第4章放大器基礎概述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電流源電路及其應用4.6集成運算放大器4.7放大器的頻率響應概述在廣播、通信、自動控制、電子測量等各種電子設備中，放大器是必不可少的組成部分。放大器是應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章放大器基礎按信號強弱分：小信號放大器大信號放大器按電路結構分：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4.1偏置電路和耦合方式4.1.1偏置電路設置靜態(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結正偏、C結反偏。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QiCtICQtvCEOVCEQibQ點在中點，，動態(tài)范圍圍最大，輸輸出波形不不易失真。。Q點波動對輸出波形的影響：Q點升高，不不失真動態(tài)態(tài)范圍減小小，輸出易易飽和失真真。Q點降低，不不失真動態(tài)態(tài)范圍減小小，輸出易易截止失真真。QibibiCvCEOQ第4章章放大器器基礎O三極管偏置電路(1)固定偏流電電路VCCRCRBIBICQ點估算：電路優(yōu)點：：Q點設置方便便，計算簡簡單。電路缺點：：不具有穩(wěn)定定Q點的功能。。T時、ICBO、VBE(on)ICQQ點升高第4章章放大器器基礎(2)分壓偏置電電路Q點估算：電路優(yōu)點：：TICQVCCRCRB1IBQI1RB2RECE(固定)具有穩(wěn)定Q點的功能。。VEQ(=ICQRE)VBEQ(=VBQ-VEQ)IBQICQ假設I1>>IBQ則第4章章放大器器基礎存在問題：：工程上，常常選用：VCCRCRB1IBQI1RB2RECERE越大VBEQ越大Q點越穩(wěn)定VCEQ越小輸出動動態(tài)范圍越越小VEQ=0.2VCC或VEQ=1~3VRB1、RB2過大不滿足I1>>IBQ工程上，常選用用：I1=(5~10)IBQ則VBQ不穩(wěn)定RB1、RB2過小放大器器Ri減小第4章章放大器器基礎場效應管偏置電路(1)分壓偏置電電路Q點估算：電路特點：：分壓偏置電電路不僅適適用于三極極管，同時時適用于各各種類型的的場效應管管。VDDTSRG1RG2RDRSGID第4章章放大器器基礎(2)自偏置電路路Q點估算：電路特點：：故自偏置電電路只適合合于耗盡型型場效應管管。VDDSRGRDRSGID由于VDS與VGS極性始終相相反，例如，JFET、DMOS管管。第4章章放大器器基礎(3)零偏置電路路Q點估算：電路特點：：由于VGS=0，故零偏置置電路只適適合耗盡型型MOS管。VDDSRGRDGID由于RS=0，故該電路路不具有穩(wěn)穩(wěn)定Q點的功能。。第4章章放大器器基礎4.1.2耦合合方式放大器與信號源、、放大器與負載以以及放大器級與級級之間的連接方式式稱為耦合方式。。交流信號正常傳輸輸。為保證交流信號正正常傳輸、不失真真放大，耦合方式式必須保證：盡量減小有用信號號在傳輸過程中的的損失。實際電路常采用兩兩種耦合方式：集成電路中廣泛采采用的一種耦合方方式——直接耦合。具有隔直流作用的的耦合方式——電容耦合、變壓器器耦合。第4章放大大器基礎電容耦合VCCR3R1R2R4RSvS+--+CBviT1+R7R5R6R8CCT2+直流工作時：由于CB、CC具有隔直流作用，，因此信號源不影響響放大器Q點正常設置，且各各級Q點相互獨立。交流工作時：由于CB較大，在信號頻率率上近似看作短路路。因此，CB的接入不會影響信信號的正常傳輸。。電路缺點：體積大，不易集成成。第4章放大大器基礎直接耦合各級之間不經(jīng)過任任何元件直接相連連。直接耦合方式：電路優(yōu)點：頻率特性好，便于于集成。存在問題：級間直流電平配置問題。零點漂移問題。第4章放大大器基礎VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn級間直流電平配置置問題一結果：T1管Q點靠近飽和區(qū)，輸輸出易出現(xiàn)失真。。由圖若RE2=0，后級接入RE，擴大前級動態(tài)范范圍。解決方法：第4章放大大器基礎VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn級間直流電平配置置問題二工作在放大模式時時：加電平位移電路解決方法：由圖越往后級VBQ3ICQ3VCEQ3輸出動態(tài)范圍第4章放大大器基礎VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn采用PNP管管的電平位移電路路：利用NPN管管與PNP管管電位極性相反的的特點，將直流電電平下移，擴大后后級的輸出動態(tài)范范圍。VCCRC2RET2RC1T1RB+--+VBQ1VCQ2+-VCQ1VCQ1>VBQ1放大模式NPN管放大模式PNP管VCQ2<VBQ2=VCQ1第4章放大大器基礎零點漂移問題零點漂移：指vi=0時，輸出端靜態(tài)電電壓的波動。第一級采用低溫漂漂的差分放大器。。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：假設直接耦合放大器原原輸出端靜態(tài)電壓壓為VCEQn，V經(jīng)后級逐級放大輸出靜態(tài)電壓壓變?yōu)?VCEQn+AvnV)當漂移嚴重即V較大時，溫漂信號號有可能淹沒有用用信號，使電路喪喪失對有用信號的的放大能力。電容耦合放大器由由于電容的隔直作作用，溫漂很小，，可忽略。第4章放大大器基礎放大器的組成原則則：直流偏置電路(即直流通路)要保證器件工作在在放大模式。交流通路要保證信信號能正常傳輸，，即有輸入信號vi時，應有vo輸出。判斷一個電路是否否具有放大作用，，關鍵就是看它的的直流通路與交流流通路是否合理。。若有任何一部分分不合理，則該電電路就不具有放大大作用。元件參數(shù)的選擇要要保證信號能不失失真地放大，即電電路需提供合適的Q點及足夠的放大倍倍數(shù)。第4章放大大器基礎就信號而言，各種種小信號放大器均均可統(tǒng)一表示為有有源線性四端網(wǎng)絡絡：4.2放大器的的性能指標線性有源四端網(wǎng)絡RSRLvS+-+-viiiiovo+-RiRo反映放大器性能的的主要指標有：增益A。輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、第4章放大大器基礎4.2.1輸入入電阻、輸出電阻阻、增益輸入電阻對輸入信號源而言言，放大器相當于于它的一個負載，，而這個等效負載載電阻就是放大器器輸入電阻Ri。或RSRivS+-+-viiiRSRiiS+-viii定義上式中，Ri表示本級電路對輸輸入信號源的影響響程度。第4章放大大器基礎輸出電阻對輸出負載而言(根據(jù)戴維寧定理理和諾頓定理)，，任何放大器器均可看作作它的信號號源，該信信號源內阻阻即放大器器輸出電阻阻Ro?；騌oRLvot+-+-voioRoRLion+-voiovot：負載開路時時vi或ii在電路輸出出端產(chǎn)生的的開路電壓壓。ion：負載短路時時vi或ii在電路輸出出端產(chǎn)生的的短路電流流。第4章章放大器器基礎輸出電阻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)令負載電阻阻RL開路，信號號源為零。。在輸出端外外加電壓v，則產(chǎn)生電流流i。定義Ro反映放大器器受負載電電阻RL的影響程度度。第4章章放大器器基礎小信號放大大器四種電電路模型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章章放大器器基礎放大器的增增益：增益(放大倍數(shù))不同類型放放大器輸入入、輸出電電量不同，，故增益的的含義不同同。即放大器輸輸出信號變變化量與輸輸入信號變變化量的比比值。A=xo/xi電壓放大器器RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo電壓增益：：開路電壓增增益：源電壓增益益：Ro越小，RL對Av影響越小。。Ri越大，RS對Avs影響越小。。第4章章放大器器基礎電流放大器器電流增益：：短路電流增增益：源電流增益益：RoRLionioRSRiiSiiRi越小，RS對Ais影響越小。。Ro越大，RL對Ai影響越小。。互導放大器器互導增益：：互阻放大器器互阻增益：：第4章章放大器器基礎理想放大器器性能特點點電壓放大器器：Ri0、Ro、Ai大且不隨RL和信號源而而變化。電流放大器器：Ri、Ro0、Av大且不隨RL和信號源而而變化?；Х糯笃髌鳎篟i、Ro、Ag大且不隨RL和信號源而而變化。互阻放大器器：Ri0、Ro0、Ar大且不隨RL和信號源而而變化。第4章章放大器器基礎多級放大器器可拆分成成單級電路路進行分析析：將后級輸入入電阻作為為前級的負負載電阻。。多級放大器器RLvS+-voRS+-A1vi+-A2將前級帶負負載后的輸輸出電壓作作為后級輸輸入電壓。。Ri2+-+-vo1=vi2第4章章放大器器基礎4.2.2放大器器的失真頻率失真放大器的失失真是指輸輸出信號不不能重現(xiàn)輸輸入信號波波形的一種種物理現(xiàn)象象。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，，放大器中中含有電抗抗元件。在在正弦信號號激勵下，，不同頻率率呈現(xiàn)不同同電抗，因因而放大器器增益應為為頻率的復復函數(shù)：第4章章放大器器基礎波特圖在半對數(shù)坐坐標紙上描描繪的頻率率特性曲線線即波特圖圖。Of/HzA(f)/dBOf/HzA(f)幅頻特性相頻特性(對數(shù)刻度度)(對數(shù)刻度度)(線性刻度度)(線性刻度度)增益分貝值值：通頻帶：對應上限頻頻率fH及下限頻率率fL。AIAI2fHfL第4章章放大器器基礎頻率特性的的三個頻段段中頻段：通通頻帶以內內的區(qū)域。。放大器的增增益、相角角均為常數(shù)數(shù)，不隨f變化。特點：原因：所有電抗影影響均可忽忽略不計。。高頻段：f>fH的區(qū)域。頻率增大，，增益減小小并產(chǎn)生附附加相移。。特點：原因：極間電容容容抗分流不能視為開開路。即極間電容容開路、耦耦合旁路電電容短路。。低頻段：f<fL的區(qū)域。頻率減小，，增益降低低并產(chǎn)生附附加相移。。特點：原因：耦、旁電容容容抗分壓不能視為短短路。第4章章放大器器基礎幅度失真與與相位失真真實際輸入信信號含有眾眾多頻率分分量，當通通過放大器器時：若不同頻率率信號呈現(xiàn)現(xiàn)不同增益益幅度失真相位失真幅度失真與與相位失真真統(tǒng)稱放大大器的頻率率失真。若不同頻率率信號呈現(xiàn)現(xiàn)不同相角角由于頻率失失真由線性性電抗元件件引起，故故稱線性失失真。注意：線性失真不不產(chǎn)生新的的頻率成分分。一般音頻放放大器的頻頻率失真主主要指幅度度失真。視頻放大器器的頻率失失真則包括括幅度失真真與相位失失真。第4章章放大器器基礎指放大脈沖沖信號時，，電抗元件件上的電壓壓或電流不不能突變而而引起的失失真。瞬變失真RC+-vi-vo+vit1Ovot0.10.9trRC+-vi-vo+vitOvott1vot1第4章章放大器器基礎非線性失真真非線性失真真由三極管管產(chǎn)生，它它產(chǎn)生了新新的頻率成成份。假設三極管管基射間外外加電壓：：則利用傅里葉葉級數(shù)展開開得：非線性失真真系數(shù)：第4章章放大器器基礎根據(jù)三極管管(場效應應管)在放放大器中的的不同接法法，放大器器分為三種種基本組態(tài)態(tài)。4.3基基本組態(tài)放放大器T+-+-VCCRCvivo(共發(fā))T+-+-VCCREvivo(共集)T+-+-VCCRCvivo(共基)無論何種組組態(tài)放大器器，分析方方法均相同同。1)由直流通通路確定電電路靜態(tài)工工作點。注意：2)由交流通通路畫出小小信號等效效電路，并并進行分析析。第4章章放大器器基礎共發(fā)射極放放大器4.3.1三種組態(tài)放放大器的實實際電路VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章章放大器器基礎RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2共基極放大大器VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章章放大器器基礎RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC共集電極放放大器VCCRB1RB2RE直流通路第4章章放大器器基礎交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RSVCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2共發(fā)電路性能能分析4.3.2共發(fā)、共基基和共集放放大器的性性能畫微變等效電路分析電路輸輸入、輸出出電阻故rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib第4章章放大器器基礎RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi共發(fā)電路電電流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe第4章章放大器器基礎短路電流增增益共發(fā)電路電電壓增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce開路電壓增增益源電壓增益益第4章章放大器器基礎1)既有電壓放放大作用、、又有電流流放大作用用。2)輸出電壓與與輸入電壓壓反相。共發(fā)電路提提供的最大大電壓增益益若采用有源源負載作為為RC，可使RC>>rce因此由于厄爾利電壓壓|VA|>>VT，因此共發(fā)電路路提供的Av很大，且其值與與靜態(tài)電流ICQ無關。共發(fā)電路特點第4章放放大器基礎共基電路性能分析析畫微變等效電路(忽略rce影響)共基電路輸入電電阻vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibecii因此(小)Ri第4章放放大器基礎vs+-RL+-voRERSRCvi+-共基電路輸出電電阻共基電路電流增增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

短路電流增益第4章放放大器基礎共基電路電壓增增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibec共基電路特點1)有電壓放大作作用、但無電流流放大作用。2)輸出電壓與輸輸入電壓同相。。3)輸入電阻低、、輸出電阻高。。第4章放放大器基礎考慮rce時共基電路輸出出電阻令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章放放大器基礎共集電路性能分析析畫微變等效電路共集電路輸入電阻阻(忽略rce)因此(大)第4章放放大器基礎RERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-Ri共集電路輸出電阻阻令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章放放大器基礎rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-共集電路電流增增益(忽略rce)短路電流增益共集電路電壓增益益(忽略rce)1其中第4章放放大器基礎rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-三種組態(tài)電路性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章放放大器基礎RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi三種組態(tài)電路的的應用共發(fā)放大器廣泛應用于多級級放大器提供增增益的增益級中中。共基放大器由于頻率特性好好，故常與共發(fā)發(fā)電路配合，組組成寬帶放大器器。共集放大器利用Ri高的特點，常作作多級放大器輸輸入級；利用Ro低的特點，常作作多級放大器輸輸出級，提高帶帶負載能力。利用Ri高、Ro低的特點，常常作緩沖級(隔離級)，，以提高前級電電路的增益。。第4章放放大器基礎礎共發(fā)-共基組合放大大器4.3.3改進型放大器器三種基本組態(tài)態(tài)放大器的性性能特點各不不相同，若將將它們適當組組合，可使放放大器的性能能更接近理想想化。組合放大器第4章放放大器基礎礎vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2共集-共發(fā)組合放大大器利用共發(fā)電路路增益高、共共基電路Ri低、Ro高的特性，使使共發(fā)-共基基組合電路更更接近理想的的電流放大器器。利用共發(fā)電路路增益高、共共集電路Ri高、Ro低的特性，使使共集-共發(fā)發(fā)組合電路更更接近理想的的電壓放大器器。第4章放放大器基礎礎vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2共集-共基組合放大大器由于則(假設兩管參參數(shù)相同)其中(假設兩管參參數(shù)相同)第4章放放大器基礎礎vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2接RE的共發(fā)放大器器其中第4章放放大器基礎礎rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(微變等效電路)RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)共發(fā)電路射極極接電阻RE后：由于RE的負反饋作用用，使Ri增大、Ro增大，放大器器更接近理想的的互導放大器器。由于RE的負反饋作用用，不僅增益益穩(wěn)定性提高高，而且且還便于集成成化。當RE時，此時，Avt近似等于兩電電阻的比值，，與三極管參參數(shù)無關。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章放放大器基礎礎采用有源負載載的共發(fā)放大大器解決方法：用用恒流源(有源負載)取代電阻RC。恒流源特點：：直流電阻小小，交流電阻阻大。RLvoviVCCR1R2RET1T2RLvoviVCCT1ICQ其中等效為第4章放放大器基礎礎共源放大器4.3.4共源、共柵和和共漏放大器器的性能場效應管電路路性能特點、、分析方法與與三極管放大大器相似。不不同之處僅在在于，F(xiàn)ET或場效晶晶體管的ig=0。gmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRo第4章放放大器基礎礎RDRGvs+-RL+-voRS+-vi接RS的共源放大器器不變經(jīng)推導則增大減小第4章放放大器基礎礎RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSgmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRo共柵放大器vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因為所以而第4章放放大器基礎礎vs+-RL+-voRSRSRDvi+-共漏放大器經(jīng)推導第4章放放大器基礎礎RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgssFET三種種組態(tài)電路性性能比較小大小大大1大大大共源共柵共漏RiRoAv第4章放放大器基礎礎RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSvs+-RL+-voRSRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viRS4.3.5集成MOS放大器集成MOS放大器與與分立MOS放大器器電路結構相相同，只是為為了提高集成成度，集成MOS放放大器中的負負載電阻采用用了以不同方方法實現(xiàn)的有有源電阻。集成MOS放大器類類型：NMOS放放大器CMOS放放大器放大管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章放放