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,第四章 放大器基础,4.5 电流源电路及其应用,4.6 集成运算放大器,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。,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）,放大器组成框图,4.1 偏置电路和耦合方式,4.1.1 偏置电路,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Q点，保证器件工作在放大模式。,例如：偏置电路须保证三极管E结正偏、C结反偏。,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。,Q,ICQ,VCEQ,Q点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。,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。,Q,Q,三极管偏置电路,（1） 固定偏流电路,Q点估算：,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：,电路优点：,T ICQ,（固定）,具有稳定Q点的功能。, VEQ(=ICQRE), VBEQ(=VEQ-VEQ),IBQ,ICQ,假设I1 IBQ,则,存在问题：,工程规定：,RE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 3V,RB1、RB2过大,不满足I1 IBQ,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。,（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,由于VDS与VGS极性始终相反,例如：JFET、DMOS管,（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。,由于RS=0，故该电路不具有稳定Q点的功能。,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：,电容耦合,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。,直接耦合,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一,结果：T1管Q点靠近饱和区，输出易出现失真。,由图,若,则,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,工作在放大模式时:,加电平位移电路,解决方法：,由图,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。,VCQ1VBQ1,放大模式NPN管,放大模式PNP管,VCQ2 VBQ2= VCQ1,零点漂移问题,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 + AvnV）,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。,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。,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：,4.2 放大器的性能指标,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、,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 。,定义,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 。,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）,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,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 、 Ai大且不随RL和信号源而变化。,电流放大器：,Ri 、Ro 0、 Av大且不随RL和信号源而变化。,互导放大器：,Ri 、Ro 、Ag大且不随RL和信号源而变化。,互阻放大器：,Ri 0、 Ro 0、Ar大且不随RL和信号源而变化。,多级放大器可拆分成单级电路进行分析:,将后级输入电阻作为前级的负载电阻。,多级放大器,将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。,4.2.2 放大器的失真,频率失真,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,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：,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 。,增益下降到 时，,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 fL 的区域,频率减小，增益降低并产生附加相移。,特点：,原因：,耦、旁电容容抗 分压 不能视为短路,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。,图 频率失真,(a)幅频失真,(b)相频失真,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。,瞬变失真,非线性失真,非线性失真由三极管产生，它产生了新的频率成份。,假设三极管基射间外加电压:,则,利用付氏级数展开得：,非线性失真系数：,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。,4.3 基本组态放大器,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，并进行分析。,共发射极放大器,4.3.1 三种组态放大器的实际电路,共基极放大器,共集电极放大器,共发电路性能分析,4.3.2 共发、共基和共集放大器的性能,其中,令,则,画微变等效电路,分析电路输入、输出电阻,共发电路电流增益,通常RB rbe,短路电流增益,则,共发电路电压增益,开路电压增益,源电压增益,其中,1）既有电压放大作用、又有电流放大作用。,2）输出电压与输入电压反相。,共发电路提供的最大电压增益,已知,若采用有源负载作为RC, 可使 RC rce,因此,由于厄尔利电压|VA|VT ，因此共发电路提供的Av很大，且其值与静态电流ICQ无关。,共发电路特点,电压放大倍数 Av；输入电阻 Ri、输出电阻 RO,Ri = rbe / Rb ，,Ro = Rc,图 单管共射放大电路的等效电路,微变等效电路法的应用：,例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。,图 接有发射极电阻的放大电路,根据微变等效电路列方程,引入发射极电阻后， 降低了。,若满足(1 + ) Re rbe,与三极管的参数 、rbe 无关。,2. 放大电路的输入电阻,引入 Re 后，输入电阻增大了。,3. 放大电路的输出电阻,将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL 开路 ，忽略 c 、e 之间的内电阻 rce 。,引入 Re 后对输出电阻的影响。（考虑rce ）,图 求输出电阻的等效电路,式中,将 代入 式，放大电路输出电阻为,上式中，通常 ，故可简化为,如果 Re = 0 ，但考虑 rce 的作用，则,显然，接入 Re 后，三极管集电极至公共端之间的等效电阻大大提高了。,共集电路性能分析,画微变等效电路,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。,得,共集电路电流增益(忽略rce),若,短路电流增益,共集电路电压增益(忽略rce),其中,共基电路性能分析,画微变等效电路(忽略rce影响),共基电路输入电阻,令,则,共基电路输出电阻,因此,共基电路电流增益,由于,因此,短路电流增益,共基电路电压增益,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时共基电路输出电阻,令vs=0、RL开路，画出求Ro的等效电路,得,因此,三种组态电路性能比较,小,大,小,大,大,小,大,大,1,大,中,中,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