第四章放大器基础 放大器的功能主要是对微弱的电信号放大成幅度足够大或功率足够强的电信 号,再根据需要对这些较大的信号进行测量、变换、控制等处理(插讲数字化拾 音系统),根据被放大信号的不同特征,放大器分为:放大缓慢变化信号的直流 放大器、语音放大器、视频放大器、脉冲放大器、谐振放大器等,根据被放大信 号的强弱又可分为小信号放大器和大信号放大器(功率放大器)。本章主要讨论 低频小信号放大器的基础知识,包括:放大器的组成原理、三类基本放大电路及 其组合电路、基本单元电路(差分、电流源、乙类互补电路),围绕运算放大器 内部组成电路进行讲解。 4.1偏置电路和耦台方式 偏置电路主要给管子提供合适、稳定的静态工作点,耦合方式主要考虑输入 信号源、输出负载与放大器之间以及多级放大器之间互连时应考虑的问题。 偏置电路 偏置电路的作用主要有两个:(1)提供放大器正常工作所需的静态工作点 (2)环境温度、电源电压等外界因素变化时 静态工作点应保持稳定。 详细解释见教材139页说明(由于静态工作点的漂移引起放大器输出失真) 1、偏置电路的热稳定性:环境温度对静态工作点的影响是通过β、VBε( IcB三个对温度敏感的参数变化而产生的,教材的139、140页例题说明了 这个问题,例题结论说明:设计具有高热稳定性的偏置电路是保证放大器
第四章 放大器基础 放大器的功能主要是对微弱的电信号放大成幅度足够大或功率足够强的电信 号，再根据需要对这些较大的信号进行测量、变换、控制等处理（插讲数字化拾 音系统），根据被放大信号的不同特征，放大器分为：放大缓慢变化信号的直流 放大器、语音放大器、视频放大器、脉冲放大器、谐振放大器等，根据被放大信 号的强弱又可分为小信号放大器和大信号放大器（功率放大器）。本章主要讨论 低频小信号放大器的基础知识，包括：放大器的组成原理、三类基本放大电路及 其组合电路、基本单元电路（差分、电流源、乙类互补电路），围绕运算放大器 内部组成电路进行讲解。 4. 1偏置电路和耦合方式 偏置电路主要给管子提供合适、稳定的静态工作点，耦合方式主要考虑输入 信号源、输出负载与放大器之间以及多级放大器之间互连时应考虑的问题。 一、偏置电路： 偏置电路的作用主要有两个：（1）提供放大器正常工作所需的静态工作点 （2）环境温度、电源电压等外界因素变化时 静态工作点应保持稳定。 详细解释见教材139页说明(由于静态工作点的漂移引起放大器输出失真）。 1 、偏置电路的热稳定性：环境温度对静态工作点的影响是通过、VBE（ON） 、 ICBO三个对温度敏感的参数变化而产生的，教材的139、140页例题说明了 这个问题，例题结论说明：设计具有高热稳定性的偏置电路是保证放大器
性能稳定的关键,而静态工作点及其稳定性主要取决于Iα及其稳定性。 例题分析还表明三个参数对静态工作点的影响程度是不同的,其中Icpo很小 它的影响可以忽略,VBE(N的影响取决于Vα的大小,V越大,VBE(Oy的 影响越小,而β的影响最大,它随温度的变化直接反应在Ia上,β不仅随温 度的变化,而且同一类型的管子,它的离散性也很大,因此提高偏置电路 的稳定性关键就是减小β变化对IQ的影响 2、分压式偏置电路:这是一种高稳定性的偏置电路mn三形 该电路对集电极电流有自动调节能力(负反馈) 当温度上升,Ic和IB上升,R4上的直流电压VEQ上 升,在VB基本不变的情况下(Ip很小,I1>>I VB近似为Vc在R2上的分压,或在R2两端进行代刘 宁等效,若R/R2上分压较小可忽略,V近似为开 路电压即Vc在R2上的分压=VcR2/(R1+R2) 发射结电压V下降,导致I下降,阻止了I上升 达到了稳定工作点的目的(亦可通过计算IB,发 现其大小基本与β无关=(VBQ-VBE(0N))/R3≈I当β较大时。 为了提高这种自动抑制能力,R4应足够大,但R4不能过大,否则vα加到管 子C、E两端的电压就过小,一般VEQ=0.2Vc或VEQ=1-3V,其次必须减小R1
性能稳定的关键，而静态工作点及其稳定性主要取决于ICQ及其稳定性。 例题分析还表明三个参数对静态工作点的影响程度是不同的，其中ICEO很小 它的影响可以忽略， VBE（ON）的影响取决于VCC的大小，VCC越大， VBE（ON）的 影响越小，而的影响最大，它随温度的变化直接反应在ICQ上，不仅随温 度的变化，而且同一类型的管子，它的离散性也很大，因此提高偏置电路 的稳定性关键就是减小变化对ICQ的影响。 2、分压式偏置电路：这是一种高稳定性的偏置电路 该电路对集电极电流有自动调节能力（负反馈） 当温度上升，ICQ和IEQ上升，R4上的直流电压VEQ上 升，在VBQ基本不变的情况下（ IBQ很小， I1>>IBQ VBQ近似为VCC在R2上的分压，或在R2 两端进行代文 宁等效,若R1//R2上分压较小可忽略，VBQ近似为开 路电压即VCC在R2上的分压= VCC R2 /（ R1+ R2 ） 发射结电压VBEQ下降，导致ICQ下降，阻止了ICQ上升 达到了稳定工作点的目的（亦可通过计算IEQ，发 现其大小基本与无关IEQ= （VBQ - VBE（ON））/R3 ICQ 当较大时。 为了提高这种自动抑制能力，R4应足够大，但R4不能过大，否则VCC加到管 子C、E两端的电压就过小，一般VEQ =0.2 VCC或VEQ =1--3V，其次必须减小R1 VCC VEQ VBQ IBQ I1
R2的电阻值,满足I1>I条件,但R1,R2不能过小,否则I1过大,增加直 流 电源消耗,而且增大了对输入信号源的旁路作用,一般取I1=(5-10)IB 由于不同类型场效应管对偏置电路极性要求不同,就栅源电压而言,N 沟道,结型和耗尽型MS管,栅源电压一般为负(耗尽型MOS管栅源电压可 正可负可零)而增强型MoS管栅源电压一般为正(N沟道,开启电压),另外 场效应管栅极不取电流,故其偏置电路更简单。场效应管偏置电路根据其特 点有 V V VDD R1 2 尺3 R3 R2 R2 分压偏置 自给偏置 零偏置 如自偏置电路中,利用漏极电流在R2上的分压就可产生所需的栅源电压,R2 还能对漏极电流进行自动调节。对DMOS管还可采用零偏置。 另外还有双电源供电的偏置电路和恒流源偏置电路,双电源供电的偏置电路 见教材142页(基极接地,发射极接负电源),恒流源偏置电路后讲
R2的电阻值，满足 I1>>IBQ条件 ，但R1，R2不能过小，否则I1过大，增加直 流 电源消耗，而且增大了对输入信号源的旁路作用，一般取I1=（5--10）IBQ 由于不同类型场效应管对偏置电路极性要求不同，就栅源电压而言， N 沟道，结型和耗尽型MOS管， 栅源电压一般为负（耗尽型 MOS管栅源电压可 正可负可零）而增强型MOS管栅源电压一般为正（N沟道，开启电压），另外 场效应管栅极不取电流，故其偏置电路更简单。场效应管偏置电路根据其特 点有：分压偏置、自偏置和零偏置，如下所示： 如自偏置电路中，利用漏极电流在R2上的分压就可产生所需的栅源电压，R2 还能对漏极电流进行自动调节。对DMOS管还可采用零偏置。 另外还有双电源供电的偏置电路和恒流源偏置电路，双电源供电的偏置电路 见教材142页（基极接地，发射极接负电源），恒流源偏置电路后讲。 分压偏置 自给偏置 零偏置 VDD VDD VDD
耦合方式: 在一个放大电路中,存在着三种连接:信号源(换能器)与第一级放大器之 间的连接;放大器级与级之间的连接;最后一级放大器与输出负载之间的连 接,下面主要介绍前两种连接,最后一种连接将在功率放大器中介绍 1、信号源(换能器)与第一级放大器之间的连接:主要考虑两个方面, 个是信号源与第一级放大器阻抗关系,各种信号源都可等效为电压源或 电流源,第一级放大器输入阻抗的大小于信号源的类型和放大的要求, 如进行电压放大应使第一级放大器输入阻抗远大于信号源内阻。另一个 是信号源的接入不影响放大器的静态工作点,而某些信号源为了保证换 能特性又不允许直流电流通过,为此一般采用电容耦合实现,如下图A 所示,电容CB起到隔直和通交的作用 级间连接:有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合,前两种耦合各级静态 工作点互不影响,主要用于分离元件电路中,而直接耦合广泛应用于运 算放大器,各级静态 工作点相互影响,应 R1>R3 Rc22 Rc33 Ren 3 解决两个问题:级间 电平配置和温漂的有 R6 Re2 Re3 s 害影响。 B
二、耦合方式： 在一个放大电路中，存在着三种连接：信号源（换能器）与第一级放大器之 间的连接；放大器级与级之间的连接；最后一级放大器与输出负载之间的连 接，下面主要介绍前两种连接，最后一种连接将在功率放大器中介绍。 1、信号源（换能器）与第一级放大器之间的连接：主要考虑两个方面，一 个是信号源与第一级放大器阻抗关系，各种信号源都可等效为电压源或 电流源，第一级放大器输入阻抗的大小于信号源的类型和放大的要求， 如进行电压放大应使第一级放大器输入阻抗远大于信号源内阻。另一个 是信号源的接入不影响放大器的静态工作点，而某些信号源为了保证换 能特性又不允许直流电流通过，为此一般采用电容耦合实现，如下图A 所示，电容CB起到隔直和通交的作用。 2、级间连接：有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合，前两种耦合各级静态 工作点互不影响，主要用于分离元件电路中，而直接耦合广泛应用于运 算放大器，各级静态 工作点相互影响，应 解决两个问题：级间 电平配置和温漂的有 害影响。 A CB CC B …
先讨论级间电平配置问题,在上图B所示直接耦合电路中,T1管的集电极 电位就是T2管的基极电位,接入Re2的目的是为了抬高T2的基极电位,以 保证T1管的正常工作,但这样作会使后级放大器的集电极电位越来越高 (后级的集电极电位高于起其基极电位即前级集电极电位)后级放大器的 Rc相应越小(否则后级放大器易进入饱和状态且输出信号幅度下降), 这时一般应接入电平位移电路,例如在由NPN三极管组成的多级放大器 中,插入一级PNP放大器,由于PNP放大器的集电极电位低于其基极电位, 从而使其前级NPN管的集电极电位降下来,同时又具有信号放大能力 3、温漂:外界环境因素变化(主要是温度)将造成静态工作点的漂移,由温 度变化造成静态工作点的漂移称为温漂,若设静态工作点为规定值,而温 漂为叠加在规定值上的一种缓慢变化的信号,采用电容耦合时,这种缓慢 变化信号被隔断,而采用直接耦合时,它就会和有用信号一样被传送到后 级并不断放大,造成干扰。由于第一级的温漂危害最大,故解决第一级温 漂是解决问题的关键,如本章后面将要讲到的差分放大器。 4.2放大器的性能指标 在进行小信号分析时,将三极管用小信号电路模型等效,小信号放大器可等 效为一线性有源四端网络,如下页图A所示,作为四端网络,放大器的性能 指标主要有:输入、输岀电阻、增益、频率特性,另外还有各种失真特性
先讨论级间电平配置问题，在上图B所示直接耦合电路中，T1管的集电极 电位就是T2管的基极电位，接入Re2的目的是为了抬高T2的基极电位，以 保证T1管的正常工作，但这样作会使后级放大器的集电极电位越来越高 （后级的集电极电位高于起其基极电位即前级集电极电位）后级放大器的 Rc相应越小（否则后级放大器易进入饱和状态且输出信号幅度下降）， 这时一般应接入电平位移电路，例如在由 NPN 三极管组成的多级放大器 中，插入一级PNP放大器，由于PNP放大器的集电极电位低于其基极电位， 从而使其前级NPN管的集电极电位降下来，同时又具有信号放大能力。 3、 温漂：外界环境因素变化（主要是温度）将造成静态工作点的漂移，由温 度变化造成静态工作点的漂移称为温漂，若设静态工作点为规定值，而温 漂为叠加在规定值上的一种缓慢变化的信号，采用电容耦合时，这种缓慢 变化信号被隔断，而采用直接耦合时，它就会和有用信号一样被传送到后 级并不断放大，造成干扰。由于第一级的温漂危害最大，故解决第一级温 漂是解决问题的关键，如本章后面将要讲到的差分放大器。 4. 2 放大器的性能指标 在进行小信号分析时，将三极管用小信号电路模型等效，小信号放大器可等 效为一线性有源四端网络，如下页图A所示，作为四端网络，放大器的性能 指标主要有：输入、输出电阻、增益、频率特性，另外还有各种失真特性
输入、输出电阻、增益: 在线性放大器的实际工作频段内, 线性有源 耦合电容和旁路电容的容抗很小 n四端网络 近似为短路,而三极管极间电容 和分布电容容抗很大,近似为开 路,右图所示线性有源四端网络 近似为电阻性的,输入输出信号波形相同,仅极性不同,故不必用相量分析 直接用有效值或最大值或瞬时值分析即可。教材统一用瞬时值表示各电量 1、输入、输出电阻:在图A所示电路中,放大器是信号源的负载,用等效电 阻R表示,称为放大器的输入电阻Ri=/i 而对输出负载电阻RL而言,放大器又是它的信号源,在放大器输出端将 放 大器等效为电压源串联电阻或电流源并联电阻(等效电源定理),其等效 内阻R称为放大器的输出电阻(开路电压除短路电流或外加电源法求解) 2、增益: 外观增益:An=b/彷A;=io/iAg=io/Ar=Ub/i 源增益:As=1b/D=(b/)(1b)=ARi/(Rs+Ri) 为了有效激励放大器,Ri》Rs同理Az=ARs/(Rs+Ri)
一、输入、输出电阻、增益： 在线性放大器的实际工作频段内， 耦合电容和旁路电容的容抗很小， 近似为短路，而三极管极间电容 和分布电容容抗很大，近似为开 路，右图所示线性有源四端网络 近似为电阻性的，输入输出信号波形相同，仅极性不同，故不必用相量分析 直接用有效值或最大值或瞬时值分析即可。教材统一用瞬时值表示各电量。 1、输入、输出电阻: 在图A所示电路中，放大器是信号源的负载，用等效电 阻Ri表示，称为放大器的输入电阻 Ri= vi / ii 而对输出负载电阻RL而言，放大器又是它的信号源，在放大器输出端将 放 大器等效为电压源串联电阻或电流源并联电阻（等效电源定理），其等效 内阻RO称为放大器的输出电阻（开路电压除短路电流或外加电源法求解） 2、增益： 外观增益：Av = vo/ vi Ai = io /ii Ag = io/ vi Ar = vo/ ii 源增益：Avs = vo/ vs = （vo/ vi）（ vi/ vs ）= AvRi /（Rs+ Ri） 为了有效激励放大器，Ri 》 Rs 同理 Ai = Ai Rs /（Rs+ Ri） 为了有效激励放大器，Ri《 Rs 其他略 + 线性有源 四端网络 + + + — — — Rs vs vi vo ii io RL Ri Ro 图A Ro Ri vot + —
3、多级放大器的增益和输入输出电阻: 多级放大器的总增益等于各级放大器增益的乘积,但在计算各级放大器 的增益时,应注意后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载,即所谓 的负载效应,这在后面组合放大器的计算时在细讲。多级放大器的输入 电阻就是第一级放大器的输入电阻,多级放大器的输出电阻就是最后 级放大器的输出电阻。见教材P150页图42-4亦可从上页图讲解 失真 失真分为线性失真和非线性失真两大类,其中线性失真又有频率失真和瞬变 失真。 1、频率失真:放大器是含有电抗元件的动态网络,放大器的增益将随频率 而变化,如果用相量分析,放大器的增益将是一个复函数,增益的幅值 和相位将随放大器的增益将随频率变化,如教材P151页图4-2-5,称为放 大器的幅频特性和相频特性,将频率用对数刻度,又称波特图 输入信号是由许多频率分量组成,由于放大器不能对各频率分量进 行等增益放大(或产生非线性相移),输出信号波形与输入信号波形必 然不同,从而产生频率失真(又可分为幅度失真和相位失真)。 通频带:BW0产=iH-f其中f和f称为上限频率和下限频率,是放 大器中频区增益下降到12时,所对应的频率
3、多级放大器的增益和输入输出电阻： 多级放大器的总增益等于各级放大器增益的乘积，但在计算各级放大器 的增益时，应注意后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载，即所谓 的负载效应，这在后面组合放大器的计算时在细讲。多级放大器的输入 电阻就是第一级放大器的输入电阻，多级放大器的输出电阻就是最后一 级放大器的输出电阻。见教材P150页图4-2-4(亦可从上页图讲解） 二、失真 失真分为线性失真和非线性失真两大类，其中线性失真又有频率失真和瞬变 失真。 1、频率失真：放大器是含有电抗元件的动态网络，放大器的增益将随频率 而变化，如果用相量分析，放大器的增益将是一个复函数，增益的幅值 和相位将随放大器的增益将随频率变化，如教材P151页图4-2-5，称为放 大器的幅频特性和相频特性，将频率用对数刻度，又称波特图。 输入信号是由许多频率分量组成，由于放大器不能对各频率分量进 行等增益放大（或产生非线性相移），输出信号波形与输入信号波形必 然不同，从而产生频率失真（又可分为幅度失真和相位失真）。 通频带：BW0.7= fH - fL 其中fH 和 fL 称为上限频率和下限频率，是放 大器中频区增益下降到1/2时，所对应的频率
瞬变失真:放大脉冲信号时,由于电抗元件上的电压和电流不能突变而 引起的失真称为瞬变失真。 3、非线性失真;由半导体器件的非线性产生的,若输入是单一频率正弦波 输出是非正弦的,经付氏级数展开,波形分解为众多频率分量之和,其 中的基波分量为不失真分量,其他各次谐波为失真分量,可用非线性失 真系数THD来表示非线性失真大小。非线性失真产生新的频率分量,这 在非线性电路中应用较多,而线性失真不产生新的频率分量。 4.3基本组态放大器 本节主要讲述三类基本组态放大器及其改进电路,分析它们的电路结构、性 能特点、改进措施。 三类基本组态放大器的电路结构 三极管是三端器件,作为四端器件使用时,必然有一个端子是输入输出共用 端子,根据输入输出共用端子的不同,分为共发射极(共源极)、共集电极 (共漏极)、共基极(共栅极)三类基本组态放大器。 阻容耦合分压偏置晶体三极管放大器的三种不同组态放大电路及其交、直流 等效电路如下页电路图所示,其中交流通路决定了放大器的组态,而直流通 路只给放大器提供合适、稳定的静态工作点,与放大器组态无关。 将N沟道MOS管取代图中的三极管,相应电路变为共源、共漏、共栅场效 应管放大器
2、瞬变失真：放大脉冲信号时，由于电抗元件上的电压和电流不能突变而 引起的失真称为瞬变失真。 3、非线性失真；由半导体器件的非线性产生的，若输入是单一频率正弦波 输出是非正弦的，经付氏级数展开，波形分解为众多频率分量之和，其 中的基波分量为不失真分量，其他各次谐波为失真分量，可用非线性失 真系数THD来表示非线性失真大小。非线性失真产生新的频率分量，这 在非线性电路中应用较多，而线性失真不产生新的频率分量。 4.3 基本组态放大器 本节主要讲述三类基本组态放大器及其改进电路，分析它们的电路结构、性 能特点、改进措施。 一、三类基本组态放大器的电路结构： 三极管是三端器件，作为四端器件使用时，必然有一个端子是输入输出共用 端子，根据输入输出共用端子的不同，分为共发射极（共源极）、共集电极 （共漏极）、共基极（共栅极）三类基本组态放大器。 阻容耦合分压偏置晶体三极管放大器的三种不同组态放大电路及其交、直流 等效电路如下页电路图所示，其中交流通路决定了放大器的组态，而直流通 路只给放大器提供合适、稳定的静态工作点，与放大器组态无关。 将N沟道MOS管取代图中的三极管，相应电路变为共源、共漏、共栅场效 应管放大器
类基本组态放大器的电路结构:从左至右依次为共发射极、共基极、共集电极 R 1 T Re Rc
三类基本组态放大器的电路结构：从左至右依次为共发射极、共基极、共集电极
三类基本组态放大器的性能: lilogm Ub'e rerb' 1、共发射极放大器:其交流通路见上页,交流等效电路如下 输入电阻:R=Rb/rbe 输出电阻:R。=R (若考虑re则R。=R∥re) 增益:io= gmUb'e ro/(R+RL) ii=Ub'e/(Rb//rb'e a Ub'e/rb'e Ai=gm rb'e Ro/(Ro+RL)=BRo/Ro+ RI Av=volVF-Io RL/IRF-AiRy/R;=-(gmUb'e Ro//RL)/vb'e=-g m RL//Ro 上式表明,提高lQ(即增大gm),增大R和R都可提高共发射极 放 大器的电压增益,当负载开路,R。》re则 Avmax -gm Ice -(ICQ/VT)(VAl IcQ)=-VAV VT 当VA=100V,Vr=26mV时,Amax=3846 而一个实际的共发射极放大器 lo 值,这可从教材158页例题计 算结果看出 共基极放大器:其交流通路见上页, 交流等效电路如右图
二、三类基本组态放大器的性能：iiiogmvb'e RLrb'e 1、共发射极放大器：其交流通路见上页，交流等效电路如下： 输入电阻： Ri= Rb//rb‘e 输出电阻： Ro= Rc （若考虑rce则Ro= Rc //rce ） 增益：iO = gmvb'e Ro/(Ro+ RL ） ii =vb'e /(Rb// rb‘e ） vb'e / rb‘e Ai = gm rb‘e Ro/(Ro+ RL ）= Ro/(Ro+ RL ） Av =vo/ vi= -IO RL/ Ii Ri= -Ai RL/Ri = -(gmvb'e Ro // RL ）/vb'e = -gm RL // Ro 上式表明，提高ICQ (即增大gm ），增大RL和Rc都可提高共发射极 放 大器的电压增益，当负载开路，Rc》 rce 则 Avmax -gm rce - (ICQ / VT）（|VA|/ ICQ ）= - |VA|/ VT 当|VA|=100V， VT =26mV时，Avmax =-3846 而一个实际的共发射极放大器，其放大倍数不可能达到上述最大 值，这可从教材158页例题计 算结果看出。 2、共基极放大器：其交流通路见上页， 交流等效电路如右图： rb'e vb'e vi ii io gmvb'e RL rce vi rb'e gmvb'e rce ii io vo