第4章放大器基礎(chǔ)概述4.1放大器的基本概念4.2基本組態(tài)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)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。第4章放大器基礎(chǔ)

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)第4章放大器基礎(chǔ)放大器的作用就是將輸入信號進行不失真的放大。4.1放大器的基本概念

放大原理VIQtvBEOIBQtiBOtviICQtiCOVCEQtvCEOtvoO利用ib

對ic

的控制作用實現(xiàn)放大。+-iBviiCVCCRC+-+-VIQvo第4章放大器基礎(chǔ)

電源VCC提供的功率：

放大實質(zhì)

三極管集電極上的功率：

負載電阻RC上的功率：第4章放大器基礎(chǔ)注意：放大器放大信號的實質(zhì)：是利用三極管的正向受控作用，將電源VCC

提供的直流功率，部分地轉(zhuǎn)換為輸出功率。

電源VCC不僅要為三極管提供偏置，保證管子工作在放大區(qū)，同時還是整個電路的能源。電源提供的功率PD

除了轉(zhuǎn)換成負載上有用的輸出功率PL

外，其余均消耗在晶體三極管上(

PC

)。

三極管僅是一個換能器。第4章放大器基礎(chǔ)保證半導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。第4章放大器基礎(chǔ)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。第4章放大器基礎(chǔ)QiCtICQtvCEOVCEQibQ

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。QibibiCvCEOQ第4章放大器基礎(chǔ)O

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

點升高第4章放大器基礎(chǔ)(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則第4章放大器基礎(chǔ)

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

減小第4章放大器基礎(chǔ)

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。VDDTSRG1RG2RDRSGID第4章放大器基礎(chǔ)(2)自偏置電路

Q

點估算：

電路特點：故自偏置電路只適合于結(jié)型、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。第4章放大器基礎(chǔ)(3)零偏置電路

Q

點估算：

電路特點：由于VGS=0，故零偏置電路一般適合耗盡型MOS管。VDDSRGRDGID由于RS=0，故該電路不具有穩(wěn)定Q

點的功能。第4章放大器基礎(chǔ)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、第4章放大器基礎(chǔ)4.2.1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。第4章放大器基礎(chǔ)

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。第4章放大器基礎(chǔ)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。第4章放大器基礎(chǔ)

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互導放大器RoRLionioRoRLvot+-+-voRSRiiSii互阻放大器第4章放大器基礎(chǔ)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。第4章放大器基礎(chǔ)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。互導放大器互導增益：互阻放大器互阻增益：第4章放大器基礎(chǔ)

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?；Х糯笃鳎篟i、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。第4章放大器基礎(chǔ)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第4章放大器基礎(chǔ)4.2.2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)為頻率的復函數(shù)：第4章放大器基礎(chǔ)

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。AIAI2fHfL第4章放大器基礎(chǔ)

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。第4章放大器基礎(chǔ)

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。第4章放大器基礎(chǔ)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+vitOvott1vot1第4章放大器基礎(chǔ)

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)：第4章放大器基礎(chǔ)根據(jù)場效應(yīng)管(三極管)在放大器中的不同接法，放大器分為三種基本組態(tài)。4.2基本組態(tài)放大器第4章放大器基礎(chǔ)(共柵)T+-+-VDDRDvivo+-+-VDDRDvivoT(共源)T+-+-VDDRSvivo(共漏)4.2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。第4章放大器基礎(chǔ)

共源放大器4.2.1

共源、共柵和共漏放大器的性能VDDRDRG1RG2RS直流通路第4章放大器基礎(chǔ)RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路VDDRDRG1vs+-RL+-voRG2RSCSRS+++C1C2

共柵極放大器VCCRDRG1RG2RS直流通路第4章放大器基礎(chǔ)RG1vs+-RL+-voRG2RSCGRSC1C2VDDRD交流通路vs+-RL+-voRSRSRD

共集電極放大器VCCRG1RG2RS直流通路第4章放大器基礎(chǔ)交流通路RSRG1vs+-RL+-voRG2RSVCCRG1vs+-RL+-voRG2RSRS++C1C2

共源放大器4.2.1

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+-virdsgsRiRo第4章放大器基礎(chǔ)RDRGvs+-RL+-voRS+-vi

接RS

的共源放大器不變經(jīng)推導則增大減小第4章放大器基礎(chǔ)RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSgmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRo

共柵放大器vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因為所以而第4章放大器基礎(chǔ)vs+-RL+-voRSRSRDvi+-

共漏放大器經(jīng)推導第4章放大器基礎(chǔ)RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgssFET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RiRoAv第4章放大器基礎(chǔ)RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSvs+-RL+-voRSRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viRS

共發(fā)射極放大器4.2.2

三種組態(tài)放大器的實際電路VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章放大器基礎(chǔ)RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2

共基極放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章放大器基礎(chǔ)RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC

共集電極放大器VCCRB1RB2RE直流通路第4章放大器基礎(chǔ)交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RSVCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2

共發(fā)電路性能分析4.2.2

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+-virceib第4章放大器基礎(chǔ)RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi

共發(fā)電路電流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe第4章放大器基礎(chǔ)短路電流增益

共發(fā)電路電壓增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce開路電壓增益源電壓增益第4章放大器基礎(chǔ)1)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)電路特點第4章放大器基礎(chǔ)

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)Ri第4章放大器基礎(chǔ)vs+-RL+-voRERSRCvi+-

共基電路輸出電阻

共基電路電流增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

短路電流增益第4章放大器基礎(chǔ)

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。第4章放大器基礎(chǔ)

考慮rce

時共基電路輸人電阻vs+-RL//RC+-voRERSrbegmveb+-vibecrce則第4章放大器基礎(chǔ)ioiiRi

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//RE第4章放大器基礎(chǔ)

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)第4章放大器基礎(chǔ)RERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-Ri

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)第4章放大器基礎(chǔ)rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-

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其中第4章放大器基礎(chǔ)rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-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RiRoAvAin第4章放大器基礎(chǔ)RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi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。第4章放大器基礎(chǔ)

共發(fā)-共基組合放大器4.2.3

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。

組合放大器第4章放大器基礎(chǔ)vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2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。

共集-共發(fā)組合放大器利用共發(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。第4章放大器基礎(chǔ)vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2

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)第4章放大器基礎(chǔ)vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2

接RE

的共發(fā)放大器其中第4章放大器基礎(chǔ)rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(微變等效電路)RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)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放大器。

由于RE

的負反饋作用，不僅增益穩(wěn)定性提高，而且且還便于集成化。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。第4章放大器基礎(chǔ)

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其中等效為第4章放大器基礎(chǔ)4.2.4

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型但溝道互補第4章放大器基礎(chǔ)

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

gmu2vus2

等效為電阻：1/gmu2即，第4章放大器基礎(chǔ)交流通路+-vo+viT2T1-g2s2g1s1gm1vgs1+-vo+-virds1g1s1rds2gm2vgs2gmu2vus2微變等效電路電壓增益：其中2=0.1~0.3由于MOS管跨導所以(小于10倍)第4章放大器基礎(chǔ)gm1vgs1+-vo+-virds1g1s1rds2gm21gmu21簡化等效電路

E/DMOS放大器要求兩管工作在飽和區(qū)：由于vgs2=0

，因此受控源

gm2vgs2

開路。因gmu2vus2=-gmu2vo

，則受控源

gmu2vus2

等效為電阻：1/gmu2，即VDD+-vo+viT2T1-VDD簡化等效電路(幾十倍)第4章放大器基礎(chǔ)vogm1vgs1+-+-virds1g1s1rds2gmu21

CMOS放大器結(jié)構(gòu)特點：兩增強型MOS