第4章 放大器基础

1、第四章 放大器基础第四章 放大器基础1 放大器功能：将输入信号进行不失真地放大2 放大器类型：结构 ，信号3 放大器的基本组成直流电源和相应的偏置电路输入信号源输入耦合电路有源器件输出耦合电路输出负载CEBRBBRcVCCVBB+-+-RSC1C2RLCEBCottttt+-os-+4.1 偏置电路和耦合方式偏置电路 1）对偏置电路的要求 *1 提供放大器所需的Q。 截止失真 饱和失真 *2 Q稳定。 热稳定性.主要减小变化对ICQ的影响。 1012)(122)()()5 . 22()01. 0005. 0()(TTCBOCBOonBETITICmVTVCTQQQQQQBBECEVCEQCVI

2、Q00VCCVCCRCRC+-VIQBEOBCVCC2）分压式偏置电路 *1 I1=（510）IBQ *2 RE对ICQ的自动调节作用 T ICQ （ IEQ ） VEQ VBEQIBQ ICQ 工程上 取 VEQ=0.2VCC 或 VEQ=（13）VIBQRB1RB2RERCVBQVCCTVEQI1的大小无关与BQCCBBBBQIVRRRV212C *3 场效应管偏置电路RG1RG2RSRDVDDI1TRGRSRDVDDTRGRDVDDT（a）分压式（b）自偏置式（c）零偏置式 2 耦合方式 1）放大器与输入信号源的连接 *1 有效地将信号源的信号（功率，电压或电流） 加到放大器输入端。 a

3、) 若要求加到放大器输入端 的信号功率最大，则放大器 与信号源之间插入匹配网络 b) 若要求加到放大器输入端 的信号电压最大，则 Z ZS+-sZS。Z信号源放大器IBQRB1RB2RERCVCCTVEQI1CECBRSs+-+-+-VBQiEQBQBEiBQBBQCvVVvvVvVVB*2 信号源的接入不影响放大器的Q点且保证信号特性采用电容耦合 CE旁路电容，防止交流（信号）电流在RE处产生交 流压降。2) 级间连接 *1 电容耦合 优点：各级的Q点相互独立；只要耦合电容CB， CC， CL容量足够大，放大器交流信号损失就小，放大倍数也高。缺点：耦合电容隔断直流，不能放大直流信号，且当信号

4、频率较低时，放大倍数下降；耦合电容容量大，不易集成。R1R2R4R3T1CBRSs+-+-+-R5R6R8R7VCCT2CCCLRL。o+-*2 直接耦合 优点： 电路中没有电容，易于集成；能放大交流信号，同时也能放大直流和变化缓慢的信号。缺点：各级Q点相互影响，必须合理解决级间电平配置问题。RC1VCQ1REnRCnVCCRE2RC2VCQ2RE3T3VCQ3TnT2T1RC3VBQ1+-+-+RC1VCQ1RC2RE2VCQ2T2T1+-+VBEQ1+-。VCC。产生零点漂移 零点漂移如果将直接耦合放大电路的输入对地短接，并调整电路使输出电压等于零，从理论上来讲，输出电压应一直为零保持不变

5、，但实际上，输出电压将离开零点，缓慢地发生不规则的变化，这种现象称为。 产生零点漂移的主要原因放大电路中器件的参数 随温度变化而变化，导致放大器Q点不稳定。这种不稳定可看作缓慢变化的干扰信号，由放大器逐级传递并放大。 * 放大器中的第一级对整个放大器的零点漂移影响最大；放大器的级数越多，零点漂移问题越严重。抑制零点漂移措施： 引入直流负反馈来稳定Q点，如采用分压式Q点稳定电路； 采用差分放大结构，使输出端的零点漂移相互抵消。4.2 放大器的性能指标1 输入电阻 输出电阻 增益1）小信号放大器的一般电路模型 RSRRLRt+-so+-+-RSs。nRo)0(0)(, 0:)(ssivoiiLon

6、iiLotonootiiiivRivRiivRviRvivR短路电流；在放大器输出端产生的；输出端产生的开路电压在放大器，：放大器)0(0ssivoivRRS放大器Ro+-短路电流；在放大器输出端产生的开路电压；在放大器输出端产生的，：)(, 0:)(iiLoniiLotonootiiiivRiivRviRvivR2）增益iiiioiogiLiiiLoiovLooiiiioriogioiiovRARiiviARRARiRivvARivRivivAviAiiAvvA可以相互转换* ）vtvLOoLLvtvoLLiotiooLLotoLviotvtLLAARRRRRAARRRvvvvRRRvvRA

7、vvARR)(0,）iniLooLoinioLoioniooLoonoLiioninAARRRRRAARRRiiiiRRRiiRAiiA)0(* 对Ro的要求 ）输出量为o时，要求RoRL，理想Ro0 ）输出量为o时，要求RoRL，理想RoRSRRLRt+-s+-+-RSRs+-+oRSRRLRs+-noRLR+-noRLRt+-+-oRSsR源增益 ） ）vvssisiivsiiosovssiisisovsAARRRRRAvvvvvvARRRvvvvAiissisisisiiosoississisoisAARRRRRAiiiiiiARRRiiiiA* 对R的要求 ）输入量为时，要求R Rs，

8、理想R ）输出量为时，要求R Rs，理想R 0RSRRLRt+-s+-+-RSRs+-+oRSRRLRs+-noRLR+-noRLRt+-+-RSsR3）多级放大器第一级放大器第二级放大器第三级放大器RsRLs+-1o1o2oRSR1RLR1t1+-s1+-+-R2R2t2+-o1 =2+-R3R3t3+-o2 =3+-3132111323121ooiivvvsiiioiiiisisovsRRRRAAARRRvvvvvvvvvvA4.3 基本组态放大器1 实际电路.性能1）共射 实际电路.交流通路C1RSs+-+-+-RB1RB2RERCVCCTCEC2RL。o+-RSs+-+-RBRCTRL

9、。o+- 性能 ) R ) Ro ) ARSrbes+-+RL。o+-gmbebe+-rceRCRBcebbRoRico)/()11(ebBiiiebBiebiBiirRivRrRvrvRviCceCceRvoebisRrGgivRvvvLs/1000)/()/()/(00)1LCmLomLCcemLCcemiovimLCceoiebebmLCceoxxRRgRRgRRrgGGggvvAvgGGgvvvvgGGgvRGC处有（节点) A LebBLomLivLiioiiLoioiRrRRRgRRARRvvRvRviiA)/)(/(未旁路RERSs+-+-RBRCTRL。o+-RERSrbes+

10、-+RL。o+-gmbebe+-rceRCRBcebbRocoRREA 在C，E，B三个节点上有电流方程（忽略rce）降低了。比，时的与旁路该vvEvEebLCEebmebebLCmEebmLCmEebmLCmiovEebmebeebiEebmebEebebebmeLCebmoebmLCoAARARrRRRrgrrRRgRggRRgRggGGgvvARggvvvvRggvRrvvgvGGvgvvgGGv1*) 1()() 1()()(1)()(1)()(1 )()()(0几乎独立于晶体管参数该时当vELCvebEARRRArR2*)(1)1 (EebBiiiEebiBiiebmEmebebiB

11、ibBiiEmebebbEebmebbiEebmebeebiebebbRrRivRRrvGvirgRgrrvGviGviRgrriRggrivRggvvvvvgi) 1() 1() 1() 1()(1 )(1 又得代入 R*3 由于RE的存在，与旁路时相比R大大增加了LEebBEebLCLivLiioiiLoioiRRrRRrRRRRARRvvRvRviiA) 1()1 ()( A Ro RoRC 2）共基 实际电路C1RSs+-+-RCRB2R8VCCTCEC2RL。o+-。RB1RSs+-+-To+。-RLRCR8-o 性能）ALCCioiLCCioRRRiiARRRiiRSs+-+-To

12、+。-RLRCo-* 简化电路（忽略rce）RS+-+-o+。-RLRCrberceebcsoRS+-+-o+。-RLRCrbeebcsogmbeo+。-RLRCcoRS+-+-esbregmbegmbeooogmbeeiebiebmebiiiebebebmiir irirgrivvvrvgiv11）R）Ro Ro=RC）A)()(LCmLCeeLLCCiLiiiLoiovRRgRRrrRRRRRRARiRivvA1ebeirrR3）共集实际电路C1RSs+-+-+-RB1RB2R8VCCTC2RL。o+-RSs+-+-RBRETRL。o+-o+。-RLREeoRS+-+-bsrbeogmbe

13、rcecRB 性能（移去RB） Ro+。-RLREeoRS+-+-bsrbeogmbercecRSs+-+-RETRL。o+-)()()()(LEceebiiiLEceebiLEceiebmiebiiLEceebmioebiebbioebiiRRrrivRRRrriRRrirgirivRRrvgivriviivriv）Ro+-REeRS+-brbegmbercec1)111(sebBceoSebSebebmBceSebSebebmBceSebebebbebSebbbebmBceRrRrivRRrRrrgRrvRrvRrrvgRvrviRrrvrivRrviivgRvrvi）A)1 (0)1 (

14、)1 ()()(inLLEceEceioiLEceEceiLEceEceiebmiLEceEceebmioARRRrRriiARRrRriRRrRrirgiRRrRrvgii) AvLEceLLebLLebLLEceEceiLiiovRRrRRrRRrRRRrRrRRAvvA)1 ()1 ()1 ()1 (三种基本组态放大器比较共射.共基电路的电压放大倍数较高，共集电路的电压放大倍数小于1但接近1。共射电路的输出电压与输入电压反相。共集电路的输入电阻最大，共基电路的输入电阻最小。共集电路的输出电阻最小，共基电路的输出电阻最大。共射电路多用作多级放大器的中间级，共集电路可用作输入级，隔离级，输出

15、级。而共基电路频率特性好，适用于宽频带放大器。2.改进型放大器1）组合放大器CE-CBCE：电压放大倍数较高CB：共基电路的输出电阻最大.RSRLT1T2s+- CC-CE：CC：电压放大倍数接近1， 输入电阻大，输出电阻小。CE：电压放大倍数大。 CC-CB：CC：电流放大倍数大，输入电阻大。CB：电流放大倍数接近1。.RSRLT1T2s+-.RSRLT1T2s+-2）发射极接RE的共射放大器3）采用有源负载的共射放大器T1。VCC。RC+-ICQ1T1。VCC。+-T2。IBQ121212111)()(CQCCCEQCQCQCCCCQCCCEQCvLLECELvVVVIIRTRTRIVVR

16、ARRRRRRA：直流静态取代用电阻既是直流电阻又是交流饱和但则要大，要若C1C2动态（交流）：T2等效rce2 RL= rce2RLT1。+-RL。T1。+-T2RL。rce23 共源.共栅和共漏放大器的性能1）共源放大器 实际电路.交流通路C1RSs+-+-+RG1RG2RZRDVDDTCZC2RL。o+-RSs+-+-RGRDTRL。o+-性能）ARSs+-+RL。o+-gmgsgs+-rdsRDRGdsgRoRio-)()(00)1LomLDdsmLDdsmiovimLDdsoigsgsmLDdsoxxRRgRRrgGGggvvAvgGGgvvvvgGGgvRGd处有（节点d) R)

17、Ro) AGiiiRivRDdsogsisRrRvvv00LdsLDGmLiviiLoioiRrRRRgRRARvRviiA)(2) 共栅放大器实际电路C1RSs+-+-RDRG2RZVDDTC3C2RL。o+-。RG1RSs+-+-To+。-RLRDRZo性能）A)()()(00LDmLDmdsLDmdsiovimdsidsLDoigsgsmdsidsLDoRRgGGggGGggvvAvggvgGGvvvvggvgGGvRS+-+-+。-RLRDRZrdssgdsogmgso) R) A LmZLDmLivioiRgRRRgRRAiiA)1)(mZmzLDdsmdsziiiimdsoizii

18、gRgGGGgggGivRvggvvGvi111 1)()(3) 共漏实际电路性能）AC1RSs+-+-+-RG1RG2RZVDDTC2RL。o+-o+。-RLRZsoRS+-+-gsogmgsrdsdRG+-gs)1()()(mdsLZmmdsLZmiovmdsLZoimoigsdsLZogsmgrRRgggGGgvvAggGGvvgvvvgGGvvg) R) AGiRR LGmdsLZmLiviovRRggRRgRRAiiA)1(）Ro+。-RZsRSggmgsrdsdRG+-gs)1()(1)()(mdsZmdsZomdsZgsgsmgsZgrRggGivRggGvivvvggGvi*场

19、效应管放大器比较 共源.共栅和共漏场效应管放大器的特性类似于共射.共基和共集双极型晶体管放大器的特性。 共源放大器具有中等的A，A ，R，Ro。 共栅放大器器具有低A ，R。 共漏放大器器具有低A ，Ro。3 集成MOS放大器（带有源负载的MOS场效应管放大器） NMOS，具有增强型驱动管和耗尽型负载管 （E/D MOS放大器）。 NMOS，具有增强型驱动管和增强型负载管 （ E/E MOS放大器）。 NMOS，具有增强型驱动管和PMOS电流源 负载（CMOS放大器）。1） E/E MOS放大器1） E/E MOS放大器电路o+-RL+-。VDD。T1T2工作在饱和区，时）当212221111

20、1,21TTVvvVvvVvGSTGSDSGSTGSDSGSTGS-+-。T1+o。 性能。+-o+-。=gs1+-o+-。gm2gs2gmu2us2gm1gs1rds1rds2rds1rds2gm1gm21gmu21omuusmuomgsmousodsgsvgvgvgvgvvvvv222222222g1s1d1d2s2g2s2g1d1s1d2g2u2)11()11(2221122211mumdsdsmiovmumdsdsimoggrrgvvAggrrvgv221222221221221222112221111)()(2)1 ()11()11()11(lWlWAlWICgggggggggggg

21、grrgvvAggrrvgvvDQoxnmmmummmummmummmumdsdsmiovmumdsdsimo2） E/D MOS放大器电路o+-RL+-VDD。T1T2-+-。T1+o。T2工作在饱和区，时）当212211111,21TTVvVvvVvGSTDSGSTGSDSGSTGS 性能。+-o+-。=gs1+-o+-。gmu2us2gm1gs1rds1rds2rds1rds2gm1gmu21g1s1d1d2s2g2s2g1d1s1d2g2u2omuusmugsmousgsvgvgvgvvv222222200)1()1(22112211mudsdsmiovmudsdsimogrrgvvA

22、grrvgv22122222121221122111)()(2)1()1(lWlWAlWICggggggggrrgvvAgrrvgvvDQoxnmmmummmummudsdsmiovmudsdsimoCMOS放大器电路(共源)o+-RL+-VDD。T1T2。+-VGG-+-。T1+o。工作在饱和区，时）当2122122211111,21TTVvVvvVVVvVvvVvGSTGSDDDSDSGSTDDGGGSGSTGSDSGSTGS002222221usmugsmgsususvgvgvvv)()(211211dsdsmiovdsdsimorrgvvArrvgv。+-o+-gm1gs1rds1rd

23、s2s2g1d1s1d2g2。=gs1+-o+-。rds1rds2gm1g1s1d1d2s2g2的值。点电流而确定选择变化，设计时可以通过随大得多。的比的所以由于vDQvvvmdsoxnDQDQDQDQDQDQoxnvDQDQDQDQdsDQdsDQoxnmdsdsmiovAQIAADMOSEEEACMOSgrlWCIIIIIlIWCAIIIIrIrlIWCgrrgvvA12*/./,11*)11(21)1111(2112)(21112121112122211111112112.改进型放大器1）组合放大器CE-CBCE：电压放大倍数较高CB：共基电路的输出电阻最大.RSRLT1T2s+- CC

24、-CE：CC：电压放大倍数接近1， 输入电阻大，输出电阻小。CE：电压放大倍数大。 CC-CB：CC：电流放大倍数大，输入电阻大。CB：电流放大倍数接近1。.RSRLT1T2s+-.RSRLT1T2s+-2）发射极接RE的共射放大器3）采用有源负载的共射放大器T1。VCC。RC+-ICQ1T1。VCC。+-T2。IBQ121212111)()(CQCCCEQCQCQCCCCQCCCEQCvLLECELvVVVIIRTRTRIVVRARRRRRRA：直流静态取代用电阻既是直流电阻又是交流饱和但则要大，要若C1C2动态（交流）：T2等效rce2 RL= rce2RLT1。+-RL。T1。+-T2R

25、L。rce2 4.4 差分放大器1 差分放大器的组成与原理 1）电路（带电阻负载的差动双极型晶体管放大器） 2）差模信号.共模信号 ）差模信号 1= -2 o1= -o2 ）共模信号 1= 2 o1= o2 。VCCVEERCRCRE。RLRLT1T2。+-21）一般信号 。VCCVEERCRCRERLRLT1T2+-cidiciiiiiidiciiiiiiciiiiicidiidiiiidvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv21222122, )(212121212122121121212121-+c0.5d0.5do1o2+-+o3）输入.输出方式 双端输入 10 2 0

26、 单端输入 1=0 或 2 =0 双端输出 o= o1 - o2 单端输出 o= o1 或 o= o24）抑制共模信号的原理 ）RE的作用 vcicvdidoAvAvv （IE2） （VBE1）T或 VIC IE1 2 IE RE VBE1 IB1 IE1 (IB2) （ IE2 ） *1 RE对共模信号有很强的抑制作用。 ) 输出取电压差（o1 - o2）抑制法 *2 理想差放对共模信号没有放大能力。021icooicocvcvvvvvA ）共模抑制比 *3 KCMR越大越好，抑制共模信号的能力越强。 vcvdCMRicocvcidodvdvcvdCMRAAdBKvvAvvAAAKlog20

27、)(2 差分放大器的分析计算 1）静态计算227 . 00021)()(2121EEEECQCQEEEEonBEEEEEEQEEonBEEQBQBQiiIIIIRVVRVVIVVVVVvv。VCCVEERCRCREE。RLRLT1T2。+-21IEEo1o2+-+o2) 动态分析 差模特性 半电路法 ）R ）Ro单端输出双端输出RCRLT1RCRLT1+-o1o221dod。ebiebiidebiidrRrivriv222CceodRrR)(2CceodRrR ） A单端输出双端输出)(2121)2(222)(2121)2(22221LomvidodidodvdLomvidodidodvdRR

28、gAvvvvARRgAvvvvA)(22211LomvvdvdidodidodidodvdRRgAAAvvvvvvA共模特性单端输出RCRLT1RCRLT1+-ococcc。2REE2REEEELCvcebEEEEebLCicocvcCocEEebicRRRArRRrRRvvARRRrR212)1 (2)1 ()(2)1 (* REE越大， Ac越小，KCMR越大。 REE越大， IEE越小， gm越小， KCMR越小。 采用有源负载取代REE。双端输出0icocvcvvAEEEQEQEEmEELCLCmvcvdCMRRVIRgRRRRRgAAK2)()(211合成输出信号)(2121121)

29、(2121121212211iivdidvdicCMRidvdoiivdidvdicCMRidvdoCMRvvAvAvKvAvvvAvAvKvAvK足够大当单端输出)(21212121212121iivdidvdoooidvdicvcodocoidvdicvcodocovvAvAvvvvAvAvvvvAvAvvv双端输出 2 电路两边不对称对性能的影响 1）双端输出时的共模抑制比 )()(2121)()()()(21)(1dcvddvCMRiiCMRiiddvicCMRidddvicdcvidddvoAAKvvKvvAvKvAvAvAv 2）失调 输入失调电压 * 1 失调：零输入时，双端输出

30、电压VO0。 *2 输入失调电压： VIO=VO/ Ad *3 产生输入失调电压的原因：电路两边的RC IS不相等。 *4 补偿电压： 输入失调电流 *1 输入失调电流： IIO= IBQ1- IBQ2 *2 产生输入失调电流的原因：电路两边的 不相等。 VIO 和IIO 的温漂。 *1 输入失调电压和输入失调电流随温度漂移 的大小。 *2 输入失调电压温漂VIO/ T： 在规定温度范围VIO的温度系数，衡量电路 温漂的重要指标。 *3 输入失调电流温漂IIO/ T： 在规定温度范围IIO的温度系数，衡量电路 温漂的重要指标。4）失调模型。VCCVEERCRCRET1T2。+-+VODVIOI

31、IOid5） 调零电路。VCCVEERCRCRET1T2。+-。RSRSVORW。VCCVEERCRCRET1T2。+-。RSRSVORW 3 差模传输特性。VCCVEERCRCREE。T1T2。+-I2I1IEE-+OD。O2O1-。+C1C2IEE1234-4-3-2-1ID/VTQC设T1 T2 理想匹配TIDEEEEVvEECTIDEEEEVvEECCCEEEEVvCCBEBEIIIDCCTIISSCSSCTIISCTBESCTBEIBEBEIVvthIIeIiVvthIIeIiiiiiIeiivvvvviiVvvIIiIIiVvvIiVvIiVvvvvvTIDTIDTID221211

32、221211lnlnlnln2121212121212121212211212221112211 结论时最大。当曲线斜率为围为：差模输入电压的线性范的大小和极性如何不论0)4) 3,)2210) 12121212211IDIDCmTTEECCIDIDCIDCEECCCCCCIDvvigVVIiivvfivfiIIIIiIiv4.5 电流源电路及应用 对电流源要求 提供IO，且稳定。 输出恒定IO 。（要求 RO）VOICQ 1 镜像电流源 1）电路 2）原理 。T1T2VCCIRC1C2=IoRB1B2RoCCEEonBECCoCCSSCoSCTBEVvSCBEBEIIiiSSRVVIiiIIiIIiVveIivvTBE2121)(1112221)(ln时当忽略基区宽度调制效应 而 考虑基区宽度调制效应RVIIVVRVVIIIiiiIIiiiiiICCRoonBECConBECCRooCCCRoCCBBCR)()(2211121212111)21 ()(当当)(ln()1 (CEASACTBEACEVvSCvVIViVvVveIiTBE 考虑基区宽度调制效应 恒流特性 RonBEACEQAoConBEACEQACEECEQCEonBECEI