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1、1,低频电子电路,-人民邮电出版社,21世纪高等院校信息与通信工程规划教材,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,2,概 述,第四章 放大单元与基本组成电路,4.1 放大器的恒流支持电路,4.2 基础单元放大电路及特性,4.3 对称结构单元放大电路及其优势,4.4 放大电路分析、设计的基础思路,与电路结构的认识,低频电子电路,3,概 述,式中，y 为电路输出电量，x 为电路输入电量；f 表达电路对输入电量x的处理能力，称为传递函数，具体采用比例常数A表达。,放大电路是指输出信号电量能反映输入信号电量的变化规律，并且输出信号的变化范围比输入信号大的功能电路。,第 4 章 放大单元与基本组成电路,
2、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。,4,第 4 章 放大单元与基本组成电路,放大器组成框图,图中，信号源代表放大电路的原始电信号；负载作为放大电路输出电信号的目标信宿，也可以理解为最终信号的执行部件；放大器则是完成信号放大的本体。,比例放大的特性可以采用以晶体管和场效应管为代表的受控源器件来实现。,5,第 4 章 放大单元与基本组成电路,放大器分类,按信号特征分：,音频放大器、视频放大器、脉冲放大器等,按前后信号电量的不同需求：,电压放大器、电流放大器、互阻放大器、互导放大器四种,按信号强弱分：,小信号放大器、大信号放大器和功率放大器等,6,第 4
3、章 放大单元与基本组成电路,4.1 放大器的恒流支撑电路,以晶体管和场效应管为代表的受控源器件并非理想受控器件，即只在特定的电压电流范围内具有近似的线性受控特性。,设置静态工作点平台，是确定并非理想受控器件特定的电压电流范围的前提和关键。,7,第 4 章 放大单元与基本组成电路,恒流源电路提供的工作点平台不但能实现稳定工作点目的，还能有效地提高放大器的放大倍数；甚至利用该原理还能形成动态电流镜电路，广泛用于交流信号的处理中。,设置静态工作点平台的电路称放大器的偏置电路。,基于电源特性，恒流源常由恒压源转换而来，即通过恒流源电路得到。,“工作点平台”与“恒流源”,8,第 4 章 放大单元与基本组
4、成电路,恒流源电路组成结构框图,恒流源等效电路与负载连接图,本节讲述的恒流源电路是指能将输入直流电压转化为输出直流电流的半导体电路。,为了满足恒流源的输出特性要求，我们可以利用处于放大条件下的晶体管。同理，我们也可以采用处于饱和区的场效应管来实现。,9,第 4 章 放大单元与基本组成电路,4.1.1 晶体管恒流源,1. 镜像恒流源,假设 T1、T2管具有相同参数，均处于放大状态。,若 ， 取值较大时， 受晶体管 不稳定性的影响较小，即 基本保持恒定。,，,10,第 4 章 放大单元与基本组成电路,因,所以,在两管很大、,，则,镜象恒流源的输出电流,与参考电流,之间的误差,会随的不稳定变化而改变
5、。为此在电路中加接一只晶体管得出如下图所示的改进型镜象恒流源。,11,第 4 章 放大单元与基本组成电路,改进型1,改进型2,改进型1有：,即：,12,第 4 章 放大单元与基本组成电路,2. 非对称恒流源,非对称恒流源有比例恒流源和微电流源两种基本类型。它们常应用于集成内部多电流源系统的设计中。,比例恒流源结构特点,:两管射极串接不同阻值的电阻。,电路,微变等效图,比例电流源,13,第 4 章 放大单元与基本组成电路,由电路可得KVL方程,即：,根据两管自身特性的指数模型可得,在管子特性对称相同的 条件下，可得,14,第 4 章 放大单元与基本组成电路,当两管的足够大时，,，由上式可得,若,
6、两管发射结压降近似相等，因此,由微变等效图可得,15,第 4 章 放大单元与基本组成电路,微电流恒流源的特点是指：能输出微小电流的恒流源电路,微电流恒流源,图中，在,管发射结电压的限制下，,压只能处于正偏状态的较小电压，即达到输出微电流的目的。,管的发射结电,利用比例恒流源分析式，令,，可得,16,第 4 章 放大单元与基本组成电路,4.1.2 多路与场效应管恒流源,场效应管恒流源是利用管子,控制,的原理来实现的,基础型恒流源,多路恒流源,场效应管恒流源,17,第 4 章 放大单元与基本组成电路,相对于晶体管，场效应管恒流源的最大优点在于无栅极电流。,在,远大于,，,时：,18,第 4 章 放
7、大单元与基本组成电路,电流源的电流比可以通过管子沟道的宽/长比来控制。若两管子的宽/长比完全一致，则,多路输出恒流源常用于集成内部电路中。其中，每个输出电流也可以通过宽/长比来控制，且互不影响。,19,第 4 章 放大单元与基本组成电路,4.2 基础单元放大电路,为了阐述的放大原理，利用用放大电路的交流信号等效示意图。,放大电路信号通路组成等效示意图,20,第 4 章 放大单元与基本组成电路,放大器常用交流信号技术指标,1. 增益（Gain） A,增益是指放大电路中放大器的响应与激励的比值，用英文大写字母 A加下标来表示。若放大电路中无电感和电容特性，增益可表示如下,式中，,的下标为电压符号，
8、表示电压增益。,21,第 4 章 放大单元与基本组成电路,实际放大器常见增益种类：,22,第 4 章 放大单元与基本组成电路,2. 输入电阻（Input resistance）,输入电阻是从放大器输入端口看入的交流信号等效电阻，该电阻作为信号源的负载，用以说明放大器实际获取信号的能力。,实际中，结合放大器增益指标和输入电阻指标的概念，我们也常采用源增益指标，如源电压增益定义如下,23,第 4 章 放大单元与基本组成电路,源电压增益与电压增益和输入电阻的关系,3. 输出电阻（Out resistance）,输出电阻是从放大器输出端口看回去的戴维南等效电阻或若顿等效电阻，该电阻作为负载的信号源内阻
9、，用以说明放大器带负载能力。一般来说，为了保证放大器的信号放大能力，对以电压作为输出电量的放大器，应要求放大器具有较小的输出电阻，并与较大的负载相连接；对以电流作为输出电量的放大器，则应要求放大器具有较大的输出电阻，并与较小负载相连接。,24,第 4 章 放大单元与基本组成电路,4.2.1 晶体管基础单元放大电路,晶体管基础放大单元电路按信号加入端口、信号输出端口与晶体管电极的连接方式不同，可以划分为共发射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电路三类。,1. 共发射极放大电路,典型共发射极放大电路及相关波形,25,第 4 章 放大单元与基本组成电路,假设电路元件参数选取合理，晶体管始终处于
10、发射结正偏、集电结反偏的放大状态，晶体管各电极的电压、电流是建立在直流平台基础上的变化电压和电流。,讨论工作点时，将与直流无关的元器件去除后，得到原电路的直流通路，也称直流等效电路。,直流等效电路,利用直流等效电路进行的工作点电压和电流的求解问题，参见3.3节，这里不再重述。,26,第 4 章 放大单元与基本组成电路,分析交流电量的变化关系，将与交流无关的元器件等效去除后，得到如图所示交流通路:,交流通路,交流通路凸显了原图中影响交流电压和电流分配的元器件，去除了无关的元器件。,27,第 4 章 放大单元与基本组成电路,在同样输入信号情况下，工作点靠近截止区和饱和区时，交流输出波形会出现如下图
11、所示的失真，即与输入变化规律不一致的情况。,工作点设置不合理情况分析,其中，我们将工作点靠近截止区出现的波形失真称为截止失真，工作点靠近饱和区出现的波形称为饱和失真。,28,第 4 章 放大单元与基本组成电路,电压增益,若实际电路中的,采用恒流源来取代，则上式中的,恒流源的交流输出电阻,应被,置换。这时，,该得以提升。引入恒流源的典型电路如下图所示。,电路的电压增益应,29,第 4 章 放大单元与基本组成电路,电路,交流简化图,恒流源负载共发射极放大电路,交流输出电阻,交流输入电阻,30,第 4 章 放大单元与基本组成电路,电流增益,恒流源偏置的引入可以有效减小偏置电阻的分流效果，凸显增益器件
12、的放大作用，有利于改善电路性能。,2. 共发射极、共基极、共集电极放大电路性能对比,下图给出了晶体管三种放大电路在理想恒流源偏置电路下的交流通路。其中，共基极放大电路中晶体管基极是输入信号端口与输出信号端口的公共端，共集电极放大电路中晶体管集电极是输入信号端口与输出信号端口的公共端。,31,第 4 章 放大单元与基本组成电路,共集电极放大电路,共发射极放大电路,共基极放大电路,理想偏置下的三种基本放大电路的交流通路,对应的小信号等效电路如下图所示,小信号等效电路,32,第 4 章 放大单元与基本组成电路,由此计算出相应的电压增益、电流增益、输入电阻和输出电阻如下表所示。,三种基本放大单元电路性
13、能,注：,为信号源内阻。,33,第 4 章 放大单元与基本组成电路,通常，根据共基极电路的电流增益近似为 1的特点，将共基极放大电路称为电流接续器，其输出电阻较大，输出信号类似信号电流源输出；根据共集电极电路的电压增益近似为 1的特点，将共集电极电路称为电压跟随器，又因电路输出电阻较小，输出信号类似信号电压源输出；而共发射极放大电路则同时具有电压放大和电流放大的特点。, 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。,34,第 4 章 放大单元与基本组成电路,共基放大器,共集放大器,由于频率特性好，故常与共发电路配合，组成宽带放大器。,利用 Ri 高的特点，常作多级放
14、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。,35,第 4 章 放大单元与基本组成电路,4.2.2 场效应管基础单元放大电路,场效应管放大电路的分类与晶体管放大电路类似，即电路输入与输出端口的公共端为源极的电路被称为共源极放大电路，公共端为栅极的电路被称为共栅极放大电路，公共端为漏极的电路被称为共漏极放大电路。,共源极放大电路,共栅极放大电路,共漏极放大电路,理想偏置下的三种基本放大电路的交流通路,36,第 4 章 放大单元与基本组成电路,对应的小信号等效电路如下图所示,共源极电路,共栅极电路,
15、共漏极电路,小信号等效电路,37,第 4 章 放大单元与基本组成电路,由此计算出相应的电压增益、电流增益、输入电阻和输出电阻如下表所示。,三种基本放大单元电路性能,38,第 4 章 放大单元与基本组成电路,通常，根据共栅极电路的电流增益为 1的特点，将共栅极放大电路称为电流接续器，其输出电阻较大，输出信号类似信号电流源输出；根据在负载电阻较大时，共漏极电路的电压增益近似为 1的特点，将共漏极放大电路称为电压跟随器，其输出电阻较小，输出信号类似信号电压源输出；而共源极放大电路既具有电压放大，又具有电流放大的特点。,学习中应将这三类电路分别与晶体管的共发射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电
16、路相比对，悟出其共性；一般来说，反映场效应管放大能力的跨导 比晶体管的跨导 小。,39,第 4 章 放大单元与基本组成电路,4.2.3 管子小信号电阻 （或 ）及其影响,一般来说，考虑增益管的小信号电阻 （或 ）后，会致使放大电路的增益、输入和输出电阻等电路性能指标发生变化。,下图电路为 带的共发射极放大电路。,放大器,带信号源和负载的小信号等效电路,40,第 4 章 放大单元与基本组成电路,1.电路输入电阻,若 ，或者条件 ，则输入电阻与 近似无关，即,可见，共发射极电路 引入后，较大的 有利于增大放大器的输入电阻，有利于采用电压源激励，不利于电流源激励。,41,第 4 章 放大单元与基本组成电路,2.电路输出电阻,若满足 条件，则输出电阻与 近似无关，即,可见，在 时，输出电阻受到了信号源内阻 的影响。对负载来说， 越大，放大器越与理想信号电流源输出一致。,42,第 4 章
