电子电路：第四章 放大器基础2

4.2放大器的性能指标4.4差分放大器4.3基本组态放大器的分析4.7放大器的频率响应4.1放大器的基本概念第四章放大器基础4.5电流源电路及其应用4.6集成运算放大器1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。2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）放大器种类有很多。但他们的基本构成原理相同。3§4.1放大器的基本概念一.放大器组成框图三.放大实质二、放大原理(P77)四.应用:判一电路是否具有放大作用的方法五.分析放大器的步骤4保证半导体器件工作在放大模式一.放大器组成框图放大管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(BJT,FET)将输出电流转换成输出电压将输入信号源与放大器输入端进行连接。§4.1放大器的基本概念①②③④⑤给放大管提供欲放大的信号将放大器输出端与输出负载进行连接。黑板写作用5偏置电路设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。对偏置电路的要求提供合适的Q点，保证器件工作在放大模式。例如：偏置电路须保证三极管E结正偏、C结反偏。当环境温度等因素变化时，能稳定电路的Q点。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Q点发生变化。当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或截止失真。6①

RB为基极偏置电阻，

几十K欧---几百K欧RC为集电极偏置电阻

几K欧---几十K欧②C1、

C2为耦合电容（也称隔直电容）

几uf---几十uf与VCC一起构成简单偏置电路，保证三极管工作在放大状态。③B--E输入回路

C—E输出回路共发射极电路以单管共射放大电路的为例说明组成电容耦合的共射放大电路例1:vS+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k简化7例2:直接耦合的共射放大电路+-iBviiCVCCRC+-+-VBBvo+-RB集电极直流电源，为输出信号提供能量，与RC一起保证集电结反偏基极直流电源，与RB一起保证发射结正偏，同时VI为零时，决定了基极回路的静态电流集电极偏置电阻基极偏置电阻8放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。+-iBviiCVCCRC+-+-VIQvoVIQtvBE0IBQtiB0tviICQtiC0VCEQtvCE0tvo0利用ib

对ic的控制作用实现放大。二、放大原理(P77)黑板讲9电源VCC提供的功率：三.放大实质三极管集电极上的功率：负载电阻RC上的功率：10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。

或着说是：在输入信号控制作用下将直流电能转换为所需的交流电能。因而说放大器是一种能量转换器。11放大器的组成原则：

直流偏置电路（即直流通路）要保证器件工作在放大模式。交流通路要保证信号能正常传输，即有输入信号vi时，应有vo输出。判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。元件参数的选择要保证信号能不失真地放大。即电路需提供合适的Q点及足够的放大倍数。记笔记!四.应用:判一电路是否具有放大作用的方法12例3：判断如下电路是否有放大作用，说明理由。—VCCRC+-voRB（A）+VCCRC+-voRB（B)（C)13例3：判断如下电路是否有放大作用，说明理由。+VCCRC+-voRB（D）（E）—VCCRC+-voRBC1C2142直流分析分析指标：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：图解法、估算法

3.交流分析分析指标：Av

、Ri

、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法

五.分析放大器的步骤1.电路的组成(共发,共基,共集,共源,漏,栅,单级,多级15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：4.2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、先自看,后结合放大电路一起讲164.2.1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+-viiiRi表示本级电路对输入信号源的影响程度。17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。18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+-voio负载开路时vi或ii在电路输出端产生的开路电压。vot

：负载短路时vi或ii在电路输出端产生的短路电流。ion：19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。Ro反映放大器受负载电阻RL的影响程度。20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214.3基本组态放大器的分析无论何种组态放大器，分析方法均相同。即当三极管工作在放大状态（通过偏置电路来保证）且在小信号情况下，非线性器件三极管可近似看作线性器件，由它构成的电路可视为线性电路。可利用叠加原理：将交、直流分开进行分析。

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。基本分析方法22共发射极放大器4.3.1三种组态放大器的实际电路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2分压式偏置的阻容耦和放大器23一、直流（静态工作点）分析直流通路只有直流电源作用时电路。方法:（令信号源为零，耦合及旁路电容开路）静态时的直流电压、电流值输入信号为0时的状态（图解法和估算法两种方法分析）VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2VCCRCRB1RB2RE直流通路对本电路输入端求戴等效电路24

估算法(掌握)

Q点估算：（固定）假设I1>>IBQ则条件:VBQ为RB2上的分压分压偏置电路由此得名25

电路优点：T

ICQVCCRCRB1IBQI1RB2RECE具有稳定Q点的功能。

VEQ(=ICQRE)VBEQ(=VEQ-VEQ)IBQICQ

分压偏置电路对静态工作点的稳定26固定偏流电路VCCRCRBIBIC

Q点估算：

电路优点：Q点设置方便，计算简单。

电路缺点：不具有稳定Q点的功能。T时、ICBO、VBE(on)ICQQ点升高看P139页27

存在问题：工程规定：VCCRCRB1IBQI1RB2RECERE越大VBEQ越大Q点越稳定VCEQ越小输出动态范围越小VEQ=0.2VCC或VEQ=1~3VRB1、RB2过大不满足I1>>IBQ工程规定：I1=（5~10）IBQ则VBQ不稳定RB1、RB2过小放大器Ri

减小28

图解法即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。图解法分析步骤：（1）由电路输入特性确定IBQ

与UBEQ

（2）由电路输出特性确定ICQ与UCEQ

对本电路输入端求戴等效电路VCCRCRB1RB2RE直流通路

输入回路直流负载线方程:

输出回路直流负载线方程:VCE=VCC-IC(RC+RE)QVBBVBEQIBQVBEIB0IB=

IBQVCCVCC/(RC+RE)QICQVCEQICVCE0VBB/RB+(1+B)RE直流负载线直流负载线29二、（动态）交流分析1.交流通路只有交流信号作用时电路。方法:（令直流电源为零，耦合及旁路电容短路）交流信号作用时的交流电压、电流值的分析计算过程（图解法和微变等效电路法两种方法分析）VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2RE补讲图解法的应用记笔记!30图解法确定静态工作点(方法同前)。画交流负载线。画波形，分析性能。过Q点、作斜率为-1/RL的直线即交流负载线。其中RL=RC//

RL分析步骤:图解法直观、实用，容易看出Q点设置是否合适，波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。31

图解法QVBBVBEQIBQVBEIB0RE1.输入回路的图解IBQVBBRB+(1+B)REtvBE0tiBIBQiCtICQtvCE0-1/R交流负载线VCEQibVCCICVCE0VCC(RC+RE)IB=

IBQQ2.输出回路的图解注意:交流负载线的斜率-1/RL>直流负载线的斜率-1/(RC+RE)32Q点波动对输出波形的影响：QiCtICQtuCE0VCEQibQ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。vO负半周失真Q点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。vO正半周失真QibibiCuCE0Q33Q点过低，vO负半周易截止失真。PNP管

Q点过高，vO正半周易饱和失真。Q点过低，vO正半周易截止失真。NPN管

Q点过高，vO负半周易饱和失真。由于PNP管电压极性与NPN管相反，故横轴vCE可改为-vCE。

消除饱和失真降低Q点:增大RB，减小IBQ减小RC:负载线变徒,

输出动态范围增加。消除截止失真升高Q点:减小RB，增大IBQ(补充)图解法的应用：一.用图解法分析非线性失真34最大不失真幅值Vomm与Q点有关,Q点选定后,ICQRL’和(VCEQ-VCES)就被确定.结论:Q点选在接近交流负载线的中点,可获最大不失真输出幅值.如果不是在接近交流负载线的中点,则由小的决定.(补充)图解法的应用(续)：二.用图解法估算最大输出幅值tvCE0ICVCE0VCC(RC+RE)(VCEQ-VCES)ICQRL’3.当Q点过高:ICQRL’>(VCEQ-VCES),输出电压Vomm=(VCEQ-VCES);QQ2.当Q点过低:ICQRL’<(VCEQ-VCES),输出电压Vomm=ICQRL’;1.当Q点合适:ICQRL’=(VCEQ-VCES),输出电压Vomm=(VCEQ-VCES);35(补充)图解法的应用(续)：三.用图解法分析电路参数对静态工作点的影响

略讲，放大电路讲例题1.放大电路如图(a)所示，正常工作时，静态工作点为Q，如图(b)所示，如果工作点变为Q’或Q’’，试问主要由什么元件参数改变引起工作点的变化(

)。

①VCC②RC③RB④温度(a)(b)36三.用图解法分析电路参数对静态工作点的影响

(续)消除饱和失真降低Q点:增大RB，减小IBQ减小RC:负载线变徒,

输出动态范围增加。消除截止失真升高Q点:减小RB，增大IBQ2.对于由单个NPN型硅管构成的共发放大电路，若在放大正弦波时，输出波形产生波底失真，则放大电路出现(

)。①截止失真②饱和失真③无失真④频率失真(a)37共发射极放大器VCCRCRB1us+-RL+-uoRB2RECERS+++C1C2VCCRCRB1RB2RE直流通路RCRB1us+-RL+-uoRB2RS交流通路有旁路电容CE时,以及没RB2的共发电路性能分析性能分析性能总结2.微变等效电路法分析放大器的性能指标REHeiban

381）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392.微变等效电路法分析放大器的性能指标微变等效电路Ro分析电路输入电阻分析输出电阻（外加激励法）：URi则有：故分析电路电压、电流放大倍数说明具有电压放大作用说明输出与电压输入电压反相说明具有电流放大作用RE40共基极放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC41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）Rivs+-RL+-voRERSRCvi+-42令则共基电路输出电阻因此共基电路电流增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

由于因此短路电流增益43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。44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//RE45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）RiRERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-46共集电路输出电阻rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-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）47共集电路电流增益(忽略rce)rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-若短路电流增益共集电路电压增益(忽略rce)<1其中48三种组态电路性能比较RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi小大小大大小大大1大中中共发共基共集RiRoAvAin49三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。50共发-共基组合放大器4.3.3改进型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vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T251共集-共发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。vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2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。52共集-共基组合放大器vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2由于则（假设两管参数相同）其中（假设两管参数相同）53接RE的共发放大器RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE（交流通路）rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE（微变等效电路）其中54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，而且还便于集成化。因为，因此当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：RCAv

但集成因难交流工作时：直流工作时：RCVCEQ

易饱和失真55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56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：57场效应管偏置电路（1）分压偏置电路

Q点估算：

电路特点：分压偏置电路不仅适用于三极管，同时适用于各种类型的场效应管。VDDTSRG1RG2RDRSGID58（2）自偏置电路

Q点估算：

电路特点：故自偏置电路只适合于耗尽型场效应管VDDSRGRDRSGID由于VDS与VGS极性始终相反例如：JFET、DMOS管59（3）零偏置电路

Q点估算：

电路特点：由于VGS=0，故零偏置电路只适合耗尽型MOS管。VDDSRGRDGID由于RS=0，故该电路不具有稳定Q点的功能。604.1.2耦合方式放大器与信号源、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。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：集成电路中广泛采用的一种耦合方式—直接耦合。具有隔直流作用的耦合方式—电容耦合、变压器耦合。方式必须保证：61电容耦合VCCR3R1R2R4RSvS+--+CBviT1+R7R5R6R8CCT2+直流工作时：由于CB、CC具有隔直流作用因此信号源不影响放大器Q点正常设置，且各级Q点相互独立。交流工作时：由于CB较大，在信号频率上近似看作短路。因此，CB的接入不会影响信号的正常传输。电路缺点：体积大，不易集成。62直接耦合VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn各级之间不经过任何元件直接相连。直接耦合方式:电路优点:频率特性好，便于集成。存在问题:级间直流电平配置问题。零点漂移问题。63级间直流电平配置问题一

VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn结果：T1管Q点靠近饱和区，输出易出现失真。由图若则后级接入RE，扩大前级动态范围。解决方法：64级间直流电平配置问题二VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn工作在放大模式时:加电平位移电路解决方法：由图越往后级VBQ3ICQ3VCEQ3输出动态范围65采用PNP管的电平位移电路：利用NPN管与PNP管电位极性相反的特点，将直流电平下移，扩大后级的输出动态范围。VCCRC2RET2RC1T1RB+--+VBQ1VCQ2+-VCQ1VCQ1>VBQ1放大模式NPN管放大模式PNP管VCQ2<VBQ2=VCQ166零点漂移问题零点漂移：指vi=0时，输出端静态电压的波动。

第一级采用低温漂的差分放大器。解决方法：则第一级Q点变（VCEQ1+V）温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称温漂。温漂危害：若温度变淹没有用信号。例如：假设直接耦合放大器原输出端静态电压为VCEQnV经后级逐级放大输出静态电压变为（VCEQn

+

AvnV）当漂移严重即V较大时，温漂信号有可能淹没有用信号，使电路丧失对有用信号的放大能力。电容耦合放大器由于电容的隔直作用，温漂很小，可忽略。67理想放大器性能特点电压放大器：Ri

0、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：Ri

0、Ro0、Ar大且不随RL和信号源而变化。68多级放大器可拆分成单级电路进行分析:将后级输入电阻作为前级的负载电阻。

多级放大器

RLvS+-voRS+-A1vi+-A2将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。Ri2+-+-vo1=vi2694.2.2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：70

波特图在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。0f/HzA(f)/dB0f/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

。增益下降到时，AIAI2fHfL71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<fH

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72

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份。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。73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+vit10vot0.10.9trRC+-vi-vo+vit0vott1vot174

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:则利用付氏级数展开得：非线性失真系数：75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76共源放大器4.3.4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管的ig=0。

RDRGvs+-RL+-voRS+-vigmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRo77接RS的共源放大器RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSgmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRo不变经推导则增大减小78共栅放大器vs+-RL+-voRSRSRDvi+-vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因为所以而79共漏放大器RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgss经推导80FET三种组态电路性能比较小大小大大1大大大RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSvs+-