电子线路高教第四电子课件三

第4章放大器基础概述4.1偏置电路和耦合方式4.2放大器的性能指标4.3基本组态放大器4.4差分放大器4.5电流源电路及其应用4.6集成运算放大器4.7放大器的频率响应概述在广播、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。第4章放大器基础按信号强弱分：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)第4章放大器基础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。第4章放大器基础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。第4章放大器基础QiCtICQtvCEOVCEQibQ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。QibibiCvCEOQ第4章放大器基础O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点升高第4章放大器基础(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(=VBQ-

VEQ)IBQICQ假设I1>>IBQ则第4章放大器基础存在问题：工程上，常选用：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工程上，常选用：I1=(5~10)IBQ则VBQ不稳定RB1、RB2过小放大器Ri

减小第4章放大器基础场效应管偏置电路(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第4章放大器基础(2)自偏置电路Q点估算：电路特点点：故自偏置置电路只只适合于于耗尽型型场效应应管。VDDSRGRDRSGID由于VDS与VGS极性始终终相反，，例如，JFET、DMOS管。第4章放大大器基础础(3)零偏置电电路Q点估算：：电路特点点：由于VGS=0，故零偏置置电路只只适合耗耗尽型MOS管。VDDSRGRDGID由于RS=0，故该电路路不具有有稳定Q点的功能能。第4章放大大器基础础4.1.2耦合方式式放大器与与信号源源、放大大器与负负载以及及放大器器级与级级之间的的连接方方式称为为耦合方方式。交流信号号正常传传输。为保证交交流信号号正常传传输、不不失真放放大，耦耦合方式式必须保保证：尽量减小小有用信信号在传传输过程程中的损损失。实际电路路常采用用两种耦耦合方式式：集成电路路中广泛泛采用的的一种耦耦合方式式——直接耦合合。具有隔直直流作用用的耦合合方式——电容耦合合、变压压器耦合合。第4章放大大器基础础电容耦合合VCCR3R1R2R4RSvS+--+CBviT1+R7R5R6R8CCT2+直流工作作时：由于CB、CC具有隔直直流作用用，因此信号号源不影影响放大大器Q点正常设设置，且且各级Q点相互独独立。交流工作作时：由于CB较大，在在信号频频率上近近似看作作短路。。因此，CB的接入不不会影响响信号的的正常传传输。电路缺点点：体积大，，不易集集成。第4章放大大器基础础直接耦合合各级之间间不经过过任何元元件直接接相连。。直接耦合合方式：：电路优点点：频率特性性好，便便于集成成。存在问题题：级间直流电平配置问题。零点漂移问题。第4章放大大器基础础VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn级间直流流电平配配置问题一结果：T1管Q点靠近饱饱和区，，输出易易出现失失真。由图若RE2=0，后级接入入RE，扩大前级级动态范范围。解决方法法：第4章放大大器基础础VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn级间直流流电平配配置问题二工作在放放大模式式时：加电平位位移电路路解决方法法：由图越往后级级VBQ3ICQ3VCEQ3输出动态态范围第4章放大大器基础础VCCRC2RE2T2RC1T1RC3RE3T3RCnREnTn采用PNP管的电平平位移电电路：利用NPN管与PNP管电位极极性相反反的特点点，将直直流电平平下移，，扩大后后级的输输出动态态范围。。VCCRC2RET2RC1T1RB+--+VBQ1VCQ2+-VCQ1VCQ1>VBQ1放大模式式NPN管放大模式式PNP管VCQ2<VBQ2=VCQ1第4章放大大器基础础零点漂移移问题零点漂移移：指vi=0时，输出出端静态态电压的的波动。。第一级采采用低温温漂的差差分放大大器。解决方法法：则第第一级Q点变(VCEQ1+V)，温度漂移移：因温度变变化引起起的漂移移，简称称温漂。温漂危害害：若温度变淹没有用用信号。。例如：假设直接耦合合放大器器原输出出端静态态电压为为VCEQn，V经后级逐逐级放大大输出出静态电电压变为为(VCEQn+AvnV)当漂移严严重即V较大时，，温漂信信号有可可能淹没没有用信信号，使使电路丧丧失对有有用信号号的放大大能力。。电容耦合合放大器器由于电电容的隔隔直作用用，温漂漂很小，，可忽略略。第4章放大大器基础础放大器的的组成原原则：直流偏置置电路(即直流通通路)要保证器器件工作作在放大大模式。交流通路路要保证证信号能能正常传传输，即即有输入入信号vi时，应有有vo输出。判断一个个电路是是否具有有放大作作用，关关键就是是看它的的直流通通路与交交流通路路是否合合理。若若有任何何一部分分不合理理，则该该电路就就不具有有放大作作用。元件参数数的选择择要保证证信号能能不失真真地放大大，即电电路需提供供合适的的Q点及足够够的放大大倍数。。第4章放大大器基础础就信号而言言，各种小小信号放大大器均可统统一表示为为有源线性性四端网络络：4.2放大器的性性能指标线性有源四端网络RSRLvS+-+-viiiiovo+-RiRo反映放大器器性能的主主要指标有有：增益A。输入电阻Ri、输出电阻Ro、第4章放大器器基础4.2.1输入电阻、、输出电阻阻、增益输入电阻对输入信号号源而言，，放大器相相当于它的的一个负载载，而这个个等效负载载电阻就是是放大器输输入电阻Ri。或RSRivS+-+-viiiRSRiiS+-viii定义上式中，Ri表示本级电电路对输入入信号源的的影响程度度。第4章放大器器基础输出电阻对输出负载载而言(根据戴维宁宁定理和诺诺顿定理)，任何放大器器均可看作作它的信号号源，该信信号源内阻阻即放大器器输出电阻阻Ro。或RoRLvot+-+-voioRoRLion+-voiovot：负载开路时时vi或ii在电路输出出端产生的的开路电压压。ion：负载短路时时vi或ii在电路输出出端产生的的短路电流流。第4章放大器器基础输出电阻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)令负载电阻阻RL开路，信号号源为零。。在输出端外外加电压v，则产生电流流i。定义Ro反映放大器器受负载电电阻RL的影响程度度。第4章放大器器基础小信号放大大器四种电电路模型RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo电压放大器RoRLionioRSRiiSii电流放大器RSRivS+-+-vi互导放大器RoRLionioRoRLvot+-+-voRSRiiSii互阻放大器第4章放大器器基础放大器的增增益：增益(放大倍数)不同类型放放大器输入入、输出电电量不同，，故增益的的含义不同同。即放大器输输出信号变变化量与输输入信号变变化量的比比值。A=xo/xi电压放大器器RSRivS+-+-viRoRLvot+-+-vo电压增益：：开路电压增增益：源电压增益益：Ro越小，RL对Av影响越小。。Ri越大，RS对Avs影响越小。。第4章放大器器基础电流放大器器电流增益：：短路电流增增益：源电流增益益：RoRLionioRSRiiSiiRi越小，RS对Ais影响越小。。Ro越大，RL对Ai影响越小。。互导放大器器互导增益：：互阻放大器器互阻增益：：第4章放大器器基础理想放大器器性能特点点电压放大器器：Ri0、Ro、Ai大且不随RL和信号源而而变化。电流放大器器：Ri、Ro0、Av大且不随RL和信号源而而变化。互导放大器器：Ri、Ro、Ag大且不随RL和信号源而而变化。互阻放大器：：Ri0、Ro0、Ar大且不随RL和信号源而而变化。第4章放大器器基础多级放大器器可拆分成成单级电路路进行分析析：将后级输入入电阻作为为前级的负负载电阻。。多级放大器器RLvS+-voRS+-A1vi+-A2将前级带负负载后的输输出电压作作为后级输输入电压。。Ri2+-+-vo1=vi2第4章放大器器基础4.2.2放大器的失失真频率失真放大器的失失真是指输输出信号不不能重现输输入信号波波形的一种种物理现象象。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，，放大器中中含有电抗抗元件。在在正弦信号号激励下，，不同频率率呈现不同同电抗，因因而放大器器增益应为为频率的复复函数：第4章放大器器基础波特图在半对数坐坐标纸上描描绘的频率率特性曲线线即波特图图。Of/HzA(f)/dBOf/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)增益分贝值值：通频带：对应上限频频率fH及下限频率率fL。AIAI2fHfL第4章放大器器基础频率特性的的三个频段段中频段：通通频带以内内的区域。。放大器的增增益、相角角均为常数数，不随f变化。特点：原因：所有电抗影影响均可忽忽略不计。。高频段：f>fH的区域。频率增大，，增益减小小并产生附附加相移。。特点：原因：极间电容容容抗分流不能视为开开路。即极间电容容开路、耦耦合旁路电电容短路。。低频段：f<fL的区域。频率减小，，增益降低低并产生附附加相移。。特点：原因：耦、旁电容容容抗分压不能视为短短路。第4章放大器器基础幅度失真与与相位失真真实际输入信信号含有众众多频率分分量，当通通过放大器器时：若不同频率率信号呈现现不同增益益幅度失真相位失真幅度失真与与相位失真真统称放大大器的频率率失真。若不同频率率信号呈现现不同相角角由于频率失失真由线性性电抗元件件引起，故故称线性失失真。注意：线性失真不不产生新的的频率成分分。一般音频频放大器器的频率率失真主主要指幅幅度失真真。视频放大大器的频频率失真真则包括括幅度失失真与相相位失真真。第4章放大大器基础础指放大脉脉冲信号号时，电电抗元件件上的电电压或电电流不能能突变而而引起的的失真。。瞬变失真真RC+-vi-vo+vit1Ovot0.10.9trRC+-vi-vo+vitOvott1vot1第4章放大大器基础础非线性失失真非线性失失真由三三极管产产生，它它产生了了新的频频率成份份。假设三极极管基射射间外加加电压：：则利用傅里里叶级数数展开得得：非线性失失真系数数：第4章放大大器基础础根据三极极管(场效应管管)在放大器器中的不不同接法法，放大大器分为为三种基基本组态态。4.3基本组态态放大器器T+-+-VCCRCvivo(共发)T+-+-VCCREvivo(共集)T+-+-VCCRCvivo(共基)无论何种种组态放放大器，，分析方方法均相相同。1)由直流通通路确定定电路静静态工作作点。注意：2)由交流通通路画出出小信号号等效电电路，并并进行分分析。第4章放大大器基础础共发射极极放大器器4.3.1三种组态态放大器器的实际际电路VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章放大大器基础础RCRB1vs+-RL+-voRB2RS交流通路VCCRCRB1vs+-RL+-voRB2RECERS+++C1C2共基极放放大器VCCRCRB1RB2RE直流通路第4章放大大器基础础RB1vs+-RL+-voRB2RECBRSC1C2VCCRC交流通路vs+-RL+-voRERSRC共集电极极放大器器VCCRB1RB2RE直流通路第4章放大大器基础础交流通路RERB1vs+-RL+-voRB2RSVCCRB1vs+-RL+-voRB2RERS++C1C2共发电路性性能分析析4.3.2共发、共共基和共共集放大大器的性性能画微变等效电路路分析电路路输入、、输出电电阻故rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib第4章放大大器基础础RCRB1vs+-RL+-voRB2RS+-vi共发电路路电流增增益rbegmvbeiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceib通常RB>>rbe第4章放大大器基础础短路电流流增益共发电路路电压增增益rbegmvbeRCRBvs+-RL+-voRS+-virce开路电压压增益源电压增增益第4章放大大器基础础1)既有电压压放大作作用、又又有电流流放大作作用。2)输出电压压与输入入电压反反相。共发电路路提供的的最大电电压增益益若采用有有源负载载作为RC，可使RC>>rce因此由于厄尔尔利电压压|VA|>>VT，因此共发发电路提提供的Av很大，且且其值与与静态电电流ICQ无关。共发电路路特点第4章放大大器基础础共基电路性性能分析析画微变等效电电路(忽略rce影响)共基电路路输入电电阻vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibecii因此(小)Ri第4章放大大器基础础vs+-RL+-voRERSRCvi+-共基电路路输出电电阻共基电路路电流增增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmvebiiio+-vibeciiRi

短路电流流增益第4章放大大器基础础共基电路路电压增增益vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibec共基电路路特点1)有电压放放大作用用、但无无电流放放大作用用。2)输出电压压与输入入电压同同相。3)输入电阻阻低、输输出电阻阻高。第4章放大大器基础础考虑rce时共基电电路输出出电阻令vs=0、RL开路，画画出求Ro的等效电电路。vs+-RL+-voRERSRCrbegmveb+-vibecrce则得因此+-vRERSRCrbegmvbeberceiiRoRS=RS//RE第4章放大大器基础础共集电路性性能分析析画微变等效电路路共集电路输输入电阻阻(忽略rce)因此(大)第4章放大大器基础础RERB1vs+-RL+-voRB2RS+-virbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-Ri共集电路输输出电阻阻令vs=0、RL开路，画画出求Ro的等效电电路。rbeibiRERB+vRSrce-iibRoRS=RS//RB则得因此(小)第4章放大大器基础础rbeibioRERBvs+-RL+voRS+-virce-共集电路路电流增增益(忽略rce)短路电流增益共集电路电电压增益益(忽略rce)1其中第4章放大大器基础础rbeibiiioRERBvs+-RL+voRS+-virceib-三种组态电路路性能比较小大小大大小大大1大中中共发共基共集RiRoAvAin第4章放大器基基础RCvs+-RL+-voRBRS+-vivs+-RL+-voRERSRCvi+-REvs+-RL+-voRBRS+-vi三种组态电路路的应用共发放大器广泛应用于多多级放大器提提供增益的增增益级中。共基放大器由于频率特性性好，故常与与共发电路配配合，组成宽宽带放大器。。共集放大器利用Ri高的特点，常常作多级放大大器输入级；；利用Ro低的特点，常常作多级放大大器输出级，，提高带负载载能力。利用Ri高、Ro低的特点，常常作缓冲级(隔离级)，以提高前级电电路的增益。。第4章放大器基基础共发-共基组合放大大器4.3.3改进型放大器器三种基本组态态放大器的性性能特点各不不相同，若将将它们适当组组合，可使放放大器的性能能更接近理想想化。组合放大器第4章放大器基基础vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2共集-共发组合放大大器利用共发电路路增益高、共共基电路Ri低、Ro高的特性，使使共发-共基组合电路路更接近理想想的电流放大大器。利用共发电路路增益高、共共集电路Ri高、Ro低的特性，使使共集-共发组合电路路更接近理想想的电压放大大器。第4章放大器基基础vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2共集-共基组合放大大器由于则(假设两管参数数相同)其中(假设两管参数数相同)第4章放大器基基础vs+-RL+-voRS+-viioiiT1T2接RE的共发放大器器其中第4章放大器基基础rbeibiiioRCRBvs+-RL+-voRS+-virceibRE(微变等效电路)RCRBvs+-RL+-voRS+-viRE(交流通路)共发电路射极极接电阻RE后：由于RE的负反馈作用用，使Ri增大、Ro增大，放大器器更接近理想的的互导放大器器。由于RE的负反馈作用用，不仅增益益稳定性提高高，而且且还便于集成成化。当RE时，此时，Avt近似等于两电电阻的比值，，与三极管参参数无关。存在问题：交流工作时：：RCAv但集成困难；；直流工作时：：RCVCEQ易饱和失真。。第4章放大器基基础采用有源负载载的共发放大大器解决方法：用用恒流源(有源负载)取代电阻RC。恒流源特点：直流电电阻小，交流流电阻大。RLvoviVCCR1R2RET1T2RLvoviVCCT1ICQ其中等效为第4章放大器基基础共源放大器4.3.4共源、共栅和和共漏放大器器的性能场效应管电路路性能特点、、分析方法与与三极管放大大器相似。不不同之处仅在在于，FET或场效晶体管管的ig=0。gmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRo第4章放大器基基础RDRGvs+-RL+-voRS+-vi接RS的共源放大器器不变经推导则增大减小第4章放大器基基础RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSgmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRo共栅放大器vs+-RL+-voRSRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因为所以而第4章放大器基基础vs+-RL+-voRSRSRDvi+-共漏放大器经推导第4章放大器基基础RGvs+-RL+-voRS+-viRSgRSRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgssFET三种组态电路路性能比较小大小大大1大大大共源共栅共漏RiRoAv第4章放大器基基础RDRGvs+-RL+-voRS+-viRSvs+-RL+-voRSRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viRS4.3.5集成MOS放大器集成MOS放大器与分立立MOS放大器电路结结构相同，只只是为了提高高集成度，集集成MOS放大器中的负负载电阻采用用了以不同方方法实现的有有源电阻。集成MOS放大器类型：：NMOS放大器CMOS放大器放大管NEMOS负载管NE