单管放大器(共15页)

1、单管放大器通过这部分内容(nirng)的学习，希望大家对放大器有所了解。同时也向大家说明：即使初看起来一件简单事情或一个简单的器件，当你深入地去研究它时，就会有许多意想不到的问题出现，解决这些问题并把它用数学形式来表示，这就是我们的任务(rn wu)。谁对事物研究得越深，谁能提出的问题就越多，或者也可以说谁能解决的问题就越多，微波滤波器的实例就能很好的说明这个情况。我们把整个问题不断地“化整为零(hu zhng wi lng)”，然后逐个地加以解决，最后再把它们合在一起，也就解决了大问题。这讲义还没有对各个问题都进行详细分析，由此可知提出问题的重要性。希望大家都来试试。在介绍放大器前，有必要介

2、绍一下mos管的相关知识场效应晶体管放大器是电压控制器件，具有输入阻抗高、噪声低的优点，被广泛应用在电子电路中，特别是具有上述要求前级放大器显示器出越性。根据场效应管两大类型-结型场效应管和绝缘栅场效应管可构成相应的场效应管放大器。以下以结型管为例给出三种基本组态放大器的等效电路和性能指标计算表达式。因为不同类型的场效应管工作在放大区，要求栅极电压极性不同，例如，结型场效应管要求栅源与漏源电压极性相反，而增加型MOS管则要求栅源与漏源电压极性相同，至于耗尽型MOS管的栅偏压极性，可以正偏、零偏或负偏。根据这些特点，来用单电源的偏置电路主要有以下两种： （1）自偏压电路 自偏压用于结型和耗尽型M

3、OS管放大电路自偏压电路 栅源电压为UGS=RID （2）混合偏置电路 混合偏置电路用于各种场效应管放大器。N沟道增强型MOS管放大电路混合偏置电路混合偏压电路 放大电路的概念以及组成原理在模拟电子线路中，放大电路是一种最基本的单元电路。其功能是放大电信号，即把微 弱的输入信号（电流、电压或功率），通过放大器件的控制作用，将直流电源的能量转变成为 随输入信号变化的、幅度足够大的输出信号。本章将较系统地介绍分立元件电路与模拟集成电路系统的各种基本放大电路，着重讨 论放大电路的组成、工作原理、分析方法及性能指标的计算。无论何种类型的放大电路，均由三大部分组成，如图2.1所示。第一部分是具有放大作用

4、的半导体器件，如三极管、场效应管，它是整个电路的核心。第二部分是直流偏置电路，其作用是保证半导体器件工作在放大状态。第三部分是耦合电路，其作用是将输入信号源和输出负载分别连接到放大管的输入端和输出端。输入信号耦合电路耦合电路输出负载偏 置 电 路外 围 电 路T图2.1下面简述(jin sh)偏置电路和耦合电路的特点。（1）偏置电路(dinl) 在分立元件电路中，常用(chn yn)的偏置方式有分压偏置电路、自偏置电路等。其中，分压偏置电路适用于任何类型的放大器件；而自偏置电路只适合于耗尽型场效应管（如JFET及DMOS管）。 在集成电路中，广泛采用电流源偏置方式。偏置电路除了为放大管提供合适

5、的静态点（Q）之外，还应具有稳定Q点的作用。（2）耦合方式为了保证信号不失真地放大，放大器与信号源、放大器与负载、以及放大器的级与级之间的耦合方式必须保证交流信号正常传输，且尽量减小有用信号在传输过程中的损失。实际电路有两种耦合方式。 电容耦合，变压器耦合这种耦合方式具有隔直流的作用，故各级Q点相互独立，互不影响，但不易集成，因此常用于分立元件放大器中。 直接耦合这是集成电路中广泛采用的一种耦合方式。这种耦合方式存在的两个主要问题是电平配置问题和零点漂移问题。解决电平配置问题的主要方法是加电平位移电路；解决零点漂移问题的主要措施是采用低温漂的差分放大电路。2、放大电路的主要性能指标及其意义（1

6、）输入和输出电阻输入电阻Ri是从放大器输入端口视入的等效电阻，它定义为放大器输入电压Vi和输入电流I i的比值，即ViRi=Ii（21）Ri与网络参数、负载电阻RL有关，表征了放大器对信号源的负载特性。输出电阻Ro是表征放大器带负载能力的一个重要参数。它定义为输入信号电压源vs短路或电流源is开路并断开负载时，从放大器输出端口视入的一个等效电阻，即V2Ro=I2RL=vs=0（22）式中V2为负载断开处加入的电压，I2表示由V2引起的流入放大器输出端口的电流，Ro不仅与网络参数有关，还与源内阻Rs有关。若要求放大器具有恒定的电压输出，Ro应越小越好；若要求放大器具有恒定的电流输出，Ro应越大越

7、好。（2）放大倍数(bish)或增益它表示输出(shch)信号的变化量与输入信号的变化量之比，用来衡量放大器的放大能力。根据需要处理的输入和输出电量的不同，有四种不同的增益定义，它们分别是： 电压增益 （23）Vo Av = Vi 电流增益 （24）Io Ai = IiVo Ar = Ii 互阻增益 （25） 互导增益 Io Ag = Vi（26）为了表征负载(fzi)对增益的影响，引入负载RL开路和短路时的增益。负载RL开路时的电压增益定义为Vot Avt = = Av ViRL=（27）它与电压增益Av的关系为RL Av = Av t Ro+RL （28）RL短路时的电流增益定义为（29）

8、Ion Ain= = Ai IiRL=0它与电流增益Ai的关系为Ro Ai = Ain Ro+RL （210）为了表征输入信号源对放大器激励的大小，常常引入源增益的概念。其中，源电压增益定义为Vo Ri Avs = = Av Vs Rs+Ri（211）源电流增益定义为Io Rs Ais = = Ai Is Rs+Ri（212）（3）失真(sh zhn)它是评价放大器放大信号质量(zhling)的重要指标，常分为线性失真和非线性失真两大类。线性失真又有频率失真和瞬变失真之分，它是由于放大器是一种含有电抗元件的动态网络而产生的。前者(qin zh)是由于对不同频率的输入信号产生不同的增益和相移所引

9、起的信号失真；后者是由于电抗元件对电压或电流不能突变而引起的输出波形的失真。线性失真不会在输出信号中产生新的频率分量。非线性失真则是由于半导体器件的非线性特性所引起的。它会引起输出信号中产生新的频率分量。5.1.1放大器的概念：放大器是能把输入讯号的电压或 HYPERLINK /view/44147.htm t _blank 功率放大的装置，由电子管或晶体管、 HYPERLINK /view/1295644.htm t _blank 电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。基本单管放大器 双扳型晶体管和MOS晶体管能提供三种不同组态的放大模式，在共射组态

10、和共源组态里，信号由放大器的基极或栅极输入，放大后从集电极或漏极输出。在共集组态和共漏组态中，信号由基极或栅极输人，从射极或源极输出。这种组态一般称之为双极型晶体管电路构射随器或MOS晶体管电路豫极跟随嚣q在共基组态或共栅组态中，信号由射极或源极输入，由集电极或漏极输出。每种组态都有一组唯一的输入电阻和输出电阻和电压增益和电流增益凸在许多例子中，复杂电路可以被分割成许多这些类型的单缎放大器来进行分析。放大电路的类型根据输入和输出电量的不同，放大器有四种增益表达式，相应有四种类型的放大器，它们的区别集中表现在对Ri和Ro的要求上。如表2.1所示。表2.1 放大器的类型类 型模 型增 益对Ri的要

11、求对Ro的要求电压放大器+vot +viRLRsRi+vsRo+voAv , AvsRiRs(Ri )RoRL(Ro 0 )电流放大器ioniiioRLRsRiisRoAi , AisRiRs(Ri 0 )RoRL(Ro )互导放大器ioion+viRLRsRi+vsRoAg , AgsRiRs(Ri )RoRL(Ro )互阻放大器+vot+voiiRLRsRiisRoAr , ArsRiRs(Ri 0 )RoRL(Ro 0 )4、放大(fngd)电路的分析方法放大电路的分析分静态（直流）分析和动态(dngti)（交流）分析，静态分析是动态分析的基础，动态性能的分析则是放大器分析的最终目的。目

12、前，常用的放大器的分析方法有以下三种：（1）图解分析法：利用(lyng)晶体管的输入、输出特性曲线对放大器进行分析。其关键在于作放大器的直流负载线及交流负载线。该方法适宜分析电路参数对Q点的影响以及Q点对放大器性能的影响，分析放大器的非线性失真问题，确定放大器的最大不失真动态范围Vom等。该方法形象、直观，但输入信号过小时，分析误差较大。（2）等效电路分析法：利用晶体管的直流及交流小信号模型对放大器进行分析。其关键在于作放大器的直流交流通路，尤其是交流微变等效电路。该方法是工程上常用的分析方法，利用它可获得放大器各项性能指标的工程近似值。（3）计算机仿真分析法：利用电路仿真程序进行分析。如利用

13、PSPICE程序对电路进行分析，它可对电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、孟特卡罗（Monte Carlo）分析和最坏（Worst Case）情况分析。3.2 BJT放大电路1、放大电路的基本组态放大电路的组态是针对交流信号而言的。对于晶体三极管（或场效应管）放大器，观察输入信号作用在哪个电极，输出信号又从哪个电极取出，除此之外的另一个电极即为组态形式。例如：若输入信号加在晶体三极管基极，输出信号从集电极取出，则该电路为共发射极组态电路。BJT放大电路的三种基本组态为：共发射极、共集电极和共基极。2、三种基本组态放大电路的性能比较见表2.2。表2.2 BJT放大电路共 发 电 路共 基

14、 电 路共 集 电 路RERsRB1RCRB2VCCT+voC2C1RLCE+vsRB1RERs+vsRCRB2T+voC2C1RLCBVCCRERsRB1+vRB2VCCT+voC2C1RLAvRL (大)rbe RL (大)rbe (1+)RL 1rbe+(1+)RL RiRB1RB2rbe(中)rbe RE (小)1+ RB1RB2rbe+(1+)RL(大)RoRC(中) (考虑rce)RC(大) (考虑rce)rbe+RB1RB2RsRE (小)1+ Ain (大)1(1+) (大)特点输入、输出反相既有电压放大作用又有电流放大作用输入、输出同相有电压放大作用无电流放大作用输入、输出同

15、相有电流放大作用无电压放大作用应用作多级放大器的中间级，提供增益作电流接续器构成组合放大电路作多级放大器的输入级、中间级、隔离级3、发射极接电阻(dinz)RE的共发放(ffng)大电路（1）电路(dinl)如图2.2所示。rce+viRE1ibibrbeRLRsRB1+vsRCRB2+voiiioRoRo（a） 原理电路RE2RE1RsRB1+vsRCRB2VCCT+voC2C1RLCE（b）等效电路图2.2 带射极电阻的共发放大电路（2）性能指标如下所示。RL Av= rbe+(1+)RE （减小）（213）（214）Ri=RB1RB2rbe+(1+)RE（增大）RE1Ro=RC rce（

16、1+ ） RE1+ rbe+Rs （Ro增大）（215）其中Rs=RB1RB2Rs4、组合放大电路组合放大电路是由三种基本组态电路相互取长补短构成的一种电路结构。这些组合主要是共发共基组合、共集共基组合及复合管（达林顿）组合。组合放大电路实际上是一种最简单的多级放大电路。3.3 FET放大(fngd)电路1、FET放大电路(dinl)的三种基本组态与BJT放大电路的三种(sn zhn)基本组态共发射极、共集电极和共基极相对应，FET放大电路的三种基本组态分别为：共源极、共漏极和共栅极。2、三种基本FET放大电路的性能比较见表2.3。3、集成MOS放大器在MOS集成电路中，为了提高集成度，一般都

17、采用有源电阻取代占芯片面积较大的集成电阻，根据有源电阻的不同实现方法，集成MOS放大器分为E/EMOS、E/DMOS和CMOS三种类型电路。（见题【2-31】）表3.3 FET放大电路共 源 电 路共 栅 电 路共 漏 电 路VDDRG3RSRsRG1+vsRDRG2T+voC2C1RLCSVDDRSRsRG1+vsRDRG2T+voC2C1RLCGgmRL (大) RG3RSRsRG1+vsRG2T+voC2C1RLVDDAvgmRL (大) gmRL 11+gmRL RiRG3+RG1RG2 (大)1RS (小)gm RG3+RG1RG2 (大)RoRD (大)RD (大)1RS (小)g

18、m 特点类似于共发电路类似于共基电路类似于共集电路4、源极接电阻RS的共源放大电路（1）电路如图2.3所示。（b） 等效电路gmvgsiodRoRi+vigrdsRG2RD+voRG3RG1sRS1RoCGRS2RDRG3CSRS1RG2+viRG1VDDT+voCD（a） 原理电路图2.3 带源极电阻的共源放大电路（2）性能指标如下所示。（216） gm RD Av （减小） 1+gmRS1 （217）Ri=RG3+RG1RG2（不变）（218）Ro= RDRS1+(1+gmRS1) rds（Ro增大(zn d)）5、BJT放大(fngd)电路与FET放大(fngd)电路的性能比较（1）比较

19、表2.2及表2.3可知，FET三种基本组态放大器的性能特点与BJT放大器相似；（2）由于ig=0，所以共源和共漏放大器的输入电阻和电流增益均趋于无穷大；（3）在相同静态电流下，由于场效应管的gm远小于三极管的gm，因此共源、共栅电路的电压增益远小于共发、共基电路的增益，且共栅放大器的输入电阻比共基放大器的大，共漏放大器的输出电阻比共集放大器大。5.2.2共源放大器1.基本分析电阻负载共源级放大器由于自身的跨导，MOS管可以将栅-源电压的变化转换成小信号5漏极电流，于是输出电压由小信号漏电流流过电阻产生。图3. 7-1为场效应管可参数（共源）等效电路。图中虚线框内为管子本身的等效电路。I和y一分

20、别为信号源和信号源内导纳；YL为负载导纳；y和y分别为管子本身输出端短路时的输入导纳和正向传输导纳；yr和yo且分别为管子本身输入端短路时的反向传输导纳和输出导纳。图3. 7-1共源场效应管参数等效电路图3. 7-2表示场效应管共源电路的模拟等效电路。图中CSd表示栅漏极之间的电容；Cd、g表示漏源极之间电容和电导；g表示栅源电压矿g经放大后漏源等效电流源口，图3. 7-2表示场效应管的模拟等效电路2.分析电阻负载共源级放大器由于自身的跨导，MOS管可以将栅-源电压的变化转换成小信号5漏极电流，于是输出电压由小信号漏电流流过电阻产生，如图2-2所示。图2-2 小信号(xnho)分析静态(jng

21、ti)值、和称为(chn wi)场效应管放大器的静态工作点。若求，必须知道场效应管的转移特性曲线或方程。在此，采用近似的方法估算图2-21电路的静态工作点。求射级输出的输出电阻设 （2-30） (2-31)(2-32) (2-33)由图2-23所示的小信号等效电路，可以求得共源极放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻：共源级放大电路的小信号等效电路 (2-34)其中(qzhng)，(2-35)(2-36)电阻(dinz)常取几M，所以场效应管放大电路的输入电阻很大，若输入信号有较大的内阻，也不会象晶体管放大电路那样使放大倍数受到影响(yngxing)，因此场效应管放大电路常用于多级放大电路

22、的输入级。应用中有时要求单级具有很大的电压增益8，关系式表示，我们可以增大共源极的负载电阻阻止。但是对于电阻或者二极管连接的负载而言，增大阻值会限制输出电压的摆幅。一个更切实可行的方法是用电流源代替电阻或者二极管负载，使电路中两个管子都工作在饱和区9。因此在输出结点所看到的总的输出阻抗等于所以增益为 (3-1)当远大于时 (3-2)总结：在漏电流一定时，只增大L可增大增益，但同时会使寄生电容增大，单纯的增大会使增益减小10。 5.3共漏极放大电路的分析共源共栅级的级联叫做共源共栅结构，如图1所示，它显示了共源共栅电路的基本结构：M1产生与输入电压Vin成正比的小信号漏电流，将输入电压信号转变为

23、电流信号；M2仅仅使电流流经RD，将源极的电流信号传输到输出。图1 共源共栅结构共源共栅放大器的大信号特性（传输特性、输出电压范围）、小信号特性（增益、输出阻抗）、作用、高频特性与噪声特性。下面我详细(xingx)说说我的理解。大信号(xnho)特性：当VinVt1时 ， M1、M2截止(jizh)；当VinVt1时 ，M1、M2都饱和；而Vin足够大时，M1进入线性区，M2也进入线性区。如图二所示。图2 共源共栅级的输入输出特性分析偏置条件：为了保证M1工作于饱和区，必须满足VxVin-Vt1 .假如M1和M2都处于饱和区，则VX主要由Vb决定：Vx=Vb-VGS2。因此VbVin+VGS2

24、-Vt1 ,如图3所示。为了保证M2饱和，必须满足VoutVb-VT2 ,如果Vb的取值是M1处于饱和区边缘，则VoutVin-Vt1+VGS2-Vt2。从而保证M1和M2工作在饱和区的最小输出电平等于M1和M2的过驱动电压之和。 图3 共源共栅电路的偏置电压5.3共漏极放大电路的分析共漏极放大电路如图4-12 所示。由图可见，共漏极放大电路的直流偏置电路与共源极放大电路完全相同，静态工作点的分析方法也和共源极放大电路相同。但输出电压从源极取出，交流通路和微变等效电路如图4-13 所示。1)电压放大(fngd)倍数由图4-13b可得2)输入电阻图4-13 共漏级放大(fngd)电路交流通路及微

25、变等效电路图4-14求输出(shch)的等效电路3）输出电阻根据求放大器输出电阻的定义，令，保留信号源内阻，于是可画出求公源级放大电路输出电阻的等效电路图如图4-14所示。从图4-14所中根据KCL有所以可见，共漏级放大(fngd)器电路具有与BJT共集电极放大电路相同的特点，如，输入电阻大，输出电阻小等。在共源放大器和源跟随(n su)器中，输入信号都是加在MOS管的栅极。把输入(shr)信号加在MOS管的源端也是可以的 。大信号分析直流分析：假设Vin从Vdd下降。当Vin=Vb-Vth, M1关断。Vout = Vdd当Vin变小，M1打开。 I上升，Vout下降，所以Vout很高，M1饱和。c) 当Vin下降，Vgs1上升，I上升，Vout下降，M1最终进入线性区M1在饱和区边缘：M1可能不会进入线性区：Vb和Rd很小时5.4共栅放大器。可以证明，场效应管共栅电路y参数为 由上式并与共源电路(dinl)的y可参数比较(bjio)可见，共栅电路的输入导纳yig很大