第4章放大器基础(1)

1、第第 4 章放大器基础章放大器基础概述概述4.1放大器的基本概念放大器的基本概念4.2基本放大器基本放大器4.3差分放大器差分放大器4.4电流源电路及其应用电流源电路及其应用4.6放大器的频率响应放大器的频率响应4.5多级放大器多级放大器概概 述述在广播、通信、自动控制、电子测量等在广播、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各种电子设备中，放大器是必不可少的组成部分。部分。放大器是应用最广泛的一类电子线路。它放大器是应用最广泛的一类电子线路。它的主要功能是的主要功能是将输入信号进行不失真的放大。将输入信号进行不失真的放大。第第 4 章放大器基础章放大器基础 按信号强

2、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：宽频带宽频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大高频载波信号

3、) )第第 4 章放大器基础章放大器基础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。第第 4 章放大器基础章放大器基础放大器的组成原则：放大器的组成原则： 直流偏置电路直流偏置电路( (即直流通路即直流通路) )要保

4、证器件工作在放大要保证器件工作在放大模式。模式。 交流通路交流通路要保证信号能正常传输，即有输入信要保证信号能正常传输，即有输入信号号 vi时，应有时，应有 vo 输出。输出。 判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的的直流通路直流通路与与交流通路交流通路是否合理。若有任何一部分不是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。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，即电路需提供路需提供合适的合适的 Q 点点及足够的及足够的放大倍数放大倍数。第第 4 章放大器基

5、础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。放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。4.14.1放大器的基本概念放大器的基本概念4.1.1 4.1.1 放大的原理和实质放大的原理和实质VIQ tvBEOIBQ tiBO tviICQ tiCOVCEQ tvCEO tvoO利用利用 ib 对对 ic 的控的控制作用实现放大。制作用实现放大。第第 4 章放大器基础章放大器基础+ - -iBviiCVCCRC+ - -+ - -VIQvoq 放大原理放大原理 电源电源 VCC 提供的功率：提供的功率：q 放大实质放大实质 20CCCDd21tiVP CQCCIV 三极管集电极上的功

6、率：三极管集电极上的功率：2CCE C01d2Pv it C2cmCQCEQ21RIIV 负载负载电阻电阻 RC 上的功率：上的功率： 20C2Ld21tRiPC C2cmC2CQ21RIRI CCQCEQCCRIVV 因为因为LCDPPP 所以所以第第 4 章放大器基础章放大器基础注意：注意：放大器放大信号的实质：放大器放大信号的实质：是利用三极管的正向受控是利用三极管的正向受控作用，将电源作用，将电源 VCC 提供的直流功率，部分地转换为输提供的直流功率，部分地转换为输出功率。出功率。 电源电源 VCC 不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同

7、时还是整个电路的能源。放大区，同时还是整个电路的能源。电源提供的功率电源提供的功率 PD 除了转换成除了转换成负载负载上有用的输出功上有用的输出功率率 PL 外，其余均消耗在晶体三极管上外，其余均消耗在晶体三极管上( ( PC ) )。 三极管仅是一个换能器。三极管仅是一个换能器。第第 4 章放大器基础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：源线性四端网络： 4.1.24.1.2放大器的性能指标放大器的性能指标线性线性有源有源四端四端网络网络RSRLvS+- -+- -viiiiovo+- -RiRo反映放大器性能的主

8、要指标有：反映放大器性能的主要指标有：增益增益 A输入电阻输入电阻 Ri 、输出电阻输出电阻 Ro、第第 4 章放大器基础章放大器基础规定：规定：电压的极性：电压的极性：上下上下电流的方向：电流的方向：流入网络为流入网络为正正方向方向(1) 输入电阻、输出电阻、增益输入电阻、输出电阻、增益q 输入电阻输入电阻对输入信号源而言，放大器相当于它的一个负载，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而这个等效负载电阻就是放大器输入电阻 Ri 。 或或RSRivS+-+-viiiRSRiiS+-viiiiiiivR 定义定义上式中，上式中，Ri 表示本级电路对输入

9、信号源的影响程度。表示本级电路对输入信号源的影响程度。 第第 4 章放大器基础章放大器基础q 输出电阻输出电阻对输出端负载而言对输出端负载而言( (根据戴维宁定理和诺顿定理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器输出电阻 Ro 。 或或RoRLvot+- -+- -voioRoRLion+- -voiovot ：负载开路时负载开路时 vi 或或 ii 在电路输出端产生的开路电压。在电路输出端产生的开路电压。ion ：负载短路时负载短路时 vi 或或 ii 在电路输出端产生的短路电流。在电路输出端

10、产生的短路电流。第第 4 章放大器基础章放大器基础oto onvR i 输出电阻输出电阻 Ro 计算：计算：RLvS+- -vo放放大大器器RS+- -( (放大器一般框图放大器一般框图) )iv+- -放放大大器器RS( ( Ro 的定义的定义) ) 令负载电阻令负载电阻 RL 开路，信号源为零。开路，信号源为零。 在输出端在输出端外加电压外加电压 v，则产生电流，则产生电流 i。00o()LssRvivRi定义定义Ro 反映放大器的带负载能力。反映放大器的带负载能力。第第 4 章放大器基础章放大器基础加压求流法加压求流法实验测量的方法：实验测量的方法：1otoLoL()vRRvq 小信号放

11、大器四种电路模型小信号放大器四种电路模型RSRivS+- -+- -viRoRLvot+- -+- -vo电压放大器电压放大器RoRLionioRSRiiSii电流放大器电流放大器RSRivS+- -+- -vi互导放大器互导放大器RoRLionioRoRLvot+- -+- -voRSRiiSii互阻放大器互阻放大器第第 4 章放大器基础章放大器基础放大器的增益：放大器的增益：q 增益增益( (放大倍数放大倍数) )不同类型放大器输入、输出电量不同，故增益的含义不同。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。即放大器输出信号变化量与输

12、入信号变化量的比值。A = xo / xi电压放大器电压放大器RSRivS+- -+- -viRoRLvot+- -+- -vo电压增益：电压增益：开路电压增益：开路电压增益：iovvAv 源电压增益：源电压增益：isisiiososRRRAvvvvvvAvv )1(LoootioiottRRAvvvvvvAvv Ro 越小，越小，RL 对对 Av 影响越小。影响越小。Ri 越大，越大，RS 对对 Avs 影响越小。影响越小。第第 4 章放大器基础章放大器基础电流放大器电流放大器电流增益：电流增益：短路电流增益：短路电流增益：源电流增益：源电流增益：RoRLionioRSRiiSiiioiiA

13、i iSSsiiososRRRAiiiiiiAii )1(oLoonioionnRRAiiiiiiAii Ri 越小，越小，RS 对对 Ais 影响越小。影响越小。Ro 越大，越大，RL 对对 Ai 影响越小。影响越小。互导放大器互导放大器ioviAg 互导增益：互导增益：互阻放大器互阻放大器互阻增益：互阻增益：ioivAr 第第 4 章放大器基础章放大器基础电流增益和电压增益的关系：电流增益和电压增益的关系： ooLiLiiiivvi RA RAii RRq 理想放大器对输入电阻和输出电阻的要求：理想放大器对输入电阻和输出电阻的要求： 电压放大器：电压放大器： Ri 0、Ro 电流放大器：电

14、流放大器： Ri 、Ro 0互导放大器：互导放大器： Ri 、Ro 互阻放大器：互阻放大器： Ri 0、 Ro 0第第 4 章放大器基础章放大器基础(2)(2)通频带及频率响应通频带及频率响应fAvAvofL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：BW0.7 = fH fL放大倍数随频率变化曲放大倍数随频率变化曲线线幅频特性曲线幅频特性曲线 通频带越宽，放大器对信号的频率变化适应通频带越宽，放大器对信号的频率变化适应能力越强能力越强; ;但也不宜过宽，易使信号以外的噪声得但也不宜过宽，易使信号以外的噪声得到放大。到放大。 Av0/2幅频特性和相幅频特性和相频特性，统

15、称频特性，统称为频率特性。为频率特性。 (3)(3)信噪比与噪声系数信噪比与噪声系数NSPPSNR 信噪比：信噪比：有用信号功有用信号功率率噪声信号功噪声信号功率率噪声系数：噪声系数：oiSNRSNRNF输出端信噪比输入端信噪比信噪比越大越好信噪比越大越好NF越小，说明放大器对微弱信号的实际放大越小，说明放大器对微弱信号的实际放大能力越强（能力越强（NF=1说明放大器是理想无噪声说明放大器是理想无噪声的）。的）。（4）放大器的失真）放大器的失真q 频率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。的一种物理现象。 失真类型失

16、真类型频率失真频率失真瞬变失真瞬变失真线性失真线性失真非线性失真非线性失真一般而言，放大器中含有一般而言，放大器中含有电抗电抗元件。在正弦信号激元件。在正弦信号激励下，励下，不同频率不同频率呈现呈现不同电抗不同电抗，因而放大器增益应为频，因而放大器增益应为频率的复函数：率的复函数： )(jAe )()j ( AA 第第 4 章放大器基础章放大器基础幅值，幅频特性幅值，幅频特性相角，相频特性相角，相频特性 波特图波特图在在半对数半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。Of /HzA( f )/dBOf /Hz A( f )幅幅频频特特性性相相频频特特性性(

17、(对数刻度对数刻度) )( (对数刻度对数刻度) )( (线性刻度线性刻度) )( (线性刻度线性刻度) )dB( )20lg( )AA增益分贝值：增益分贝值：通频带：通频带：LH7 . 0ffBW 对应上限频率对应上限频率 fH及下限频率及下限频率 fL 。12 IA增增益益下下降降到到（下下降降了了3dB）3dB）, ,AIfHfL第第 4 章放大器基础章放大器基础AI-3dB 频率特性的三个频段频率特性的三个频段中频段：通频带以内的区域。中频段：通频带以内的区域。放大器的增益、相角均为常数，不随放大器的增益、相角均为常数，不随 f 变化。变化。特点：特点：原因：原因：所有电抗影响均可忽略

18、不计。所有电抗影响均可忽略不计。 高频段：高频段： f 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。即极间电容开路即极间电容开路, 耦合、旁路电容短路。耦合、旁路电容短路。低频段：低频段： f rbe第第 4 章放大器基础章放大器基础 Loo RRRAi则则短路电流增益短路电流增益 0nLRiiAA 共射电路电压增益共射电路电压增益rbe ibRCRBvs+ - -RL+ - -voRS+ - -virce开路电压增益开路电压增益iovvAv bceLLb be

19、be(/ / /) ci rRRRi rr mL ()ceg Rrrbbbb略略, ,isiLmisiRRRRgARRRAvvs 源电压增益源电压增益Ltmcbb/ / ()vvceRAAg Rrr 略LCL / /RRR 其中第第 4 章放大器基础章放大器基础ib1) )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) )输出电压与输入电压反相。输出电压与输入电压反相。 共射电路提供的最大电压增益共射电路提供的最大电压增益tmceC (/ /)vAgrR 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 cemtmaxrgAv

20、TACQATCQVVIVVI 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 很很大，且其值与静态电流大，且其值与静态电流 ICQ 无关。无关。 共射电路特点共射电路特点第第 4 章放大器基础章放大器基础q 共集电路性能分析共集电路性能分析biiivR 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) )1b bebELb() (/ /)i r iRRi因此因此Bii/ RRR ( (大大) )1beEL()(/ /)rRR第第 4 章放大器基础章放大器基础RERB1vs+ - -RL+ - -voRB2RS+

21、- -virbe ibiiioRERBvs+ - -RL+ voRS+ - -virceib- -Ri 共集电路输出电阻共集电路输出电阻令令 vs = 0、RL 开路，画出求开路，画出求 Ro 的等效电路（右上图）。的等效电路（右上图）。rbe ibi RERB+ vRSrce- -iibRo RS = RS/RBbbeS()()viirR bbeS/()ivrR则则1 SbeoRrvRi得得因此因此oEceoo/RRrRR ( (小小) )第第 4 章放大器基础章放大器基础rbe ibioRERBvs+ - -RL+ voRS+ - -virce- - 共集电路电流增益共集电路电流增益( (

22、忽略忽略 rce) )ioiiAi ibboiiiiiBBLEE)1(RRRRRR 共集电路电压增益共集电路电压增益( (忽略忽略 rce) )iovvAv ibLEb)/()1(RiRRi 11LbeL()() Rr R 1其中其中LEL/ RRR 第第 4 章放大器基础章放大器基础rbe ibiiioRERBvs+ - -RL+ voRS+ - -virceib- -Ln0(1)iiRAA 短路电流增益短路电流增益Bi RR 若若 共集电路特点共集电路特点1) )有电流放大作用、但无电压放大作用。有电流放大作用、但无电压放大作用。 2) )输出电压与输入电压同相。输出电压与输入电压同相。

23、3) )输入电阻高、输出电阻低。输入电阻高、输出电阻低。 别名：电压跟随器、射极输出器、射极跟随器别名：电压跟随器、射极输出器、射极跟随器q 共基电路性能分析共基电路性能分析iiiivR 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vs+ - -RL+ - -voRERSRCrbe ibiiio+ - -vibecii 1ber因此因此iEii/RRRR ( (小小) )Ri 第第 4 章放大器基础章放大器基础vs+ - -RL+ - -voRERSRCvi+ - -ib 共基电路电流增益共基电路电流增益oobiibiiiiiiiAiii

24、i11 CECLEi+RRRR RRvs+ - -RL+ - -voRERSRCrbe ibiiio+ - -vibecii Ri ，由于由于 EiRR LCC RRRAi因此因此 0nLRiiAA短路电流增益短路电流增益第第 4 章放大器基础章放大器基础ib 共基电路电压增益共基电路电压增益vs+ - -RL+ - -voRERSRCrbe ib+ - -vibeciovvAv CLbe(/ /) RRrmL ()g Rrbbbb略略 共基电路特点共基电路特点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) )输出电压与输入电压同相。输出电压与输入电压同相。

25、 3) )输入电阻低、输出电阻高。输入电阻低、输出电阻高。 第第 4 章放大器基础章放大器基础ib共基电路输出电阻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（右上图）。的等效电路（右上图）。vs+ - -RL+ - -voRERSRCrbe ib+ - -vibecrcebceb be()vii ri rsbsberRiiR则则1 SoceSbe()RvRriRr得得因此因此oCo/ /CRRRR+ - -vRERSRCrbe ibberceii Ro RS = RS/RE第第 4 章放大器基础章放大器基础ibib三种组态电路性能比较三种组态电路性能比

26、较Bbe/ /Rr1beE/ /rR1BbeL/ /()RrR小小大大Cce/ /Rr1beSE/ /rRR小小 1 )1( 大大大大小小LbeRrLbeRr大大大大11LbeL()()RrR 11 SCceSbe/ /()RRrRr中中共射共射共基共基共集共集RiRoAvAin第第 4 章放大器基础章放大器基础RCvs+ - -RL+ - -voRBRS+ - -vivs+ - -RL+ - -voRERSRCvi+ - -REvs+ - -RL+ - -voRBRS+ - -vibbr中中略大略大三种组态电路的应用三种组态电路的应用 共射放大器共射放大器 广泛应用于多级放大器提供增益的增益

27、级中。广泛应用于多级放大器提供增益的增益级中。 共基放大器共基放大器 （1）电流接续器。）电流接续器。 （2）由于频率特性好，故常与共射电路配合，组成宽）由于频率特性好，故常与共射电路配合，组成宽带放大器。带放大器。 共集放大器共集放大器 （1）利用）利用 Ri 高特点，常作多级电压放大器输入级；高特点，常作多级电压放大器输入级；（2）利用）利用 Ro 低特点，常作电压多级放大器输出级，低特点，常作电压多级放大器输出级，提高带负载能力；提高带负载能力；（3）利用）利用 Ri 高、高、 Ro 低的特点，常作缓冲级低的特点，常作缓冲级( (隔离级隔离级) )，以提高前级电路的电压增益和后级的源电压

28、增益。以提高前级电路的电压增益和后级的源电压增益。第第 4 章放大器基础章放大器基础q 接接 RE 的共发放大器的共发放大器 1iBbeE/ /()RRrR1EoCceEbeS/ /()RRRrRrR1 LbeE()RrR其中其中BSS/ RRR iovvAv 1 bCLbeE(/ /)()iRRrR第第 4 章放大器基础章放大器基础rbe ibiiioRCRBvs+ - -RL+ - -voRS+ - -virceibRE( (微变等效电路微变等效电路) )RCRBvs+ - -RL+ - -voRS+ - -viRE( (交流通路交流通路) )( (忽略忽略 r rcece 影响影响) )

29、，因为因为 )1( ebE rR LLb eEE (1)vRRArRR 所以CtE vRAR 。当当 RL 时，时，此时，此时，Avt 近似等于两电近似等于两电阻的比值，与三极管参数阻的比值，与三极管参数 无关。无关。 共射放大器存在问题：共射放大器存在问题：交流工作时：交流工作时： RC Av 但集成困难；但集成困难；直流工作时：直流工作时： RC VCEQ 易饱和失真。易饱和失真。第第 4 章放大器基础章放大器基础 解决方法：用恒流源解决方法：用恒流源( (有源负载有源负载) )取代电阻取代电阻 RC 。恒流源特点：直流电阻小，交流电阻大。恒流源特点：直流电阻小，交流电阻大。q 采用有源负

30、载的共射放大器采用有源负载的共射放大器 1o2L1be1(/ / /)cevRRrAr RLvoviVCCR1R2RET1T2RLvoviVCCT1ICQ21Eo2ce2Ebe212()/ /RRrRrRR其中其中等效为等效为第第 4 章放大器基础章放大器基础若若RE=0：o2ce2Rr又若又若 RL= ，且两管参数相同，且两管参数相同：222Am cevtbeTceVrg rArV 即：即：T1的集电极交流电阻的集电极交流电阻RC = 接接RE的共的共E电路的电路的RO2q 共共S S实际电路实际电路4.2.3FET共源、共栅和共漏放大器的性能共源、共栅和共漏放大器的性能第第 4 章放大器基

31、础章放大器基础偏置方式：自给偏压。偏置方式：自给偏压。RG的作用是，提供的作用是，提供G、S间的直流通间的直流通路，路， RG不能太小，否则会影响放大不能太小，否则会影响放大电路的输入电阻，一般为电路的输入电阻，一般为M 级。级。注意：此电路中注意：此电路中VGS0。偏置方式：分压式偏置。偏置方式：分压式偏置。 RG1和和RG2取小的精密电阻以保证取小的精密电阻以保证VG的稳定性；加入的稳定性；加入RG3的作用是提的作用是提高放大电路的输入电阻高放大电路的输入电阻。q 共源放大器共源放大器iG RRoDdsD/ /RRrRmgsdsDLoigs(/ / /)vg vrRRvAvv mDL(/

32、/)gRR gmvgsRDRGvs+ - -RL+ - -voRS+ - -virdsgsRi iRo o第第 4 章放大器基础章放大器基础RDRGvs+ - -RL+ - -voRS+ - -vi3G12/ /GGGRRRR对分压式偏置电路：对分压式偏置电路：q 接接 R S 的共源放大器的共源放大器SgsmgsLDgsmio)/(RvgvRRvgvvAv SmLm1RgRg GiRR 不变不变dsSmSo)1(rRgRR 经推导经推导Doo/ RRR 则则略增大略增大减小减小第第 4 章放大器基础章放大器基础RDRGvs+ - -RL+ - -voRS+ - -viR SgmvgsRDRG

33、vs+ - -RL+ - -voRS+ - -virdsgsRi iRo oR SR oq 共栅放大器共栅放大器iiiivR 1mgsmgsgvgv vs+ - -RL+ - -voR SRSRDgmvgsiiio+ - -vigsRi i i因为因为， 1/mSigRR 所以所以gsLDgsmio)/(vRRvgvvAv )/(LDmRRg DoRR 而而第第 4 章放大器基础章放大器基础vs+ - -RL+ - -voR SRSRDvi+ - -q 共漏放大器共漏放大器GiRR 11OSdsSmm/ / / /RRrRgg)/()/(LSgsmgsLSgsmRRvgvRRvgvvAiov 经推导经推导)/(1)/(LSmLSmRRgRRg 第第 4 章放大器基础章放大器基础RGvs+ - -RL+ - -voRS+ - -viR SgR SRGvs+ - -RL+ voRS+ - -virds- -gmvgssFET 三种组态电路性能比较三种组态电路性能比较GRmS1/gR GR小小大大DR小小大大大大 1DR大大大大大大mS1/gR SmLm1RgRg Lm