《模拟电子技术基础与实验应用教程》第3章 放大电路基础

第3章放大电路基础本章小结3.1放大电路的基本知识3.2三种基本组态放大电路3.3差分放大电路3.4互补对称功率放大电路3.5多级放大电路3.6放大电路的调试知识引言本章重点按用途分常用的有：电压放大电路又称小信号放大电路；功率放大电路又称大信号放大电路。放大器分类按结构分常用的有：三组态放大电路差分放大电路互补对称放大电路。晶体管三组态放大电路、差分放大电路和互补对称功率放大电路的组成、静态工作点的设置、性能分析。第3章放大电路基础3.1放大电路的基本知识3.1.1放大电路的组成3.1.2放大电路的主要性能指标3.1.1放大电路的组成一、放大电路组成直流电源信号源RS+us–RSis放大电路负载RL信号输入第一级第二级第三级信号输出多级放大电路放大电路的放大作用是针对变化量而言，是在输入信号的作用下，利用有源器件的控制作用，将直流电源提供的部分能量转换为与输入信号成比例的输出信号，实质上是一个受控能量转换器。二、放大的概念三、放大电路的类型电压放大电路（小信号放大电路）输入信号幅度较小，不失真放大电压信号电流放大电路输入信号幅度较小，不失真放大电流信号功率放大电路（大信号放大电路）输入信号幅度大，输出大功率3.1.2放大电路的主要性能指标１1

22

+us–放大电路RS+ui–+uo–RLioiius

—信号源电压Rs

—信号源内阻RL

—负载电阻ui

—输入电压uo

—输出电压ii

—输入电流io—输出电流11

22

+us–放大电路RS+ui–+uo–RLioii电压增益

Au(dB)=20lg|Au|一、放大倍数电压放大倍数

Au=uo/ui电流放大倍数

Ai=io/ii功率放大倍数

Ap=po/pi电流增益Ai(dB)=20lg|Ai|功率增益

Ap(dB)=10lgAp二、输入电阻１1

+us–RS+ui–iiRiRi越大，ui与us越接近例3.1.1us=20mV，Rs=600

，比较不同Ri时的ii

、ui。Riiiui6000

3

A18mV600

16.7

A10mV60

30

A1.82mV输入电阻：放大电路输出端接负载电阻RL后，从输入端1-1′，向放大电路内看进去的等效动态电阻。

三、输出电阻放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻即为电路的输出电阻。Rouot—负载开路时的输出电压；uo—带负载时的输出电压，Ro越小，uot

和

uo

越接近。22

11

+us–RS+ui–+uo–RLRo+uot–Ri

输出电阻：放大电路输入信号源电压短路（uS=0），保留RS，负载RL开路时，由输出端2-2′两端向放大电路看进去的等效动态电阻211

us=0RS放大电路2

四、通频带与频率失真

电抗元件(主要是电容)使放大电路对不同频率输入信号的放大能力不同，反映在：Au(f)—幅频特性

(f)—相频特性1.幅频特性和相频特性fAu(f)OfO2.频带宽度(带宽)BWAumfLfH下限频率

上限频率

中频段低频段高频段BW0.7BW0.7=fH–

fL(BandWidth)第3章放大电路基础3.2三种基本组态放大电路3.2.1共发射极放大电路3.2.2共集电极放大电路3.2.3共基极放大电路3.2.4场效应管放大电路3.2.1共发射极放大电路一、电路组成+VCCRCC1C2RLRE+CE++RB1RB2RS+ui

+us

+uo

VCC(直流电源)：•供给放大电路工作时所需能量•

使发射结正偏，集电结反偏C1、C2(耦合电容)：•隔直流、通交流RB1

、RB2(基极偏置电阻)：•提供合适的基极电流RC(集电极负载电阻)：•将

IC

UC

，使电流放大

电压放大RE(发射极电阻)：•稳定静态工作点“Q”CE(发射极旁路电容)：•短路交流，消除RE对电压放大倍数的影响二、静态工作点+VCCRCRERB1RB2+UBEQ

+UCEQ

IBQI1ICQIEQVCCRCRERB1RB2+–+–VCC直流通路电阻分压器UBQ要求：I1

(5

10)IBQUBQ

(5

10)UBEQ稳定“Q”的原理：T

IC

UE

UBE

IB

IC

三、主要性能指标分析+us

+VCCRCC1C2RLRE+CE++RB1RB2RS+uo

RCRB1RB2+ui

+uo

RLibicii交流通路小信号等效电路rbe

ib1.电压放大倍数源电压放大倍数2.输入电阻Ri3.输出电阻RoRo

=RC例3.2.1

=100，RS=1k，RB1=62k，RB2=20k,RC=3k，RE=1.5k，RL=5.6k，VCC=15V。求：“Q”，Au，Ri，Ro。[解]（1)求“Q”+VCCRCC1C2RLRE+CE++RB1RB2RS+us

+uo

（2)求Au，Ri，

Aus，Ro+VCCRCC1C2RLRE+CE++RB1RB2RS+us

+uo

Ro=RC=3k

（3)断开CE后，求Au，Ri，Ro+VCCRCC1C2RLRE++RB1RB2RS+us

+uo

1)静态工作点“Q”不变2)求Au、Aus、Ri、RoRCRB1RB2+ui

+uo

RLibiciirbe

ibRERo

=RC=3k

既稳定“Q”，Au

又较大的电路3.2.2共集电极放大电路（射极输出器、射极跟随器）一、电路组成与静态工作点IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+usUCEQ=VCC–

IEQ

RE交流通路RsRB+

+uo

RLibiciiRE集电极C交流接地VCC=IBQRB+UBEQ+IEQ

RE二、主要性能指标交流通路RsRB+

+uo

RLibiciiRE小信号等效电路usRB+uo

RLibiciirbe

ibRERs+

R

L=RE//RL电压放大倍数：1输入电阻：输出电阻：usRB+uo

RLibiciirbe

ibRERs+

RBibiciirbe

ibRERsus=0+u

iiRER

S=Rs//RBi=iRE

–

ib–

ib射极输出器特点Au

1

输入输出同相Ri

高Ro

低用途：输入级输出级中间隔离级例3.2.2

=120，RB=300k，r

bb=200，UBEQ=0.7VRE=RL=Rs=1k，VCC=12V。求：“Q”，Au，Ri，Ro。IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+us[解]1)求“Q”IBQ=(VCC–

UBE)/

[RB

+

(1+

)

RE]=(12

–

0.7)/[300+1211]

27(

A)IEQ

IBQ

=3.2(mA)UCEQ=VCC–

ICQ

RE

=12–3.21=8.8(V)2)求Au，Ri，RoRbe=200+26/0.027

1.18(k

)Ri=300//(1.18+1210.5)=51.2(k

)RL

=

1

//

1

=0.5(k

)三、电路性能及应用1、电路性能特点2、电路应用输出电压Uo与输入电压Ui大小近似相等、相位相同，Au≈1由于ube«uo，所以uo=ui-ube≈ui输入电阻很大，输出电阻很小，123电路点评共集电极放大电路没有电压放大作用，有很好的电流和功率放大能力，良好的高频特性，广泛应用于测量仪器的输入级，用作功率放大器和缓冲器等电路。作多级放大电路的输入级，可减小对输入信号源的影响作多级放大电路的输出级，可提供恒压输出，提高负载能力作多级放大电路的中间级，隔离前后级的影响，起到级间阻抗变换作用（缓冲级）1233.2.3共基电极放大电路性能指标Ro=RCRCRERS+us

RL+VCCRCC2C3RLRE+++RB1RB2RS+us

+uo

C1电路点评1.输出电压与输入电压同相。2.电压放大倍数高。3.输入电阻小，输出电阻大。用于高频及宽带放大电路RiR

iRo+uo

RCRERS+us

RLrBEioicieiiib

ib+ui

三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高，噪声低，热稳定性好一、电路组成和直流偏置方式

1.自给偏压电路栅极电阻RG的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泄放栅极积累电荷源极电阻RS的作用：提供负栅偏压漏极电阻RD的作用：把iD的变化变为uDS的变化UGSQ=UGQ

–

USQ

=–IDQRS+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSDIDQ↓3.2.4场效应管放大电路2.分压式自偏压电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ>0UGSQ=0UGSQ<0RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3例3.2.3已知gm=0.8mS,求Au、Ri、Ro。RLRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2GSDRG1RG3RS10k

15k

200k

100k

5.1M

20k

+24VRG3用于增大输入电阻二、共源放大电路主要性能指标RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsidii第3章放大电路基础3.3差分放大电路3.3.1基本差分放大电路3.3.2具有电流源的差分放大电路3.3.3差分放大电路的单端输入、输出方式3.3.4差分放大电路的差模传输特性及应用3.3.1基本差分放大电路一、电路组成及静态工作点V1VCCV2VEERCRCREui1ui2uo公共发射极电阻，用来抑制零点漂移并决定静态工作电流能有效地克服零点漂移两个输入端，两个输出端；元件参数对称；双电源供电；ui1=ui2

时，uo=0特点V1VCCV2VEERCRCREui1ui2uo直流通路V1+VCCV2VEERCRCREuoVEEICQ1ICQ2IEEIEQ1IEQ2UCQ1UCQ2VEE=UBEQ+IEEREIEE=(VEE

–UBEQ)/RE

VEE/REICQ1=ICQ2IEE/2=VEE/2REUCQ1=VCC–

ICQ1RCUCQ2=VCC–

ICQ2RCuo=UCQ1–

UCQ2=0差模输入ui1=–

ui2差模输入电压uid=ui1

–

ui2=2ui1

=–

ui2差模信号交流通路ic1ic2使得：ic1=–

ic2uo1=–

uo2差模输出电压uod

=uC1

–uC2=uo1–(–

uo2)=

2uo1差模电压放大倍数带RL时RLRid=2rbe差模输入电阻差模输出电阻Ro=2RC大小相同极性相反二、差模输入与差模特性ui1V1V2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1+VCCV2VEERCRCREuodui2uC1uC2例3.3.1

已知：

=80，r

bb=200，UBEQ=0.6V，试求：(1)静态工作点；(2)差模电压放大倍数Aud，差模输入电阻Rid，输出电阻Ro。[解](1)

ICQ1=ICQ2

(VEE

–

UBEQ)/2RE=(12–0.6)/2

20=0.285(mA)UCQ1=UCQ2=VCC–ICQ1RC=12–0.285

10=9.15(V)(2)=10//10=5(k)Rid=2rbe=27.59=15.2(k)Ro=2RC=20(k)ui1V1+12VV212VRCRCREuodui210k

10k

20k

20k

三、共模输入与共模抑制比共模输入ui1=ui2共模输出电压uic=ui1=ui2使得：ie1=ie2IEQ1+ie1IEQ2+ie2ue

=2ie1RE2RE2RE共模输入电压uoc=uC1

–uC2=0共模抑制比用对数表示：大小相同极性相同共模信号交流通路ui1V1+VCCV2VEERCRCREuocui2uC1uC2V1V2RCRCuocuicuC1uC2uic1.01V0.99V[解]可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和ui1=1.01=1.00+0.01(V)ui2=0.99=1.00–0.01(V)电路如图所示。例3.3.2ui1V1+VCCV2VEERCRCREuoui2uC1uC2uid=u

i1

–u

i2uic=(ui1+ui2)/2=1.01–0.99=0.02(V)=1(V)差模信号共模信号（1）求差模输入电压uid

、共模输入电压uic（2）若Aud=–50、Auc=–0.05，求输出电压电压uo，及KCMR[解]uod=Auduid=–50

0.02=–

1(V)uoc=Aucuic=–0.05

1=–0.05(V)uo=Auduid+Aucuic=–1.05(V)=60(dB)3.3.2具有电流源的差分放大电路一、电流源电路减少共模放大倍数的思路：

增大REE用恒流源代替REE特点：直流电阻为有限值动态电阻很大1.三极管电流源简化画法电流源代替差分电路中的REE+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RC–VEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI02.比例型电流源二极管温度补偿V1+VCCRERB1RB2I0V2比例型电流源V1+VCCR2RR1I0V2IREFUBE1UBE2UBE1

UBE2多路电流源V1+VCCR2RR1I02V2IREFR3I03V3镜像电流源UBE1=

UBE2I0=

IREF微电流源I0R2=

UBE1

–UBE23.镜像和微电流源I0V1RV2IREFV1+VCCR2RI0V2IREFUBE1UBE2V3、V4

构成比例电流源电路二、具有电流源的差分放大电路简化画法能调零的差分电路ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEEI0ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEEI0RPMOS差分电路ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREFIC4R1例3.3.3

=100(1)求静态工作点；(2)求电路的差模Aud，Rid，Ro。[解](1)

求“Q”ICQ1=ICQ2=0.5I0UCQ1=UCQ2=6–0.427.5=2.85(V)(2)求Aud，Rid，RoRo=2RC=15(k)ui1V1+VCCV2RCuoui2RCVEER2R3IC3V3V4IREF+6V

6V100

100

7.5k

7.5k

6.2k

1、单端输入即ui1=ui,ui2=0有一个输入端接地，为双端输入的特例2.单端输出输出为双端输出的一半KCMR较双端输出小参数计算与双端输入相同同相输出反相输出+VCCuiV1V2RCuoRCVEEI0iC1iC2RLuo与ui反相+VCCuiV1V2RCuoRCVEEI0iC1iC2RLuo与ui同相3.3.3差分放大电路的单端输入、输出方式3.3.4差分放大电路差模传输特性及应用一、差分放大电路的差模传输特性OuiiCiC1iC2I0特点：1.iC1+iC2=I0；当ui=0，iC1=iC2=0.5I0。UT-UT2.当–UT<ui<UT，uiiC1–iC2O–UTUTiC1–

iC2

ui。3.当ui﹥4UT

或ui<–4UT，一只管子截止，I0

几乎全部流入另一只管子，输出电压被限幅。4UT–4UTI0–4UT4UT+VCCui1V1V2RCuoui2RCVEEI0iC1iC2如用作集成运放输入级，可减小温度漂移，提高共模抑制比。如用作三角波变换为正弦波用作多级放大电路的输入级。用于构成自动增益控制电路和模拟相乘器用于构成大信号限幅电路和电流开关电路用于构成波形变换电路1234二、差分放大电路的应用第3章放大电路基础3.4互补对称功率放大电路3.4.1功率放大电路的特点与分类3.4.2乙类双电源互补对称功率放大电路3.4.3甲乙类双电源互补对称功率放大电路3.4.4甲乙类单电源互补对称放大电路3.4.1功率放大电路的特点与分类甲类(

=2

)

tiCO

Icm

2ICQ

tiCO

Icm

2ICQ乙类(

=

)

tiCO

Icm

ICQ2甲乙类(

<

<2

)工作状态分类特点向负载高效率提供大功率的放大电路，输出电压和输出电流都比较大，工作在大信号状态，失真较大。甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。乙类工作状态失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。甲乙类工作状态失真大，静态电流小，管耗小，效率较高。3.4.2乙类双电源互补对称功率放大电路(OCL)一、电路组成及工作原理ui>0VT1导通VT2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0VT2导通VT1截止iC2io=iE2=iC2,uO=-iC2RLui=0VT1、VT2截止RLVT1VT2+VCC+ui

+uo

VEENPNPNP二、功率和效率1.输出功率最大不失真输出电压、电流幅度：最大输出功率最大输出功率2.电源供给功率PDC=IC1VCC+IC2VEE=2IC1VCC=2VCCUom/

RL最大输出功率时：PDC=2V2CC/

RLPD=2V2CC/

RL3.效率PD=2VCCIcm/

实际约为60%最大输出功率时：令则：时管耗最大，即：每只管子最大管耗为

0.2Pom5.选管原则PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RLRLV1V2+VCC+ui

+uo

VEE4.管耗例3.4.1已知：VCC=VEE=24V，RL=8

，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此时的PDC、PC1，并选管。[解]PDC=

2V2CC/

RL=2242//(

8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可选：U(BR)CEO=60

100VICM=5APCM=10

15WRLV1V2+VCC+ui

+uo

VEE3.4.3甲乙类双电源互补对称功率放大电路

tiC0ICQ1ICQ2克服交越失真方法RLRVD1VD2VT1VT2+VCC+ui

+uo

VEEVT3当ui=0时，VT1、VT2

微导通。当ui

<0(

至)，VT1

微导通充分导通

微导通；VT2

微导通截止微导通。当ui

>0(

至)，VT2

微导通充分导通微导通；VT1

微导通截止微导通。

当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起

交越失真。交越失真输入信号幅度越小失真越明显。一、乙类功放的交越失真二、甲乙类互补对称功放电路给VT1、VT2提供静态电压克服交越失真的电路VT1VT2VD1VD2实际电路VT4RL+VCC+uo

VT1VT2VT3

VEER*1R2R3R4VT1VT2VT3R2R1RL+VCC+uo

VT1VT2VD1VD2VT3

VEE+ui

R三、复合管互补对称功率放大电路1.复合管(达林顿管)目的：实现管子参数的配对ib1(1+

1)

ib1(1+

1)(1+

2)ib1=(1+

1+

2+

1

2)ib1

1

2

rbe=rbe1+(1+

1)rbe2

2(1+

1)ib1

1ib1ibicie(

1+

2+

1

2)ib1V1V2V1V2NPN+NPNNPNV1V2PNP+PNPPNPV1V2NPN+PNPNPNV1V2PNP+NPNPNP构成复合管的规则：1)

应保证发射结正偏，集电结反偏；2)

复合管类型与第一只管子相同。V1V2

*接有泄放电阻的复合管：V1V2ICEO1

2ICEO1R泄放电阻减小练习VT1、VT3—NPNVT2、VT4—PNPR3、R5—穿透电流泄放电阻RE1、RE2—稳定“Q”、过流保护取值0.1

0.5

V5

V7、RP—克服交越失真R4—使V3、V4输入电阻平衡V8—构成前置电压放大RB1—引入负反馈，提高稳定性。UE

UB8

IB8

IC8

UB3

UE

准互补对称电路2.复合管互补对称电路举例RLRPVT4+VCCV5VT1VT2R2RB1RB2+uo

+++V6V7V8EUB3R1R5R3IC8RE1RE2R4VT3UB8

VEE+ui3.4.4甲乙类单电源互补对称放大电路E电容C的作用：1)充当VCC/2电源2)耦合交流信号当ui=0时，当ui>0时：V2导通，C放电，V2的等效电源电压

0.5VCC。当ui<

0时：V1导通，C充电，V1的等效电源电压

+0.5VCC。应用OCL电路有关公式时，要用VCC/2取代VCC。RLRBV4+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo

+ui

+++COCL电路和OTL电路的比较OCLOTL

电源双电源单电源信号交、直流交流频率响应好fL

取决于输出耦合电容C电路结构较简单较复杂Pomax第3章放大电路基础3.5多级放大电路3.5.1多级放大电路的组成及性能指标的估算3.5.2集成运算放大器及其基本应用电路3.5.1多级放大电路的组成及性能指标的估算Au1第一级Au2第二级Au1末级uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii一、多级放大电路的组成输入级中间级输出级RiRo二、耦合方式：阻容耦合A1A2各级“Q”独立，只放大交流信号，信号频率低时耦合电容容抗大。光电耦合A1A2主要用于耦合开关信号，抗干扰能力强。直接耦合A1A2电路简单，能放大交、直流信号，“Q”互相影响，零点漂移严重。零漂——输入信号为零，输出电压偏离原来的初始值而上下波动。直接耦合零漂的影响零漂的衡量—将输出的漂移折合到输入端

如：

UO1=1V、A1=103

，U02=2V、

A2=104

则：

UI1=1mV,UI2=0.2mVA1=20A2=20A3=20结论A1零漂严重三级直接耦合放大器A1=A2=A3=20,设每级自身零点漂移为0.02V，则第1级输出零点漂移电压

U=0.02V，第2级漂移电压为0.42V，第3级零点漂移电压为8.42V。这时放大器将无法进行放大。=Au1·Au2

·

·

·

AunAu1(dB)=Au1(dB)+Au2(dB)+·

·

·+Aun

(dB)Au1第一级Au2第二级Aun末级uiuo1RLRSuousuo2ui2uiniiRiRoRi=Ri1Ro=Ron考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!!!三、多级放大电路主要性能指标的估算例3.5.1

1=60,

2=100;rbe1=2k,rbe2=2.2k。求Au,Ri,Ro。[解]Ri2=R6//R7

//rbe2=33//

10//

2.21.7(k)R

L1=R3//Ri2=5.1//

1.7

1.3(k)Ri=Ri1=R1//R2

//

[rbe1+(1+

1)R4]

5.7(k)Ro=R8=4.7kRi2Ri3.5.2集成运算放大器及其基本应用电路一、集成运算放大器的组成1.模拟集成电路的特点1)

直接耦合：采用差分电路形式，元件相对误差小；2)

大电阻用恒流源代替，大电容外接；3)

二极管用三极管代替(B、C极接在一起)；4)

高增益、高输入电阻、低输出电阻。2.组成方框图输入级：差分电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。输出级：OCL电路，带负载能力强偏置电路：镜像电流源，微电流源。输入级偏置电路中间级输出级+

uouid二、集成运放的图形符号及型号命名方法1.集成运放的图形符号习惯用符号uid+VCC–VEE国家标准符号uouid+VCC–VEE8直流电源接法VCC=VEEuiduoVCCVEE8upunPNP(+)为同相输入端，uo与up同相N(-)为反相输入端，uo与un反相2.集成运放型号命名方法CFXXXXCHINA的字头放大器数字序号，一般与同类型的国外产品序号相同如国产CF741，与国外LM741、μA741、MC741等为同类型器件，使用中可以互相替代。封装形式:金属圆形、双列直插式、扁平式封装材料:陶瓷、金属、塑料例:塑封双列直插式(DIP)CF741DIP—DualIn-LinePakage3.集成运放的封装及引脚排列使UO=0，输入端施加的补偿电压几毫伏UO=0时，10nA

1

AUO=0时，1nA

0.1

A100

140dB几十千欧

几兆欧几十欧

几百欧>80dB开环差模电压增益Aud1差模输入电阻Rid2输出电阻Ro3共模抑制比

KCMR4输入失调电压UIO5输入失调电流

IIO6输入偏置电流IIB7三、集成运放的主要参数及理想化条件1.集成运放主要参数共模输入UIC过大，K

CMR下降当UId

过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。最大差模输入电压UIdM8最大共模输入电压UICM9开环带宽BW10通用型集成运放只有几赫2.集成运放特性理想化1)

Aud

6)UIO0，IIO04)

KCMR

5)BW

2)

Rid

3)Ro

0（1）等效电路uouidupinunuoRidAuduidRoip（2）理想运放（3）

虚短、虚断1)

up

un(虚短)证：uo=Aud(up–un)=Auduidup–

un=uo/Aud

02)ip

in

0(虚断)证：ip=uid/Rid

0同理in

0up—同相端输入电压un

—反相端输入电压uid—差模输入电压uid=up–

unAud—开环差模电压放大倍数