低频电子线路ppt第4章.ppt

第4章放大器基础 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 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 功率放大器 放大器组成框图 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 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 放大器的性能指标 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 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 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 定义 上式中 Ri表示本级电路对输入信号源的影响程度 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 vot 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 输出电阻Ro计算 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 小信号放大器四种电路模型 放大器的增益 增益 放大倍数 即放大器输出信号量与输入信号量的比值 不同类型放大器输入 输出电量不同 故增益的含义不同 A xo xi 电压放大器 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 电流放大器 电流增益 短路电流增益 源电流增益 Ri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 理想放大器性能特点 电压放大器 Ri 0 Ro Ais大且不随RL和信号源而变化 电流放大器 Ri Ro 0 Avs大且不随RL和信号源而变化 互导放大器 Ri Ro Ags大且不随RL和信号源而变化 互阻放大器 Ri 0 Ro 0 Ars大且不随RL和信号源而变化 放大器的频率响应 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 相频特性 幅频特性 放大器的频率特性 波特图 在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图 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 fH fL 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 耦合 旁路电容容抗 不能视为短路 放大器的失真 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 由于放大器的频率响应引起 输出信号各频率分量的相对幅度和相对相位发生了变化 不能重现输入信号波形 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 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 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 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 基本放大器 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 共发射极放大器 共发电路性能分析 画小信号等效电路 分析电路输入 输出电阻 共发电路电流增益 短路电流增益 开路电压增益 共发电路电压增益 Avs如何计算 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 采用有源负载的共发放大器 其中 发射极接RE的共发放大器 忽略rce 若考虑rce 如何计算 共基极放大器 共基电路性能分析 画小信号等效电路 忽略rce影响 共基电路输入电阻 共基电路输出电阻 共基电路电流增益 短路电流增益 共基电路电流增益 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 考虑rce 若考虑rce Ro如何计算 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 则 得 共集电极放大器 共集电路性能分析 画小信号等效电路 共集电路输入电阻 忽略rce 共集电路输出电阻 令vs 0 RL开路 画出求Ro的等效电路 rbe ib i RE RB v RS rce i ib Ro RS RS RB 得 因此 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 其中 三种组态电路性能比较 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 共发 共基组合放大器 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 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 共集 共发组合放大器 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 共集 共基组合放大器 由于 则 假设两管参数相同 其中 假设两管参数相同 共源放大器 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 场效晶体管的ig 0 差分放大器具有抑制Q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 差分放大器 估算电路Q点 双端输出电压 单端输出电压 差模信号和共模信号 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 在输出端 输出信号也可分解为共模信号和差模信号之和 差分放大器的差模性能 共模输出电压voc vo1 vo2 2 差分放大器的主要性能特点体现在它对差模信号和共模信号具有完全不同的放大能力 差分放大器的共模性能 差模输出电压vod vo1 vo2 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 Rid Rod 共模分析 画半电路共模交流通路 计算Avc Ric Roc 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 差模性能分析 RSS对差模视为短路 RL中点视为交流地电位 即每管负载为RL 2 双端输出 直流电源短路接地 1 差模交流通路 注意 关键在于对公共器件的处理 2 差模性能指标分析 差模输入电阻 差模输出电阻单端输出 放大器任一端到地的电阻 双端输出 以vod两端向放大器看过去的电阻 即为两放大器输出电阻之和 差模电压增益 半电路差模交流通路 共模性能分析 每管源极接2RSS RL对共模视为开路 双端输出 直流电源短路接地 1 共模交流通路 因此RSS上的共模电压 2idRSS 因此流过RL的共模电流为0 voc 半电路共模交流通路 2 共模性能指标分析 单端 共模输入电阻 共模输出电阻 共模电压增益 共模抑制比 单端输出 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 提高ISS 即增大gm 增大REE 提高KCMR 普通差放存在的问题 RSS KCMR 抑制漂移能力 但ISS 可采用电流源取代RSS来解决这个矛盾 Q点随温度的变化 温漂 总是在两管中等量产生的 在效果上 可将它等效为作用在输入端的共模信号 差分放大器能有效地抑制它 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 双极型差分放大器 半电路差模交流通路 双端输出 电路特点 双端输出电路利用对称性抑制共模信号 单端输出情况 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 一般射极电阻REE取值较大 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 双极型单端共模抑制比 REE KCMR 抑制漂移能力 但IEE Q点降低 输出动态范围 采用电流源的差分放大器 电路两边不对称对性能的影响 实际差分放大器 电路不可能做到完全对称 双端输出时的KCMR 理想情况 实际情况 由于 则 因此 由两管参数不对称 如VBE on IS RC不等 引起失调 失调及其温漂 输入失调电压VIO VO 0 零输入时 从等效的观点看 VIO就是使VO 0时 在实际差放输入端所加的补偿电压 失调电压 VIO产生原因 两管 不等 造成ICQ1 ICQ2 输入失调电流IIO 从等效的观点看 IIO就是使ICQ1 ICQ2时 在实际差放输入端所加的补偿电流 失调电流 IIO产生原因 若取 失调模型 当RS较大时 当RS较小时 失调以IIO为主 为减小VIO 应选IIO小的差放 失调以VIO为主 为减小VIO 应选VIO小的差放 调零电路 调节电位器RW 改变两端发射极电位或集电极电阻 使静态工作时双端输出电压减小到零 VIO和IIO的温漂 若环境温度 电源电压等外界因素变化 其中温度变化引起的温漂最大 注意 调零电路可以克服失调 但不能消除温漂 MOS差放的失调 因IG 0 则 mV量级 由两管参数 如W l VGS th 及RD不匹配引起失调 VIO产生原因 注意 MOS管差放的VIO 三极管差放的VIO 差模传输特性 完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性 双极型差放的差模传输特性 假设电路对称 得 差模传输特性曲线 可以证明 当 vID 26mV时 差放线性工作 单管电路vI 2 6mV vID 100mV后 一管截止 另一管导通 差放非线性工作 说明 若在两管发射极上串联电阻RE 则利用RE的负反馈作用