模电第四章课件

第4章放大器基础概述4.1偏置电路和耦合方式4.2放大器的性能指标4.3基本组态放大器4.4差分放大器4.5电流源电路及其应用4.6集成运算放大器4.7放大器的频率响应概述在广播、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。第4章放大器基础按信号强弱分：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)第4章放大器基础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。第4章放大器基础放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。4.1.1放大器的原理和实质放大原理VIQtvBEOIBQtiBOtviICQtiCOVCEQtvCEOtvoO利用ib对ic的控制作用实现放大。+-iBviiCVCCRC+-+-VIQvo第4章放大器基础4.1放大器的基本概念电源VCC提供的功率：放大实质三极管集电极上的功率：负载电阻RC上的功率：第4章放大器基础注意：放大器放大信号的实质：是利用三极管的正向受控作用，将电源VCC提供的直流功率，部分地转换为输出功率。电源VCC不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同时还是整个电路的能源。电源提供的功率PD除了转换成负载上有用的输出功率PL外，其余均消耗在晶体三极管上(

PC

)。三极管仅是一个换能器。第4章放大器基础就信号而言，各种小信号放大器均可统一表示为有源线性四端网络：4.1.2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、第4章放大器基础一、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。第4章放大器基础输出电阻对输出负载而言(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。第4章放大器基础输出电阻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。第4章放大器基础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互阻放大器第4章放大器基础放大器的增益：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。第4章放大器基础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：第4章放大器基础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。第4章放大器基础二、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：第4章放大器基础

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)/dBOf/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。AIAI2fHfL第4章放大器基础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。第4章放大器基础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分。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。第4章放大器基础指放大脉冲信号时，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+vitOvott1vot1第4章放大器基础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：第4章放大器基础根据三极管(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。4.2基本组态放大器T+-+-VCCRCvivo(共发)T+-+-VCCREvivo(共集)T+-+-VCCRCvivo(共基)第4章放大器基础T+-+-VDDRDvivo(共源)(共漏)T+-+-VDDRSvivo(共栅极)T+-+-VDDRDvivo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。第4章放大器基础共源放大器4.2.1共源、共栅和共漏放大器的性能场效应管电路性能特点、分析方法与三极管放大器相似。不同之处仅在于，FET或场效晶体管的ig=0。gmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRo第4章放大器基础RDRGvs+-RL+-voRS+-vi接RS的共源放大器不变经推导则增大减小第4章放大器基础RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSgmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRoiiO共栅放大器vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因为所以而第4章放大器基础vs+-RL+-voRSRSRDvi+-RL+-voRSRSRDgmvgsiogsRoirdsi考虑rds影响的输出电阻RO其中RS〞为源极所接电阻，与源极接RS的共源放大器一致。共漏放大器经推导第4章放大器基础RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgss受控源与电阻rds,RS是并联的关系FET三种组态电路性能比较小大小大大1大大大共源共栅共漏RiRoAv第4章放大器基础RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSvs+-RL+-voRSRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viRS共发射极放大器4.2.2三种组态放大器的实际电路VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章放大器基础RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2共基极放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章放大器基础RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC共集电极放大器VCCRB1RB2RE直流通路第4章放大器基础交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RSVCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2共发电路性能分析4.2.3共发、共基和共集放大器的性能画微变等效电路分析电路输入、输出电阻故rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib第4章放大器基础RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi共发电路电流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe第4章放大器基础短路电流增益共发电路电压增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce开路电压增益源电压增益第4章放大器基础1)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。共发电路特点第4章放大器基础共基电路性能分析画微变等效电路(忽略rce影响)共基电路输入电阻vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibecii因此(小)Ri第4章放大器基础vs+-RL+-voRERSRCvi+-共基电路输出电阻共基电路电流增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

短路电流增益第4章放大器基础共基电路电压增益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。第4章放大器基础考虑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+-vRERSRCrbegmvbeberceiiRoRS=RS//RE第4章放大器基础共集电路性能分析画微变等效电路共集电路输入电阻(忽略rce)因此(大)第4章放大器基础RERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-Ri共集电路输出电阻令vs=0、RL开路，画出求Ro的等效电路。rbeibiRERB+vRSrce-iibRoRS=RS//RB则得因此(小)第4章放大器基础rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-

共集电路电流增益(忽略rce)短路电流增益

共集电路电压增益(忽略rce)1其中第4章放大器基础rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-三种组态电路性能比较小大小大大小大大1大中中共发共基共集RiRoAvAin第4章放大器基础RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi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；利用Ro

低的特点，常作多级放大器输出级，提高带负载能力。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。第4章放大器基础接RE的共发放大器其中第4章放大器基础rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(微变等效电路)RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)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RE时，此时，Avt近似等于两电阻的比值，与三极管参数无关。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。第4章放大器基础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其中等效为第4章放大器基础4.2.4集成MOS放大器集成MOS放大器与分立MOS放大器电路结构相同，只是为了提高集成度，集成MOS放大器中的负载电阻采用了以不同方法实现的有源电阻。集成MOS放大器类型：NMOS放大器CMOS放大器放大管NEMOS负载管NEMOS放大管NEMOS负载管NDMOSE/EMOS放大器E/DMOS放大器放大管、负载管均为E型但沟道互补第4章放大器基础

E/EMOS放大器VDD+-vo+viT2T1-要求两管工作在饱和区，由于gm2vgs2=-gm2vo

，则受控源

gm2vgs2等效为电阻：1/gm2因gmu2vus2=-gmu2vo

，则受控源

gmu2vus2

等效为电阻：1/gmu2即，第4章放大器基础交流通路+-vo+viT2T1-g2s2g1s1gm1vgs1+-vo+-virds1g1s1rds2gm2vgs2gmu2vus2微变等效电路电压增益：其中2=0.1~0.3由于MOS管跨导所以(小于10倍)第4章放大器基础gm1vgs1+-vo+-virds1g1s1rds2gm21gmu21简化等效电路

E/DMOS放大器要求两管工作在饱和区：由于vgs2=0

，因此受控源

gm2vgs2

开路。因gmu2vus2=-gmu2vo

，则受控源

gmu2vus2

等效为电阻：1/gmu2，即VDD+-vo+viT2T1-VDD简化等效电路(几十倍)第4章放大器基础vogm1vgs1+-+-virds1g1s1rds2gmu21

CMOS放大器结构特点：两增强型MOS管沟道互补，衬底