第四章 放大器基础g

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）（线性放大器） （非线性放大器）（非线性放大器） （多用于集成电路）（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）q 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）（放大图像信号）（放大图像信号）（放大脉冲信号）（放大脉冲信号）（放大高频载波信号）（放大高频载波信号）保证半导体器件保

2、证半导体器件工作在放大模式工作在放大模式 q 放大器组成框图放大器组成框图耦合电路耦合电路耦合电路耦合电路输出负载输出负载输入信号输入信号直流偏置电路直流偏置电路外外 围围 电电 路路具有正向受控作用的半导具有正向受控作用的半导体器件是整个电路的核心体器件是整个电路的核心将放大器输出将放大器输出端与输出负载端与输出负载进行连接。进行连接。将输入信号源将输入信号源与放大器输入与放大器输入端进行连接。端进行连接。设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。q 对偏置电路的要求对偏置电路的要求 提供合适的提供合适的Q点，保证器件工作在放大模式。点，保证器件工作在放

3、大模式。例如：偏置电路须保证三极管例如：偏置电路须保证三极管E结正偏、结正偏、C结反偏。结反偏。 当环境温度等因素变化时，能稳定电路的当环境温度等因素变化时，能稳定电路的Q点点。例如：温度升高，三极管参数例如：温度升高，三极管参数 、ICBO 、VBE(on) 而这些参数的变化将直接引起而这些参数的变化将直接引起Q点发生变化。点发生变化。当当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或截止失真。截止失真。Q点波动对输出波形的影响：点波动对输出波形的影响：QiC tICQ tvCE0VCEQibQ点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。点在中点，动态范围最

4、大，输出波形不易失真。Q点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真。点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真。Q点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。QibibiCvCE0Qq 三极管三极管偏置电路偏置电路（1 1） 固定偏流电路固定偏流电路VCCRCRBIBIC Q点估算：点估算：BBE(on)CCBQRVVIBQCBOBQCQ)1 (IIIICCQCCCEQRIVV 电路优点电路优点： Q点设置方便，计算简单。点设置方便，计算简单。 电路缺点电路缺点： 不具有稳定不具有稳定Q点的功能。点的功能。T 时时 、ICBO 、VBE(on) IC

5、Q Q点升高点升高（2 2） 分压偏置电路分压偏置电路 Q点估算：点估算：B2B1CCB2BQRRVRVEBE(on)BQCQRVVI)(ECCQCCCEQRRIVV 电路优点电路优点：T ICQ VCCRCRB1IBQI1RB2RECE（固定）（固定）/CQBQII具有稳定具有稳定Q点的功能。点的功能。 VEQ (=(=ICQRE) ) VBEQ (=(=VBQ- -VEQ) )IBQ ICQ 假设假设I1 IBQ则则 存在问题存在问题：工程规定工程规定：VCCRCRB1IBQI1RB2RECERE越大越大 VBEQ越大越大 Q点越稳定点越稳定VCEQ越小越小 输出动态范围越小输出动态范围越

6、小VEQ= =0.2VCC或或 VEQ= =1 3VRB1、RB2过大过大不满足不满足I1 IBQ工程规定工程规定：I1= =（5 10）IBQ则则 VBQ不稳定不稳定RB1、RB2过小过小 放大器放大器Ri 减小减小 放大器与信号源、放大器与负载、以及放大放大器与信号源、放大器与负载、以及放大器级与级之间的连接方式称耦合方式。器级与级之间的连接方式称耦合方式。 交流信号正常传输。交流信号正常传输。 为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合 尽量减小有用信号在传输过程中的损失。尽量减小有用信号在传输过程中的损失。实际电路常采用两种耦合方式：实际电路常采用

7、两种耦合方式：集成电路中广泛采用的一种耦合方式集成电路中广泛采用的一种耦合方式直接耦合。直接耦合。具有隔直流作用的耦合方式具有隔直流作用的耦合方式电容耦合、变压器耦合。电容耦合、变压器耦合。 方式必须保证：方式必须保证： 电容耦合电容耦合VCCR3R1R2R4RSvS+- - -+CBviT1+R7R5R6R8CCT2+ 直流工作时：直流工作时：由于由于CB、CC具有隔直流作用具有隔直流作用因此信号源不影响放大器因此信号源不影响放大器Q点正常设置，且各级点正常设置，且各级Q点相互独立。点相互独立。 交流工作时：交流工作时：由于由于CB较大，在信号频率上近似看作短路。较大，在信号频率上近似看作短

8、路。因此，因此，CB的接入不会影响信号的正常传输。的接入不会影响信号的正常传输。 电路缺点：电路缺点：体积大，不易集成。体积大，不易集成。 直接耦合直接耦合VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn各级之间不经过任何元件直接相连。各级之间不经过任何元件直接相连。直接耦合方式直接耦合方式: :电路优点电路优点: :频率特性好，便于集成。频率特性好，便于集成。 存在问题存在问题: :级间级间直流直流电平配置问题。电平配置问题。零点漂移问题。零点漂移问题。q 级间直流电平配置级间直流电平配置问题一问题一 VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn结果：结果

9、：T1管管Q点靠近饱和区，输出易出现失真。点靠近饱和区，输出易出现失真。 由图由图E2CQ2BE(on)2CEQ1RIVV若若0E2R则则V7 . 0BE(on)2CEQ1VV后级接入后级接入RE，扩大前级动态范围。，扩大前级动态范围。 解决方法：解决方法：q 级间直流电平配置级间直流电平配置问题二问题二VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn工作在放大模式时工作在放大模式时: : 加电平位移电路加电平位移电路解决方法：解决方法：BQ1BQ2BQ3CQ3VVVV)(E3C3CQ3CCCEQ3RRIVV由图由图E3CQ3BE(on)3BQ3RIVV越往后级越往后级VBQ3

10、 ICQ3 VCEQ3 输出动态范围输出动态范围 采用采用PNP管的电平位移电路：管的电平位移电路： 利用利用NPN管与管与PNP管电位极性相反的特点，将直管电位极性相反的特点，将直流电平下移，扩大后级的输出动态范围。流电平下移，扩大后级的输出动态范围。VCCRC2RET2RC1T1RB+- - -+VBQ1VCQ2+- -VCQ1VCQ1VBQ1放大模式放大模式NPN管管放大模式放大模式PNP管管VCQ2 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： 极间电容容抗极间电容容抗 分流分流 不能视为开路。不能视为开路。即即极间电

11、容开路极间电容开路、耦合旁路电容短路。、耦合旁路电容短路。低频段：低频段： f rb e0iinLRAA短路电流增益短路电流增益LooiRRRA则则 共发电路共发电路电压增益电压增益rb egmvb eRCRBvs+ - -RL+ - -voRS+ - -virce开路电压增益开路电压增益iovvAvebvRRvg)/(LoebmLmRgisiLmisiRRRRgARRRAvvs源电压增益源电压增益omtLRgAARvvLCLCceL/RRRRrR其中1 1）既有电压放大作用、又有电流放大作用。）既有电压放大作用、又有电流放大作用。 2 2）输出电压与输入电压反相。）输出电压与输入电压反相。

12、共发电路提供的最大共发电路提供的最大电压增益电压增益)/(CcemomtRrgRgAv已知已知 若采用有源负载作为若采用有源负载作为RC, , 可使可使 RC rce 因此因此 cemtmaxrgAvTACQATCQVVIVVI由于厄尔利电压由于厄尔利电压| |VA| |VT ，因此共发电路提供的，因此共发电路提供的Av很大，且其值与静态电流很大，且其值与静态电流ICQ无关。无关。 共发电路特点共发电路特点q 共基电路性能分析共基电路性能分析iiiivR 画微变等效电路画微变等效电路( (忽略忽略rce影响影响) ) 共基电路输入电阻共基电路输入电阻ebeiv1)(ebcbebbriiri因此

13、因此iEii/RRRR（小）（小）Ri vs+ - -RL+ - -voRERSRCvi+ - -0sv令令0ebmvg则则 共基电路输出电阻共基电路输出电阻 共基电路电流增益共基电路电流增益ioiiAiiEEiiCLCieCLCibCLC)1 ()1 (RRRiiRRRiiRRRiiRRR由于由于EiRR LCCRRRAi因此因此0iinLRAA短路电流增益短路电流增益Ri 因此因此CoRR 共基电路电压增益共基电路电压增益iovvAvebLCebm)/(vRRvgLmRg 共基电路特点共基电路特点1 1）有电压放大作用、但无电流放大作用。）有电压放大作用、但无电流放大作用。 2 2）输出电

14、压与输入电压同相。）输出电压与输入电压同相。 3 3）输入电阻低、输出电阻高。）输入电阻低、输出电阻高。 考虑考虑rce时共基电路输出电阻时共基电路输出电阻令令vs=0、RL开路，画出求开路，画出求Ro的等效电路的等效电路becebem)(vrvgiv)/(ebESberRRiv则则ceebSSo)1 (rrRRivR得得因此因此oCo/ RRRq 共集电路性能分析共集电路性能分析biiivR 画微变等效电路画微变等效电路 共集电路输入电阻共集电路输入电阻( (忽略忽略rce) )bLEbebb)/()1 (iRRiri因此因此Bii/ RRR（大）（大）Ri RERB1vs+ - -RL+

15、- -voRB2RS+ - -virb e ibiiioRERBvs+ - -RL+ voRS+ - -virceib- -)/)(1 (LEebRRr 共集电路输出电阻共集电路输出电阻rb e ibioRERBvs+ - -RL+ voRS+ - -virce- -令令vs=0、RL开路，画出求开路，画出求Ro的等效电路。的等效电路。rb e ibi RERB+ vRSrce- -iibRo RS =RS/RB)(SebbRriiv)/(SebbRrvi则则1ebSorRivR得得因此因此oEceoo/RRrRR（小）（小） 共集电路电流增益共集电路电流增益( (忽略忽略rce) )rb e

16、 ibiiioRERBvs+ - -RL+ voRS+ - -virceib- -ioiiAiibboiiiiiBBLEE)1 (RRRRRR若若BiRR )1 (0iinLRAA短路电流增益短路电流增益 共集电路电压增益共集电路电压增益( (忽略忽略rce) )iovvAvibLEb)/()1 (RiRRiLebL)1 ()1 (RrR三极管差放的三极管差放的VIO 完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。q 双极型差放双极型差放_差模传输特性差模传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+- -vID假设电路对称假设电

17、路对称121TBE1eSC1VvIiTBE2eSC2VvIiC2C1EEiiIBE2BE1IDvvv则则TID/EEC2e1VvIiTID/EEC1e1VvIi得得)2(thTIDEEC2C1VvIii差模传输特性曲线差模传输特性曲线10iC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEE0iC1- - iC2vID/VTIEE- -IEE可以证明：可以证明： 当当| vID | 26mV 时，差放线性工作。时，差放线性工作。| vID | 100mV 后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。说明：说明：若在两管发射极上串联电阻若在两管发射极

18、上串联电阻RE，则利用，则利用RE的负反馈的负反馈 作用，可扩展线性范围。作用，可扩展线性范围。RE 线性范围线性范围 但但 Avd 最大差模输入电压范围：最大差模输入电压范围：最大共模输入电压范围：最大共模输入电压范围：受受VBR（BEO）限制的最大差模输入电压。限制的最大差模输入电压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3 保证保证T1、T2、T3管工作在管工作在放大区，所对应的最大共模放大区，所对应的最大共模输入电压。输入电压。1.1.双入双出双入双出差模放大倍数：差模放大倍数：共模放大倍数共模放大倍数: :输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：beLcd)2/(

19、rRRRAbvAvc=0besid2rRRCRRO2 4.4. 4.4. 差分放大电路差分放大电路输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻： 共模放大倍数：共模放大倍数：差模放大倍数：差模放大倍数：2.2.单入双出单入双出 可将单端输入等效双端输入，因为右侧的可将单端输入等效双端输入，因为右侧的R Rb b+r+rbebe归算到归算到发射极回路的值发射极回路的值(Rs+r(Rs+rbebe) /(1+) /(1+ ) )2） 当温度变化时，由于当温度变化时，由于 、VBE(on)的影响，的影响，IO热稳定性降低。热稳定性降低。 IO精度及热稳定性精度及热稳定性/21RoII由由得知：得知：当当

20、较小时，较小时，IO与与IR之间不满足严格的镜像关系，之间不满足严格的镜像关系，IO精度降低。精度降低。 输出电阻输出电阻RO由由RVVIBE(on)CCR得知：得知：当考虑基宽调制效应时，当考虑基宽调制效应时，根据根据)/1 (eACESCTBEVvIiVv)(BE(on)ACEQ2AC1C2VVVVii得得则则/21RoII)(BE(on)ACEQ2AVVVV VA除了降低除了降低IO精度外，精度外，IO恒流特性变差。恒流特性变差。RO= rce2T1VCCiC1RT2IRIOiRET3 结构特点结构特点T1管管c c、b b之间插入一射随器之间插入一射随器T3。 电路优点电路优点减小分流

21、减小分流 i ，提高，提高IO作为作为IR镜像的精度。镜像的精度。由图由图12B1C1C1RiiiiI)1(21O IR22O2II整理得整理得式中式中RVVIBE(on)CCR2RO= rce2输出电阻输出电阻T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2 结构特点结构特点两两管管射极串接不同阻值的电阻射极串接不同阻值的电阻。 电路优点电路优点RO增大，增大，IO恒流特性得到改善。恒流特性得到改善。)/1 (1e2b222ce2ORRrRRrR由由（较大）2E2BE21E1BE1RivRiv)/ln(C2C1TBE2BE1iiVvvRC1E1IiiOC2E2Iii（较大）得得)/ln()/(/OR2T21ROIIRVRRII当当)/ln(ORT1RIIVRI时时得得21RO/RRII式中式中1BE(on)CCRRRVVIT1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像