电压放大器及其演变综述

《模拟电子技术基础》课题研究——电压放大器及其演变综述学院：信息与电气工程学院专业：电气信息类班级：姓名：指导老师：摘要：电压放大器(VoltageAmplifier)是提高信号电压的装置。对弱信号，常用多级放大，级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，要求放大倍数高、频率响应平坦、失真小。当负载为谐振电路或耦合回路时，要求在指定频率范围内有较好幅频和相频特性以及较高的选择性。电压放大器的特点:(1)传感器输出信号为电荷；(2)是具有深度负反馈的高增益放大器，实质是一个电流\电压转换器；(3)不容易引入现场干扰信号，电路受连接电缆长度变化的影响不大，几乎可忽略不计，可用于压电式传感器远距离传输放大。(4)可对静态压力进行有效测量。(5)频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻关键词：基本放大电路多级放大电路运算放大电路场效应管放大电路性能特点发展前景正文：一、电压放大器的种类电压放大器分为四类：基本放大电路、多级放大电路、运算放大电路还有场效应管放大电路。下面，将对每一种类型进行分析。㈠基本放大电路基本放大电路是放大电路中最基本的结构，是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性，或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性，实现信号的放大。共发射极1.放大电路的核心元件晶体管工作在放大状态，即要求其发射结正偏、集电结反偏。2.输入回路的设置应当使输入信号耦合到晶体管的输入电极，并形成变化的基极电流Ib，进而产生晶体管的电流控制关系，变成集电极电流Ic的变化。3.输出回路的设置应当保证晶体管放大后的电流信号能够转换成负载需要的电压形式。4.信号通过放大电路时不允许出现失真。共发射极放大电路共集电极把输入信号由晶体管的基极输入，而把负载电阻接在发射极上。特点：电压增益（放大倍数）共集电极放大电路小于1但近似等于1，输出电压与输入电压同相位，输入电阻高、输出电阻低。虽然共集电极放大电路的电压增益小于1，但是它的输入电阻高，当信号源（或前极）提供给放大电路同样大小的信号电压时，由于具有较高的输入电阻，使所需提供的电流减小，从而减轻了信号源的负载。共基极特点：共基极放大电路的输入电阻很低，一般只有几欧到几十欧，但其输出电阻却很高。另外，共基放大电路允许的工作频率较高，高频特性比较好，所以它多用于高频和宽频带电路或恒流源电路中。共基极放大电路场效应管单级型管的单级放大电路，用场效应管作为放大器件组成的放大电路，称为场效应管放大电路。场效应管和双极型晶体管一样是电路的核心器件，在电路中起以小控大的作用。在场效应管的放大电路中，为实现电路对信号的放大作用，必须要建立偏置电路以提供合适的偏置电压，使场效应管工作在特性的恒流区。自给偏压电路N沟道耗尽型MOS管组成的共源极放大电路场效应管的栅极通过电阻Rg接地，源极通过电阻Rs接地。这种偏置方法靠漏极电流Id在源极电阻Rs上产生的电压为栅源极提供一个偏置电压Ugs，故称为自偏压电路。场效应管场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小的条件下，也可将其用小信号模型等效。场效应管微变等效电路与建立双极型三极管小信号模型相似，将场效应管也看成一个两端口网络，以结型场效应管为例，栅极与源极之间为输入端口，漏极与源极之间为输出端口。无论是哪种类型的场效应管，均可以认为栅极电流为零，输入端口视为开路，栅源极间只有电压存在。共源极共源极场效应管放大电路与双极型管共射放大电路相比较，共源极放大电路共源极放大电路具有以下特点：输入电阻极高，相当于开路；输出电阻由于并联一个电阻Rds，因此输出电阻较小。共源极场效应管放大电路的微变等效电路相当于一个电压控制的电流源。共漏极放大电路又称为源极输出器或源极跟随器，同样具有与共集电极放大电路相同的特性：输入电阻高、输出电阻低和电压放大倍数小于1并接近于1。共源极放大电路㈡多级放大电路在多数情况下，电子设备处理的交流信号是很微弱的，由于单级放大电路的放大能力有限，往往不能将微弱信号放大到要求的幅度，所以电子设备中常常将多个放大电路连接起来组成多级放大电路，来放大微弱的电信号。根据各个放大电路之间的耦合方式（连接和传递信号方式）不同，多级放大电路可分为阻容耦合放大电路、直接耦合放大电路和变压器耦合放大电路。多级放大电路的耦合方式常用的耦合方式有三种，即阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。一、阻容耦合上图画出了一个两级放大电路。由图可见，电路的第一级与第二级之间通过电阻和电容元件连接，故称为阻容耦合放大电路。阻容耦合方式的优点是，由于前、后及之间通过电容相连，所以各级的直流电路互不相通，每一级的静态工作点是相互独立的，不致互相影响，这样就给分析、设计和调度带来了很大的方便。而且，只要耦合电容选得足够大，就可以做到前一级的输出信号在一定的频率范围内几乎不衰减地加到后一级的输入端上去，使信号得到了充分的利用。但是，阻容耦合具有很大的局限性。首先，它不适合于传送缓慢变化的信号，因为这一类信号在通过耦合电容加到下一级时，将受到很大的衰减。至于直流万分的变化，则根本不能通过电容。更重要的是，在集成电路中，要想制造大容量的电容是很困难的，因而这种耦合方式在线性集成电路中无法采用。二、直接耦合为了避免耦合电容对缓慢变化信号带来不良影响，可以把前级的输出端直接或通过电阻接到下级的输入端，这种连接方式称不直接耦合。直接耦合方式的一个优点是，既能放大交流信号，也能放大缓慢变化和直流信号。更重要的是，直接耦合方式便于集成化，实际的集成运算放大电路，一般都是直接耦合多级放大电路。所以直接耦合放大电路是本书讨论的重点。但是，采用的耦合方法引出了新的问题。首先，直接耦合使前后级之间存在着直流通路，造成各级的工作互相影响，不能独立，使多级放大的分析、设计和调试工作比较麻烦。有时，把两个单管的放大电路简单地直接耦合在一起还可能使电路不能正常工作。例如，在下图中，由于VT1的集电极电位被VT2的基极限制在0.7V左右，使VT1的Q点接近饱和区，因而不能正常进行放大。直接耦合带来的第二个问题是零点漂移总是，这是直接耦合电路最突出的问题。如果将一个直接耦合放大电路的输入端对地短路，并调整电路使输出电压也等于零。从理论上说，输出电压应一直为零保持不变，但实际上，输出电压将离开零点，缓慢地发生不规则的变化，如下图所示，这种现象称为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是放大器件的参数受温度的影响而发生波动，导致放大电路的静态工作点不稳定，而放大级之间又采用直接耦合方式，使静态工作点的变化逐级传递和放大。因此，一般来说，直接耦合放大电路的级数愈大，放大倍数愈高，则零点漂移问题愈严重。而且控制多级直接耦合放大电路中第一级的漂移是至关重要的问题。零点漂移的技术指标通常用折合到放大电路输入端的零漂来衡量，即将输出端出的漂移电压除以电压放大倍数得到的结果。对于一个高质量的直接耦合放大电路，要求它既有很高的电压放大倍数，而零点漂移又比较低。为了抑制零点漂移，常用的措施有以下几种：第一，引入直流负反馈以稳定Q点来减小零点漂移。第二，利用热敏元件补偿放大管的零漂。第三，将两个参数对称的单管放大电路接成差分别的结构形式，使输出端的零漂互相抵消。三、变压器耦合因为变压器能够通过磁路的耦合将原边的交流信号传送到副边，所以也可以作为多级放大电路的耦合元件。若变压器原边的电压和电流为U1和I1，副边的电压和电流为U2和I2，原边与副边的匝数比（或称为变比）n＝N1/N2，如下图所示，则如果接在变压器副边的实际负载电阻为RL，此时从变压器原边看进去的等效负载电阻为RL’=n2-RL可见，变压器在传递信号的同时，还有阻抗变换的作用，过去常常利用这一特点组成功率放大电路。有时实际的负载电阻RL折阻值很小（例如有的扬声器电阻只有8Ω），若采用变压器耦合，可选择恰当的比例，使变换后得到的等效电阻值比较适中，以使在负载上得到尽可能大的输出功率。现将三种耦方式列表如下：表2－2三种耦合方式的比较阻容耦合直接耦合变压器耦合特点各级静态工作点互不影响。结构简单。能放大缓慢变化的信号或直流成分的变化。适用于集成化。有阻抗变换作用。各级直流通路互相隔离。存在问题不能反映直流成分的变化，不适合放大缓慢变化的信号。有零点漂移现象。各级静态工作不能反映直流成分的变化，不适合放大缓慢变化的信号。㈢集成运算放大电路（1）概述：集成运算放大电路是一种直接耦合的多级放大电路，它是利用半导体的集成工艺，实现电路、电路系统和元件三结合的产物。由于采用集成工艺，可以使相邻元器件参数的一致性好，且采用多晶体管的复杂电路，使之性能做得十分优越。集成运算放大器的型号各异，但用得最为普遍的是通用型集成运放，其内部电路一般为差分输入级、中间级和互补输出级，并带有各种各样的电流源电路。（2）集成放大电路的特点：1、集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成的多级放大器；2、元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路；3、集成电路的芯片面积小，集成度高，所以不适于集成化。点互相影响。不适于集成化。适用场合分立元件交流放大电路集成放大电路，直流放大电路。低频功率放大，调谐放大。功耗很小，在毫瓦以下；4、不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载；5、只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接；6、不能制造电感，如需电感，也只能外接。（3）集成运放电路的组成：偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。（4）集成运放的符号和电压传输特性：在线性区：uO＝Aod(uP－uN)，Aod是开环差模放大倍数。由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多μV。当其大于此值时，集成运放的输出不是＋UOM,就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。（5）集成运放的主要参数：为了正确地使用运放，必须了解其参数的含义。集成运放的主要参数大体上可分为五类：（1）输入失调参数——输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB、输入失调电压的温漂△VIO/△T和输入失调电流的温漂△IIO/△T。（2）差模特性参数——开环差模电压增益AVO和带宽BW、差模输入电阻Rid、最大差模输入电压VIdmax。（3）共模特性参数——共模抑制比KCMR、最大共模输入电压VIcmax。（4）大信号动态特性参数——转换速率SR、全功率带宽BWP。（5）电源特性参数——静态功耗PV、电源电压抑制比KSVR。此外，还有输出电阻Ro、最大输出电流Iom等。上述参数中，尤其以VIO、△VIO/△T、IIB、AVO、KCMR、BW、Rid和SR等在很多场合下更为重要。（6）集成运放电路F007的电路结构*F007的组成及特点（1）偏置电路偏置电路包含在各级电路中，采用多路偏置的形式，为各级电路提供稳定的恒流偏置和有源负载，其性能的优劣直接影响其他部分电路的性能。其中，T10、T11组成的微电流源作为整个集成运放的主偏置。（2）差动输入级由T1、T3和T2、T4组成的共集—共基组合差分放大电路组成，双端输入、单端输出。其中，T5、T6、T7组成的改进型镜像电流源作为其有源负载，T8、T9组成的镜像电流源为其提供恒流偏置。由于上述的结构组成，输入级具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。（3）中间增益级由T17构成的共发射极电路组成，其中，T13B和T12组成的镜像电流源为其集电极有源负载。故本级可获得很高的电压增益。（4）互补输出级由T14、T20构成的甲乙类互补对称放大电路组成。其中，T18、T19、R8组成的电路用于克服交越失真，T12和T13A组成的镜像电流源为其提供直流偏置。输出级输