： q輸入電阻： q輸出電阻： 交流通路 sgim sgdsiLidsLm sg ds ()()vig vri Ri rRg v r LDL /RRR sg dsLi

12、i iim ds 1 v rRv R iig r i i im 1v R ig msgdsdsmds ()() sss vig vriRi rRg R r osmsds (1) v RRg R r i ooDD /RRRR A R RR i o oL oLL im ds idsL / (1) v RRR AAg r RrR q電壓增益： 三、共漏放大器三、共漏放大器 小信號等效電路 q電壓增益: q輸入電阻: q輸出電阻 : 交流通路 推導(dǎo)Ro的等效電路 Ri gsioomgsdsSL , (/)vvvvg vrRR mL mL 1 v g R A g R R v i rR gg odsS m

13、m / / / 11 四、小結(jié)四、小結(jié) 4.2.2 共射、共基和共集放大器的性能共射、共基和共集放大器的性能 一、共射放大器 1. 基本共射放大器 bei ibe bbbe ib vv Rrrr ii q輸入電阻： q 輸出電阻 : oce Rr oceC /RrR 電流增益可根據(jù)三電極間的電流關(guān)系直接寫出，由輸入電流ii=ib， 輸出電流io是負載RL與放大器輸出電阻對受控源的分流值 ooo im be ioLoL iRR Ag r iRRRR q電流增益： q電壓增益： ooLceCL ii bbbe (/)(/) v vRRrRR A vRrr 分析中若rbb忽略不計則 ceCL mce

14、CLmL bbbe (/) (/) v rRR AgrRRg R rr 提高gm（即增大ICQ），增大RL和RC，均可有效提高共發(fā)放大器 的電壓增益。極端情況下， RL近似開路時，則Avt -gmrce，其值 達到最大。 gIV mCQT /rVI ceACQ / t maxATv AVV i L i R R AAv 2.有源負載放大器 II CQ1CQ2 VVV CEQ1CCECQ2 CE1maxCCEC2(sat) VVV 當負載很大時，為了增加電壓增益，就要增加Rc,但大電阻在工藝上很難 實現(xiàn)。而且，Rc的增大會影響T1的靜態(tài)工作點，使之更靠近飽和區(qū)，影響管子 的動態(tài)范圍。 采用PNP型

15、三極管作負載，其直流電阻很小而交流電阻很大，符合要求； 而且ICQ直接受制于T2管（T2管相當于一個電流源），所以ICQ的熱穩(wěn)定性直接 取決于T2管的熱穩(wěn)定性。 A ce tm T 22 v Vr Ag V 3.發(fā)射極接電阻的共發(fā)放大器 若忽略rce，則通過RE的電流為b (1) i i iE bbbe i (1) v RrrR i oC i iCL iR A iRR CLLL i iEE bbbebbbe (/) (1)(1) v RRRR AA RrrRrrR E bbbe (1)Rrr 1 L E v R A R RR oC 若計入rce ，求輸入電阻 ebceL ()vii riR e

16、 b E v ii R ececeL e ceE 1 vrrR R irR ceL ibeeEE bbbe ceLE (1) / rR RrRRrrR rRR E b sbeE R ii RrR 若計入rce ，求輸出電阻 sbeEsbeEE bcece sbeEsbeEsbeE ()() ()() RrRRrRR vii riii ri RrRRrRRrR sE bbbeE oce sEsE bbbebbbe () (1) RrrR Rv Rr iRrrRRrrR oCoC /RRRR 二、共基放大器 交流通路求Ro的等效電路 bbbei i i 1 rr v R i A i i R RR

17、i o i C CL LL iCL i bbbebbbe (1) (/) v RR AARR Rrrrr 忽略 rbb，則 mLv Ag R s osbemsbecece sbe s oCceC sbe /1(/)(1) /(1) R RRrgRrrr Rr R RRrR Rr 三、共集放大器 i iE bbbe i (1) v RrrR i s bbbe o 1 rrR R s bbbe ooEE / 1 rrR RRRR s bbbe o 1 rrR R E i EL (1) R A RR LE i iE bbbe (1) (1) v RR AA RrrR 一、E/E和E/D MOS放大器

18、 4.2.3 集成集成MOS放大器放大器 2 =gmb2/gm2，其值在0.10.3之間 mnoxDQ 2gC WIl 1 2 2 1 1 v W l A W l T2飽和區(qū)條件：vGS2vGS(th)2 T2飽和區(qū)條件：vDS2vGS(th)2 二、CMOS放大器 1. 電流源負載CMOS放大器 T1T2飽和區(qū)條件：vGS1vGS(th)1，vDS1 vGS1vGS(th)1，vGS2 =VGGVDDVGS(th)2，vDS2 = vDS1VDD VBE(on)； 2 時,可忽略溫度和離散性的影響：IoIR Vcc/R，計及基 區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時，可修正： 當VBE(on)=m z1 zm稱為

19、零點；p1 pn 稱為極點，系統(tǒng)的特征根 4.6放大器的頻率響應(yīng)放大器的頻率響應(yīng) n m 0 a b A mm 1 mm 10 nn 1 nn 10 ( ) ( ) ( ) b sbsbY s A s X sa sasa 12m 0 12n ()()() ( ) ()()() szszsz A sA spspsp 極零點與那些不形成回路的電容和不形成割集的電感， 也即獨立電抗元件有關(guān)。一個獨立電抗元件對應(yīng)一對極 零點，當電抗元件在頻率趨向無窮時使系統(tǒng)產(chǎn)生零點， 即構(gòu)成無窮遠處零點，不反映在傳輸函數(shù)中。因此系統(tǒng) 中的極點數(shù)目等于電路中的獨立電抗元件數(shù)，有限值零 點的數(shù)目恒等于極點數(shù)目扣去無窮遠零

20、點數(shù)目。 系統(tǒng)頻率響應(yīng): s=j,則A(s)=A(j)即為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。 系統(tǒng)輸出響應(yīng)的時間函數(shù)： y(t)=L-1Y(s)=L-1A(s)X(s) 二、實數(shù)極零點的波特圖和漸近波特圖二、實數(shù)極零點的波特圖和漸近波特圖 常數(shù)因子 A1(s)=A(j)=A0，其值與頻率無關(guān)。 2. 極、零點在原點的因子 2(j ) jA 2( ) A 20lg 2 ( ) 2 3( ) 1A ss 3.一階因子 PP P 111 ( ) 1 A s s s 4 P 1 (j ) 1j A dB 2 4p 4p ( )20lg 1() ( )arctg(/) A 4 124 4 P時，A4()1或0dB； ()

21、0 或-3dB； (p) =-45 ()-90 =P時，A4(P)= P時，A4()P / 或 -20log /P(dB) ； 5 z ( )1 s A s 與一階極點因子比較，它們形狀類似，差別僅是一階零點 因子的幅頻特性為正斜率，相頻特性為正角度。 用折線逼近的波特圖，稱為漸近波特圖。 幅頻特性用兩條漸近線逼近：一條為零分貝水平線；一條為按 A4()=20log /P描述的直線，在半對數(shù)座標軸上這條直線的斜 率是 20dB / 10倍頻。這兩條直線在 =P上轉(zhuǎn)折。 相頻特性用三條漸近線逼近，一條是通過點(P，45)、且斜率 為45/10倍頻的直線；另兩條是0和90的水平線，它們 分別在 0

22、.1P和 10P處轉(zhuǎn)折。 例例1、試畫出 傳遞函數(shù)的漸近波特圖。 443 1010110110 ( )101010 100100 11001100 sss A s sss 4 10 ( )10 100 s A s s 傳遞函數(shù)的極零點位置對調(diào) 445 100100 11001100 ( )101010 1010110110 sss A s sss 三、中頻增益和上、下限頻率三、中頻增益和上、下限頻率 中頻增益 方法一：直接作出幅頻特性漸近波特圖，圖中最高幅值平坦部 分的值為中頻增益。 方法二：將傳遞函數(shù)直接分解成一極一零連乘形式，根據(jù)極零 點位置確定其具有低通或高通特性，若具有高通特性則令 ，

23、 若具有低通特性則令 ，再將各系數(shù)連乘即為中頻增益。 s 0s 例例2 試求傳遞函數(shù) 的中頻增益。 108 78 101 ( +2 10 ) ( ) (10)( +100)( +10 )( +10 ) s ss A s ssss （） 108 8 78 78 8 78 102 101 (1+) 2 10 ( ) 10 100 1010(1)(1)(1)(1) 101001010 21 (1+) 2 10 (1)(1)(1)(1) 101001010 s s s A s ssss s s s ssss （） （） 由幅頻特性可知中頻增益為66dB 法二：將傳遞函數(shù)寫成一極一零連乘積形式，該系統(tǒng)函

24、數(shù)有四個極 點，三個零點，即有一個無窮遠處零點。 8 10 78 1+2 101 ( )10 10+100+10+10 sss A s ssss 第一、二項具有高通特性，令 ， 第三、四項具有低通特性，令 ， s 0s 8 103 78 2 101 ( )101 12 10 1010 A s =66dB 2. 上、下限頻率 主極點：盡管系統(tǒng)有n個極點，且其中沒有重極點，只要其中有幾 個最低（指絕對值最?。┑臉O點比較靠近，它們與其它各極點 分隔較遠，則這幾個最低的極點就是系統(tǒng)的主極點，而其它的 都是非主極點。所謂“分隔較遠”，在工程上是指最低非主極 點角頻率高出主極點角頻率四倍以上。 H 22

25、p1p2 1 11 22 Lp1p2 1 n Hp 21 4.6.2 共源、共發(fā)放大器的頻率特性共源、共發(fā)放大器的頻率特性 一、一、密勒定理密勒定理 圖(a)為輸入輸出端跨接阻 抗Z(s)(或Y(s)=1/Z(s)的網(wǎng) 絡(luò)，它可以用圖(b)來等效: 1 1 2 2 1 ( )( )1( ) ( ) 11 ( )( )1 ( )( ) Y sY sA s Z s Y sY s ZsA s 其中A(s)=V2(s)/V1(s) 即Y(s)可以用分別并接在輸入輸出端的導(dǎo)納Y1(s)， Y2(s)來代替 二、共源放大器的頻率特性分析二、共源放大器的頻率特性分析 直觀上看：電路為兩極一零系統(tǒng) mL z

26、s 2 sLgsgdLgdsgdgsgdmL (1) () 1 v s g R A s R R C Cs R CR CCC g R LdsL /RrR zmgd gC 1 gd L sgsmL gss m 2 sgsLgsLgdgs 1 1(1) 111 p C R R Cg R CR g p R CR CR CC 在該系統(tǒng)中，一般p1p2，據(jù)主極點概念，兩極一零系統(tǒng)蛻化為單 極點系統(tǒng)，對于共源放大器的上限頻率求取即為主極點的求取。 Y1(s)sCgd 1A(s) mL oz igdL (1) ( ) ( ) ( )1+ s g R V s A s V ssC R 一般情況下極點遠小于零點，是

27、一個低通系統(tǒng)。若電路滿足下列 單向化近似條件： gm Cgd 且RL1/( Cgd) ，則A(s)簡化為 A(s) = gm L R Y1(s)sCgd(1+gm RL) Y1(s)sCM1 gm RL1 CM1gm RLCgd gs Lm gs gd gsM1gstf 1 DCRg C C CCCC gdgsmLTLgd 1 ()1DCCg RR C D為密勒倍增因子 omL stF s s ( ) ( ) ( )1 v V sg R As V ssRC 1 gd stF sgsmL gs 11 (1) p C R C R Cg R C H gd stF sgsmL gs 11 (1) C

28、R C R Cg R C 三、共發(fā)放大器的上限頻率分析三、共發(fā)放大器的上限頻率分析 CC C C g RDC tbe bc be mLbe 1 mLTLbc bcbe 1 ()1DCCg RR C s bebb ts bbbe s bbbe () ()/ rRr RRrr Rrr s bbbe H tts bbbebe ss bbbebbbeT ss bbbb 1 () () Rrr RCRrr DC RrrRrr RrDRrD L sI s bbbe v R A Rrr TL sIH s bb 2 v R GBWAf D Rr 1. rbb和Cbc小、而T高的晶體三極管fH和GBW大 ； 2. 要提高H，盡可能減小Rs(即輸入信號源接近恒壓源)。 3. 減少RL，則減少D，H相應(yīng)增大，但同時也使AvsI減少。 因此， RL的選擇應(yīng)兼顧H和AvsI的要求。 4.6.3 其它組態(tài)放大器的