康第四章4.1放大器的基本概念

1、 按信号强弱分：按信号强弱分：小信号放大器小信号放大器 大信号放大器大信号放大器 按电路结构分：按电路结构分：直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器（线性放大器、本章）（线性放大器、本章） （功率、非线性放大器）（功率、非线性放大器） （DCDC、缓慢变化的。多用于集成电路）、缓慢变化的。多用于集成电路）（多用于分立元件电路）（多用于分立元件电路）q1 1、放大器分类、放大器分类 按信号特征分：按信号特征分：宽带宽带放大器放大器音频放大器音频放大器视频放大器视频放大器脉冲放大器脉冲放大器谐振放大器谐振放大器（放大语音信号）（放大语音信号）A A（放大图像信号）（放大图像信号）V V（放大脉冲

2、信号）（放大脉冲信号）（放大高频载波或已调制信号）（放大高频载波或已调制信号）+ - -iBVBBiC- - +VCCRBRL+- -vBE+ - -vCE+ - -q4.1.1 4.1.1 放大的原理与实质放大的原理与实质tIIiIisinbmBQbBQBCQCmBQbBCtsinIIIiiiLRiVvCCCCEtsinsmBBsBBBEvVvVv（4-1-1）（4-1-2）（4-1-3）（4-1-4）放大的实质放大的实质, ,一般有一般有2021tdivP（4-1-5）输入端：bmBQBBBBEIIVsmIVtdivP212120（4-1-6） 电源电源VCC提供的功率：提供的功率：20C

3、CCD21tdiVPCQCCIV 三极管集电极上的功率：三极管集电极上的功率：L2cmCQCEQ20CCEC2121RIIVtdiVP 负载电阻负载电阻RL 上的功率：上的功率：L2cmL2CQ20L2L2121RIRItdRiPCLCQCEQCCRIVVLCDPPP（4-1-7）（4-1-8）输出端：输出端：（4-1-9）（4-1-10）注意：注意： 放大器放大的实质：放大器放大的实质：利用三极管的正向受控利用三极管的正向受控作用，将电源作用，将电源VCC提供的直流功率，部分地转换为提供的直流功率，部分地转换为输出功率。输出功率。 电源电源VCC 不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作不仅要为

4、三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同时还在放大区，同时还是整个电路的能源。是整个电路的能源。 电源电源提供的功率提供的功率PD 除了转换成负载上有用的输出除了转换成负载上有用的输出功率功率PL 外，其余均消耗在晶体三极管上（外，其余均消耗在晶体三极管上（ PC ）。 三极管仅是一个换能器。三极管仅是一个换能器。 就信号而言，各种小信号放大器均可统一表示就信号而言，各种小信号放大器均可统一表示为有源线性四端网络：为有源线性四端网络： 有源有源线线性四端性四端网络网络RSRLvS+- -+- -viiiiovo+- -RiRo反映放大器性能的主要指标有：反映放大器性能的主要指标有：增益增益A(

5、4种种)输入电阻输入电阻Ri 、 输出电阻输出电阻Ro、注意：输入、输出电阻为交流电阻。注意：输入、输出电阻为交流电阻。 有源线性网络中存在的电抗性元件的容有源线性网络中存在的电抗性元件的容抗与电容值抗与电容值C C有关，大小为有关，大小为1/C1/C 如电容值如电容值C C足够小足够小（极间（极间P65P65、分布电容）、分布电容），呈现出很大的容抗呈现出很大的容抗可忽略不计可忽略不计，开路。，开路。 如电容值如电容值C C足够大足够大（耦合、旁路电容）（耦合、旁路电容），就，就可认为电容容抗可忽略不计，作短路处理。可认为电容容抗可忽略不计，作短路处理。 对输入信号源而言，放大器相当于它的一

6、个负载，对输入信号源而言，放大器相当于它的一个负载，而这个等效负载电阻就是放大器输入电阻而这个等效负载电阻就是放大器输入电阻Ri 。 或或RSRivS+- -+- -viiiRSRiiS+- -viiiiiiivR定义定义Ri 大小大小表示放大器对输入信号源的获取程度。表示放大器对输入信号源的获取程度。左：左： Ri越大好，右：越小好。越大好，右：越小好。 (4-1-11)(4-1-11) P164P164与参数、与参数、R RL L有关。有关。 对输出负载而言（根据戴维宁定理和诺顿定对输出负载而言（根据戴维宁定理和诺顿定理），任何放大器均可看作它的信号源，该信号源理），任何放大器均可看作它的

7、信号源，该信号源内阻即放大器输出电阻内阻即放大器输出电阻Ro 或或RoRLvot+- -+- -voioRoRLion+- -voio负载开路时负载开路时vi 或或ii 在电路输出端产生的开路电压。在电路输出端产生的开路电压。vot ：负载短路时负载短路时vi 或或ii 在电路输出端产生的短路电流。在电路输出端产生的短路电流。ion ：(4-1-13)(4-1-13) onotivRo定义定义1 1P164P164：与参数、：与参数、R RS S有关。有关。 输出电阻输出电阻Ro计算：计算：RLvS+- -vo放放大大器器RS+- -（放大器一般框图）（放大器一般框图）iv+- -放放大大器器

8、RS（ Ro 的定义）的定义）令令信号源为零信号源为零(v(vs s=0=0、i is s=0)=0)，保留受控源保留受控源(共共C C有有)。令负载令负载R RL L开路，在输出端外加开路，在输出端外加v v，则产生电流，则产生电流i i。ivRo定义定义2:2:Ro 大小大小反映放大器受负载电阻反映放大器受负载电阻RL的影响程度。的影响程度。(4-1-12)(4-1-12) P164P164与参数、与参数、R RS S有关。有关。 P91P91戴维宁定理：戴维宁定理：Ro=，一端口中，全部独立电源为一端口中，全部独立电源为零零(vs=0、is=0)，保留受控源后的等效输入电阻。，保留受控源

9、后的等效输入电阻。电路，第五版，电路，第五版，2006.3.2006.3.P90P90，齐性定理：，齐性定理：一端口中，一端口中，无无独立电源，端口独立电源，端口U与与端口端口I成比例关系，且比值定义为端口等效电阻。成比例关系，且比值定义为端口等效电阻。 反映放大电路在输入信号控制下，将电源能量转换为反映放大电路在输入信号控制下，将电源能量转换为输出信号能量的能力。输出信号能量的能力。1 1、四种增益：、四种增益：ioVVAVioIIAiioIVArioVIAg其中其中太大、iVAA常用常用分贝（分贝（dBdB）表）表示示)dB(lg20VA电压增益)dB(lg20iA电流增益)dB(lg10

10、PA功率增益放大器的增益：放大器的增益：A = xo / xi即放大器输出信号变化量与输入信号变化量的比值。即放大器输出信号变化量与输入信号变化量的比值。不同类型放大器输入、输出电量不同，故增益的含义不同。不同类型放大器输入、输出电量不同，故增益的含义不同。)()S(4-1-14)(4-1-14) 四种增益间可互相转换。四种增益间可互相转换。iLRRAiRiRivvAvRivRiviiLoioLooiii，(4-1-16)(4-1-16)(4-1-15)(4-1-15)电压放大器电压放大器RSRivS+- -+- -viRoRLvot+- -+- -vo开路开路电压增益：电压增益：两电压增益关

11、系：两电压增益关系：iotvvAvtRO越小，越小，RL对对Av影响越小，与影响越小，与RL几乎几乎 大小无关大小无关。(4-1-18)(4-1-18) 问：要想减小负载的影响，则希望问：要想减小负载的影响，则希望？2 2、负载开路、负载开路电压电压和短路的和短路的电流电流增益：增益：oLLtiototoiooLLotoRRRAvvvvvvARRRvvvv电流放大器电流放大器RoRLionioRSRiiSiiiioniiAin短路电流增益：短路电流增益：两电流增益关系：两电流增益关系：oLoinonoioniooLoonoRRRAiiiiiiARRRiii问：要想减小负载的影响，则希望问：要想

12、减小负载的影响，则希望？RO越大，越大，RL对对Ai影响越小，与影响越小，与RL几乎几乎 大小无关大小无关。(4-1-20)(4-1-20) RSRivS+- -+- -viRoRLvot+- -+- -voSSiSiiSRvvvRRRRvviii在实验二中，LootooLLoto) 1(RvvRRRRvv例例1 1：电压放大器：电压放大器源电流增益：源电流增益：iSSsiiososRRRAiiiiiiAiiRi越小，越小，RS对对Ais影响越小。影响越小。例例3 3：互导放大器：互导放大器ioviAg互导增益：互导增益：例例4 4：互阻放大器：互阻放大器互阻增益：互阻增益：ioivAr(4-

13、1-22)(4-1-22) )S()(问：要想减小对信号源的衰减，则希望问：要想减小对信号源的衰减，则希望？3 3、源增益：、源增益：源电压增益：源电压增益：isiiisosRRRAvvvvvvAvsov(4-1-21)(4-1-21) 问：要想减小衰减，则希望问：要想减小衰减，则希望？Ri越大，越大，RS对对Avs影响越小。影响越小。RSRivS+- -+- -viRoRLvot+- -+- -vo电压放大器电压放大器RoRLionioRSRiiSii电流放大器电流放大器RSRivS+- -+- -vi互导放大器互导放大器RoRLionioRoRLvot+- -+- -voRSRiiSii互

14、阻放大器互阻放大器ii1 1、电压放大器：、电压放大器： Ri 0、Ro 、 Ai大且不随大且不随RL和信号源而变化。和信号源而变化。2 2、电流放大器：、电流放大器： Ri 、Ro 0、 Av大且不随大且不随RL和信号源而变化。和信号源而变化。3 3、互导放大器：、互导放大器： Ri 、Ro 、Ag大且不随大且不随RL和信号源而变化。和信号源而变化。4 4、互阻放大器：、互阻放大器： Ri 0、 Ro 0、Ar大且不随大且不随RL和信号源而变化。和信号源而变化。LosiRRRR ，LosiRRRR，LosiRRRR，P166表表4-1-1，对设计者的要求。，对设计者的要求。LosiRRRR

15、， 一般，放大器中含有电抗元件一般，放大器中含有电抗元件(L(L、C)C)。在正弦信。在正弦信号激励下，不同频率呈现不同的电抗。因而，放大号激励下，不同频率呈现不同的电抗。因而，放大器的增益应为频率的复函数：器的增益应为频率的复函数： )(jAe )()j (AA波特图波特图v放大器放大器幅频特性曲线幅频特性曲线，两个截止频率间，频率范围，两个截止频率间，频率范围从几十从几十HzHz到几千到几千MHzMHz，幅度放大倍数从几倍到几十，幅度放大倍数从几倍到几十万倍。如采用线性刻度，不太实际。万倍。如采用线性刻度，不太实际。v为缩短坐标，扩大视野，频率为缩短坐标，扩大视野，频率常采用常采用对数刻度

16、，放对数刻度，放大倍数用对数大倍数用对数20lg|A20lg|AV V| |，相角相角总在总在0 0360360之间，之间，仍用仍用线性线性刻度。刻度。v这样描绘出的频率特性曲线这样描绘出的频率特性曲线, ,称为称为半（单）半（单）对数频对数频率特性曲线率特性曲线或波特图。或波特图。VAlg20 幅频特性曲线：幅频特性曲线：的关系曲线如后。)( fAA P167 P167 图图4-1-74-1-70f /HzA( f )/dB0f /Hz A( f )幅幅频频特特性性相相频频特特性性( (对数刻度对数刻度) )( (对数刻度对数刻度) )( (线性刻度线性刻度) )(lg20)(dBAA增益分

17、贝值：增益分贝值：1 1、通频带：、通频带： LH7 . 0ffBW对应上限频率对应上限频率fH 、及下限频率及下限频率fL 。增益下降到增益下降到 时，时，I21AAIAI2fHfL(4-1-23)(4-1-23) (4-1-24)(4-1-24) -3dB衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。下限截下限截止频率止频率上限截上限截止频率止频率实际的信号实际的信号多个正弦波的叠加。多个正弦波的叠加。3dB 频率点（半功率点）频率点（半功率点）3dB 频率点（半功率频率点（半功率点）点）幅频特性曲线：幅频特性曲线：普通音响系统放大电路的幅频响应普通音响系统放

18、大电路的幅频响应 0 20lg|AV|/dB 2 20 40 60 20 2 102 2 103 2 104 f/Hz 2 2、频率响应及带宽（频域指标）、频率响应及带宽（频域指标）新问题新问题：如何避免频率失真？：如何避免频率失真？中频区中频区高频区高频区低频区低频区 带宽带宽 3dB fL fH H7 . 0LH, fBWff时当信号的带宽信号的带宽 放大器的带宽放大器的带宽直流放大电路的幅频响直流放大电路的幅频响应与此有何区别？应与此有何区别？ 若输入若输入50kHz50kHz的正弦波的正弦波是否会产生频率失真？是否会产生频率失真？ 频率特性的三个频段：频率特性的三个频段：中频段：通频带

19、以内的区域。中频段：通频带以内的区域。放大器的增益、相角均为常数，不随放大器的增益、相角均为常数，不随f 变化。变化。特点：特点：原因：原因： 所有电抗影响均可忽略不计。所有电抗影响均可忽略不计。 高频段：高频段： f fH 的区域。的区域。频率增大，增益减小并产生附加相移。频率增大，增益减小并产生附加相移。 特点：特点：原因：原因： 极间极间、分布分布电容容抗电容容抗 分流分流 不能视为开路。不能视为开路。即即极间、极间、分布分布电容开路电容开路；耦合、旁路电容短路。；耦合、旁路电容短路。低频段：低频段： f fL 的区域。的区域。频率减小，增益降低并产生附加相移。频率减小，增益降低并产生附

20、加相移。 特点：特点：原因：原因：耦、旁耦、旁电容容抗电容容抗 分压分压 不能视为短路。不能视为短路。 放大器的失真，指输出信号不能放大器的失真，指输出信号不能真实真实重现输入重现输入信号波形的一种物理现象。信号波形的一种物理现象。 失真类型失真类型线性失真线性失真非线性失真非线性失真频率失真频率失真瞬变失真瞬变失真幅度幅度失真失真相位相位失真失真四、失真四、失真1 1、频率失真分、频率失真分：幅度失真与相位失真。幅度失真与相位失真。实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：幅度失真幅度失真相位失真相位失真幅度失真与相位失真，统称放大器的频率失

21、真。幅度失真与相位失真，统称放大器的频率失真。若不同频率信号呈现不同相角若不同频率信号呈现不同相角 由于频率失真由电容或电感这类线性电抗元件引起，故由于频率失真由电容或电感这类线性电抗元件引起，故称线性失真称线性失真, ,它和由它和由三极三极管的非线性引起的失真不同。管的非线性引起的失真不同。注意：注意：线性失真不产生新的频率成份。线性失真不产生新的频率成份。非非 =有有一般，音频放大器的频率失真主要指幅度失真。一般，音频放大器的频率失真主要指幅度失真。音视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。音视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。相位失真相位失真：改变各频率分量之间的相位关系

22、。：改变各频率分量之间的相位关系。若不同频率信号呈现不同增益若不同频率信号呈现不同增益 O t I O t O 相位失真：左右相位失真：左右 对信号的不同频率成分相移对信号的不同频率成分相移不同，产生的失真。不同，产生的失真。 O t I O t O 输入信号输入信号基波基波二次谐波二次谐波输出信号输出信号基波基波AV=1二次谐波二次谐波AV=2幅度失真：上下幅度失真：上下 对信号的不同频率成分增益对信号的不同频率成分增益不同，产生的失真。不同，产生的失真。 指放大脉冲信号时，电抗元件上的电压或电流不指放大脉冲信号时，电抗元件上的电压或电流不能突变而引起的失真。如：输入单位阶跃电压。能突变而引

23、起的失真。如：输入单位阶跃电压。RC+- -vi- -vo+vit10vot0.10.9trRC+- -vi- -vo+vit0vott1 vot 11 1 1 1 振荡时，最大过冲量振荡时，最大过冲量msmsssVi=vR+vOVi=vC+vO三极管的三极管的非线性非线性特性产生的特性产生的失真，有新的频率成份。失真，有新的频率成份。假设三极管基射间外加电压假设三极管基射间外加电压:tVvsinm则则TTBEQCQSCVvVVveIeIi利用付氏级数展开得：利用付氏级数展开得：.)(! 31)(! 211 3T2TTCQCVvVvVvIi.sin.2sinsinnm2m1m0tnItItII

24、非线性总失真系数：非线性总失真系数：有效值122nm122nmIIIITHDnn(4-1-26) (4-1-26) 12322UUUTHD（1 1）非线性失真系数）非线性失真系数THDTHD、D D 213212AAAADA1 输出波形中的基波幅值输出波形中的基波幅值A2，A3 ， 谐波幅值谐波幅值 （2 2） 最大不失真输出电压最大不失真输出电压 Vom （3 3）最大输出功率）最大输出功率Pom与效率与效率 1. 最大输出功率最大输出功率Pom 2. 效率：效率：vomPP 35例2-7 V,12CCU,k1801bR,k7 . 2e1R,k1001R,k502R,k22cR,k6 . 1

25、2eR,k1sR,k8LR，k8 . 02ie1iehh,502fe1fe hhiR、muA 、smuA 和和电路如图所示，已知电路如图所示，已知。oR计算：计算：36k8 . 08 . 0/50/100/ie2212ihRRRiRk4 .27)8 . 0/7 . 2()501 (8 . 0/180)/( )1 (/2i1e1fe1ieb1iRRhhRR解解: : 图中所示的两级放大器第一级是射极跟图中所示的两级放大器第一级是射极跟随器，第二级是共射放大器。随器，第二级是共射放大器。(1)(1)计算计算 ：例2-7 37muAsmuA975. 0)8 . 0/7 . 2(518 . 0)8 . 0/7 . 2(51)/)(1 ()/)(1 (2i1e1feie12i1efe11mRRhhRRhAu1008 . 0)8/2(50)/(ie2L2c2fe2mhRRhAu1VT(2)(2)计算计算 和和 ：( (实际上实际上 组成射随器