第四章 放大器基础g

1、 按信号强弱分：按信号强弱分： 小信号放大器小信号放大器 大信号放大器大信号放大器 按电路结构分：按电路结构分： 直流放大器直流放大器 交流放大器交流放大器 （线性放大器）（线性放大器） （非线性放大器）（非线性放大器） （多用于集成电路）（多用于集成电路） （多用于分立元件电路）（多用于分立元件电路） q 放大器分类放大器分类 按信号特征分：按信号特征分： 宽带宽带 放大器放大器 音频放大器音频放大器 视频放大器视频放大器 脉冲放大器脉冲放大器 谐振放大器谐振放大器 （放大语音信号）（放大语音信号） （放大图像信号）（放大图像信号） （放大脉冲信号）（放大脉冲信号） （放大高频载波信号）（放

2、大高频载波信号） 保证半导体器件保证半导体器件 工作在放大模式工作在放大模式 q 放大器组成框图放大器组成框图 耦合电路耦合电路 耦合电路耦合电路 输出负载输出负载 输入信号输入信号 直流偏置电路直流偏置电路 外外 围围 电电 路路 具有正向受控作用的半导具有正向受控作用的半导 体器件是整个电路的核心体器件是整个电路的核心 将放大器输出将放大器输出 端与输出负载端与输出负载 进行连接。进行连接。 将输入信号源将输入信号源 与放大器输入与放大器输入 端进行连接。端进行连接。 设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。 q 对偏置电路的要求对偏置电路的要求 提

3、供合适的提供合适的Q点，保证器件工作在放大模式。点，保证器件工作在放大模式。 例如：偏置电路须保证三极管例如：偏置电路须保证三极管E结正偏、结正偏、C结反偏。结反偏。 当环境温度等因素变化时，能稳定电路的当环境温度等因素变化时，能稳定电路的Q点点。 例如：温度升高，三极管参数例如：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而这些参数的变化将直接引起Q点发生变化。点发生变化。 当当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或 截止失真。截止失真。 Q点波动对输出波形的影响：点波动对输出波形的影响： Q iC t ICQ t

4、 vCE 0 VCEQ ib Q点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。 Q点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真。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。点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。 Q ib ib iC vCE 0 Q q 三极管三极管偏置电路偏置电路 （1 1） 固定偏流电路固定偏流电路 VCC RCRB IB IC Q点估算：点估算： B BE(on)CC BQ R VV I BQCBOBQCQ )1 (IIII CCQCCCEQ RIVV 电路优点电路优点： Q点设置方

5、便，计算简单。点设置方便，计算简单。 电路缺点电路缺点： 不具有稳定不具有稳定Q点的功能。点的功能。 T 时时 、ICBO 、VBE(on) ICQ Q点升高点升高 （2 2） 分压偏置电路分压偏置电路 Q点估算：点估算： B2B1 CCB2 BQ RR VR V E BE(on)BQ CQ R VV I )( ECCQCCCEQ RRIVV 电路优点电路优点： T ICQ VCC RCRB1 IBQ I1 RB2 RE CE （固定）（固定） / CQBQ II 具有稳定具有稳定Q点的功能。点的功能。 VEQ (=(=ICQRE) ) VBEQ (=(=VBQ- -VEQ) ) IBQ IC

6、Q 假设假设I1 IBQ 则则 存在问题存在问题： 工程规定工程规定： VCC RCRB1 IBQ I1 RB2 RE CE RE越大越大 VBEQ越大越大 Q点越稳定点越稳定 VCEQ越小越小 输出动态范围越小输出动态范围越小 VEQ= =0.2VCC或或 VEQ= =1 3V RB1、RB2过大过大不满足不满足I1 IBQ 工程规定工程规定：I1= =（5 10）IBQ 则则 VBQ不稳定不稳定 RB1、RB2过小过小 放大器放大器Ri 减小减小 放大器与信号源、放大器与负载、以及放大放大器与信号源、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。器级与级之间的连接方式称耦合方式

7、。 交流信号正常传输。交流信号正常传输。 为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合 尽量减小有用信号在传输过程中的损失。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：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集成电路中广泛采用的一种耦合方式直接耦合。直接耦合。 具有隔直流作用的耦合方式具有隔直流作用的耦合方式电容耦合、变压器耦合。电容耦合、变压器耦合。 方式必须保证：方式必须保证： 电容耦合电容耦合 VCC R3R1 R2 R4 RS vS+ - - - - + CB vi T1 + R7R5 R6 R8 CC T

8、2 + 直流工作时：直流工作时：由于由于CB、CC具有隔直流作用具有隔直流作用 因此信号源不影响放大器因此信号源不影响放大器Q点正常设置，且各级点正常设置，且各级Q点相互独立。点相互独立。 交流工作时：交流工作时：由于由于CB较大，在信号频率上近似看作短路。较大，在信号频率上近似看作短路。 因此，因此，CB的接入不会影响信号的正常传输。的接入不会影响信号的正常传输。 电路缺点：电路缺点：体积大，不易集成。体积大，不易集成。 直接耦合直接耦合 VCC RC2 RE2 T2 RC1 T1 RC3 RE3 T3 RCn REn Tn 各级之间不经过任何元件直接相连。各级之间不经过任何元件直接相连。直

9、接耦合方式直接耦合方式: : 电路优点电路优点: :频率特性好，便于集成。频率特性好，便于集成。 存在问题存在问题: : 级间级间直流直流电平配置问题。电平配置问题。 零点漂移问题。零点漂移问题。 q 级间直流电平配置级间直流电平配置问题一问题一 VCC RC2 RE2 T2 RC1 T1 RC3 RE3 T3 RCn REn Tn 结果：结果：T1管管Q点靠近饱和区，输出易出现失真。点靠近饱和区，输出易出现失真。 由图由图 E2CQ2BE(on)2CEQ1 RIVV 若若 0 E2 R 则则V7 . 0 BE(on)2CEQ1 VV 后级接入后级接入RE，扩大前级动态范围。，扩大前级动态范围

10、。 解决方法：解决方法： q 级间直流电平配置级间直流电平配置问题二问题二 VCC RC2 RE2 T2 RC1 T1 RC3 RE3 T3 RCn REn Tn 工作在放大模式时工作在放大模式时: : 加电平位移电路加电平位移电路解决方法：解决方法： BQ1BQ2BQ3CQ3 VVVV )( E3C3CQ3CCCEQ3 RRIVV 由图由图 E3CQ3BE(on)3BQ3 RIVV 越往后级越往后级VBQ3 ICQ3 VCEQ3 输出动态范围输出动态范围 采用采用PNP管的电平位移电路：管的电平位移电路： 利用利用NPN管与管与PNP管电位极性相反的特点，将直管电位极性相反的特点，将直 流电

11、平下移，扩大后级的输出动态范围。流电平下移，扩大后级的输出动态范围。 VCC RC2 RE T2 RC1 T1 RB + - - - - + VBQ1 VCQ2 + - - VCQ1 VCQ1VBQ1放大模式放大模式NPN管管 放大模式放大模式PNP管管VCQ2 fH 的区域的区域 频率增大，增益减小并产生附加相移。频率增大，增益减小并产生附加相移。 特点：特点： 原因：原因： 极间电容容抗极间电容容抗 分流分流 不能视为开路。不能视为开路。 即即极间电容开路极间电容开路、耦合旁路电容短路。、耦合旁路电容短路。 低频段：低频段： f rb e 0 iin L R AA 短路电流增益短路电流增益

12、 Lo o i RR R A则则 共发电路共发电路电压增益电压增益 rb egmvb e RC RB vs + - - RL + - - vo RS + - - vi rce 开路电压增益开路电压增益 i o v v Av eb v RRvg )/( Loebm LmR g is i Lm is i RR R RgA RR R A vvs 源电压增益源电压增益 omt L RgAA R vv LCLCceL /RRRRrR 其中 1 1）既有电压放大作用、又有电流放大作用。）既有电压放大作用、又有电流放大作用。 2 2）输出电压与输入电压反相。）输出电压与输入电压反相。 共发电路提供的最大共发

13、电路提供的最大电压增益电压增益 )/( Ccemomt RrgRgA v 已知已知 若采用有源负载作为若采用有源负载作为RC, , 可使可使 RC rce 因此因此 cemtmax rgAv T A CQ A T CQ V V I V V I 由于厄尔利电压由于厄尔利电压| |VA| |VT ，因此共发电路提供的，因此共发电路提供的 Av很大，且其值与静态电流很大，且其值与静态电流ICQ无关。无关。 共发电路特点共发电路特点 q 共基电路性能分析共基电路性能分析 i i i i v R 画微变等效电路画微变等效电路( (忽略忽略rce影响影响) ) 共基电路输入电阻共基电路输入电阻 e be

14、i v 1)( eb cb ebb r ii ri 因此因此 iEii /RRRR（小）（小） Ri vs + - - RL + - - vo RE RS RC vi + - - 0 s v令令0 ebm vg则则 共基电路输出电阻共基电路输出电阻 共基电路电流增益共基电路电流增益 i o i i Ai iE E i iCL C i e CL C i b CL C )1 ()1 (RR R i iRR R i i RR R i i RR R 由于由于 Ei RR LC C RR R Ai因此因此 0 iin L R AA 短路电流增益短路电流增益 Ri 因此因此 Co RR 共基电路电压增益共

15、基电路电压增益 i o v v Av eb LCebm )/( v RRvg LmR g 共基电路特点共基电路特点 1 1）有电压放大作用、但无电流放大作用。）有电压放大作用、但无电流放大作用。 2 2）输出电压与输入电压同相。）输出电压与输入电压同相。 3 3）输入电阻低、输出电阻高。）输入电阻低、输出电阻高。 考虑考虑rce时共基电路输出电阻时共基电路输出电阻 令令vs=0、RL开路，画出求开路，画出求Ro的等效电路的等效电路 becebem )( vrvgiv )/( ebESbe rRRiv 则则 ce ebS S o )1 (r rR R i v R 得得 因此因此 oCo / RR

16、R q 共集电路性能分析共集电路性能分析 b i i i v R 画微变等效电路画微变等效电路 共集电路输入电阻共集电路输入电阻( (忽略忽略rce) ) b LEbebb )/()1 ( i RRiri 因此因此 Bii / RRR（大）（大） Ri RE RB1 vs + - - RL + - - vo RB2 RS + - - vi rb e ib ii io RE RB vs + - - RL + vo RS + - - vi rce ib - - )/)(1 ( LEeb RRr 共集电路输出电阻共集电路输出电阻 rb e ib io RE RB vs + - - RL + vo R

17、S + - - vi rce - - 令令vs=0、RL开路，画出求开路，画出求Ro的等效电路。的等效电路。 rb e ib i RERB + v RSrce - - iib Ro RS =RS/RB )( Sebb Rriiv )/( Sebb Rrvi 则则 1 ebS o rR i v R 得得 因此因此 oEceoo /RRrRR（小）（小） 共集电路电流增益共集电路电流增益( (忽略忽略rce) ) rb e ib ii io RE RB vs + - - RL + vo RS + - - vi rce ib - - i o i i Ai i b b o i i i i iB B L

18、E E )1 ( RR R RR R 若若 Bi RR )1 ( 0 iin L R AA短路电流增益短路电流增益 共集电路电压增益共集电路电压增益( (忽略忽略rce) ) i o v v Av ib LEb )/()1 ( Ri RRi Leb L )1 ( )1 ( Rr R 三极管差放的三极管差放的VIO 完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性。 q 双极型差放双极型差放_差模传输特性差模传输特性 T1 VCC IEE VEE RCRC T2 iC1iC2 + - - vID 假设电路对称假设电路对称1 21 T BE1 e

19、SC1 V v Ii T BE2 e SC2 V v Ii C2C1EE iiI BE2BE1ID vvv 则则 TID/ EE C2 e1 Vv I i TID/ EE C1 e1 Vv I i 得得) 2 (th T ID EEC2C1 V v Iii 差模传输特性曲线差模传输特性曲线 1 0 iC/IEE vID/VT 0.5Q iC1/IEEiC2/IEE 0 iC1- - iC2 vID/VT IEE - -IEE 可以证明：可以证明： 当当| vID | 26mV 时，差放线性工作。时，差放线性工作。 | vID | 100mV 后，一管截止、另一管导通，差放非线性工作。后，一管截

20、止、另一管导通，差放非线性工作。 说明：说明：若在两管发射极上串联电阻若在两管发射极上串联电阻RE，则利用，则利用RE的负反馈的负反馈 作用，可扩展线性范围。作用，可扩展线性范围。 RE 线性范围线性范围 但但 Avd 最大差模输入电压范围：最大差模输入电压范围： 最大共模输入电压范围：最大共模输入电压范围： 受受VBR（ （BEO）限制的最大差模输入电压。 限制的最大差模输入电压。 T1 VCC vi1 vo VEE vi2 RCRC T2 R1 R2R3 T3 保证保证T1、T2、T3管工作在管工作在 放大区，所对应的最大共模放大区，所对应的最大共模 输入电压。输入电压。 1.1.双入双出

21、双入双出 差模放大倍数：差模放大倍数： 共模放大倍数共模放大倍数: : 输入电阻：输入电阻： 输出电阻：输出电阻： be L c d ) 2 /( rR R R A b v Avc=0 besid2rRR C RRO2 4.4. 4.4. 差分放大电路差分放大电路 输入电阻：输入电阻： 输出电阻：输出电阻： 共模放大倍数：共模放大倍数： 差模放大倍数：差模放大倍数： 2.2.单入双出单入双出 可将单端输入等效双端输入，因为右侧的可将单端输入等效双端输入，因为右侧的R Rb b+r+rbe be归算到 归算到 发射极回路的值发射极回路的值(Rs+r(Rs+rbe be) /(1+ ) /(1+

22、) )2） 当温度变化时，由于当温度变化时，由于 、VBE(on)的影响，的影响，IO热稳定性降低。热稳定性降低。 IO精度及热稳定性精度及热稳定性 /21 R o I I由由得知：得知： 当当 较小时，较小时，IO与与IR之间不满足严格的镜像关系，之间不满足严格的镜像关系，IO精度降低。精度降低。 输出电阻输出电阻RO 由由 R VV I BE(on)CC R 得知：得知： 当考虑基宽调制效应时，当考虑基宽调制效应时，根据根据)/1 (e ACESC T BE VvIi V v )( BE(on)A CEQ2A C1C2 VV VV ii 得得 则则 /21 R o I I)( BE(on)

23、A CEQ2A VV VV VA除了降低除了降低IO精度外，精度外，IO恒流特性变差。恒流特性变差。 RO= rce2 T1 VCC iC1 R T2 IR IOi RE T3 结构特点结构特点 T1管管c c、b b之间插入一射随器之间插入一射随器T3。 电路优点电路优点 减小分流减小分流 i ，提高，提高IO作为作为IR镜像的精度。镜像的精度。 由图由图 1 2 B1 C1C1R i iiiI )1( 2 1 O I R 2 2 O 2 II 整理得整理得式中式中 R VV I BE(on)CC R 2 RO= rce2输出电阻输出电阻 T1 VCC iE1 R T2 IR IO R1R2

24、 iE2 结构特点结构特点 两两管管射极串接不同阻值的电阻射极串接不同阻值的电阻。 电路优点电路优点 RO增大，增大，IO恒流特性得到改善。恒流特性得到改善。 ) / 1 ( 1e2b2 22 ce2O RRrR R rR 由由 （较大） 2E2BE21E1BE1 RivRiv )/ln( C2C1TBE2BE1 iiVvv RC1E1 Iii OC2E2 Iii（较大） 得得 )/ln()/(/ OR2T21RO IIRVRRII 当当)/ln( ORT1R IIVRI时时 得得 21RO /RRII 式中式中 1 BE(on)CC R RR VV I T1 VCC R T2 IR IO R2 iE