4.2 放大器的性能指标

1. 第四章 放大器基础 4.1 偏置电路和耦合方式 4.2 放大器的性能指标 4.3 基本组态放大器 4.4 差分放大器 4.5 电流源电路及其应用 4.6 集成运算放大器 4.7 放大器的频率响应

2. 概 述 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。 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。

3. 放大器分类 • 按信号特征分： 音频放大器 （放大语音信号） 宽带 放大器 视频放大器 （放大图像信号） 脉冲放大器 （放大脉冲信号） 谐振放大器 （放大高频载波信号） • 按信号强弱分： 小信号放大器 （线性放大器） 大信号放大器 （非线性放大器） • 按电路结构分： 直流放大器 （多用于集成电路） 交流放大器 （多用于分立元件电路）

4. 具有正向受控作用的半导体器件是整个电路的核心具有正向受控作用的半导体器件是整个电路的核心 输入信号 输出负载 耦合电路 耦合电路 直流偏置电路 将输入信号源与放大器输入端进行连接。 将放大器输出端与输出负载进行连接。 外 围 电 路 保证半导体器件 工作在放大模式 • 放大器组成框图

5. 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。

6. Q点波动对输出波形的影响： iC iC ib ib ib vCE 0 t vCE 0 t Q Q ICQ Q 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。

7. VCC RB RC IC IB • 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

8. VCC RB1 I1 RC IBQ RB2 RE CE （2） 分压偏置电路 • Q点估算： 假设I1>> IBQ 则 （固定） • 电路优点： 具有稳定Q点的功能。 TICQ VEQ(=ICQRE)  VBEQ(=VEQ-VEQ) ICQ IBQ

9. VCC RB1 I1 RC IBQ RB2 RE CE • 存在问题： VBEQ越大  Q点越稳定 RE越大 VCEQ越小  输出动态范围越小 工程规定： VEQ=0.2VCC 或 VEQ=1 ~ 3V RB1、RB2过大 不满足I1>> IBQ 则 VBQ不稳定 RB1、RB2过小  放大器Ri 减小 工程规定： I1=（5 ~ 10）IBQ

10. VDD ID RD RG1 T G S RG2 RS • 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。

11. VDD ID RD G S RG RS （2）自偏置电路 • Q点估算： • 电路特点： 由于VDS与VGS极性始终相反 故自偏置电路只适合于耗尽型场效应管 例如：JFET、DMOS管

12. VDD ID RD G S RG （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。

13. 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。 为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合 方式必须保证： • 交流信号正常传输。 • 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： • 具有隔直流作用的耦合方式—电容耦合、变压器耦合。 • 集成电路中广泛采用的一种耦合方式—直接耦合。

14. VCC R1 R3 R5 R7 CB CC + + T1 T2 + RS vi R2 R6 +- R4 R8 vS - • 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。

15. VCC RC1 RC2 RC3 RCn T1 T2 T3 Tn RE2 RE3 REn 级间直流电平配置问题。 零点漂移问题。 • 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: 频率特性好，便于集成。 电路优点: 存在问题:

16. VCC RC1 RC2 RC3 RCn T1 T2 T3 Tn RE2 RE3 REn 若 则 • 级间直流电平配置问题一 由图 结果：T1管Q点靠近饱和区，输出易出现失真。 后级接入RE，扩大前级动态范围。 解决方法：

17. VCC RC1 RC2 RC3 RCn T1 T2 T3 Tn RE2 RE3 REn • 级间直流电平配置问题二 工作在放大模式时: 由图 越往后级VBQ3 ICQ3 VCEQ3 输出动态范围 解决方法： 加电平位移电路

18. VCC RC1 RB RE T1 T2 + + VBQ1 VCQ1 + RC2 VCQ2 - - - 采用PNP管的电平位移电路： 放大模式NPN管 VCQ1>VBQ1 放大模式PNP管 VCQ2 < VBQ2= VCQ1 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。

19. 零点漂移问题 零点漂移：指vi =0时，输出端静态电压的波动。 温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称温漂。 温漂危害： 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 若温度变  则第一级Q点变（VCEQ1+V） V 经后级逐级放大  输出静态电压变为（VCEQn +AvnV） 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。 解决方法： 第一级采用低温漂的差分放大器。 电容耦合放大器由于电容的隔直作用，温漂很小，可忽略。

20. 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。 • 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。 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。

21. ii io + - + - RS 线性有源四端网络 RL + - vi vo vS Ri Ro 4.2 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： 输入电阻Ri 、 输出电阻Ro、 增益A

22. ii ii + - + - RS 或 iS vi Ri RS vi Ri + - vS 定义 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 。 Ri表示本级电路对输入信号源的影响程度。

23. io io + - + - Ro 或 ion RL vo Ro RL vo + - vot vot ： 负载开路时vi 或ii 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 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。

24. + - RS RS RL vo + - vS 放大器 放大器 （放大器一般框图） （ Ro的定义） i + - v 定义 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。 Ro反映放大器受负载电阻RL的影响程度。

25. ii io + - + - ion RS Ro iS vi Ri RL vo RS Ri RL + - + - vS vot Ro 电压放大器 电流放大器 io ii + - + - ion RS Ro iS vi Ri Ro RL RS Ri RL vo + - + - vS vot 互导放大器 互阻放大器 • 小信号放大器四种电路模型

26. + - + - RS Ro vi Ri RL vo + - + - vS vot • 增益（放大倍数） 放大器的增益： A = xo / xi 即放大器输出信号变化量与输入信号变化量的比值。 不同类型放大器输入、输出电量不同，故增益的含义不同。 • 电压放大器 电压增益： 开路电压增益： RO越小，RL对Av影响越小。 源电压增益： Ri越大，RS对Avs影响越小。

27. ii io ion iS RS Ri RL Ro • 电流放大器 电流增益： 短路电流增益： RO越大，RL对Ai影响越小。 源电流增益： Ri越小，RS对Ais影响越小。 • 互导放大器 互导增益： • 互阻放大器 互阻增益：

28. 理想放大器性能特点 电压放大器： Ri 、Ro  0、Av大且不随RL和信号源而变化。 电流放大器： Ri 0、Ro  、Ai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。

29. + - + - RS + - + - vi A1 A2 RL vo + - vo1= vi2 Ri2 vS • 多级放大器 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。 • 将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。

30. 频率失真 线性失真 瞬变失真 非线性失真 4.2.2 放大器的失真 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 • 频率失真 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：

31. AI 2 幅频特性 A( f )/dB AI 0 f /Hz 增益下降到 时， A( f ) 相频特性 0 f /Hz • 波特图 在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。 增益分贝值： (线性刻度) 通频带： fL fH (线性刻度) (对数刻度) 对应上限频率fH、 及下限频率fL 。 (对数刻度)

32. 频率特性的三个频段 中频段：通频带以内的区域 特点： 放大器的增益、相角均为常数，不随f变化。 原因： 所有电抗影响均可忽略不计。 即极间电容开路、耦合旁路电容短路。 高频段： f > fH 的区域 特点： 频率增大，增益减小并产生附加相移。 极间电容容抗  分流 不能视为开路。 原因： 低频段： f < fH 的区域 特点： 频率减小，增益降低并产生附加相移。 原因： 耦、旁电容容抗  分压 不能视为短路

33. 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 若不同频率信号呈现不同相角 相位失真 幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。 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。 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。

34. R vi vo + + vi vo 1 C 0.9 - - 0.1 0 t t tr C vi vo + + vi vo R  - - 0 t t t1 vo  1 t • 瞬变失真 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。

35. 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：

36. VCC VCC VCC RC RC T T + - + - T vo + - + - + - vi + - vi vi vo vo RE （共发） （共集） （共基） 4.3 基本组态放大器 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。 注意： 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。 2)由交流通路画出小信号等效电路，并进行分析。

37. VCC VCC RB1 RC C2 直流通路 RB1 RC + C1 + + - RS RL vo RB2 + - + RB2 vs RE CE RE 交流通路 + - RS vo RC RL RB1 RB2 + - vs 4.3.1 三种组态放大器的实际电路 • 共发射极放大器

38. C1 C2 直流通路 + - VCC RC RS RL RB1 RC RE vo + - RB1 VCC vs RB2 CB RB2 RE 交流通路 + - RS RE RC RL vo + - vs • 共基极放大器

39. VCC VCC RB1 RB1 C1 直流通路 + C2 + + - RS RB2 vo + - RL vs RE RB2 RE 交流通路 RS + - RB1 RB2 + - vs RE RL vo • 共集电极放大器

40. ii ib io + - + - RB + - RS + - vi vo RS vo + - vs rbe gmvbe rce vi RB1 RB2 RC RL RC RL + - vs 其中 令 则 故 4.3.2 共发、共基和共集放大器的性能 • 共发电路性能分析 • 画微变等效电路 • 分析电路输入、输出电阻

41. ii ib io + - + - RB RS vi vo + - vs rbe gmvbe rce RC RL 则 • 共发电路电流增益 通常RB >> rbe 短路电流增益

42. + - + - RB RS vi vo + - vs rbe gmvbe rce RC RL 其中 • 共发电路电压增益 源电压增益 开路电压增益

43. 已知 因此 • 共发电路提供的最大电压增益 若采用有源负载作为RC, 可使 RC >> rce 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 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。

44. gmveb ii ii  io e c + - + - + - + - RS RS vi RE RC RL vo vi vo RE rbe RC RL + - + - vs vs b Ri （小） 因此 • 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

45. gmveb ii ii  io e c + - + - RS vi vo RE rbe RC RL + - vs Ri b 令 因此 则 因此 由于 • 共基电路输出电阻 • 共基电路电流增益 短路电流增益

46. gmveb e c + - + - RS vi vo RE rbe RC RL + - vs b • 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。

47. gmvbe gmveb i i e e c + - + - + - RS rce rce v vi vo RS rbe RC + - rbe RE vs RE RC RL b b Ro RS=RS//RE 则 得 因此 • 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

48. ii ib  ib + - rbe rce RS + - io RS vi RB + - + vi + - + - vs vs RE RL vo vo RE RL RB1 RB2 - Ri 因此 （大） • 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)

49. ib rbe i i  ib + + - rbe rce  ib RS v io RS RB rce RE vi RB + + - - vs vo RE RL Ro - RS=RS//RB 则 得 因此 （小） • 共集电路输出电阻 令vs=0、RL开路，画出求Ro的等效电路。

50. ii ib  ib + - rbe rce RS io vi RB + + - vs vo RE RL - 短路电流增益 若 其中 < 1  • 共集电路电流增益(忽略rce) • 共集电路电压增益(忽略rce)