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第4章 放大器基础 放大器是用来放大电信号的装置，是电子设备中使用最广泛的 一种电路。 内容:放大电路的组成原理基本放大电路的性能特点改进性能 的基本途径集成运算放大器放大器的频率响应 组成放大电路时应遵循以下原则: 第一，要有直流通路，并保证合适的直流偏置(偏置电路)。 第二，要有交流通路，即待放大的输入信号能加到晶体管的 发射结之间，而且放大了的信号能从电路中取出。 4.1偏置电路和耦合方式 一、偏置电路（设置合适Q点） 1、要求 Q点不合适产生的非线性失真 （1）Q点过低产生截止失真； 工作点Q过高产生饱和失真 Q点位置决定 动态范围：最大不失真输出电压幅度 小信号参数放大性能 非线性失真（饱和失真、截止失真 结论：1、Q点一定要合理 2、Q点一定要稳定（外界因素变化：环境温度、电源电压 、更换管子 2、Q点的热稳定性 固定偏置电路 1.0 / V BE(on ) _2.5mV/ T10 ICBO增一倍 当T升高30,ICQ=2.59mA,IBQ=19.9A VCEO=0.82V Q点移向饱和区 结论:固定偏置电路工作点不稳定；稳定Q点关键稳定ICQ； 影 响最大 3、分压式偏置（高稳定性，广泛应用于分立元件放大器） 由图可知，通过增加一个电阻RB2，可将 基极电位VB固定。这样由ICQ引起的VE变 化就是VBE的变化，因而增强了VBE对ICQ 的调节作用，有利于Q点的近一步稳定。 自动调节过程： 工程上，一般取 二、耦合方式 放大器与信号源、与负载、放大器各级之间连接的方式称 为耦合方式。耦合时，一方面要确保放大器有合适的直流工作 点，另一方面应使前级输出信号尽可能不衰减地加到后级输入 。常用的耦合方式有三种，即阻容耦合、变压器耦合和直接耦 合。 1、电容耦合 电容耦合是通过电容器将信号源与放大器、放大器与负载、 后级电路与前级相连接。由于电容器隔直流而通交流，所以各 级的直流工作点相互独立，这样就给设计、调试和分析带来很 大方便。而且，只要耦合电容选得足够大，则信号能由前级几 乎不衰减地加到后级，实现逐级放大。 缺点：耦合电容选得足够大， 不易集成，不能用于集成电路 单级电容耦合放大器 两级电容耦合放大器 2、直接耦合 直接连接称为直接耦合。缺点：各级Q点互相影响，温漂。 （1）级间电平配置 (a)垫高后级的发射极电位 由于在以后各级电路中，VCQ不断提高，则在某些级间必须接 入电平位移电路，将不断提高的静态电位下移到较低电位上。 (b)NPN、PNP管级联 (c)电阻和恒流源电平移位； （2）工作点漂移产生的有害影响 外界环境因素变化造成静态工作点移动。温度变化而引起的漂 移简称为温漂。直接耦合会将温漂传送到后级，并不断地放大， 在输出信号中产生干扰。 措施：采用小温漂的放大器；特别是第一级（危害最大） 低漂移特性的放大器差分放大器 3、变压器耦合放大器 4.2 放大器的性能指标 放大器表示为有源四端网络 对输入信号源而言，放大器可看作它的负载；对输出 负载RL而言，放大器可看作它的信号源。 信号源 信号源 内阻 输入电流 输入电压输出电压 输出电流 一、输入电阻、输出电阻 从输入端看进去的 等效电阻 将输出等效成 有内阻的电压源 ，内阻就是输出 电阻。 输入电压与 输入电流有 效值之比。 二、增益（Gain） 增益就是放大倍数，用A表示，定义为放大器输出量与输入量的 比值，用来衡量放大器放大电信号的能力。 1、四种增益 根据需要处理的输入量和输出量不同，增益有四种形式。 电压增益 （ 无量纲） 互导增益 西门子（S ） 电流增益 （无量纲） 互阻增益 欧姆（） 四种增益可以互相转换，例如 2、负载开路和短路时的增益（讨论RL对增益的影响） 讨论 要求： 带负载能力：负载对增益的影响，有影响带负载能力弱 无影响带负载能力强 讨论 要求 ： 输出电压量时，输出电阻越小，带负载能力越强； 输出电流量时，输出电阻越大，带负载能力越强。 3、 源增益（信号源内阻RS的影响） 可见 要求： 可见 要求： 四种类型放大器 (a)电压放大器；(b)电流放大器；(c)互导放大器；(d)互阻放大器 （掌握各放大器设计时对输入电阻和输出电阻的要求。） 三、多级放大器 多级放大器方框图。由图可知：（1）后级输入电阻作前级负载； （2）前级作后级的信号源，则前级的输出电阻为此信号源内阻； （3）总输入电阻就是第一级输入电阻，总输出电阻就是最后一级 输出电阻。 四、失真 输出信号不能重现输入信号波形的现象失真 失真分线性失真和非线性失真。 1、线性失真（频率失真） 放大器中含有电抗元件，因而增益与频率有关。 电容耦合放大器的幅频特性 幅频特性 相频特性 3)通频带 4)最大不失真输出电压Uom：交流有效值。 由于电容、电感及半导体器件PN结的电容效应，使放大电路 在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移 。 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 下限频率 上限频率 线性系统不失真传输的条件是: (1)放大倍数大小与频率无关，即要求放大倍数的幅频特性A() 是一常数。 (2)放大器对各频率分量的滞后时间相同,即要求放大器的相频特 性()正比于角频率。 不失真传输时放大器的幅 频、相频特性 频率失真 幅度失真:对各频率分量放大倍数不同失真 相位失真：对各频率分量相位非线性失真 相位失真 频率失真属于线性失真 线性失真：由线性元件引起的，没有产生新的频率分量。 注意： （1）信号幅度变化、相位变化不是失真 （2）考虑频率失真的前提是输入信号为非正弦波，即 单一频率的信号（正弦信号）不会产生频率失真 。 2、非线性失真 由器件的非线性引起的，如饱和失真、截止失真。非线性 失真是由于产生新的频率分量造成的。这是非线性失真和线性 失真的本质区别。 4.3 基本组态放大器 三种基本组态：共射（共源）、共集（共漏）、共基（共栅 ） 一、共射放大器 分压式偏置电容耦合共射放大器 直流通路 交流通路：电容短路，直流电源短路。 交流通路决定放大器的组态。直流通路与组态无关。 一个实际放大电路的组成是否正确，就要看它的直流通路和交 流通路是否正确。 性能分析：画出交流等效电路（将三极管用模型等效） 按照Ro的定义，在上图电路的输出 端加一电压vo，并将vs短路时，因 ib=0，则受控源ib=0。这时，从输 出端看进去的电阻近似为RC。 式中， 称为等效负载 负号表示输出电 压与输入电压反 相，共射放大器 为反相放大器 特点： 既有电压放大，又有电流放大，输入电阻和输出电阻适中。 多用于多级放大器中的增益级。 二、共基放大器 （b）交流通路 （a）实际电路 （c）交流等效电路 则 可忽略 1、输入电阻 所以 折算关系：基极电阻折算到射级应除以（1+） 共基电路输入电阻远小于共射电路输入电阻 2、输出电阻 画出求输出电阻等效电路 其中 共基输出电阻远小于共射输出电阻 3、增益 共基放大器为同相放大器，增益大小与共射放大器相同。但由于输 入电阻很低，共基放大器源增益远小于共射放大器源增益。 特点： 与 同相；输入电阻低；输出电阻高（不计 ） 三、共集放大器（射极输出器） (a)实际电路 (b)直流通路 (c)交流通路 性能分析 1、输入电阻 从定义出发，先求 射极电阻折算到基极应乘以（1+）；共集放大器输入电阻远大 于共射放大器。 2、输出电阻 基极电阻折算到射极除以（1+） 共集输出电阻远小于 共射和共基放大器的 输出电阻。 3、增益 上式表明，增益为正值，且其值小于1，一般情况下，其值接 近于1。 共集电极电路特点： 大 小 小 三种基本组态放大器的性能比较 共基：Ri小，Ro大，Ain1，适合作电流接续器。 电流接续器：将低阻电流接续到高阻输出端。 共集：Ri高，Ro小，Av1，适合作电压跟随器。 电压跟随器：将高阻电压跟随到低阻输出端。 共射极电路既有电压增益，又有电流增益，所以应用最广， 常用作各种放大器的主放大级。但作为电压或电流放大器， 它的输入和输出电阻并不理想即在电压放大时，输入电 阻不够大且输出电阻又不够小；而在电流放大时，则输入电 阻又不够小且输出电阻也不够大。 四、改进型放大器 1、组合放大器 根据三种基本放大电路的特性，将它们适当组合，取长补短 ，可以获得各具特点的组合放大器。 （1）共射共基(CECB)组合放大器 由于共基放大器的输入电阻很小，将它作为负载接在共射 电路之后，致使共射放大器只有电流增益而没有电压增益。 而共基电路只是将共射电路的输出电流接续到输出负载上。 因此，这种组合放大器的电压增益相当于负载为RL的一级共 射放大器的增益，输出电阻大大提高。另一方面明显改善了 放大器的频率特性。正是这一特点，使得CECB组合放大器 在高频电路中获得广泛应用。 （2）共集共射(CCCE)组合放大器（达林顿电路） CCCE组合放大器利用共集放大器输入电阻大而输出电阻小 的特点，将它作为输入级时，放大器具有很高的输入电阻，这 时信号源电压几乎全部输送到共射电路的输入端，电压增益是 一级共射放大器的增益，输入电阻大大提高。 （3）共集共基(CCCB)组合放大器 设两管具有相同的小信号模型参数， 增益为一级共射增益一半， 与 同相。 2、发射极接电阻RE的共射放大器 输入电阻大大提高 电压增益下降，且稳定 求输出电阻 结论: 接入RE后 （1）Ri和Ro均提 高（理想互阻放大 器）。 （2）电压增益稳定，与、电阻大小无关。 （3）只与电阻比值有关易集成 缺点：电压增益低。 3、采用有源负载的共射放大器 目的：提高增益 点近饱和 有源电阻（直流电阻小，交流电阻大）代替RC 。 有源电阻电流源电路：施加恒定偏置，工 作在放大区的晶体管电路。 图(a)是一共射有源负载放大器电路，T1组成共射放大器，T2、 T3组成偏置电流源，T2对直流呈现小电阻，而对交流呈现大电 阻，如图(b)所示。 静态时，ICQ1=ICQ2 VCEQ1=VCC-VECQ2 （a）电路；（b）工作点的直流电阻和增量电阻 交流性能分析 画出交流通路 对负载的要求: RL足够大 五、共源和共漏放大器的性能 1、共源放大器 2、共漏放大器（源极输出器） 直流负载线和交流负载线 Uom=?Q点在什么位置Uom最大？ 交流负载线应过Q点，且 斜率决定于（RcRL） 4.4 差分放大器 一、电路结构（对称性） 它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射 极连接并经公共电阻RE将它们耦合在一起。 双电源供电VCC=VEE 两个输入端；两个输出端 静态： 二、性能特点 1、差模信号和共模信号 大小相等,极性相反,为一对差模输入信号 大小相等,极性相同,为一对共模输入信号 差模输入电压 共模输入电压 对任意输入信号 二、差模等效电路及其性能特点 如果在差分电路的两个输入端加 上一对大小相等、相位相反的差 模信号，由电路可知，这时一管 的射极电流增大，另一管的射极 电流减小，且增大量和减小量时 时相等。因此流过REE的信号电 流始终为零，公共射极端电位将 保持不变。所以对差模输入信号 而言，公共射极端可视为差模地 端，即REE相当对地短路。 差模等效电路由左右两个相同的射极无射极电阻的共射电路组成 1、差模输入电阻 2、差模输出电阻 （1）单端输出 （2）双端输出 3、差模增益 单端输出 T1管为反相输 出端 T2管为同相输 出端 三、共模等效电路及其性能特点 如果在差分放大器的两个输入端 加上一对大小相等、相位相同的 共模信号，即vi1=vi2=vic,由电路 可知，此时两管的射极将产生相 同的变化电流iE，使得流过REE 的变化电流为2iE，从而引起两 管射极电位有2REEiE的变化。 因此，从电压等效的观点看，相 当每管的射极各接有2REE的电 阻。 共模等效电路是由两个左右相同的射极接电阻2REE共射放大器组成 1、共模输入电阻 任一输入端看进去 2、共模输出电阻 任一输出端呈现 3、共模电压增益 双端输出时，两管共模电压相消 单端输出 很大 结论：差分放大器抑制共 模信号。 很小 为了衡量差分放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能 力，我们引入参数共模抑制比KCMR。它定义为差模放大倍数与共 模放大倍数之比的绝对值，即 4、共模抑制比 KCMR实质上是反映实际差分电路的对称性。在双端输出理想对称 的情况下，因Avc=0,所以KCMR趋于无穷大。但实际的差分电路不 可能完全对称，因此KCMR为一有限值。在单端输出不对称的情况 下，KCMR必然减小，由上式可求得 矛盾 具有恒流源的差分放大器电路（提高共模抑制比） (a)用单管电流源代替REE的差分电路；(b)电路的简化表示 采用电流源代替REE，电流源交流电阻很大代替REE，直流电阻小 。 差分放大器的调零电路（消除电路不对称的影响） (a)射极调零; (b)集电极调零 五、合成输出信号 若电路双端输出，电路理想对称，则式中第二项为0，此时共 模抑制比为无穷大。 零点漂移现象 放大器在静态时，由于温度变化、电源波动等因素的影响 ，会使静态工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上 下漂动。 零点漂移的抑制 对于零漂的抑制，此处以抑制温度漂移为例进行说明。如果 由于温度升高使IC1增加，VC1下降，则IC2也同样增加，VC2同样下 降，于是VC1还是等于VC2，Vo仍等于零，即温度漂移被抵消了 。 温度影响相当于输入端的共模信号，差放能有效抑制它。 在直接耦合多级放大器中，第一级总是采用差分放大器。 场效应管差分放大器 为了提高差分放大器的输入电阻，常用场效应晶体管来构成差 分放大器。用结型场效应管作输入级时，其输入电阻可高达1010 ；用MOS场效应管作输入级时，其输入电阻可高达1015。下图为 双端输入、双端输出结型场效应管差分放大器电路。它与双极型 晶体管差分放大器的工作原理是一样的。 用半电路分析法 半电路为：共源放大器 结型场效应管差分放大器 六、差模传输特性 差分放大器的传输特性曲线 (a)电流传输特性曲线；(b)电压传输特性曲线 结论1、两管集电极电流之和恒等于IEE 当vid=0时，差分电路处于静态，这时iC1=iC2=ICQ=IEE/2。当 差模电压输入时，一管电流增大，另一管电流减小，且增大量 等于减小量，两管电流之和恒等于IEE。 2、传输特性具有非线性特性（限幅） 由图不难看出，在静态工作点附近，当|vid|VT，即室温下 ， vid在26mV以内时，传输特性近似为一段直线。这表明iC1,iC2 和vo与vid成线性关系。 当|vid |4 VT,即vid超过100mV时，传输特性明显弯曲，而后 趋于水平，说明|vid |继续增大时，iC1,iC2和vo将保持不变。这表 明差分电路在大信号输入时，具有良好的限幅特性或电流开关 特性。此时，一管截止，恒流源电流全部流入另一管（不是饱 和）。 4.5 电流源电路及其应用 电流源电路是提供恒定电流的电路。电流源对提高集成运放 的性能起着极为重要的作用。一方面它为各级电路提供稳定的直 流偏置电流，另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益 。 对电流源电路的要求： 1、提供电流I0，且不受外界因素影响。 2、当其两端电压变化时，保持电流I0恒定。即电流源电路的交流 内阻RO趋于无穷。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运放中常用的 电流源电路。 单管电流源电路 由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿，IC就基本 恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个 恒流源。由交流等效电路知，它的动态内阻为rce ，是一个很 大的电阻。为了使IC更加稳定，可以采用分压式偏置电路。 晶体管实现恒流特性的条件是要保证恒流管始终工作在放大状 态，否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用 。 一、基本镜像电流源 在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。为此， 用一个完全相同的晶体管T1,将集电极和基极短接在一起,接成二 极管,便得到下图所示的镜像电流源电路。由图可知，参考电流 IR为 镜像电流源 精度 热稳定性 恒流特性 二、减小 影响的镜像电流源 多路镜像电流源 图中为三路电流源，T5管是为了提高各路电流的精度而设置的。 在集成电路中，多路镜像电流源是 由多集电极晶体管实现的，例如下 图(a)利用一个三集电极PNP管组成 双路电流源,其等价电路如图(b)所示 。 三、比例式镜像电流源 电流源的电流与参考电流成某一比例关系。实现 射极接电阻 恒流特性提高 具有多路输出的电流源 四、微电流源 在集成电路中，有时需要微安级的小电流。如果采用镜像电 流源，R势必过大。这时可令上图电路中的R1=0,便得到下图所示 的微电流电流源电路。 当IR和所需要的I0一定时，可计算出 所需的电阻R2。 优点:具有对电源电压变化不敏感的特 性。 五、MOS管镜像电流源 与双极型晶体管放大器一样,场效应管放大器也可采用电流源 偏置。利用场效应管饱和区的恒流特性,可以构成恒流源电路。 (a) 基本电流源；(b)多路输出电流源 4.6 集成运算放大器 集成运放是一种多级放大电路， 性能理想的运放应该具有电 压增益高、 输入电阻大、 输出电阻小、 工作点漂移小等特点。 与此同时， 在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的 严格制约。 因此， 集成运放在电路设计上具有许多特点， 主要 有： (1) 级间采用直接耦合方式。 (2) 尽可能用有源器件代替无源元件。 (3) 利用对称结构改善电路性能。 集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组成结构看，一 般是由输入级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成。 集成运放的组成 (1) 电流源偏置电路。它为多级放大器的各级设置合适的工 作点， 有时还作为放大器的有源负载。 (2) 输入级。它由差分放大器组成，以便获得尽可能低的零 点漂移和尽可能高的共模抑制比。 (3) 中间级。它是主要的电压增益级。 (4) 输出级。它通常为互补推挽电路， 用以提高放大器输出 端的功率和负载能力，它常加有保护电路。 双极型集成运放F007是一种通用型运算放大器。由于它性能好 ，价格便宜，所以是目前使用最为普遍的集成运放之一。F007的电 路原理图如图所示。图中各引出端所标数字为组件的管脚编号。 上图中，T8T13,R4和R5构成电流源组。其中，T11、R5和T12产生 整个电路的基准电流。T10和T11组成微电流电流源，作镜像电流源 T8,T9的参考电流，并为T3,T4提供基极偏流。 T8的输出电流为输入 级提供偏置。T12,T13组成镜像电流源，作中间放大级的有源负载 。 “-” 反相输入端, vo与v-反相。 “+”同相输入端，vo与v-同相。 理想的电压放大器件 输入电阻：几k到105M（很大 ） 输出电阻：几十（很小） 电压增益：104107（很高） 实现零输入时，零输出。 4.7 放大器的频率响应 频率响应 电容耦合放大器的振幅频率特性如图所示。在低频和高频区放大倍 数有所下降，而中间一段比较平坦。频率响划分为三个区域，即中 频区、低频区和高频区。上限频率fH、下限频率fL以及通频带BW。 一、频率失真 我们知道，待放大的信号，如语音信号、电视信号、生物电 信号等等，都不是简单的单频信号，它们都是由许多不同相位、 不同频率分量组成的复杂信号，即占有一定的频谱。如图(a)所示 ，若某待放大的信号是由基波(1)和三次谐波(31)所组成，由于 电抗元件存在使放大器对三次谐波的放大倍数小于对基波的放大 倍数，那么放大后的信号各频率分量的大小比例将不同于输入信 号。 中频区:所有电抗影响均不计,增益为常数,与频率无关。 高频区：极间电容是影响高频区响应的主要因素。 低频区：耦合电容和旁路电容是影响低频响应的主要因素。 线性失真和非线性失真 线性失真和非线性失真同样会使输出信号产生畸变，但两 者有不同点： 1.起因不同 线性失真由电路中的线性电抗元件引起，非线性失真由电 路中的非线性元件引起(如晶体管或场效应管的特性曲线的非线 性等)。 2.结果不同 线性失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发 生变化，或滤掉某些频率分量的信号，但决不产生输入信号中 所没有的新的频率分量信号。 非线性失真会产生输入信号中所没有的新的频率分量信号 。 不失真条件理想频率响应 综上所述，若放大器对所有不同频率分量信号的放大倍 数相同，延迟时间也相同，那么就不可能产生频率失真。