电子电路：第四章 放大器基础1

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4.7放大器的频率响应4.1偏置电路和耦合方式第四章放大器基础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。

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）4.1偏置电路和耦合方式4.1.1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。保证半导体器件工作在放大模式

放大器组成框图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将放大器输出端与输出负载进行连接。将输入信号源与放大器输入端进行连接。单管共射放大电路的原理电路+-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放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。2.7.2

放大器

放大原理+-iBviiCVCCRC+-+-VIQvoVIQtvBE0IBQtiB0tviICQtiC0VCEQtvCE0tvo0利用ib对ic的控制作用实现放大。

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。阻容耦合共射放大电路vi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k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。例1：判断如下电路是否有放大作用，说明理由。例1：判断如下电路是否有放大作用，说明理由。—VCCRC+-voRB（A）+VCCRC+-voRB（C）例1：判断如下电路是否有放大作用，说明理由。+VCCRC+-voRB（C）（D）—VCCRC+-voRBC1C2

由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。2.6晶体三极管（放大）电路分析方法直流分析法分析指标：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：图解法、估算法

交流分析法分析指标：Av

、Ri、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法

即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。2.6.1直流分析法

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。要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。优点：便于直接观察Q点位置是否合适，输出信号波形是否会产生失真。（1）由电路输入特性确定IBQ

写出管外输入回路直流负载线方程(VBEIB)。图解法分析步骤：

在输入特性曲线上作直流负载线。

找出对应交点，得IBQ与VBEQ。（2）由电路输出特性确定ICQ与VCEQ

写出管外输出回路直流负载线方程(VCEIC)。

在输出特性曲线上作直流负载线。

找出负载线与特性曲线中IB=IBQ曲线的交点，即Q点，得到ICQ与VCEQ。例1：已知电路参数和三极管输入、输出特性曲线，试求IBQ、ICQ、VCEQ。Q

输入回路直流负载线方程

VBE=VBB-IBRBVBBVBB/RBVBEQIBQ+-IBVBBIC-+VCCRBRC+-VBE+-VCE

输出回路直流负载线方程

VCE=VCC-ICRCICVCE0VBEIB0IB=

IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ

工程近似法--估算法即利用直流通路，计算静态工作点。直流通路是指输入信号为零，耦合及旁路电容开路时对应的电路。分析步骤：

确定三极管工作模式

。

用相应简化电路模型替代三极管。

分析电路直流工作点。只要VBE

0.5V（Ｅ结反偏）截止模式假定放大模式，估算VCE:若VＣE

>0.3V放大模式若VＣE＜0.3V饱和模式例2已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，试判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式

VCCRCRB(+6V)1k100kT因为VCEQ>0.3V，所以三极管工作在放大模式。VC=VCEQ=4.41V例3若将上例电路中的电阻RB

改为10k，试重新判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因为VCEQ<0.3V，所以三极管工作在饱和模式。例4已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30

，试判断三极管工作状态，并计算VC。解：所以三极管工作在截止模式。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+-VBBRBRC+-VCC<VBE(on)

三极管偏置电路（1）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（2）分压偏置电路

Q点估算：

电路优点：T

ICQVCCRCRB1IBQI1RB2RECE（固定）具有稳定Q点的功能。

VEQ(=ICQRE)VBEQ(=VEQ-VEQ)IBQICQ假设I1>>IBQ则

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2.6.2交流分析法

小信号等效电路法(微变等效电路法)

分析电路加交流输入信号后，叠加在Q点上的电压与电流变化量之间的关系。

在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效电路分析Av

、Ri、Ro的方法即小信号等效电路法。交流通路:

即交流信号流通的路径。它是将直流电源短路、耦合、旁路电容短路时对应的电路。小信号等效电路法分析步骤：

画交流通路(直流电源短路，耦合、旁路电容短路)。

用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。

利用小信号等效电路分析交流指标。

计算微变参数gm、rbe。注意:

小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标，不能分析静态工作点。

放大电路小信号运用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号（或微变）电路模型。2.5晶体三极管小信号电路模型

三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是混合Π型小信号电路模型。

混合Π型电路模型的引出基区体电阻发射结电阻与电容集电结电阻与电容反映三极管正向受控作用的电流源由基区宽度调制效应引起的输出电阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce

混合Π型小信号电路模型

若忽略rbc影响，整理即可得出混Π电路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic

电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混Π电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic

小信号电路参数rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。

rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。

跨导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导。rce三极管输出电阻，数值较大。RL<<rce

时，常忽略。

简化的低频混Π电路模型由于因此，等效电路中的gmvbe，也可用ib表示。cbeTiCiBrbebcegmvbeibic=ib注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在Q点上各交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。例5已知ICQ=1mA,=100,vi

=20sint(mV),试画出图示电路的交流通路及交流等效电路,并计算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k

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。例6输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2Q点位置与波形失真：Q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IBQQiCtICQtvCE0VCEQibQ点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。Q点波动对输出波形的影响：Q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。QibibiCvCE0Q

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、4.2.1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+-viii定义Ri表示本级电路对输入信号源的影响程度。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。

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：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。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

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。4.3基本组态放大器T+-+-VCCRCvivo（共发）T+-+-VCCREvivo（共集）T+-+-VCCRCvivo（共基）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4.3.1三种组态放大器的实际电路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2VCCRCRB1RB2RE直流通路RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路

共基极放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC

共集电极放大器VCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2VCCRB1RB2RE直流通路交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RS

共发电路性能分析4.3.2共发、共基和共集放大器的性能RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi其中令则故

画微变等效电路

分析电路输入、输出电阻rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib

共发电路电流增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe短路电流增益则

共发电路电压增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce开路电压增益源电压增益其中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已知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

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+-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

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。

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//RE

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-

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）

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RiRoAvAin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+-viioiiT1T2

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。

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）

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

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：

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。VDDTSRG1RG2RDRSGID（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（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。4.1.2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：

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。

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。

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：

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=VCQ1

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。

理想放大器性能特点电压放大器：Ri0、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：Ri0、Ro0、Ar大且不随RL和信号源而变化。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=vi24.2.2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：

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，AIAI2fHfL

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

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。

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+vit0vott1vot1

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：

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

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+-virdsgsRiRo

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

共栅放大器vs+-RL+-voRSRSRDvi+-vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因为所以而

共漏放大器RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgss经推导FET三种组态电路性