第 4 章 放大器基础概 述
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。
第 4 章 放大器基础
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 )
第 4 章 放大器基础保证半导体器件工作在放大模式
放大器组成框图耦合电路耦合电路输出负载输入信号直流偏置电路外 围 电 路具有正向受控作用的半导体器件是整个电路的核心将放大器输出端与输出负载进行连接。
将输入信号源与放大器输入端进行连接。
第 4 章 放大器基础
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 。
第 4 章 放大器基础
Q
iC
t
ICQ
t
vCEO
VCEQ
ib
Q 点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。
Q 点波动对输出波形的影响：
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 ib
ib
iC
vCEO
Q
第 4 章 放大器基础
O
三极管 偏置电路
(1)固定偏流电路 V
CC
RCRB
IB
IC? Q 点估算：
B
B E ( o n )CC
BQ R
VVI
BQC B OBQCQ )1( IIII
CCQCCC E Q RIVV
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 点升高第 4 章 放大器基础
(2)分压偏置电路
Q 点估算：
B2B1
CCB2
BQ RR
VRV
E
B E ( o n )BQ
EQCQ R
VVII
)( ECCQCCC E Q RRIVV
电路优点：
TICQ?
VCC
RCRB1
IBQ
I1
RB2 RE C
E
(固定 )
/CQBQ II?
具有稳定 Q 点的功能。
VEQ?( = ICQRE)? VBEQ?(= VBQ? VEQ)
IBQ?ICQ?
假设 I1>> IBQ
则第 4 章 放大器基础
存在问题：
工程上，常选用,VCC
RCRB1
IBQ
I1
RB2 RE C
E
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 ~ 3 V
RB1,RB2过大?不满足 I1 >> IBQ
工程 上，常选用,I1 = (5 ~ 10)IBQ
则 VBQ 不稳定
RB1,RB2过小?放大器 Ri 减小第 4 章 放大器基础
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 。
VDD
T
S
RG1
RG2
RD
RS
G
ID
SDQ
G2G1
DDG2
G S Q RIRR
VRV?
2
G S ( t h )G S Q
OX
DQ )(2 VVl
WCI
)( SDDQDDD S Q RRIVV
第 4 章 放大器基础
(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。
VDD
S
RG
RD
RS
G
ID
SDQG S Q 0 RIV
)( SDDQDDD S Q RRIVV
2
G S ( o f f )
G S Q
D S SDQ 1?
V
V
II
由于 VDS 与 VGS 极性始终相反，
例如,JFET,DMOS 管。
第 4 章 放大器基础
(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。
0G S Q?V
)( SDDQDDD S Q RRIVV
VDD
SR
G
RD
G
ID
2
G S ( t h )G S Q
OX
DQ )(2 VVl
WCI
由于 RS = 0，故该电路不具有稳定 Q 点的功能。
第 4 章 放大器基础
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为耦合方式 。
交流信号正常传输 。
为保证交流信号正常传输,不失真放大,耦合方式必须保证：
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。
第 4 章 放大器基础
电容耦合
VCC
R3R1
R2 R
4
RS
vS+
- -
+
CB
vi
T1+
R7R5
R6 R
8
CC
T2+
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 。
第 4 章 放大器基础
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 。零点漂移问题。
第 4 章 放大器基础
VCC
RC2
RE2
T2
RC1
T1
RC3
RE3
T3
RCn
REn
Tn
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
E2C Q 2B E ( o n ) 2C E Q 1 RIVV
若 RE2 = 0,。则 V 7.0
B E (o n)2C E Q 1 VV
后级接入 RE,扩大前级动态范围 。解决方法：
第 4 章 放大器基础
VCC
RC2
RE2
T2
RC1
T1
RC3
RE3
T3
RCn
REn
Tn
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：
B Q 1B Q 2B Q 3C Q 3 VVVV
)( E3C3C Q 3CCC E Q 3 RRIVV
由图
E3C Q 3B E ( o n ) 3B Q 3 RIVV
越往后级 VBQ3 ICQ3 VCEQ3输出动态范围?
第 4 章 放大器基础
VCC
RC2
RE2
T2
RC1
T1
RC3
RE3
T3
RCn
REn
Tn
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 。
VCC
RC2
RE
T2
RC1
T1
RB
+
- -
+VBQ1 V
CQ2
+
-
VCQ1
VCQ1 > VBQ1放大模式 NPN 管放大模式 PNP 管 VCQ2 < VBQ2 = VCQ1
第 4 章 放大器基础
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 + 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。
电容耦合放大器由于电容的隔直作用,温漂很小,可忽略 。
第 4 章 放大器基础放大器的组成原则：
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 。
第 4 章 放大器基础就信号而言,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 放大器的性能指标线性有源四端网络
RS
RL
vS +
-
+
-
vi
ii io
vo
+
-
Ri Ro
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、
第 4 章 放大器基础
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 。
或
RS
Ri
vS +
-
+
-
vi
ii
RS RiiS
+
-
vi
ii
i
i
i i
vR?定义上式中,Ri 表示本级电路对输入信号源的影响程度。
第 4 章 放大器基础
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 。
或
Ro
RL
vot+
-
+
-
vo
io
Ro RLion
+
-
vo
io
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。
第 4 章 放大器基础输出电阻 Ro 计算：
RL
vS+
-
vo
放大器
RS +
-
(放大器一般框图 )
i
v
+
-
放大器
RS
( Ro 的定义 )
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。
i
vR?
o
定义
Ro 反映放大器受负载电阻 RL 的影响程度 。
第 4 章 放大器基础
小信号放大器四种电路模型
RS
Ri
vS+
-
+
-
vi
Ro
RL
vot+
-
+
-
vo
电压放大器
Ro
RL
ion
io
RS RiiS
ii
电流放大器
RS
Ri
vS+
-
+
-
vi
互导放大器
Ro RL
ion
io
Ro
RL
vot+
-
+
-
voRS RiiS
ii
互阻放大器第 4 章 放大器基础放大器的增益：
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
RS
Ri
vS+
-
+
-
vi
Ro
RL
vot+
-
+
-
vo
电压增益：
开路电压增益,i
o
v
vA
v?
源电压增益：
is
i
s
i
i
o
s
o
s RR
RA
v
v
v
v
v
vA
vv
)1(
L
o
o
ot
i
o
i
ot
t R
RA
v
v
v
v
v
vA
vv
Ro 越小,RL对 Av 影响越小。
Ri 越大,RS 对 Avs 影响越小。
第 4 章 放大器基础
电流放大器电流增益：
短路电流增益：
源电流增益：
Ro
RL
ion
io
RS RiiS
ii
i
o
i
iA
i?
iS
S
s
i
i
o
s
o
s RR
RA
i
i
i
i
i
iA
ii
)1(
o
L
o
on
i
o
i
on
n R
RA
i
i
i
i
i
iA
ii
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
i
o
v
iA
g?
互导增益：
互阻放大器 互阻增益：
i
o
i
vA
r?
第 4 章 放大器基础
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。
第 4 章 放大器基础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
RL
vS+
-
vo
RS +
-
A1vi
+
-
A2
将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。
Ri2
+
-
+
-
vo1= vi2
21
i
o1
i2
o
i
o
vvv AAv
v
v
v
v
vA
1ii
RR 2oo RR
第 4 章 放大器基础
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 。
失真类型频率失真瞬变失真线性失真非线性失真一般而言,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：
)(j Ae)()j( AA?
第 4 章 放大器基础
波特图在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。
O f /Hz
A( f )/dB
O f /Hz
A( f )
幅频特性相频特性
(对数刻度 )
(对数刻度 )
(线性刻度 )
(线性刻度 )
)(lg20)( dB AA?
增益分贝值：
通频带：
LH7.0 ffBW
对应上限频率 fH
及下限频率 fL 。
时，增益下降到 21 IA
AI
AI
2
fHfL
第 4 章 放大器基础
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。
第 4 章 放大器基础
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分。
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。
第 4 章 放大器基础指放大脉冲信号时,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
R
C
+
-
vi
-
vo+
vi
t
1
O
vo
t0.1
0.9
tr
R
C
+
-
vi
-
vo+
vi
tO
vo
tt
1
vo
t
1
第 4 章 放大器基础
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,tVv?s in
m?
则 TTB E Q ee
CQSC
V
v
V
Vv
IIi
利用傅里叶级数展开得：
])(!31)(!211[ 3
T
2
TT
CQC V
v
V
v
V
vIi
]s in2s ins in m2m1m0 tnItItII n
非线性失真系数：
m1
2
2
nm
I
I
T H D n
第 4 章 放大器基础根据三极管 (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
T+
-
+
-
VCC
RC
vi vo
(共发 )
T
+
-
+
-
VCC
REvi vo
(共集 )
T
+
-
+
-
VCC
RC
vi vo
(共基 )
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。
第 4 章 放大器基础
共发射极放大器
4.3.1 三种组态放大器的实际电路
VCC
RCRB1
RB2 R
E
直流通路第 4 章 放大器基础
RCR
B1v
s
+
-
RL
+
-
vo
RB2
RS
交流通路
VCC
RCRB1
vs+ -
RL
+
-
voR
B2 RE CE
RS
+
+
+
C1
C2
共基极放大器
VCC
RCRB1
RB2 R
E
直流通路第 4 章 放大器基础
RB1v
s
+
-
RL
+
-
vo
RB2
RE
CB
RS
C1 C2
VCC
RC
交流通路 vs
+
-
RL
+
-
voRE
RS R
C
共集电极放大器
VCC
RB1
RB2 R
E
直流通路第 4 章 放大器基础交流通路
RERB1vs+
-
RL +
-
voRB2
RS
VCC
RB1
vs+ - RL
+
-
voRB2
RE
RS
+
+
C1
C2
共发电路性能分析
4.3.2 共发、共基和共集放大器的性能
i
i
i i
vR?
ebebB // rrR B21BB // RRR?其中
，令 0 s?v,则 0 ebmvg
画微变等效电路
分析电路输入、输出电阻
ceCo // rRR?
故
CR?
rb?e gmvb?e
ii io
RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi
rce
ib
第 4 章 放大器基础
RCRB1v
s
+
-
RL
+
-
vo
RB2
RS +
-
vi
i
o
i
iA
i?
i
b
b
ebm
ebm
o
i
i
i
vg
vg
i
ebB
B
Lo
o
rR RRR R?
共发电路电流增益
rb?e gmvb?e
ii io
RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi
rce
ib
通常 RB >> rb?e
第 4 章 放大器基础
Lo
o RR RA
i则短路电流增益
0n LRii AA
共发电路电压增益
rb?e gmvb?e RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi
rce
开路电压增益
i
o
v
vA
v?
eb
Loebm )//(
v
RRvg Lm Rg
is
i
Lm
is
i
RR
RRgA
RR
RA
vvs
源电压增益
omt L RgAA Rvv
LCLCceL ////// RRRRrR其中第 4 章 放大器基础
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
)//( Ccemomt RrgRgA v已知若采用有源负载作为 RC，可使 RC >> rce
因此
cemt ma x rgA v
T
A
CQ
A
T
CQ
V
V
I
V
V
I
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 。
共发电路特点第 4 章 放大器基础
共基电路性能分析
i
i
i i
vR
画微变等效电路 (忽略 rce 影响 )
共基电路输入电阻
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS
RCrb?e
gmveb?i
i io
+
-
vi
b?
e cii?
bem
eb
be
be
vg
r
v
v
11
eb
ebm
eb r
rg
r
因此
iEii // RRRR (小 )
Ri?
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS R
Cvi
+
-
，令 0 s?v,则 0 ebmvg
共基电路输出电阻
Co RR?因此
共基电路电流增益
i
o
i
iA
i?
i
i
i
bem
bem
o
i
i
i
vg
vg
i
iE
E
im
LC
C
RR
RRg
RR
R
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS
RCrb?e
gmveb?i
i io
+
-
vi
b?
e cii?
Ri?
，由于 Ei RR
LC
C
RR
RA
i因此
0n LRii AA短路电流增益第 4 章 放大器基础
共基电路电压增益
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS
RCrb?e
gmveb?
+
-
vi
b?
e c
i
o
v
vA
v?
be
LCbem )//(
v
RRvg Lm Rg
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。
第 4 章 放大器基础
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。
vs+ - RL
+
-
vo
RE
RS
RCrb?e
gmveb?
+
-
vi
b?
e c
rce
becebem )( vrvgiv
)////( ebESbe rRRiv
则
ce
ebS
S
o )1( rrR
R
i
vR
得因此 oCo // RRR
+
-
v
RERS RCrb?e
gmvb?e
b?
e
rce
ii?
Ro?RS?= RS//RE
第 4 章 放大器基础
共集电路性能分析
b
i
i i
vR
画微变等效电路
共集电路输入电阻 (忽略 rce)
b
LEbebb )//()1(
i
RRiri
因此
Bii // RRR
(大 )
)//)(1( LEeb RRr
第 4 章 放大器基础
RER
B1
vs+ - RL
+
-
voR
B2
RS +
-
vi
rb?e
ibii
io
RE
RB
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rce
ib
-
Ri?
共集电路输出电阻令 vs = 0,RL 开路，画出求 Ro 的等效电路。
rb?e
ib
i?
RERB
+
vR
S rce
-
iib
Ro?R
S?= RS//RB
))(( Sebb Rriiv
)/( Sebb Rrvi
则
1
ebS
o
rR
i
vR得因此
oEceoo //// RRrRR
(小 )
第 4 章 放大器基础
rb?e
ib
io
RE
RB
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rce
-
共集电路电流增益 (忽略 rce)
i
o
i
iA
i?
i
b
b
o
i
i
i
i
iB
B
LE
E )1(
RR
R
RR
R
Bi RR若
)1(0n LRii AA短路电流增益
共集电路电压增益 (忽略 rce)
i
o
v
vA
v?
ib
LEb )//()1(
Ri
RRi
Leb
L
)1(
)1(
Rr
R
1
其中
LEL // RRR
第 4 章 放大器基础
rb?e
ibii
io
RE
RB
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rce
ib
-
三种组态电路性能比较
ebB //?rR
1//
ebE rR ])1(//[ LebB RrR
小 大
CR1// SebE RrR
小
1 )1( 大大 小
eb
L
r
R?
eb
L
r
R?大 大
Leb
L)1( )1( Rr R
1
])1/ / [ ( ce
ebS
SC rrR RR
大中中共发 共基 共集
Ri
Ro
Av
Ain
第 4 章 放大器基础
RCv
s
+
-
RL
+
-
vo
RB
RS +
-
vi vs+
-
RL
+
-
voR
E
RS
RCvi
+
- REvs
+
- RL
+
-
vo
RBRS
+
-
vi
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 。
第 4 章 放大器基础
共发 -共基组合放大器
4.3.3 改进型放大器三种基本组态放大器的性能特点各不相同,若将它们适当组合,可使放大器的性能更接近理想化 。
组合放大器
e1bi1i rRR
)1(
e2bce1
ce1
ce2o2o
rr rrRR?
iA
21 vvv AAA
e2b
L2
e1b
2
e2b
1 1
r
R
r
r
e1b
L1
r R?
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voRS +
-
vi
io
ii
T1
T2
共集 -共发组合放大器利用共发电路增益高,共基电路 Ri 低,Ro 高的特性,使共发 -共基组合电路更接近理想的电流放大器 。
e2b1e1bi1i )1( rrRR?
ce2o2o rRR
21 vvv AAA
e2b
L2
r R?2vA?
利用共发电路增益高,共集电路 Ri 高,Ro 低的特性,使共集 -共发组合电路更接近理想的电压放大器 。
2)1(iA
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voR
S
+
-
vi
io
ii
T1
T2
共集 -共基组合放大器
i21e1bi1i )1( RrRR
21 vvv AAA
e2b
L2
i21e1b
i21
)1(
)1(
r RRr R
)1(iA
2
e2b
i2 1
rR由于则
ebi 2 rR
(假设两管参数相同 )
)1(
e2bS
S
ce2o2o
rR
RrRR?其中
1
e1bS
o1S 1
rRRR
eb
L
2
1
rR? (假设两管参数相同 )
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voRS
+
-
vi
ioi
i
T1
T2
接 RE 的共发放大器
])1(//[ EebBi RrRR
)]1(//[
SebE
E
ceCo RrR
RrRR
Eeb
L
)1( Rr
R
其中 BSS // RRR
i
o
v
vA
v?
Eeb
LCb
)1(
)//(
Rr
RRi
第 4 章 放大器基础
rb?e
ibii io
RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi rce
ib
RE
(微变等效电路 )
RCRBv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi
RE
(交流通路 )
共发电路射极接电阻 RE 后：
由于 RE的负反馈作用，使 Ri 增大,Ro 增大，放大器更接近理想的互导放大器。
由于 RE 的负反馈作用,不仅增益稳定性提高,而且且还便于集成化。
，因为 )1( ebE rR?
E
L
Eeb
L
)1( R
R
Rr
RA
v
所以
。
E
C
t R
RA
v?
当 RE时,此时,Avt 近似等于两电阻的比值,与三极管参数? 无关 。
存在问题：
交流工作时,RCAv但集成困难；
直流工作时,RCVCEQ 易饱和失真。
第 4 章 放大器基础
采用有源负载的共发放大器
e1b
Lo21 )//(
r RRA v?
解决方法：用恒流源 (有源负载 )取代电阻 RC 。
恒流源特点：直流电阻小，交流电阻大。
RL
vo
vi
VCC
R1
R2
RE
T1
T2
RL
vo
vi
VCC
T1
ICQ
)//1(
21e2bE
E2
ce2o2 RRrR
RrR
其中等效为第 4 章 放大器基础
共源放大器
4.3.4 共源、共栅和共漏放大器的性能
Gi RR? dsDo // rRR?
场效应管电路性能特点、分析方法与三极管放大器相似。不同之处仅在于,FET 或场效晶体管的 ig = 0。
gs
Logsm
i
o )//(
v
RRvg
v
vA
v )//( Lom RRg
gmvgx
RD
RG
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi r
ds
g
sRi Ro
第 4 章 放大器基础
RDRGv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi
接 R?S 的共源放大器
Sgsmgs
LDgsm
i
o )//(
Rvgv
RRvg
v
vA
v
Sm
Lm
1 Rg
Rg
Gi RR?
不变
dsSmSo )1( rRgRR
经推导
Doo // RRR
则 增大减小第 4 章 放大器基础
RDRGv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi R?
S
gmvgs
RD
RG
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi rds
g
s
Ri Ro
R?S
R?o
共栅放大器
i
i
i i
vR
1
mgsm
gs
gvg
v?
vs+ -
RL
+
-
voR?S
RS
RD
gmvgsii io
+
-
vi
g
s
Ri?
i?i
因为
,1//
m
Si gRR
所以
gs
LDgsm
i
o )//(
v
RRvg
v
vA
v?
)//(
LDm RRg?
Do RR?而第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voR?
S
RS R
Dvi
+
-
共漏放大器
Gi RR?
m
SO
1//
gRR
)//(
)//(
LSgsmgs
LSgsm
RRvgv
RRvg
v
vA
i
o
v
经推导
)//(1
)//(
LSm
LSm
RRg
RRg
第 4 章 放大器基础
RG
vs+ - RL
+
-
vo
RS +
-
vi R?
S
g
R?S
RG
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rds
-
gmvgs
s
FET 三种组态电路性能比较
GR
m
S
1//
gR?
GR小大
DR
小大 大? 1
DR
大大大
m
S
1//
gR?
Sm
Lm
1 Rg
Rg
LmRg? )//(1 )//(
LSm
LSm
RRg
RRg
共源 共栅 共漏
Ri
Ro
Av
第 4 章 放大器基础
RDRGv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi R?
S
vs+ - RL
+
-
voR?
S
RS
RDvi
+
-
RG
vs+ - R
L
+
-
vo
RS +
-
vi R?
S
4.3.5 集成 MOS 放大器集成 MOS 放大器与分立 MOS 放大器电路结构相同,只是为了提高集成度,集成 MOS 放大器中的负载电阻采用了以不同方法实现的有源电阻 。
集成 MOS 放大器类型：
NMOS 放大器
CMOS 放大器放大管 NEMOS
负载管 NEMOS
放大管 NEMOS
负载管 NDMOS
E/EMOS 放大器
E/DMOS 放大器放大管、负载管均为 E 型但沟道互补第 4 章 放大器基础
E/EMOS 放大器
VDD
+
-
vo+
vi
T2
T1
-
要求两管工作在饱和区，
1G S(t h)io Vvv
G S ( t h ) 2G S 2oDDD S 2 vvvVv
由于 gm2vgs2 = -gm2vo,则受控源 gm2vgs2 等效为电阻,1/gm2
因 gmu2vus2 = -gmu2vo,则受控源 gmu2vus2 等效为电阻,1/gmu2
1G S (th )i Vv?
即,
第 4 章 放大器基础交流通路
+
-
vo
+ v
i
T2T
1
-
g2s2
g1
s1
gm1vgs1
+
-
vo
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2
gm2vgs2
gmu2vus2
微变等效电路
i
o
v
vA
v?
)1(
m2
m u 2
m2
m1
g
gg
g
m u 2m2
d s 2d s 1
m1
11 gg
rr
g
)1( 2m2
m1
g
g
电压增益：
其中?2 = 0.1 ~ 0.3
由于 MOS 管跨导
DQ
OXn
m
2 I
l
WCg
所以
22
1
1
1
)/(
)/(
lW
lWA
v (小于 10 倍 )
第 4 章 放大器基础
gm1vgs1
+
-
vo
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2 g
m2
1
gmu2
1
简化等效电路
E/DMOS 放大器要求两管工作在饱和区：
1G S(t h)io Vvv
G S ( t h ) 2oDDD S 2 0 vvVv
由于 vgs2= 0,因此受控源 gm2vgs2 开路。
因 gmu2vus2= -gmu2vo,则受控源 gmu2vus2 等效为电阻,1/gmu2
1G S (th )i Vv?,即
VDD
+
-
vo+
vi
T2
T1
-
简化等效电路
i
o
v
vA
v?
m u2
m1
g
g
m u 2
d s 2d s 1
m1
11 g
rr
g
m22
m1
g
g
(几十倍 )
第 4 章 放大器基础
vo
gm1vgs1
+
-
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2 g
mu2
1
CMOS 放大器结构特点：
两增强型 MOS 管沟道互补，衬底彼此电隔离。
若 NMOS 管 S 极接最低电位若 PMOS 管 S 极接最高电位 则 S 极可与 U 极直接相连因此,CMOS 放大器不存在衬底效应。
N
P
P+P+N+ N+
第 4 章 放大器基础
CMOS 共源 放大器要求两管工作在饱和区：
1G S(t h)io Vvv
G S ( t h ) 2G S 2DDoD S 2 vvVvv
，即 1G S ( t h )i Vv?
i
o
v
vA
v? )//( d s 2d s 1m1 rrg
VDD
+
-
vo+
vi
T2
T1
-
VGG
G S ( t h ) 2DDGGG S 2 vVVv
由 vgs2 = vus1 = vus2 = 0，画出简化等效电路。
则
DQ1
1ds
1
Ir
1
DQ2
2ds Ir
DQ
1
1OXn
1m
2 I
l
WCg由于,
，因此
1
1OXn
21DQ
211
l
WC
IA v
(500 ~ 2 000倍 )
第 4 章 放大器基础
vo
gm1vgs1
+
-
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2
分析电路性能时,必须考虑 负载管衬底效应的影响
(用背栅跨导表示 )。
分析集成 MOS 放大器时,需注意以下问题：
分析过程中,压控电流源的控制电压与电流源两端电压相等时,压控电流源可用等效电阻置换 。
无论是 CMOS 放大器还是 NMOS 放大器,只要采用场效应管作有源电阻,则其电流流向必须与放大管电流流向一致 。
分析得知：共源 CMOS 放大器的 Av > E/DMOS 的
Av > E/EMOS 的 Av。
第 4 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。
第 4 章 放大器基础
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 )
第 4 章 放大器基础保证半导体器件工作在放大模式
放大器组成框图耦合电路耦合电路输出负载输入信号直流偏置电路外 围 电 路具有正向受控作用的半导体器件是整个电路的核心将放大器输出端与输出负载进行连接。
将输入信号源与放大器输入端进行连接。
第 4 章 放大器基础
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 。
第 4 章 放大器基础
Q
iC
t
ICQ
t
vCEO
VCEQ
ib
Q 点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。
Q 点波动对输出波形的影响：
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 ib
ib
iC
vCEO
Q
第 4 章 放大器基础
O
三极管 偏置电路
(1)固定偏流电路 V
CC
RCRB
IB
IC? Q 点估算：
B
B E ( o n )CC
BQ R
VVI
BQC B OBQCQ )1( IIII
CCQCCC E Q RIVV
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 点升高第 4 章 放大器基础
(2)分压偏置电路
Q 点估算：
B2B1
CCB2
BQ RR
VRV
E
B E ( o n )BQ
EQCQ R
VVII
)( ECCQCCC E Q RRIVV
电路优点：
TICQ?
VCC
RCRB1
IBQ
I1
RB2 RE C
E
(固定 )
/CQBQ II?
具有稳定 Q 点的功能。
VEQ?( = ICQRE)? VBEQ?(= VBQ? VEQ)
IBQ?ICQ?
假设 I1>> IBQ
则第 4 章 放大器基础
存在问题：
工程上，常选用,VCC
RCRB1
IBQ
I1
RB2 RE C
E
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 ~ 3 V
RB1,RB2过大?不满足 I1 >> IBQ
工程 上，常选用,I1 = (5 ~ 10)IBQ
则 VBQ 不稳定
RB1,RB2过小?放大器 Ri 减小第 4 章 放大器基础
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 。
VDD
T
S
RG1
RG2
RD
RS
G
ID
SDQ
G2G1
DDG2
G S Q RIRR
VRV?
2
G S ( t h )G S Q
OX
DQ )(2 VVl
WCI
)( SDDQDDD S Q RRIVV
第 4 章 放大器基础
(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。
VDD
S
RG
RD
RS
G
ID
SDQG S Q 0 RIV
)( SDDQDDD S Q RRIVV
2
G S ( o f f )
G S Q
D S SDQ 1?
V
V
II
由于 VDS 与 VGS 极性始终相反，
例如,JFET,DMOS 管。
第 4 章 放大器基础
(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。
0G S Q?V
)( SDDQDDD S Q RRIVV
VDD
SR
G
RD
G
ID
2
G S ( t h )G S Q
OX
DQ )(2 VVl
WCI
由于 RS = 0，故该电路不具有稳定 Q 点的功能。
第 4 章 放大器基础
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为耦合方式 。
交流信号正常传输 。
为保证交流信号正常传输,不失真放大,耦合方式必须保证：
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。
第 4 章 放大器基础
电容耦合
VCC
R3R1
R2 R
4
RS
vS+
- -
+
CB
vi
T1+
R7R5
R6 R
8
CC
T2+
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 。
第 4 章 放大器基础
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 。零点漂移问题。
第 4 章 放大器基础
VCC
RC2
RE2
T2
RC1
T1
RC3
RE3
T3
RCn
REn
Tn
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
E2C Q 2B E ( o n ) 2C E Q 1 RIVV
若 RE2 = 0,。则 V 7.0
B E (o n)2C E Q 1 VV
后级接入 RE,扩大前级动态范围 。解决方法：
第 4 章 放大器基础
VCC
RC2
RE2
T2
RC1
T1
RC3
RE3
T3
RCn
REn
Tn
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：
B Q 1B Q 2B Q 3C Q 3 VVVV
)( E3C3C Q 3CCC E Q 3 RRIVV
由图
E3C Q 3B E ( o n ) 3B Q 3 RIVV
越往后级 VBQ3 ICQ3 VCEQ3输出动态范围?
第 4 章 放大器基础
VCC
RC2
RE2
T2
RC1
T1
RC3
RE3
T3
RCn
REn
Tn
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 。
VCC
RC2
RE
T2
RC1
T1
RB
+
- -
+VBQ1 V
CQ2
+
-
VCQ1
VCQ1 > VBQ1放大模式 NPN 管放大模式 PNP 管 VCQ2 < VBQ2 = VCQ1
第 4 章 放大器基础
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 + 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。
电容耦合放大器由于电容的隔直作用,温漂很小,可忽略 。
第 4 章 放大器基础放大器的组成原则：
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 。
第 4 章 放大器基础就信号而言,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 放大器的性能指标线性有源四端网络
RS
RL
vS +
-
+
-
vi
ii io
vo
+
-
Ri Ro
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、
第 4 章 放大器基础
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 。
或
RS
Ri
vS +
-
+
-
vi
ii
RS RiiS
+
-
vi
ii
i
i
i i
vR?定义上式中,Ri 表示本级电路对输入信号源的影响程度。
第 4 章 放大器基础
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 。
或
Ro
RL
vot+
-
+
-
vo
io
Ro RLion
+
-
vo
io
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。
第 4 章 放大器基础输出电阻 Ro 计算：
RL
vS+
-
vo
放大器
RS +
-
(放大器一般框图 )
i
v
+
-
放大器
RS
( Ro 的定义 )
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。
i
vR?
o
定义
Ro 反映放大器受负载电阻 RL 的影响程度 。
第 4 章 放大器基础
小信号放大器四种电路模型
RS
Ri
vS+
-
+
-
vi
Ro
RL
vot+
-
+
-
vo
电压放大器
Ro
RL
ion
io
RS RiiS
ii
电流放大器
RS
Ri
vS+
-
+
-
vi
互导放大器
Ro RL
ion
io
Ro
RL
vot+
-
+
-
voRS RiiS
ii
互阻放大器第 4 章 放大器基础放大器的增益：
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
RS
Ri
vS+
-
+
-
vi
Ro
RL
vot+
-
+
-
vo
电压增益：
开路电压增益,i
o
v
vA
v?
源电压增益：
is
i
s
i
i
o
s
o
s RR
RA
v
v
v
v
v
vA
vv
)1(
L
o
o
ot
i
o
i
ot
t R
RA
v
v
v
v
v
vA
vv
Ro 越小,RL对 Av 影响越小。
Ri 越大,RS 对 Avs 影响越小。
第 4 章 放大器基础
电流放大器电流增益：
短路电流增益：
源电流增益：
Ro
RL
ion
io
RS RiiS
ii
i
o
i
iA
i?
iS
S
s
i
i
o
s
o
s RR
RA
i
i
i
i
i
iA
ii
)1(
o
L
o
on
i
o
i
on
n R
RA
i
i
i
i
i
iA
ii
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
i
o
v
iA
g?
互导增益：
互阻放大器 互阻增益：
i
o
i
vA
r?
第 4 章 放大器基础
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。
第 4 章 放大器基础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
RL
vS+
-
vo
RS +
-
A1vi
+
-
A2
将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。
Ri2
+
-
+
-
vo1= vi2
21
i
o1
i2
o
i
o
vvv AAv
v
v
v
v
vA
1ii
RR 2oo RR
第 4 章 放大器基础
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 。
失真类型频率失真瞬变失真线性失真非线性失真一般而言,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：
)(j Ae)()j( AA?
第 4 章 放大器基础
波特图在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。
O f /Hz
A( f )/dB
O f /Hz
A( f )
幅频特性相频特性
(对数刻度 )
(对数刻度 )
(线性刻度 )
(线性刻度 )
)(lg20)( dB AA?
增益分贝值：
通频带：
LH7.0 ffBW
对应上限频率 fH
及下限频率 fL 。
时，增益下降到 21 IA
AI
AI
2
fHfL
第 4 章 放大器基础
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。
第 4 章 放大器基础
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分。
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。
第 4 章 放大器基础指放大脉冲信号时,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
R
C
+
-
vi
-
vo+
vi
t
1
O
vo
t0.1
0.9
tr
R
C
+
-
vi
-
vo+
vi
tO
vo
tt
1
vo
t
1
第 4 章 放大器基础
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,tVv?s in
m?
则 TTB E Q ee
CQSC
V
v
V
Vv
IIi
利用傅里叶级数展开得：
])(!31)(!211[ 3
T
2
TT
CQC V
v
V
v
V
vIi
]s in2s ins in m2m1m0 tnItItII n
非线性失真系数：
m1
2
2
nm
I
I
T H D n
第 4 章 放大器基础根据三极管 (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
T+
-
+
-
VCC
RC
vi vo
(共发 )
T
+
-
+
-
VCC
REvi vo
(共集 )
T
+
-
+
-
VCC
RC
vi vo
(共基 )
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。
第 4 章 放大器基础
共发射极放大器
4.3.1 三种组态放大器的实际电路
VCC
RCRB1
RB2 R
E
直流通路第 4 章 放大器基础
RCR
B1v
s
+
-
RL
+
-
vo
RB2
RS
交流通路
VCC
RCRB1
vs+ -
RL
+
-
voR
B2 RE CE
RS
+
+
+
C1
C2
共基极放大器
VCC
RCRB1
RB2 R
E
直流通路第 4 章 放大器基础
RB1v
s
+
-
RL
+
-
vo
RB2
RE
CB
RS
C1 C2
VCC
RC
交流通路 vs
+
-
RL
+
-
voRE
RS R
C
共集电极放大器
VCC
RB1
RB2 R
E
直流通路第 4 章 放大器基础交流通路
RERB1vs+
-
RL +
-
voRB2
RS
VCC
RB1
vs+ - RL
+
-
voRB2
RE
RS
+
+
C1
C2
共发电路性能分析
4.3.2 共发、共基和共集放大器的性能
i
i
i i
vR?
ebebB // rrR B21BB // RRR?其中
，令 0 s?v,则 0 ebmvg
画微变等效电路
分析电路输入、输出电阻
ceCo // rRR?
故
CR?
rb?e gmvb?e
ii io
RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi
rce
ib
第 4 章 放大器基础
RCRB1v
s
+
-
RL
+
-
vo
RB2
RS +
-
vi
i
o
i
iA
i?
i
b
b
ebm
ebm
o
i
i
i
vg
vg
i
ebB
B
Lo
o
rR RRR R?
共发电路电流增益
rb?e gmvb?e
ii io
RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi
rce
ib
通常 RB >> rb?e
第 4 章 放大器基础
Lo
o RR RA
i则短路电流增益
0n LRii AA
共发电路电压增益
rb?e gmvb?e RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi
rce
开路电压增益
i
o
v
vA
v?
eb
Loebm )//(
v
RRvg Lm Rg
is
i
Lm
is
i
RR
RRgA
RR
RA
vvs
源电压增益
omt L RgAA Rvv
LCLCceL ////// RRRRrR其中第 4 章 放大器基础
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
)//( Ccemomt RrgRgA v已知若采用有源负载作为 RC，可使 RC >> rce
因此
cemt ma x rgA v
T
A
CQ
A
T
CQ
V
V
I
V
V
I
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 。
共发电路特点第 4 章 放大器基础
共基电路性能分析
i
i
i i
vR
画微变等效电路 (忽略 rce 影响 )
共基电路输入电阻
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS
RCrb?e
gmveb?i
i io
+
-
vi
b?
e cii?
bem
eb
be
be
vg
r
v
v
11
eb
ebm
eb r
rg
r
因此
iEii // RRRR (小 )
Ri?
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS R
Cvi
+
-
，令 0 s?v,则 0 ebmvg
共基电路输出电阻
Co RR?因此
共基电路电流增益
i
o
i
iA
i?
i
i
i
bem
bem
o
i
i
i
vg
vg
i
iE
E
im
LC
C
RR
RRg
RR
R
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS
RCrb?e
gmveb?i
i io
+
-
vi
b?
e cii?
Ri?
，由于 Ei RR
LC
C
RR
RA
i因此
0n LRii AA短路电流增益第 4 章 放大器基础
共基电路电压增益
vs+ -
RL
+
-
voRE
RS
RCrb?e
gmveb?
+
-
vi
b?
e c
i
o
v
vA
v?
be
LCbem )//(
v
RRvg Lm Rg
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。
第 4 章 放大器基础
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。
vs+ - RL
+
-
vo
RE
RS
RCrb?e
gmveb?
+
-
vi
b?
e c
rce
becebem )( vrvgiv
)////( ebESbe rRRiv
则
ce
ebS
S
o )1( rrR
R
i
vR
得因此 oCo // RRR
+
-
v
RERS RCrb?e
gmvb?e
b?
e
rce
ii?
Ro?RS?= RS//RE
第 4 章 放大器基础
共集电路性能分析
b
i
i i
vR
画微变等效电路
共集电路输入电阻 (忽略 rce)
b
LEbebb )//()1(
i
RRiri
因此
Bii // RRR
(大 )
)//)(1( LEeb RRr
第 4 章 放大器基础
RER
B1
vs+ - RL
+
-
voR
B2
RS +
-
vi
rb?e
ibii
io
RE
RB
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rce
ib
-
Ri?
共集电路输出电阻令 vs = 0,RL 开路，画出求 Ro 的等效电路。
rb?e
ib
i?
RERB
+
vR
S rce
-
iib
Ro?R
S?= RS//RB
))(( Sebb Rriiv
)/( Sebb Rrvi
则
1
ebS
o
rR
i
vR得因此
oEceoo //// RRrRR
(小 )
第 4 章 放大器基础
rb?e
ib
io
RE
RB
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rce
-
共集电路电流增益 (忽略 rce)
i
o
i
iA
i?
i
b
b
o
i
i
i
i
iB
B
LE
E )1(
RR
R
RR
R
Bi RR若
)1(0n LRii AA短路电流增益
共集电路电压增益 (忽略 rce)
i
o
v
vA
v?
ib
LEb )//()1(
Ri
RRi
Leb
L
)1(
)1(
Rr
R
1
其中
LEL // RRR
第 4 章 放大器基础
rb?e
ibii
io
RE
RB
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rce
ib
-
三种组态电路性能比较
ebB //?rR
1//
ebE rR ])1(//[ LebB RrR
小 大
CR1// SebE RrR
小
1 )1( 大大 小
eb
L
r
R?
eb
L
r
R?大 大
Leb
L)1( )1( Rr R
1
])1/ / [ ( ce
ebS
SC rrR RR
大中中共发 共基 共集
Ri
Ro
Av
Ain
第 4 章 放大器基础
RCv
s
+
-
RL
+
-
vo
RB
RS +
-
vi vs+
-
RL
+
-
voR
E
RS
RCvi
+
- REvs
+
- RL
+
-
vo
RBRS
+
-
vi
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 。
第 4 章 放大器基础
共发 -共基组合放大器
4.3.3 改进型放大器三种基本组态放大器的性能特点各不相同,若将它们适当组合,可使放大器的性能更接近理想化 。
组合放大器
e1bi1i rRR
)1(
e2bce1
ce1
ce2o2o
rr rrRR?
iA
21 vvv AAA
e2b
L2
e1b
2
e2b
1 1
r
R
r
r
e1b
L1
r R?
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voRS +
-
vi
io
ii
T1
T2
共集 -共发组合放大器利用共发电路增益高,共基电路 Ri 低,Ro 高的特性,使共发 -共基组合电路更接近理想的电流放大器 。
e2b1e1bi1i )1( rrRR?
ce2o2o rRR
21 vvv AAA
e2b
L2
r R?2vA?
利用共发电路增益高,共集电路 Ri 高,Ro 低的特性,使共集 -共发组合电路更接近理想的电压放大器 。
2)1(iA
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voR
S
+
-
vi
io
ii
T1
T2
共集 -共基组合放大器
i21e1bi1i )1( RrRR
21 vvv AAA
e2b
L2
i21e1b
i21
)1(
)1(
r RRr R
)1(iA
2
e2b
i2 1
rR由于则
ebi 2 rR
(假设两管参数相同 )
)1(
e2bS
S
ce2o2o
rR
RrRR?其中
1
e1bS
o1S 1
rRRR
eb
L
2
1
rR? (假设两管参数相同 )
第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voRS
+
-
vi
ioi
i
T1
T2
接 RE 的共发放大器
])1(//[ EebBi RrRR
)]1(//[
SebE
E
ceCo RrR
RrRR
Eeb
L
)1( Rr
R
其中 BSS // RRR
i
o
v
vA
v?
Eeb
LCb
)1(
)//(
Rr
RRi
第 4 章 放大器基础
rb?e
ibii io
RC
RB
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi rce
ib
RE
(微变等效电路 )
RCRBv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi
RE
(交流通路 )
共发电路射极接电阻 RE 后：
由于 RE的负反馈作用，使 Ri 增大,Ro 增大，放大器更接近理想的互导放大器。
由于 RE 的负反馈作用,不仅增益稳定性提高,而且且还便于集成化。
，因为 )1( ebE rR?
E
L
Eeb
L
)1( R
R
Rr
RA
v
所以
。
E
C
t R
RA
v?
当 RE时,此时,Avt 近似等于两电阻的比值,与三极管参数? 无关 。
存在问题：
交流工作时,RCAv但集成困难；
直流工作时,RCVCEQ 易饱和失真。
第 4 章 放大器基础
采用有源负载的共发放大器
e1b
Lo21 )//(
r RRA v?
解决方法：用恒流源 (有源负载 )取代电阻 RC 。
恒流源特点：直流电阻小，交流电阻大。
RL
vo
vi
VCC
R1
R2
RE
T1
T2
RL
vo
vi
VCC
T1
ICQ
)//1(
21e2bE
E2
ce2o2 RRrR
RrR
其中等效为第 4 章 放大器基础
共源放大器
4.3.4 共源、共栅和共漏放大器的性能
Gi RR? dsDo // rRR?
场效应管电路性能特点、分析方法与三极管放大器相似。不同之处仅在于,FET 或场效晶体管的 ig = 0。
gs
Logsm
i
o )//(
v
RRvg
v
vA
v )//( Lom RRg
gmvgx
RD
RG
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi r
ds
g
sRi Ro
第 4 章 放大器基础
RDRGv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi
接 R?S 的共源放大器
Sgsmgs
LDgsm
i
o )//(
Rvgv
RRvg
v
vA
v
Sm
Lm
1 Rg
Rg
Gi RR?
不变
dsSmSo )1( rRgRR
经推导
Doo // RRR
则 增大减小第 4 章 放大器基础
RDRGv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi R?
S
gmvgs
RD
RG
vs+ - RL
+
-
voRS
+
-
vi rds
g
s
Ri Ro
R?S
R?o
共栅放大器
i
i
i i
vR
1
mgsm
gs
gvg
v?
vs+ -
RL
+
-
voR?S
RS
RD
gmvgsii io
+
-
vi
g
s
Ri?
i?i
因为
,1//
m
Si gRR
所以
gs
LDgsm
i
o )//(
v
RRvg
v
vA
v?
)//(
LDm RRg?
Do RR?而第 4 章 放大器基础
vs+ -
RL
+
-
voR?
S
RS R
Dvi
+
-
共漏放大器
Gi RR?
m
SO
1//
gRR
)//(
)//(
LSgsmgs
LSgsm
RRvgv
RRvg
v
vA
i
o
v
经推导
)//(1
)//(
LSm
LSm
RRg
RRg
第 4 章 放大器基础
RG
vs+ - RL
+
-
vo
RS +
-
vi R?
S
g
R?S
RG
vs+ - R
L
+
vo
RS +
-
vi
rds
-
gmvgs
s
FET 三种组态电路性能比较
GR
m
S
1//
gR?
GR小大
DR
小大 大? 1
DR
大大大
m
S
1//
gR?
Sm
Lm
1 Rg
Rg
LmRg? )//(1 )//(
LSm
LSm
RRg
RRg
共源 共栅 共漏
Ri
Ro
Av
第 4 章 放大器基础
RDRGv
s
+
-
RL
+
-
voRS +
-
vi R?
S
vs+ - RL
+
-
voR?
S
RS
RDvi
+
-
RG
vs+ - R
L
+
-
vo
RS +
-
vi R?
S
4.3.5 集成 MOS 放大器集成 MOS 放大器与分立 MOS 放大器电路结构相同,只是为了提高集成度,集成 MOS 放大器中的负载电阻采用了以不同方法实现的有源电阻 。
集成 MOS 放大器类型：
NMOS 放大器
CMOS 放大器放大管 NEMOS
负载管 NEMOS
放大管 NEMOS
负载管 NDMOS
E/EMOS 放大器
E/DMOS 放大器放大管、负载管均为 E 型但沟道互补第 4 章 放大器基础
E/EMOS 放大器
VDD
+
-
vo+
vi
T2
T1
-
要求两管工作在饱和区，
1G S(t h)io Vvv
G S ( t h ) 2G S 2oDDD S 2 vvvVv
由于 gm2vgs2 = -gm2vo,则受控源 gm2vgs2 等效为电阻,1/gm2
因 gmu2vus2 = -gmu2vo,则受控源 gmu2vus2 等效为电阻,1/gmu2
1G S (th )i Vv?
即,
第 4 章 放大器基础交流通路
+
-
vo
+ v
i
T2T
1
-
g2s2
g1
s1
gm1vgs1
+
-
vo
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2
gm2vgs2
gmu2vus2
微变等效电路
i
o
v
vA
v?
)1(
m2
m u 2
m2
m1
g
gg
g
m u 2m2
d s 2d s 1
m1
11 gg
rr
g
)1( 2m2
m1
g
g
电压增益：
其中?2 = 0.1 ~ 0.3
由于 MOS 管跨导
DQ
OXn
m
2 I
l
WCg
所以
22
1
1
1
)/(
)/(
lW
lWA
v (小于 10 倍 )
第 4 章 放大器基础
gm1vgs1
+
-
vo
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2 g
m2
1
gmu2
1
简化等效电路
E/DMOS 放大器要求两管工作在饱和区：
1G S(t h)io Vvv
G S ( t h ) 2oDDD S 2 0 vvVv
由于 vgs2= 0,因此受控源 gm2vgs2 开路。
因 gmu2vus2= -gmu2vo,则受控源 gmu2vus2 等效为电阻,1/gmu2
1G S (th )i Vv?,即
VDD
+
-
vo+
vi
T2
T1
-
简化等效电路
i
o
v
vA
v?
m u2
m1
g
g
m u 2
d s 2d s 1
m1
11 g
rr
g
m22
m1
g
g
(几十倍 )
第 4 章 放大器基础
vo
gm1vgs1
+
-
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2 g
mu2
1
CMOS 放大器结构特点：
两增强型 MOS 管沟道互补，衬底彼此电隔离。
若 NMOS 管 S 极接最低电位若 PMOS 管 S 极接最高电位 则 S 极可与 U 极直接相连因此,CMOS 放大器不存在衬底效应。
N
P
P+P+N+ N+
第 4 章 放大器基础
CMOS 共源 放大器要求两管工作在饱和区：
1G S(t h)io Vvv
G S ( t h ) 2G S 2DDoD S 2 vvVvv
，即 1G S ( t h )i Vv?
i
o
v
vA
v? )//( d s 2d s 1m1 rrg
VDD
+
-
vo+
vi
T2
T1
-
VGG
G S ( t h ) 2DDGGG S 2 vVVv
由 vgs2 = vus1 = vus2 = 0，画出简化等效电路。
则
DQ1
1ds
1
Ir
1
DQ2
2ds Ir
DQ
1
1OXn
1m
2 I
l
WCg由于,
，因此
1
1OXn
21DQ
211
l
WC
IA v
(500 ~ 2 000倍 )
第 4 章 放大器基础
vo
gm1vgs1
+
-
+
-
vi r
ds1
g1
s1
rds2
分析电路性能时,必须考虑 负载管衬底效应的影响
(用背栅跨导表示 )。
分析集成 MOS 放大器时,需注意以下问题：
分析过程中,压控电流源的控制电压与电流源两端电压相等时,压控电流源可用等效电阻置换 。
无论是 CMOS 放大器还是 NMOS 放大器,只要采用场效应管作有源电阻,则其电流流向必须与放大管电流流向一致 。
分析得知：共源 CMOS 放大器的 Av > E/DMOS 的
Av > E/EMOS 的 Av。
第 4 章 放大器基础
