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1、南昌大学电子系课件第 4 章放大器基础,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),功率放大器,放大器组成框图,电源 VCC 提供的功率：,放大实质,三极管集电
2、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。,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
3、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。,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：,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、,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 。,定义,上式中，Ri 表示本级电路对输入信号源的影响程度。,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 。,vot ：负载开路时 vi 或 i
4、i 在电路输出端产生的开路电压。,ion ：负载短路时 vi 或 ii 在电路输出端产生的短路电流。,输出电阻 Ro 计算：,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,放大器的增益：,增益(放大倍数),即放大器输出信号量与输入信号量的比值。不同类型放大器输入、输出电量不同，故增益的含义不同。,A = xo / xi,电压放大器,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。,电流放大器,电流增益：,短路电
5、流增益：,源电流增益：,Ri 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：,理想放大器性能特点,电压放大器：,Ri 0、Ro 、 Ais 大且不随 RL 和信号源而变化。,电流放大器：,Ri 、Ro 0、 Avs 大且不随 RL 和信号源而变化。,互导放大器：,Ri 、Ro 、Ags 大且不随 RL 和信号源而变化。,互阻放大器：,Ri 0、 Ro 0、 Ars 大且不随 RL 和信号源而变化。,放大器的频率响应,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：
6、,相频特性,幅频特性,放大器的频率特性,波特图,在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。,(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 。,fH,fL,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 rce,因此,由于厄尔利电压 |VA|VT ，因此共发电路提供的
7、Av 很大，且其值与静态电流 ICQ 无关。,共发电路特点,采用有源负载的共发放大器,其中,发射极接 RE 的共发放大器,忽略rce,若考虑rce，如何计算？,共基极放大器,共基电路性能分析,画小信号等效电路(忽略 rce 影响),共基电路输入电阻,共基电路输出电阻,共基电路电流增益,短路电流增益,共基电路电流增益,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）,若考虑rce，Ro如何计算？,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。,则,得,共集电极放大器,共集电路性能分
8、析,画小信号等效电路,共集电路输入电阻(忽略 rce),共集电路输出电阻,令 vs = 0、RL 开路，画出求 Ro 的等效电路。,rbe, ib,i,RE,RB,+,v,RS,rce,-,i,ib,Ro,RS = RS/RB,得,因此,共集电路电流增益(忽略 rce),短路电流增益,共集电路电压增益(忽略 rce),其中,三种组态电路性能比较,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
9、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,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,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。,共集-共发组合放大器,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,由于,则,(假设两管参数相同),其中,(假设两管参数相同),共源放大器,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，场效
10、晶体管的 ig = 0。,差分放大器具有抑制Q点漂移的作用，广泛用于集成电路的输入级，是另一类基本放大器。,差分放大器,估算电路 Q 点,双端输出电压,单端输出电压,差模信号和共模信号,性能特点,差模信号：指大小相等、极性相反的信号。,表示为 vi1 = -vi2 = vid / 2,差模输入电压vid = vi1 - vi2,共模信号：指大小相等、极性相同的信号。,表示为 vi1 = vi2 = vic,共模输入电压 vic = (vi1 + vi2 ) / 2,任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。,在输出端，输出信号也可分解为共模信号和差模信号之和。,差分放大器的差模性
11、能,共模输出电压 voc = (vo1 + vo2 ) / 2,差分放大器的主要性能特点体现在它对差模信号和共模信号具有完全不同的放大能力。,差分放大器的共模性能,差模输出电压vod = vo1 - vo2,差放半电路分析法,因电路两边完全对称，因此差放分析的关键，就是如何在差模输入与共模输入时，分别画出半电路交流通路。在此基础上分析电路各项性能指标。,分析步骤：,差模分析,画半电路差模交流通路 计算 Avd、Rid、Rod 。,共模分析,画半电路共模交流通路 计算 Avc、Ric 、Roc 。,根据需要计算输出电压,双端输出： 计算 vo 。,单端输出： 计算 vo1 、 vo2 。,差模性
12、能分析,RSS对差模视为短路。,RL 中点视为交流地电位，即每管负载为 RL / 2 （双端输出）。,直流电源短路接地。,1) 差模交流通路,注意：关键在于对公共器件的处理。,2)差模性能指标分析,差模输入电阻,差模输出电阻 单端输出：放大器任一端到地的电阻； 双端输出：以vod两端向放大器看过去的电阻， 即为两放大器输出电阻之和。,差模电压增益,半电路差模交流通路,共模性能分析,每管源极接 2RSS。,RL 对共模视为开路（双端输出）。,直流电源短路接地。,1) 共模交流通路,因此 RSS 上的共模电压：2id RSS,因此流过 RL 的共模电流为 0。,+ voc -,半电路共模交流通路,
13、2)共模性能指标分析(单端),共模输入电阻,共模输出电阻,共模电压增益,共模抑制比(单端输出),KCMR 是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力的一项重要指标，其值越大越好。,定义,提高 ISS(即增大 gm)、增大 RSS,提高 KCMR,普通差放存在的问题：,RSS ,KCMR 抑制漂移能力,但 ISS ,可采用电流源取代RSS来解决这个矛盾。,Q点随温度的变化（温漂）总是在两管中等量产生的，在效果上，可将它等效为作用在输入端的共模信号。差分放大器能有效地抑制它。,双端输出时,单端输出时,任意输入时，输出信号的计算,其中,其中,双极型差分放大器,半电路差模交流通路（双端输出）,电路特点,双端输出电路利用对称性抑制共模信号。,单端输出情况：,单端输出电路特点,单端输出电路利用 REE 的负反馈作用抑制共模信号。,利用 REE 抑制共模信号原理：,一般射极电阻 REE 取值较大,结论,无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大 差模信号、抑制共模信号的能力。,双极型单端共模抑制比,REE ,KCMR 抑制漂移能力,但 IEE Q 点降低 输出动态范围,采用电流源的差分放大器,电路两边不对称对性能的影响,实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：,双端输出时的 KCMR,
