模电 第4章-放大器基础

4.2放大器的性能指标4.4差分放大器4.3基本组态放大器4.7放大器的频率响应4.1偏置电路和耦合方式第4章放大器基础4.5电流源电路及其应用4.6集成运算放大器1概述在广播、通信、自动控制、电子测量等各种电子设备中，放大器是必不可少的组成部分。放大器是应用最广泛的一类电子线路。它的主要功能是将输入信号进行不失真的放大。2按信号强弱分：小信号放大器大信号放大器按电路结构分：直流放大器交流放大器(线性放大器)(非线性放大器)(多用于集成电路)(多用于分立元件电路)放大器分类按信号特征分：宽带放大器音频放大器视频放大器脉冲放大器谐振放大器(放大语音信号)(放大图像信号)(放大脉冲信号)(放大高频载波信号)3保证半导体器件工作在放大模式放大器组成框图耦合电路耦合电路输出负载输入信号直流偏置电路外围电路具有正向受控作用的半导体器件是整个电路的核心将放大器输出端与输出负载进行连接。将输入信号源与放大器输入端进行连接。44.1偏置电路和耦合方式4.1.1偏置电路设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。对偏置电路的要求提供合适的Q

点，保证器件工作在放大模式。例如：偏置电路须保证三极管E结正偏、C结反偏。当环境温度等因素变化时，能稳定电路的Q

点。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Q点发生变化。当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或截止失真。5QiCtICQtvCEOVCEQibQ点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。Q点波动对输出波形的影响：Q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。QibibiCvCEOQ6三极管偏置电路(1)简单偏置电路VCCRCRBIBIC

Q

点估算：

电路优点：Q点设置方便，计算简单。

电路缺点：不具有稳定Q点的功能。T时、ICBO、VBE(on)ICQQ点升高7(2)分压式偏置电路

Q

点估算：

电路优点：T

ICQVCCRCRB1IBQI1RB2RECE(固定)具有稳定Q点的功能。

VEQ(=ICQRE)VBEQ(=VBQ-

VEQ)IBQICQ假设I1>>IBQ则8

存在问题：工程规定：VCCRCRB1IBQI1RB2RECERE越大VBEQ越大Q点越稳定VCEQ越小输出动态范围越小VEQ=0.2VCC或VEQ=1~3VRB1、RB2过大不满足I1>>IBQ工程规定：I1=(5~10)IBQ则VBQ不稳定RB1、RB2过小放大器Ri

减小94.1.2耦合方式放大器与信号源、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。交流信号正常传输。为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合方式必须保证：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：集成电路中广泛采用的一种耦合方式—直接耦合。具有隔直流作用的耦合方式—电容耦合、变压器耦合。10电容耦合VCCR3R1R2R4RSvS+--+CBviT1+R7R5R6R8CCT2+直流工作时：由于CB、CC具有隔直流作用，因此信号源不影响放大器Q点正常设置，且各级Q点相互独立。交流工作时：由于CB、CC较大，在信号频率上近似看作因此，CB、CC的接入不会影响信号的正常传输。电路缺点：体积大，不易集成。短路。11直接耦合VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn各级之间不经过任何元件直接相连。直接耦合方式：电路优点：频率特性好，便于集成。存在问题：级间直流电平配置问题。零点漂移问题。12级间直流电平配置问题一

VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn结果：T1管Q点靠近饱和区，输出易出现失真。由图若RE2=0，后级接入RE，扩大前级动态范围。解决方法：13级间直流电平配置问题二VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn工作在放大模式时：加电平位移电路解决方法：由图越往后级VBQ3ICQ3VCEQ3输出动态范围14采用PNP管的电平位移电路：利用NPN管与PNP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。VCCRC2RET2RC1T1RB+--+VBQ1VCQ2+-VCQ1VCQ1

>VBQ1放大模式NPN管放大模式PNP管VCQ2<VBQ2=VCQ115零点漂移问题零点漂移：指vi

=0时，输出端静态电压的波动。

第一级采用低温漂的差分放大器。解决方法：则第一级Q点变(VCEQ1+V)，温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称温漂。温漂危害：若温度变淹没有用信号。例如：假设直接耦合放大器原输出端静态电压为VCEQn，V

经后级逐级放大输出静态电压变为(VCEQn+

AvnV)当漂移严重即V

较大时，温漂信号有可能淹没有用信号，使电路丧失对有用信号的放大能力。电容耦合放大器由于电容的隔直作用，温漂很小，可忽略。16放大器的组成原则：直流偏置电路(即直流通路)要保证器件工作在放大模式。交流通路要保证信号能正常传输，即有输入信号vi时，应有vo

输出。判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。元件参数的选择要保证信号能不失真地放大。即电路需提供合适的Q

点及足够的放大倍数。17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：4.2放大器的性能指标线性有源四端网络RSRLvS+-+-viiiiovo+-RiRo反映放大器性能的主要指标有：增益A。输入电阻Ri、输出电阻Ro、184.2.1输入电阻、输出电阻、增益输入电阻对输入信号源而言，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Ri。或RSRivS+-+-viiiRSRiiS+-viii定义上式中，Ri表示本级电路对输入信号源的影响程度。19输出电阻对输出负载而言(根据戴维南定理和诺顿定理)，任何放大器均可看作它的信号源，该信号源内阻即放大器输出电阻Ro。或RoRLvot+-+-voioRoRLion+-voiovot：负载开路时vi或ii在电路输出端产生的开路电压。ion：负载短路时vi

或

ii

在电路输出端产生的短路电流。20输出电阻Ro

计算：RLvS+-vo放大器RS+-(放大器一般框图)iv+-放大器RS(

Ro的定义)

令负载电阻RL

开路，信号源为零。在输出端外加电压

v，则产生电流i。定义Ro反映放大器受负载电阻RL的影响程度。21小信号放大器四种电路模型RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo电压放大器RoRLionioRSRiiSii电流放大器RSRivS+-+-vi互导放大器RoRLionioRoRLvot+-+-voRSRiiSii互阻放大器22放大器的增益：增益(放大倍数)不同类型放大器输入、输出电量不同，故增益的含义不同。即放大器输出信号变化量与输入信号变化量的比值。A=xo/xi电压放大器RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo电压增益：开路电压增益：源电压增益：RO越小，RL对Av

影响越小。Ri越大，RS对Avs

影响越小。23电流放大器电流增益：短路电流增益：源电流增益：RoRLionioRSRiiSiiRi越小，RS对Ais

影响越小。RO越大，RL对Ai

影响越小。互导放大器互导增益：互阻放大器互阻增益：24理想放大器性能特点电压放大器：Ri0、Ro、

Ai

大且不随RL和信号源而变化。电流放大器：Ri、Ro0、

Av

大且不随RL和信号源而变化。互导放大器：Ri、Ro、Ag

大且不随RL和信号源而变化。互阻放大器：Ri0、Ro0、Ar

大且不随RL和信号源而变化。25多级放大器可拆分成单级电路进行分析：将后级输入电阻作为前级的负载电阻。

多级放大器

RLvS+-voRS+-A1vi+-A2将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。Ri2+-+-vo1=vi2264.2.2放大器的失真

频率失真放大器的失真是指输出信号不能重现输入信号波形的一种物理现象。失真类型频率失真瞬变失真线性失真非线性失真一般而言，放大器中含有电抗元件。在正弦信号激励下，不同频率呈现不同电抗，因而放大器增益应为频率的复函数：27

波特图在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。Of/HzA(f)Of/HzA(f)幅频特性相频特性(对数刻度)(对数刻度)(线性刻度)(线性刻度)增益分贝值：通频带：对应上限频率fH、及下限频率fL。AIAI2fHfL28频率特性的三个频段中频段：通频带以内的区域。放大器的增益、相角均为常数，不随f变化。特点：原因：所有电抗影响均可忽略不计。高频段：f>fH的区域。频率增大，增益减小并产生附加相移。特点：原因：极间电容容抗分流不能视为开路。即极间电容开路、耦合和旁路电容短路。低频段：f<fL的区域。频率减小，增益降低并产生附加相移。特点：原因：耦、旁电容容抗分压不能视为短路。29

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：若不同频率信号呈现不同增益幅度失真相位失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由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。注意：线性失真不产生新的频率成份。一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真。视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。30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。

瞬变失真RC+-vi-vo+vit1Ovot0.10.9trRC+-vi-vo+vitOvott1vot131

非线性失真非线性失真由三极管产生，它产生了新的频率成份。假设三极管基射间外加电压：则利用傅里叶级数展开得：非线性失真系数：32根据三极管(场效应管)在放大器中的不同接法，放大器分为三种基本组态。4.3基本组态放大器T+-+-VCCRCvivo(共发)T+-+-VCCREvivo(共集)T+-+-VCCRCvivo(共基)无论何种组态放大器，分析方法均相同。1)由直流通路确定电路静态工作点。注意：2)由交流通路画出小信号等效电路，并进行分析。33共发射极放大器4.3.1三种组态放大器的实际电路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2VCCRCRB1RB2RE直流通路RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路34共基极放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC35共集电极放大器VCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2VCCRB1RB2RE直流通路交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RS36共发电路性能分析4.3.2共发、共基和共集放大器的性能RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi画交流等效电路共发电路输入、输出电阻故rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib37共发电路电流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe短路电流增益38共发电路电压增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce开路电压增益源电压增益391)既有电压放大作用、又有电流放大作用。2)输出电压与输入电压反相。共发电路提供的最大电压增益若采用有源负载作为RC，可使RC>>rce

因此由于厄尔利电压|VA|>>VT，因此共发电路提供的Av很大，且其值与静态电流ICQ无关。共发电路特点3)输入电阻、输出电阻适中。40共基电路性能分析画交流等效电路(忽略rce

影响)

共基电路输入电阻vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibecii因此(小)Rivs+-RL+-voRERSRCvi+-41共基电路输出电阻共基电路电流增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

短路电流增益42共基电路电压增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibec共基电路特点1)有电压放大作用、但无电流放大作用。2)输出电压与输入电压同相。3)输入电阻低、输出电阻高。43考虑rce

时共基电路输出电阻令vs=0、RL开路，画出求Ro的等效电路。vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibecrce则得因此+-vRERSRCrbegmvebberceiiRoRS=RS//RE44共集电路性能分析画交流等效电路共集电路输入电阻(忽略rce)因此(大)RiRERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-45共集电路输出电阻rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-令vs=0、RL开路，画出求Ro的等效电路。rbeibiRERB+vRSrce-iibRoRS=RS//RB则得因此(小)46

共集电路电流增益(忽略rce)rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-短路电流增益

共集电路电压增益(忽略rce)<1其中47三种组态电路性能比较RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi小大小大大小大大1大中中共发共基共集RiRoAvAin48三种组态电路的应用共发放大器

广泛应用于多级放大器提供增益的增益级中。共基放大器

由于频率特性好，故常与共发电路配合，组成宽带放大器。共集放大器

利用Ri

高的特点，常作多级放大器输入级，提高整个电路的Ri

。利用Ro

低的特点，常作多级放大器输出级，提高整个电路的带负载能力。利用Ri

高、Ro

低的特点，常作缓冲级(隔离级)，以提高前级电路的增益。49共发-共基组合放大器4.3.3改进型放大器三种基本组态放大器的性能特点各不相同，若将它们适当组合，可使放大器的性能更接近理想化。组合放大器vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T250共集-共发组合放大器利用共发电路增益高、共基电路Ri低、Ro高的特性，使共发-共基组合电路更接近理想的电流放大器。vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2利用共发电路增益高、共集电路Ri高、Ro低的特性，使共集-共发组合电路更接近理想的电压放大器。51共集-共基组合放大器vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2由于则(假设两管参数相同)其中(假设两管参数相同)52接RE

的共发放大器RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(交流等效电路)53共发电路射极接电阻RE后：由于RE的负反馈作用，使Ri

增大、Ro

增大，放大器更接近理想的互导放大器。由于RE

的负反馈作用，不仅增益稳定性提高，而且且还便于集成化。当RL时，存在问题：交流工作时：

RCAv

但集成困难；直流工作时：

RCVCEQ

易饱和失真。此时，Avt近似等于两电阻的比值，与三极管参数无关。54采用有源负载的共发放大器解决方法：用恒流源(有源负载)取代电阻

RC。恒流源特点：直流电阻小，交流电阻大。RLvoviVCCR1R2RET1T2RLvoviVCCT1ICQ其中等效为55差分放大器具有抑制零点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级，是另一类基本放大器。4.4差分放大器4.4.1电路结构由两完全对称的共发电路，经发射极电阻REE

耦合而成。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLT1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL采用正负双电源供电：VCC=|VEE|。具有两种输出方式：双端输出、单端输出。56T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL由于电路采用正负双电源供电，则VBQ1

=

VBQ2

0估算电路Q

点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令vi1=vi2=0，画出电路直流通路。因此57差模信号和共模信号4.4.2电路性能特点差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为

vi1=-vi2=vid/2差模输入电压vid=vi1-

vi2

共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为

vi1=vi2=vic共模输入电压vic=(vi1+vi2)/2任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。vi1=vic+vid/2vi1=vic-

vid/2即58差放半电路分析法因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。分析步骤：差模分析画半电路差模交流通路计算Avd（Avd1或Avd2）、Rid、Rod（Rod1或Rod2）。

共模分析画半电路共模交流通路计算Avc（Avc1或Avc2）、KCMR、Ric。根据需要计算输出电压双端输出：

计算vo。单端输出：

计算vo1、

vo2。59差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路REE

对差模视为短路。iC2=ICQ-

iciC1=ICQ+ic因IEE=iC1+iC2=2ICQ(不变)故RL

中点视为交流地电位，即每管负载为RL/2。直流电源短路接地。RC+-vod1+-vid1RL2T1半电路差模交流通路1)半电路差模交流通路注意：关键在于对公共器件的处理。602)差模性能指标分析差模输入电阻差模输出电阻差模电压增益注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到提高。半电路差模交流通路

RC+-vod1+-vid1RL2T1iid61单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不变减小减小RC+-vod1=

vod+-vid1RLT1iid半电路差模交流通路62共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL双端输出电路每管发射极接2REE。iC2=ICQ+iciC1=ICQ+ic因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2ic则RL

对共模视为开路。直流电源短路接地。1)半电路共模交流通路因此REE

上的共模电压：2icREE因为流过RL的共模电流为0。半电路共模交流通路

RC+-voc1+-vic1=vicT12REE632)共模性能指标分析共模输入电阻共模输出电阻共模电压增益电路特点半电路共模交流通路

RC+-voc1+-vic1=vicT12REE无意义双端输出电路利用对称性抑制共模信号。利用对称性抑制共模信号(温漂)原理：64单端输出电路T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对RL的处理上。不变半电路共模交流通路

RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL65单端输出电路特点单端输出电路利用REE的负反馈作用抑制共模信号。利用REE

抑制共模信号原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL一般射极电阻REE取值较大因此很小。结论无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大差模信号、抑制共模信号的能力。66差放性能指标—归纳总结

Rid

与电路输入、输出方式无关。

Rod

仅与电路输出方式有关。

Avd

仅与电路输出方式有关。

Avc仅与电路输出方式有关。双端输出单端输出双端输出单端输出双端输出单端输出其中其中其中67共模抑制比

KCMR

是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力的一项重要指标，其值越大越好。

定义双端输出电路单端输出电路提高IEE(即增大gm)、增大REE提高KCMR68普通差放存在的问题：采用恒流源的差分放大器REEKCMR抑制零点漂移能力但IEEQ点降低输出动态范围T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中很大69双端输出时单端输出时

任意输入时，输出信号的计算其中其中70例：图示电路，已知=100，vi=20sint(mV)，求vo。解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6k10k10k(12V)(-12V)(1)分析Q点(2)分析Avd2、Avc2由于则(3)计算vo由于则714.5电流源电路及其应用直流状态工作时，可提供恒定的输