模電 第4章-放大器基礎(chǔ)

4.2放大器的性能指標(biāo)4.4差分放大器4.3基本組態(tài)放大器4.7放大器的頻率響應(yīng)4.1偏置電路和耦合方式第4章放大器基礎(chǔ)4.5電流源電路及其應(yīng)用4.6集成運(yùn)算放大器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(jìn)行不失真的放大。2按信號強(qiáng)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(fù)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(fù)載進(jìn)行連接。將輸入信號源與放大器輸入端進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)，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(dāng)環(huán)境溫度等因素變化時，能穩(wěn)定電路的Q

點(diǎn)。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(diǎn)發(fā)生變化。當(dāng)Q點(diǎn)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(diǎn)在中點(diǎn)，動態(tài)范圍最大，輸出波形不易失真。Q點(diǎn)波動對輸出波形的影響：Q點(diǎn)升高，不失真動態(tài)范圍減小，輸出易飽和失真。Q點(diǎn)降低，不失真動態(tài)范圍減小，輸出易截止失真。QibibiCvCEOQ6三極管偏置電路(1)簡單偏置電路VCCRCRBIBIC

Q

點(diǎn)估算：

電路優(yōu)點(diǎn)：Q點(diǎn)設(shè)置方便，計(jì)算簡單。

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

Q

點(diǎn)估算：

電路優(yōu)點(diǎn)：T

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

VEQ(=ICQRE)VBEQ(=VBQ-

VEQ)IBQICQ假設(shè)I1>>IBQ則8

存在問題：工程規(guī)定：VCCRCRB1IBQI1RB2RECERE越大VBEQ越大Q點(diǎn)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工程規(guī)定：I1=(5~10)IBQ則VBQ不穩(wěn)定RB1、RB2過小放大器Ri

減小94.1.2耦合方式放大器與信號源、放大器與負(fù)載、以及放大器級與級之間的連接方式稱耦合方式。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(shí)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。10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(diǎn)正常設(shè)置，且各級Q點(diǎn)相互獨(dú)立。交流工作時：由于CB、CC較大，在信號頻率上近似看作因此，CB、CC的接入不會影響信號的正常傳輸。電路缺點(diǎn)：體積大，不易集成。短路。11直接耦合VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn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(diǎn)：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(diǎn)漂移問題。12級間直流電平配置問題一

VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn結(jié)果：T1管Q點(diǎn)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(kuò)大前級動態(tài)范圍。解決方法：13級間直流電平配置問題二VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn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VBQ3ICQ3VCEQ3輸出動態(tài)范圍14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(diǎn)，將直流電平下移，擴(kuò)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=VCQ115零點(diǎn)漂移問題零點(diǎn)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(diǎn)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)?VCEQn+

AvnV)當(dāng)漂移嚴(yán)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。16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(diǎn)及足夠的放大倍數(shù)。17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(biāo)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(biāo)有：增益A。輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、184.2.1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(dāng)于它的一個負(fù)載，而這個等效負(fù)載電阻就是放大器輸入電阻Ri?；騌SRivS+-+-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。19輸出電阻對輸出負(fù)載而言(根據(jù)戴維南定理和諾頓定理)，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(fù)載開路時vi或ii在電路輸出端產(chǎn)生的開路電壓。ion：負(fù)載短路時vi

或

ii

在電路輸出端產(chǎn)生的短路電流。20輸出電阻Ro

計(jì)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(fù)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(fù)載電阻RL的影響程度。21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22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。23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：24理想放大器性能特點(diǎn)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?；?dǎo)放大器：Ri、Ro、Ag

大且不隨RL和信號源而變化?；プ璺糯笃鳎篟i0、Ro0、Ar

大且不隨RL和信號源而變化。25多級放大器可拆分成單級電路進(jìn)行分析：將后級輸入電阻作為前級的負(fù)載電阻。

多級放大器

RLvS+-voRS+-A1vi+-A2將前級帶負(fù)載后的輸出電壓作為后級輸入電壓。Ri2+-+-vo1=vi2264.2.2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)：27

波特圖在半對數(shù)坐標(biāo)紙上描繪的頻率特性曲線即波特圖。Of/HzA(f)Of/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。AIAI2fHfL28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(diǎn)：原因：所有電抗影響均可忽略不計(jì)。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(diǎn)：原因：極間電容容抗分流不能視為開路。即極間電容開路、耦合和旁路電容短路。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(diǎn)：原因：耦、旁電容容抗分壓不能視為短路。29

幅度失真與相位失真實(shí)際輸入信號含有眾多頻率分量，當(dāng)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)生新的頻率成份。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。30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+vitOvott1vot131

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)：32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(diǎn)。注意：2)由交流通路畫出小信號等效電路，并進(jìn)行分析。33共發(fā)射極放大器4.3.1三種組態(tài)放大器的實(shí)際電路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2VCCRCRB1RB2RE直流通路RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路34共基極放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC35共集電極放大器VCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2VCCRB1RB2RE直流通路交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RS36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RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi畫交流等效電路共發(fā)電路輸入、輸出電阻故rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib37共發(fā)電路電流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe短路電流增益38共發(fā)電路電壓增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce開路電壓增益源電壓增益391)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(fù)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(diǎn)3)輸入電阻、輸出電阻適中。40共基電路性能分析畫交流等效電路(忽略rce

影響)

共基電路輸入電阻vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibecii因此(小)Rivs+-RL+-voRERSRCvi+-41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42共基電路電壓增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibec共基電路特點(diǎn)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。43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+-vRERSRCrbegmvebberceiiRoRS=RS//RE44共集電路性能分析畫交流等效電路共集電路輸入電阻(忽略rce)因此(大)RiRERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-45共集電路輸出電阻rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-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)46

共集電路電流增益(忽略rce)rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-短路電流增益

共集電路電壓增益(忽略rce)<1其中47三種組態(tài)電路性能比較RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi小大小大大小大大1大中中共發(fā)共基共集RiRoAvAin48三種組態(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(diǎn)，常作多級放大器輸入級，提高整個電路的Ri

。利用Ro

低的特點(diǎn)，常作多級放大器輸出級，提高整個電路的帶負(fù)載能力。利用Ri

高、Ro

低的特點(diǎn)，常作緩沖級(隔離級)，以提高前級電路的增益。49共發(fā)-共基組合放大器4.3.3改進(jìn)型放大器三種基本組態(tài)放大器的性能特點(diǎn)各不相同，若將它們適當(dāng)組合，可使放大器的性能更接近理想化。組合放大器vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T250共集-共發(fā)組合放大器利用共發(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。vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2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。51共集-共基組合放大器vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2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)52接RE

的共發(fā)放大器RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(交流等效電路)53共發(fā)電路射極接電阻RE后：由于RE的負(fù)反饋?zhàn)饔?，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(fù)反饋?zhàn)饔?，不僅增益穩(wěn)定性提高，而且且還便于集成化。當(dāng)RL時，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。此時，Avt近似等于兩電阻的比值，與三極管參數(shù)無關(guān)。54采用有源負(fù)載的共發(fā)放大器解決方法：用恒流源(有源負(fù)載)取代電阻

RC。恒流源特點(diǎn)：直流電阻小，交流電阻大。RLvoviVCCR1R2RET1T2RLvoviVCCT1ICQ其中等效為55差分放大器具有抑制零點(diǎn)漂移的作用，廣泛用于集成電路的輸入級，是另一類基本放大器。4.4差分放大器4.4.1電路結(jié)構(gòu)由兩完全對稱的共發(fā)電路，經(jīng)發(fā)射極電阻REE

耦合而成。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLT1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL采用正負(fù)雙電源供電：VCC=|VEE|。具有兩種輸出方式：雙端輸出、單端輸出。56T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL由于電路采用正負(fù)雙電源供電，則VBQ1

=

VBQ2

0估算電路Q

點(diǎn)T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，畫出電路直流通路。因此57差模信號和共模信號4.4.2電路性能特點(diǎn)差模信號：指大小相等、極性相反的信號。表示為

vi1=-vi2=vid/2差模輸入電壓vid=vi1-

vi2

共模信號：指大小相等、極性相同的信號。表示為

vi1=vi2=vic共模輸入電壓vic=(vi1+vi2)/2任意信號：均可分解為一對差模信號與一對共模信號之代數(shù)和。vi1=vic+vid/2vi1=vic-

vid/2即58差放半電路分析法因電路兩邊完全對稱，因此差放分析的關(guān)鍵，就是如何在差模輸入與共模輸入時，分別畫出半電路交流通路。在此基礎(chǔ)上分析電路各項(xiàng)性能指標(biāo)。分析步驟：差模分析畫半電路差模交流通路計(jì)算Avd（Avd1或Avd2）、Rid、Rod（Rod1或Rod2）。

共模分析畫半電路共模交流通路計(jì)算Avc（Avc1或Avc2）、KCMR、Ric。根據(jù)需要計(jì)算輸出電壓雙端輸出：

計(jì)算vo。單端輸出：

計(jì)算vo1、

vo2。59差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL雙端輸出電路REE

對差模視為短路。iC2=ICQ-

iciC1=ICQ+ic因IEE=iC1+iC2=2ICQ(不變)故RL

中點(diǎn)視為交流地電位，即每管負(fù)載為RL/2。直流電源短路接地。RC+-vod1+-vid1RL2T1半電路差模交流通路1)半電路差模交流通路注意：關(guān)鍵在于對公共器件的處理。602)差模性能指標(biāo)分析差模輸入電阻差模輸出電阻差模電壓增益注意：電路采用了成倍元件，但電壓增益并沒有得到提高。半電路差模交流通路

RC+-vod1+-vid1RL2T1iid61單端輸出電路與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對RL的處理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不變減小減小RC+-vod1=

vod+-vid1RLT1iid半電路差模交流通路62共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL雙端輸出電路每管發(fā)射極接2REE。iC2=ICQ+iciC1=ICQ+ic因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2ic則RL

對共模視為開路。直流電源短路接地。1)半電路共模交流通路因此REE

上的共模電壓：2icREE因?yàn)榱鬟^RL的共模電流為0。半電路共模交流通路

RC+-voc1+-vic1=vicT12REE632)共模性能指標(biāo)分析共模輸入電阻共模輸出電阻共模電壓增益電路特點(diǎn)半電路共模交流通路

RC+-voc1+-vic1=vicT12REE無意義雙端輸出電路利用對稱性抑制共模信號。利用對稱性抑制共模信號(溫漂)原理：64單端輸出電路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL與雙端輸出電路的區(qū)別：僅在于對RL的處理上。不變半電路共模交流通路

RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL65單端輸出電路特點(diǎn)單端輸出電路利用REE的負(fù)反饋?zhàn)饔靡种乒材Ｐ盘?。利用REE

抑制共模信號原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL一般射極電阻REE取值較大因此很小。結(jié)論無論電路采用何種輸出方式，差放都具有放大差模信號、抑制共模信號的能力。66差放性能指標(biāo)—?dú)w納總結(jié)

Rid

與電路輸入、輸出方式無關(guān)。

Rod

僅與電路輸出方式有關(guān)。

Avd

僅與電路輸出方式有關(guān)。

Avc僅與電路輸出方式有關(guān)。雙端輸出單端輸出雙端輸出單端輸出雙端輸出單端輸出其中其中其中67共模抑制比

KCMR

是用來衡量差分放大器對共模信號抑制能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其值越大越好。

定義雙端輸出電路單端輸出電路提高IEE(即增大gm)、增大REE提高KCMR68普通差放存在的問題：采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零點(diǎn)漂移能力但I(xiàn)EEQ點(diǎn)降低輸出動態(tài)范圍T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大69雙端輸出時單端輸出時

任意輸入時，輸出信號的計(jì)算其中其中70例：圖示電路，已知=100，vi=20sint(mV)，求vo。解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k10k10k(12V)(-12V)(1)分析Q點(diǎn)(2)分析Avd2、Avc2由于則(3)計(jì)算vo由于則714.5電流源電路及其應(yīng)用直流狀態(tài)工作時，可提供恒定的輸