第四章 放大电路的放大器基础原理

主要内容4.0概述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4.5电流源电路及其应用4.6集成运算放大器(功率放大器）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。放大器种类放大器组成框图放大器分类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）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）返回放大器组成框图保证半导体器件工作在放大模式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。返回组成原则放大器的组成原则：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。返回4.1偏置电路和耦合方式4.1.1偏置电路（即直流通路）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提供合适的静态工作点Q，保证器件工作在放大模式。例如：偏置电路须保证三极管JE正偏、JC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。QiCtICQtvCE0VCEQibQ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返回失真三极管偏置电路（1）固定偏流电路VCCRCRBIBICQ点估算：BBE(on)CCBQRVVIBQCBOBQCQ)1(IIIICCQCCCEQRIVV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)ICQQ点升高（2）分压偏置电路Q点估算：B2B1CCB2BQRRVRVEBE(on)BQCQRVVIIEQ)(ECCQCCCEQRRIVV电路优点：TICQVCCRCRB1IBQI1RB2RECE（固定）/CQBQII具有稳定Q点的功能。(结合管子的输入特性进行分析）VEQ(≈ICQRE)VBEQ(=VBQ-VEQ)IBQICQ假设I1IBQ(RB1//RB2(1+ß)RE就满足该条件）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I1IBQ工程规定：I1=（5~10）IBQ则VBQ不稳定RB1、RB2过小放大器Ri减小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。VDDTSRG1RG2RDRSGIDSDQG2G1DDG2GSQRIRRVRV2GS(th)GSQOXDQ)(2VVlWCI)(SDDQDDDSQRRIVVN沟道：VDS0VGS(th)VGS(th)VGS(off)ID(mA)VGS(V)结型耗尽型增强型P沟道：VDS0（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VDDSRGRDRSGIDSDQGSQ0RIV)(SDDQDDDSQRRIVV2GS(off)GSQDSSDQ1VVII由于VDS与VGS极性始终相反例如：JFET、DMOS管N沟道：VDS0VGS(th)VGS(th)VGS(off)ID(mA)VGS(V)结型耗尽型增强型P沟道：VDS0（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。0GSQV)(SDDQDDDSQRRIVVVDDSRGRDGID2GS(th)GSQOXDQ)(2VVlWCI由于RS=0，故该电路不具有稳定Q点的功能。返回框图返回主要内容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：返回组成框图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。（低频特性差）返回耦合方式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。返回耦合方式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E2CQ2BE(on)2CEQ1RIVV若0E2R则V7.0BE(on)2CEQ1VV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：BQ1BQ2BQ3CQ3VVVV)(E3C3CQ3CCCEQ3RRIVV由图E3CQ3BE(on)3BQ3RIVV越往后级VBQ3ICQ3VCEQ3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+-VCQ1VCQ1VBQ1放大模式NPN管放大模式PNP管VCQ2VBQ2=VCQ1返回直接耦合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VCEQnV经后级逐级放大输出静态电压变为（VCEQn+AvnV）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。返回组成框图返回直接耦合4.2放大器的性能指标就信号而言，各种小信号放大器均可统一表示为有源线性四端网络：线性有源四端网络RSRLvS+-+-viiiiovo+-RiRo反映放大器性能的主要指标（即基本性能指标）有：增益A输入电阻Ri、输出电阻Ro、除此外还有其他的性能指标：失真、带宽、输出功率等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+-viiiiiiivR定义Ri表示本级电路对输入信号源的影响程度。Ri越大说明该电路对信号电压源的影响小，在测量电路中要求Ri越大越好。返回性能指标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：输出电阻的测试电路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。ivRo定义Ro与RL无关,它反映放大器受负载电阻RL的影响程度。对电压放大器来说Ro越小，放大器带负载的能力越强。输出电阻Ro计算：返回性能指标增益（放大倍数）放大器的增益：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线性有源四端网络RSRLvS+-+-viiiiovo+-电压增益：iovvAv电流增益：ioiiAiioviAg互导增益：互阻增益：ioivAr源增益源增益或RsRivS+-+-viiiRSRiiS+-viii源电压增益：isiiisosRRRAvvvvvvAvsov源电流增益：iSSsiiososRRRAiiiiiiAiiRi越大，RS对Avs影响越小。Ri越小，RS对Ais影响越小。开环电压增益等开路电压增益、短路电流增益或RoRLvot+-+-voioRoRLion+-voio开路电压增益：时的增益)1(LoootioiottRRAvvvvvvAvvRO越小，RL对Av影响越小。LR短路电流增益：时的增益)1(oLioonioionnRRAiiiiiiAiRO越大，RL对Ai影响越小。0LR返回性能指标4.2.2放大器的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饱和失真截止失真频率失真：（对三极管而言）由线性电抗元件引起，故称线性失真。瞬变失真：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。非线性失真：注意：线性失真不产生新的频率成份。进入管子的非线性区域，会产生新的频率分量返回性能指标频率失真一般而言，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：)(jAe)()j(AA在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。通频带：LH7.0ffBW增益下降到时，I21A对应的上、下限频率fH、fL之差，即：返回失真(对数刻度)(对数刻度)(线性刻度)(线性刻度)AIAI2fHfL幅度、相位失真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。返回失真返回频率失真瞬变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。RC+-vi-vo+vit10vot0.10.9trRC+-vi-vo+vit0vott1vot1返回失真4.3基本组态放大器根据三极管（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。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，并进行性能分析。4.3.1三种组态放大器的实际电路及其性能分析共发射极放