差分放大器具有抑制零点漂移的作用,广泛用于集成电路的输入级,是另一类基本放大器 。
4.4 差分放大器
4.4.1 电路结构
由两完全对称的共发电路,经射极电阻 REE 耦合而成 。
T1
+
-
+ -
VCC
REEvi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
T1
+
-
+
-
VCC
REEvi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
采用正负双电源供电,VCC = |VEE|。
具有两种输出方式：双端输出,单端输出 。
第 4 章 放大器基础
T1
+
-
+ -
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
由于电路采用正负双电源供电,则 VBQ1 = VBQ2? 0
估算电路 Q 点
T1
VCC
REE
VEE
RC RC
T2
IEE
ICQ1 ICQ2
令 vi1 = vi2 = 0,画出电路直流通路 。
,2EEC Q 2C Q 1 III
,
EE
EEB E ( o n )
EE R
VVI因此
CC Q 1CCC Q 2C Q 1 RIVVV
第 4 章 放大器基础
差模信号 和共模信号
4.4.2 电路性能特点
差模信号：指大小相等、极性相反的信号。
表示为 vi1 =?vi2 = vid / 2
差模输入电压 vid = vi1? vi2
共模信号：指大小相等、极性相同的信号。
表示为 vi1 = vi2 = vic
共模输入电压 vic = (vi1 + vi2 ) / 2
任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。
vi1 = vic+ vid / 2
vi1 = vic? vid / 2即第 4 章 放大器基础
差放半电路分析法因电路两边完全对称,因此差放分析的关键,就是如何在差模输入与共模输入时,分别画出 半电路交流通路 。 在此基础上分析电路各项性能指标 。
分析步骤：
差模分析画半电路差模交流通路? 计算 Avd,Rid,Rod 。
共模分析画半电路共模交流通路? 计算 Avc,KCMR,Ric 。
根据需要计算输出电压双端输出,计算 vo 。
单端输出,计算 vo1,vo2 。
第 4 章 放大器基础
差模性能分析
T1
+
-
+ -
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
双端输出电路
REE 对差模视为短路 。
iC2 = ICQ - iC
iC1 = ICQ + iC因
IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ(不变 )故
RL 中点视为交流地电位,
即每管负载为 RL / 2 。
直流电源短路接地 。
1)半电路差模交流通路注意,关键在于对公共器件的处理 。
第 4 章 放大器基础
RC
+
-
vod1+
-
vid1 RL
2
T1
半电路差模交流通路
2)差模性能指标分析
i
id
id i
vR?
差模输入电阻
eb1i 22 rR
i
i d 2i d 1
i
vv
i
id12
i
v?
差模输出电阻 C1ood 22 RRR
差模电压增益
id
od
d v
vA
v?
i d 2i d 1
o d 2o d 1
vv
vv
id1
od1
2
2
v
v?
1vA?
eb
L
C )2//(
r
RR?
注意,电路采用了成倍元件,但电压增益并没有得到提高 。
第 4 章 放大器基础半电路差模交流通路
RC
+
-
vod1+
-
vid1 RL
2
T1ii
单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
T1
+
-
+
-
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
i
id
id i
vR?
eb1i 22 rR
不变
C1o1od RRR
id
o d 1
d1 v
vA
v?
id1
od1
2v
v?
2
1vA?
eb
LC )//(
2
1
r RR?
减小减小d2vA
第 4 章 放大器基础
RC
+
-
vod1= vod+
-
vid1 RL
T1i
i
半电路差模交流通路
共模性能分析
T1
+
-
+ -
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
双端输出电路
每管发射极接 2REE。
iC2 = ICQ +
iC
iC1 = ICQ + iC因
IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ+ 2iC则
RL 对共模视为开路 。
直流电源短路接地 。
1)半电路共模交流通路因此 REE 上的共模电压,2iC REE
因此流过 RL 的共模电流为 0。
第 4 章 放大器基础半电路共模交流通路
RC
+
-
voc1+
-
vic1= vic
T1
2REE
2)共模性能指标分析
i
ic
ic i
vR?
共模输入电阻
1iR?
i
ic1
i
v?
共模输出电阻
共模电压增益
ic
oc
d v
vA
v?
ic
o c 2o c 1
v
vv 0?
电路特点
)1(2 EEeb Rr
无意义双端输出电路利用对称性抑制共模信号。
利用对称性抑制共模信号 (温漂 )原理：
C Q 2C Q 1 IIT
0)( C Q 2C Q 1O VVV
)( CC Q 1CCC Q 2C Q 1 RIVVV
第 4 章 放大器基础半电路共模交流通路
RC
+
-
voc1+
-
vic1= vic
T1
2REE
单端输出电路
T1
+
-
+
-
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
i
ic
ic i
vR?
1iR? )1(2 EEeb Rr 不变
C1o1oc RRR
ic
oc
c1 v
vA
v? 1vA?
EE
L
EEeb
LC
2)1(2
)//(
R
R
Rr
RR
c2vA?
第 4 章 放大器基础半电路共模交流通路
RC
+
-
voc1=voc+
-
vic1=
vic
T1
2REE
RL
单端输出电路特点单端输出电路利用 REE 的负反馈作用抑制共模信号。
利用 REE 抑制共模信号原理：
CQIT EQV BQI )( EQBQB E Q VVV
T1
+
-
+
-
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
CQI
一般射极电阻 REE 取值较大
EE
L
c1 2 R
RA
v
因此 很小。
结论 无论电路采用何种输出方式,差放都具有放大差模信号,抑制共模信号的能力 。
第 4 章 放大器基础差放性能指标归纳总结
Rid 与电路输入、输出方式无关。
Rod 仅与电路输出方式有关。
Avd 仅与电路输出方式有关。
Avc仅与电路输出方式有关。
eb1id 22 rRR i
双端输出,22
C1ood RRR
单端输出
C1oo d 1 RRR
双端输出,
eb
L
1d
r
RAA
vv
单端输出,
2 eb
L
d2d1
r
RAA
vv
双端输出 0
ic
oc
v
vA
vc
单端输出
1
ic
o c 1
c2c1 vvv Av
vAA
EE
L
2 R
R
)2///( LCL RRR其中
LCL // RRR
其中第 4 章 放大器基础
共模抑制比
KCMR 是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力的一项重要指标,其值越大越好 。
定义
c
d
C M R
v
v
A
AK
c
d
C M R
v
v
A
AK?
双端输出电路单端输出电路
c1
d1
C M R
v
v
A
AK?
EEm
eb
EE Rg
r
R
提高 IEE(即增大 gm),增大 REE 提高 KCMR
第 4 章 放大器基础普通差放存在的问题：
采用恒流源的差分放大器
REE?
KCMR抑制零点漂移能力?
但 IEE Q 点降低?输出动态范围?
T1
VCC
vi1
vo
VEE
vi2
RC RC
T2
R1
R2R3
T3
3
3B E ( o n )EE
21
2
EE
)(
R
VV
RR
R
I
ebid 2 rR Co d2 RR?
eb
C
d2 2
rRA v?
o3
C
2c 2 R
RA
v
)//1(
21e3b3
33
ce3o3 RRrR
RrR
其中
2/EE2CQ1CQ III
o3mC M R RgK? 很大第 4 章 放大器基础
双端输出时
单端输出时
任意输入时,输出信号的计算
idd2o1oo vAvvv v
i2i1id vvv其中
idd1icc1o d 1o c 11o vAvAvvv vv
idd2icc2o d 2o c 22o vAvAvvv vv
其中
i2i1id vvv2 i2i1ic
vvv
eb
L
C
d
)
2
//(
r
RR
A v
eb
LC
d2d1 2
)//(
r RRAA vv?c2c1 vv AA?
EE
LC
2
//
R
RR
第 4 章 放大器基础例,图示电路，已知? = 100,vi = 20sin?t (mV)，求 vo 。
解：
T1
VCC
REE
vi
vo
VEE
RC R
C
T2R
L
22.6 k?
10 k?
10 k?
(12 V)
(-12 V)
(1)分析 Q 点
mA 25.02/EEC Q 2C Q 1 III
mA 5.0/)( EEEEB E ( o n )EE RVVI
(2)分析 Avd2,Avc2
252 )//(
eb
LC
d2
r
RRA
v
11.0
2
//
EE
LC
2c R
RRA
v
由于
k 4.10
26)1(
1CQ
eb Ir?
则
(3)计算 vo
ii2i1id vvvv 2/2/)( ii2i1ic vvvv由于则 ( m V ) s i n479idd2icc2o2o tvAvAvv vv
第 4 章 放大器基础
4.4.3 电路两边不对称对性能的影响实际差分放大器,电路不可能做到完全对称：
双端输出时的 KCMR
T1,T2 两管集电极电阻 RC 不相等或 T1,T2 两管的? 及 VBE(on)不对称例如产生运算误差理想情况 o d 2o d 1 vv
实际情况 2/d)o ( dc)o ( do d 1 vvv
2/d)o ( dc)o ( do d 2 vvv
o c2o c1 vv cdCM R / vv AAK
2/d)o ( cc)o ( co c 1 vvv
2/d)o ( cc)o ( co c 2 vvv
由于 o d 1o c 11o vvv o d 2o c 22o vvv
icd)c(idd)d(d)c(od)d(o2o1oo vAvAvvvvv vv则
d)c(d)d(C M R / vv AAK
因此第 4 章 放大器基础由两管参数不对称 (如 VBE(on),IS,RC 不等 )引起失调 。
失调及其温漂
输入失调电压 VIO
T1
T2
实际差放
+
-
VO? 0零输入时等效为 理想差放
+
-
VOVIO
+
-
从等效的观点看：
VIO 就是使 VO = 0 时，在实际差放输入端所加的补偿电压。
dOIO / vAVV?失调电压
VIO 产生原因：
第 4 章 放大器基础两管? 不等,造成 ICQ1? ICQ2
输入失调电流 IIO
从等效的观点看：
IIO 就是使 ICQ1 = ICQ2 时,在实际差放输入端所加的补尝电流 。
B Q 2B Q 1IO III
失调电流
IIO 产生原因：
T1
VCC
REE
VEE
RC RC
T2
RS RS
IBQ1 IBQ2若取
2
)( B Q 2B Q 1
B
III
则 2
IO
BB Q 1
III
2
IO
BB Q 2
III
第 4 章 放大器基础
失调模型总输入失调电压
SIOIOIO RIVV
当 RS 较大时：
当 RS 较小时：
失调以 IIO为主，为减小 VIO?,应选 IIO 小的差放。
失调以 VIO 为主，为减小 VIO?，应选 VIO 小的差放；
第 4 章 放大器基础
T1
T2
- +
IB
IB
IIO
2
IIO
2
VIO
RS
RS
调零电路
T1
VCC
REE
VEE
RC RC
T2
RS RS
+ -V
O
RW
(发射极调零电路 )
T1
VCC
REE
RC RC
T2
RS RS
VEE
+ -V
O
RW
(集电极调零电路 )
调节电位器 RW,改变两端发射极电位或集电极电阻,使静态工作时双端输出电压减小到零 。
第 4 章 放大器基础
VIO 和 IIO 的温漂若环境温度、电源电压等外界因素变化：
三极管参数变化 VIO 和 IIO 变化 。
其中温度变化引起的温漂最大。
可以证明：
IO
IO V
T
V?
IO
IO I
T
I?
注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。
MOS 差放的失调因 IG? 0 IOSIOIOIO VRIVV则 (mV 量级 )
由两管参数 (如 W/l,VGS(th))及 RD 不匹配引起失调 。
VIO 产生原因：
注意,MOS 管差放的 VIO >> 三极管差放的 VIO 。
第 4 章 放大器基础
4.4.4 差模传输特性完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性 。
双极型差放的差模传输特性
T1
VCC
IEE
VEE
RC RC
T2
iC1 iC2
+
-
vID
假设电路对称 121
T
BE1
eSC1 V
v
Ii?
T
BE2
eSC2 V
v
Ii?
C2C1EE iiI
B E 2B E 1ID vvv
则
TID /
EE
C2 e1 Vv
Ii
TID /
EE
C1 e1 Vv
Ii
得 )2(th
T
ID
EEC2C1 V
vIii
第 4 章 放大器基础差模传输特性曲线
1
O
iC/IEE
vID/VT
0.5 Q
iC1/IEEiC2/IEE
O
iC1- iC2
vID/VT
IEE
-IEE
可以证明：
当 | vID |? 26 mV 时,差放线性工作 (单管电路 vI < 2.6 mV)。
|vID | > 100 mV 后,一管截止,另一管导通,差放非线性工作 。
说明,若在两管发射极上串联电阻 RE,则利用 RE 的负反馈作用,可扩展线性范围 。
RE线性范围? 但 Avd?
第 4 章 放大器基础
最大差模输入电压范围：
最大共模输入电压范围：
受 VBR(BEO) 限制的最大差模输入电压。
T1
VCC
vi1
vo
VEE
vi2
RC RC
T2
R1
R2R3
T3
保证 T1,T2,T3 管工作在放大区,所对应的最大共模输入电压 。
B E ( o n ) 1C E ( s a t ) 1CCCCIC VVRIVv
要保证 T1,T2 管放大区工作：
B E ( o n ) 1C E ( s a t ) 33E3EEIC VVRIVv
要保证 T3 管放大区工作：
第 4 章 放大器基础
MOS 差放 -差模传输特性假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：
2
G S ( t h )G S Q
ID
G S ( t h )G S Q
IDSSSS
D1 4
11
22?
VV
v
VV
vIIi得
T1
VDD
ISS
VSS
RD RD
T2
iD1 iD2
vI1 vI2
2
G S ( t h )G S 1OXnD1 )(2 VVl
WCi
D2D1SS iiI
G S 2G S 1ID vvv
2
G S ( t h )G S 2OXnD2 )(2 VVl
WCi
2
G S ( t h )G S Q
ID
G S ( t h )G S Q
IDSSSS
D2 4
11
22?
VV
v
VV
vIIi
第 4 章 放大器基础可以证明：
当 | vID | << 2(VGSQ? VGS(th) )
时,MOS差放线性工作 。
2
G S ( t h )G S Q
ID
G S ( t h )G S Q
ID
SSD2D1 4
11
VV
v
VV
vIii
差模传输特性曲线
O
iD1- iD2
vID
ISS
-ISS
-v?ID
v?IDMOS 差放进入非线性限幅区 。
与双极型差放不同：
l WCVI 2,,OXnG S QSS?线性范围与非限幅范围?
一般,MOS 差放的线性与非限幅范围 均比双极型差放大。
时，当 )(2|| ( t h )GSG S QID VVv
第 4 章 放大器基础
4.5 电流源电路及其应用
直流状态工作时,可提供恒定的输出电流 I0。
交流工作时,具有很高输出电阻 Ro,可作有源负载使用 。
+
-
VQ+v
RiB恒定
iC 外电路
(电流源电路 )
+
-
VQ
R
电流源
I0
(直流状态 )
+
-
R
电流源
Ro v
(交流状态 )
电流源电路特点：
对电流源电路要求：
直流状态工作时,要求 I0 精度高,热稳定性好 。
交流状态工作时，要求 Ro 大 (理想情况 Ro)。
利用 iB 恒定时,iC接近恒流特性而构成 。 电流源电路原理：
第 4 章 放大器基础
4.5.1 镜像电流源电路假设 T1,T2 两管严格配对，
基本镜像电流源
T1
VCC
iC1
R
T2
IR
iC2 = I0
由于 vBE1 = vBE2
根据,e TBESC VvIi?
C2C1 ii?得知因此，称 iC2 是 iC1 的镜像。
参考电流
R
VVI B E ( o n )CC
R
由于 )21(2
C1B1C1R iiiI )
21(
C2 i
第 4 章 放大器基础因此?/21 RC20
IiI
IR (?>> 2)
当温度变化时，由于?、
VBE(on) 的影响,I0热稳定性降低。
IO 精度及热稳定性由 当? 较小时,I0 与 IR 之间不满足严格的镜像关系,I0精度降低 。
输出电阻 RO
由
R
VVI B E ( o n )CC
R
得知，
当考虑基宽调制效应时,根据 )/1(e
ACESC T
BE
VvIi V
v
VA 除了降低 I0 精度外，还造成 Ro 较小,I0 恒流特性变差。
RO = rce2
第 4 章 放大器基础得知,?/21 R0
II
则
B E ( on )A
C E Q 2AR
0 /21 VV
VVII
得
B E ( on )A
C E Q 2A
C1C2 VV
VVii
减小? 影响的 镜像电流源
T1
VCC
iC1
R
T2
IR
IOi
RE
T3
结构特点
T1 管 c,b 之间插入一射随器 T3。
电路优点减小分流 i,提高 I0 作为 IR 镜像的精度 。
由图
1
2 B1
C1C1R
iiiiI
])1( 21[0 I
R2
2
0 2 II
整理得 式中
R
VVI B E ( o n )CC
R
2
输出电阻 Ro = rce2
第 4 章 放大器基础
比例式镜像电流源
T1
VCC
iE1
R
T2
IR
IO
R1 R2
iE2
结构特点两管射极串接不同阻值的电阻。
电路优点
Rｏ 增大,I０ 恒流特性得到改善。
)//1(
1e2b2
22
c e 2o RRrR
RrR
由
(?较大 )
2E2B E 21E1B E 1 RivRiv
)/l n ( C2C1TB E 2B E 1 iiVvv
RC1E1 Iii
0C2E2 Iii (?较大 )
得 )/l n ()/(/ 0R2T21R0 IIRVRRII
当 )/l n ( 0RT1R IIVRI时，
得 21R0 / RRII?
式中
1
B E ( o n )CC
R RR
VVI
第 4 章 放大器基础
微电流源
T1
VCC
R
T2
IR
IO
R2
iE2
令比例镜像电流源中的 R1 = 0 。
由 )/l n ()/(/ 0R2T21R0 IIRVRRII
式中
R
VVI B E ( o n )CC
R
根据集成工艺的要求,电阻 R 不易做太大,故前述电流源的 I0 只能做到 mA 量级 。
)/l n ()/( 0R2T0 IIRVI?得
)1(
e2b2
22
c e 2o
rR RrR?输出电阻电路优点,可提供?A 量级的电流，且 Ro 大，精度高。
第 4 章 放大器基础
MOS 镜像电流源
MOS 镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似,
只是原参考支路中的电阻 R 被有源电阻 T3 取代 。
T1
VCC
T2
IR
IOT3
VSS
若 T1 T2 性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为 (W/l )1,(W/l )2
根据
2G S ( t h )GSOXnD ))((2 VVlWCi
0D2D1R IiiI
D S 1D S 3SSDD vvVV
G S 1D S 1 vv? G S 3D S 3 vv?，
得 R120 )/(
)/( I
lW
lWI?
2
G S ( t h )G S 1SSDD
G S ( t h )G S 1
1
3 )(
)/(
)/(
VvVV
Vv
lW
lW
2
G S ( t h )G S 11OXnR )()(2 Vvl
WCI其中第 4 章 放大器基础
4.5.3 有源负载差分放大器
T1,T2 构成的镜像电流源代替 RC4 。 T1
VCC
iC3
T2
vi1
T3 T
4I
EE
VEE
iO
iC4
iC2
vi2
电路组成：
T3,T4 构成双端输入单端输出差放。
电路特点：
由镜像电流源知 C3C2 ii?
当差模输入时
C3C4 ii
则差模输出电流
C3C4C2o 2 iiii
当共模输入时 C3C4 ii?
则共模输出电流 0
C4C2o iii
第 4 章 放大器基础
T1
VCC
iC3
T2
vi1
T3 T
4I
EE
VEE
iO
iC4
iC2
vi2? 性能分析：
结论：
该电路不仅具有放大差模,抑制共模的能力,在单端输出时,还获得双端输出的增益 。
2/EEC Q 4C Q 3C Q 2C Q 1 IIIII由于则 TCQm4m3m2m1 / VIgggg
)//( ce4ce2m4Lm4d rrgRgA v差模增益差模输入电阻 ebe4be3bid 2)(2 rrrR
差模输出电阻
c e 4c e 2o // rrR?
第 4 章 放大器基础
4.6 集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。
集成运放性能特点
Av 很大,(104 ~ 107 或 80 ~ 140 dB)
Ri 很大,(几 k? ~ 105 M?)
Ro 很小,(几十?)
静态输入、输出电位均为零。
集成运放电路符号反相输入端同相输入端输出端v-
v+
vo
+
-
第 4 章 放大器基础
集成运放电路组成由于实际电路较复杂,因此读图时,应根据电路组成,把整个电路划分成若干基本单元进行分析 。
输入级 中间增益级 输出级偏置电路采用改进型差分放大器采用 1 ~ 2 级共发电路采用射随器或互补对称放大器采用电流源第 4 章 放大器基础
F007 集成运放内部电路输入级组成：
由 T1,T3 和 T2,T4 组成的共集 —
共基组合电路构成双入单出差放 。
T5,T6,T7 组成的改进型镜像电流源作 T4 管的有源负载 。
T8,T9 组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻 REE。
输入级特点：
改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。
中间级组成：
T17 构成共发放大器 。
T13B,T12 组成的镜像电流源作有源负载,代替集电极电阻 RC。
电路特点：
中间级是提供增益的主体,采用有源负载后,
电压增益很高 。
隔离级,
T16 管构成的射随器作为隔离级,利用其高输入阻抗的特点,提高输入级放大倍数 。
输出级组成：
T14 与 T20 组成甲乙类互补对称放大器 。 该放大器采用两个射随器组合而成 。
电路特点：
输出电压大,输出电阻小,带负载能力强 。
过载保护电路,
T15,R6 保护 T14管,T21,T22、
T24,R7 保护 T20 管 。
正常情况保护电路不工作,只有过载时,保护电路才启动 。
隔离级,
T23A 管构成的有源负载射随器作为 隔离级,可提高中间级电压增益 。
T13A 与 T12 组成的镜像电流源作有源负载,代替 T23A 的发射极电阻 RE。
偏置电路,
偏置电路一般包含在各级电路中,采用多路偏置的形式 。
T10,T11构成微电流源,作为整个集成运放的主偏置 。
电平位移电路,
输入级共集 —共基组合电路中,采用极性相反的 NPN
与 PNP 管进行电平位移 。 不专门另设电平位移电路 。
将上述单元电路功能综合起来可见,F007 是实现高增益放大功能的一种集成器件 。
它具有高 Ri,低 Ro,高 Av,高 KCMR,零输入时零输出等特点,是一种较理想的电压放大器件 。
第 4 章 放大器基础
4.7 放大器的频率响应从系统的观点看，小信号放大器为线性时不变系统。
传递函数和极零点
4.7.1 复频域分析法输入激励信号 x(t)
输出激励信号 y(t)若设拉氏变换 X(s)
Y(s)
0
1
1
n
0
1
1
)(
)()(
asasa
bsbsb
sX
sYsA
n
nn
m
m
m
m
在初始条件为零时，定义系统的传递函数：
)())((
)())((
21
21
0
n
m
pspsps
zszszsH
(m? n)
式中：标尺因子 H0 = bm/an,z 为零点,p 为极点。
第 4 章 放大器基础
在可实现的稳定有源线性系统中,分母多项式各系数 恒为正实数,极点必为负实数或实部为负值 的共轭复数 。
零点可以是负实数或实部为负值的共轭复数；也 可以是正实数或实部为正值的共轭复数 。
在仅含容性电抗元件的系统中：
只要不出现由电容构成的闭合回路,则极点 数 = 电容 数 。
若出现闭合回路,则极点 数 = 独立 电容数 。
C1
C2
C3 图示闭合回路，极点数 = 2
说明第 4 章 放大器基础
1)写出电路传递函数表达式 A(s)
频率响应分析步骤复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：
)1()1)(1(
)(
21
I
np
s
p
s
p
s
AsA
2)令 s = j?,写出频率特性表达式 A(j?)
设极点均为负实数 (p = -?p )，则
)j1()j1)(j1(
)j(
p2p1p
I
n
AA
4)确定上,下限角频率
3)绘制渐近波特图第 4 章 放大器基础
RC 低通电路频率响应
C
R+
-
+
-
vi(t) vo(t)
由图,传递函数表达式,
pi
o
/1
1
)(1
)/(1
)(
)()(
ssCR
sC
sV
sVsA
v
RC时间常数式中 /1P?,
令 s = j?，则频率特性表达式：
Pj1
1)j(
vA
幅值：
2
P )(1
1)(
vA
2P
dB )(1lg20)(vA
或相角,)a r c t a n ()(
PA
第 4 章 放大器基础
O?p0.1?p 10?p
Av(? )/dB
-20
-3
O?p0.1?p 10?p
A(?)
- 45?
- 90?
- 5.7?
绘制渐近波特图,
2P
dB )(1lg20)(vA
)a r c t a n ()( PA
根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：
幅频
<<?p 时,dB 0)(
dBvA
>>?p 时，
P
dB lg20)(?
vA
=?p 时,dB 3)(
dBvA
相频
oA 0)( < 0.1?p 时，
> 10?p 时,oA 90)(
=?p 时,oA 45)(
-20 dB/10 倍频
-45?/10 倍频第 4 章 放大器基础
确定上限角频率：
O?p0.1?p 10?p
Av(? )/dB
-20
O?p0.1?p 10?p
A(?)
- 45?
- 90?
-20 dB/10 倍频
-45?/10 倍频归纳一阶因子 渐近波特图画法：
幅频渐近波特图：
Pj1
1)j(
vA
已知自 0 dB水平线出发,经
p 转折成斜率为 (–20 dB/10
倍频 )的直线 。
相频渐近波特图：
自 0? 水平线出发,经
0.1?p 处转折,斜率为 (–45?/
10 倍频 ),再经 10?p 处转折为 -90?的水平线 。
dB3)(1lg20)( 2pdBvA因? =?p 时，
H =?p
第 4 章 放大器基础
RC 高通电路频率响应
由图,传递函数表达式,
ssCR
R
sV
sVsA
v /1
1
)(1)(
)()(
pi
o
RC时间常数式中 /1P?,
令 s = j?，则频率特性表达式：
Pj1
1)j(
vA
幅值,2
PdB )(1lg20)(vA
相角,)a r c t a n ()(
PA
C
R
+
-
+
-
vi(t) vo(t)
下限角频率：
dB 3)(1lg20)( 2PdBvA因? =?p 时，
L =?p
第 4 章 放大器基础
O?
p0.1?p 10?
p
A(?)
45?
90?
绘制渐近波特图,
2P
dB )(1lg20)(vA
)a r c t a n ()( PA
根据 画出幅频波特图画出相频波特图
O?p0.1?p 10?p
Av(? )/dB
-20 20 dB/十倍频
-45?/十倍频
幅频渐近波特图：
>?p,0 dB 水平线；
<?p,斜率为 (20dB/十倍频 )的直线 。
相频渐近波特图：
< 0.1?p,90?的水平线 。
0.1?p <? < 10?p：
斜率为 (–45?/十倍频 )的直线 。
> 10?p,0?水平线 。
第 4 章 放大器基础
多极点系统 频率响应
利用 RC 低通电路分析结果，得传递函数表达式,
)/1)(/1)(/1()( p3p2p1
I
sss
AsA v
v
式中
11
P1
1
CR
C1
R1
+
-
+
-
vi voAv1 C2
R2
Av2 C3
R3
Av3
如图所示的三级理想电压放大器,Ri,Ro? 0。
试画渐近波特图，并求?H 。 已知 R1 C1 > R2 C2 > R3 C3 。
22
P2
1
CR 33P3
1
CR
321I vvvv AAAA
第 4 章 放大器基础
频率特性表达式：
2
P3
2
P2
2
P1
IdB )(1lg20)(1lg20)(1lg20lg20)(?
vv AA
P3P2P1A /a r c t a n/a r c t a n/a r c t a n)(
)/j1)(/j1)(/j1()( p3p2p1
I
v
v
AsA
幅频及相频表达式,均为单阶因子波特图的叠加。
假设 dB 60
I?vA P1P2P3 10010
O
p20.1?p1 10?p3
A(?)
- 90?
p1?p3
- 180?
- 270?
O?
p2?p1?p3
Av(? )/dB
20
40
60
-20
-20 dB/10 倍频
-40 dB/十倍频
-60 dB/十倍频
-45?/ 10 倍频
-90?/十倍频
-45?/十倍频第 4 章 放大器基础归纳 多极点系统渐近波特图画法：
幅频渐近波特图：
自中频增益 AvI(dB)的水平线出发,经?pn 转折成斜率为 (–20 dB/十倍频 )的直线 。
相频渐近波特图：
自 0?水平线出发,经 0.1?p1 处开始转折,斜率为：
(– 45?/十倍频 )乘以 (单阶因子重叠的段数 )，
再经 10?pn,转折成 - 90?的折线 。
)/j1)(/j1)(/j1()j( p3p2p1
I
v
v
AA已知第 4 章 放大器基础
确定上限角频率：
根据定义，当? =?H 时：
2])(1[])(1][)(1[)(
I
2
P3H
2
P2H
2
P1H
I
H
vv
v
AAA?
即 2])(1[])(1][)(1[ 2
P3H2P2H2P1H
整理并忽略高阶小量得到上限角频率为
2
3P
2
2P
2
1P
H /1/1/1
1
若?p2? 4?p1,则称?p1 为主极点,?p2,?p3为非主极点 。
p1H
上限角频率取决于主极点角频率：
第 4 章 放大器基础高频工作,考虑三极管极间电容影响时,
为频率的复函数 。
三极管频率特性参数
0)(b
c
ce
)(
)()(
sVsI
sIs?
rbb?
rb?e rceC
b?e
Cb?c
gmVb?e(s)
b?
e
b c
Ib(s) Ic(s)
根据定义经推导得
β
/j1)j(
H
cbebeb )(
1
CCrβ
其中
指?(?)下降到中频? 的 0.707 倍时对应的角频率。
共发电路截止角频率
第 4 章 放大器基础
(?)
2/?
O
当? =?T 时
T2T
T )/(1)(?
β
β
因此?T =
指?(?) 下降到 1 时,
对应的角频率 。
特征角频率?T
根据?T >>
T 是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。
2)/(1
)(
β
及
1?
第 4 章 放大器基础
T
1
(?)
2/?
O
指?(?)下降到中频? 的 0.707 倍时对应的角频率。
共基电路截止角频率
>?T >>
根据
)j(1
)j()j(
β
/j1)j(
及整理得
α
/j1)j( β )1(其中三个频率参数中应用最广,最具代表性的是特征角频率?T。 通常,?T 越高,三极管高频性能越好,构成的放大器上限频率越高 。
第 4 章 放大器基础设原四端网络传递函数：
密勒定理
4.7.2 共发放大器的频率响应网络+
-
+
-
V1(s) V2(s)
Y (s)
网络+
-
+
-
V1(s) V2(s)
Y1 (s) Y2 (s)
)(/)()( 12 sVsVsA?
密勒定理 等效后,)](1)[(
)(
1)(
1
1 sAsYsZsY
])(11)[()(1)(
2
2 sAsYsZsY
第 4 章 放大器基础
单向化 近似高频等效电路
rbb?
rb?e
rce
Cb?e
Cb?c
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
RC RL
+
-Vs(s)
e
cIc(s)
cboebebmc )]()([)()( sCsVsVsVgsI
)//)(()( ceLco rRsIsV
由 等效 电路
cbL
Lmcb
eb
o
1
)(
)(
)()(
CRs
RgsC
sV
sVsA整理得
cbm Cg?
)/(1 cbL CR?
单向化 近似条件 Lm)( RgsA则第 4 章 放大器基础共发交流通路
RC
+
-
vo
+
-vs
RLRS
+
-
vi
共发高频等效电路及密勒近似密勒 等效
rbb?
rb?e Cb?e g
mVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-
Vs(s)
Y1 (s) Y2 (s)
高频等效电路
rbb?
rb?e
rce
Cb?e
Cb?c
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
RC RL
+
-Vs(s)
e
c )](1[)(
cb1 sAsCsY
])(11[)( cb2 sAsCsY
]1[ Lmcb RgsC
M1sC?
cbLmM1 CRgC
]11[
Lm
cb RgsC
cbM2 CC
M2sC?
第 4 章 放大器基础
rbb?
rb?e Cb?e g
mVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-
Vs(s)
CM1 CM2
简化等效电路中,ebbbst //)( rrRR
ebcbLm /1 CCRgD
ebM1ebt CDCCC
密勒效应倍增因子,
cbLT1 CR?
Ct
gmVb?e(s)
b?Rt
+
-
R?L
+
-
)(s sV? )(
o sV
P
sI
s
o
s /1)(
)()(
s
A
sV
sVsA v
v
ebbbs
L
sI
rrR
RA
v
由简化等效电路得式中
tt
pH
1
CR
共发电路频率响应第 4 章 放大器基础
共发电路增益带宽积 GBW
定义
HsI fAGB W v
ttebbbs
L
2
1
CRrrR
R
bbs
LT
2
rR
R
D
cbT1 CRD L?
其中
1)选 rbb? 小,Cb?c 小,?T 高的三极管?使 GBW?。
若 D? 1，则?HT,此时上限角频率最高。
2)管子选定后
采用恒压源 (RS? 0)激励：
DrR
rrR
CR
T
bbs
ebbbs
tt
H )(
1?
Dr
r
Dr
r T
bb
eT
bb
eb
采用恒流源 (RS)激励,DD β //TH
D?1 时,?H，上限频率降低。
3)RL DH?，但 AvsI?。需兼顾两者。
第 4 章 放大器基础提高共发电路上限频率的方法：
在电路输入端采用低阻节点 (即 RS 小 )。
在电路输出端也采用低阻节点 (即 RL?小 )。
此时,共发电路上限角频率?H 最高,且接近管子特征角频率?T。
第 4 章 放大器基础
共集放大器
4.7.3 共集和共基放大器的频率响应高频等效电路
rbb? rb?e
rce
Cb?eCb?c
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
RE RL
+
-Vs(s)
e
c
)()/(1 bbScb rRC?由于简化等效电路
rbb? rb?e
Cb?e
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
- R?L
+
-
Vs(s)
e
Ib(s)
因此,Cb?c 可忽略不计。
令 RL? = rce// RE // RL
第 4 章 放大器基础共集交流通路
RE
+
-
vo+
-vs RL
RS
共集简化等效电路
rbb? rb?e
Cb?e
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
- R?L
+
-
Vs(s)
e
Ib(s)
由简化等效电路：
式中
p
Z
sI
s
o
s 1
1
)(
)()(
s
sA
sV
sVsA
vv?
1)1()1(
LebbbS
L
sI
RrrR
RA
v?
TZ零点角频率,极点角频率,)/(1 ebtP CR?
Lm
bbsL
ebt 1// Rg
rRRrR
并联在 Cb?e 两端的总电阻采用恒压源 (RS? 0)激励：
Lbbs
TL
P RrR
R
T
共集电路输入为低阻节点 (RS 小 )时，上限 角频率?H。
考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在?T /3 以下。
第 4 章 放大器基础
共基放大器由图 )]/1//([)]()([)(
ebebbemebe sCrsVgsIsV
高频等效电路 (忽略 rbb?,rce)
rb?e Cb?e Cb?c
gmVeb?(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-Vs(s)
e cIe(s)
整理得 )]/1//([)()(
ebeebe sCrsIsV
)]/1//([)()( ebeembem sCrsIgsVg
)()(/1)( ee ssIssI
α
受控源
)/(1 ebe Crα?其中共基交流通路
+
-
vo+
-vs
RS
RC RLre b?e Cb?c
(s) Ie (s)
b?
Vo(s)
S
+
-
R?L
+
-Vs(s)
e cIe(s)
共基简化等效电路第 4 章 放大器基础由简化等效电路：
式中
αCrCrR
ebeebes
P1
1
)//(
1
共基电路输出为低阻节点 (RL?小 )时，上限角频率?H
re Cb?e Cb?c
(s) Ie (s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-Vs(s)
e cIe(s)
共基简化等效电路
)1)(1()( p2p1
sI
s ss
AsA v
v
eS
L
sI rR
RA
v?
cbL
P2
1
CR?
由于 Cb?c 很小，因此当 RL? 较小时,?p2 >>?p1
由主极点概念,?HP1
结论,三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。
第 4 章 放大器基础电子设备中,为改善电路频率响应,常要求放大器具有很高的上限频率 (几 MHz ~ 几千 MHz)。
4.7.4 宽带放大器扩展上限频率的方法：
改进集成工艺，通过提高管子特征频率 fT 扩展 fH。
在放大电路中引入负反馈扩展上限频率 fH。
利用电流模技术扩展上限频率 fH。
利用组合电路扩展上限频率 fH。
第 4 章 放大器基础
组合电路宽带放大器
共发 —共基组合电路三种组态中,共发电路上限频率最低,因此,组合电路上限频率主要由共发电路决定 。 为扩展整个电路上限频率,应设法使共发电路的输入,输出为低阻节点 。
共集 —共发组合电路由于共基电路 Ri2 小，
因此扩展了上限频率。
则共发电路具有低阻输出节点，
由于共集电路 Ro1 小，
因此扩展了上限频率。
则共发电路具有低阻输入节点，
第 4 章 放大器基础
+
-
RL
+
-
RS T1
T2
Vs(s)
Vo(s)
Vs(s) + -
RL
+
-
RS T1
T2
Vo(s)
CA3040 集成 宽带放大器：
共集 -共发 -共基组合电路差放恒流偏置
T7,T8 射随器作输出级
Av = 30 dB,fH = 55 MHz
T1
VCC
vi1
VEE
vi2 R5T4
T2
T3
T5
T6 vo1 vo2
R6
T7 T8
R7
R8R9
R2R
1 T9
R3 R4
第 4 章 放大器基础
电流放大器
跨导线性环电流放大器
C4C2C3C1 iiii
由图则 )
2()2(
odOQidIQ iIiI
)2()2( odOQidIQ iIiI
化简得
IQ
OQ
id
od
id I
I
i
iA
改变输入输出偏置电流，即可改变电流增益。
两输入节点 B1,B2 均为低阻节点,故 上限频率高。
第 4 章 放大器基础
T1 T2 T3B
1 B2
2IOQ
iC1 i
C2 iC3
iC4
二级宽带放大器
T1
iC6
VEE
T2
T16
T3
T9 R1
VCC
T10 T11 T12 T13
R2
T15T14
T4
T17T18
T5 T6
T7T8
IE IE 2IE 2IE
IN IN
IN IN
iC7
-iid/2
iid/2 iC2
iC3
T1 ~ T4
第一级
T9 ~ T13 镜像电流源
T5 ~ T8
第二级
T14 ~ T18 镜像电流源第 4 章 放大器基础
电流模电路以电压作为电路中的处理变量? 电压模电路。
两者主要区别,表现在节点阻抗电平的高低上。
电流放大器,跨导线性电路,开关电流电路,动态电流镜等 。
低阻节点上的变量：主要表现为电流量。
以电流作为电路中的处理变量? 电流模电路。
高阻节点上的变量：主要表现为电压量。
利用低节点阻抗的特点，电流模电路特点：
频带宽、速度高、动态范围大、非线性失真小。
常用的电流模电路：
第 4 章 放大器基础
4.4 差分放大器
4.4.1 电路结构
由两完全对称的共发电路,经射极电阻 REE 耦合而成 。
T1
+
-
+ -
VCC
REEvi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
T1
+
-
+
-
VCC
REEvi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
采用正负双电源供电,VCC = |VEE|。
具有两种输出方式：双端输出,单端输出 。
第 4 章 放大器基础
T1
+
-
+ -
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
由于电路采用正负双电源供电,则 VBQ1 = VBQ2? 0
估算电路 Q 点
T1
VCC
REE
VEE
RC RC
T2
IEE
ICQ1 ICQ2
令 vi1 = vi2 = 0,画出电路直流通路 。
,2EEC Q 2C Q 1 III
,
EE
EEB E ( o n )
EE R
VVI因此
CC Q 1CCC Q 2C Q 1 RIVVV
第 4 章 放大器基础
差模信号 和共模信号
4.4.2 电路性能特点
差模信号：指大小相等、极性相反的信号。
表示为 vi1 =?vi2 = vid / 2
差模输入电压 vid = vi1? vi2
共模信号：指大小相等、极性相同的信号。
表示为 vi1 = vi2 = vic
共模输入电压 vic = (vi1 + vi2 ) / 2
任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。
vi1 = vic+ vid / 2
vi1 = vic? vid / 2即第 4 章 放大器基础
差放半电路分析法因电路两边完全对称,因此差放分析的关键,就是如何在差模输入与共模输入时,分别画出 半电路交流通路 。 在此基础上分析电路各项性能指标 。
分析步骤：
差模分析画半电路差模交流通路? 计算 Avd,Rid,Rod 。
共模分析画半电路共模交流通路? 计算 Avc,KCMR,Ric 。
根据需要计算输出电压双端输出,计算 vo 。
单端输出,计算 vo1,vo2 。
第 4 章 放大器基础
差模性能分析
T1
+
-
+ -
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
双端输出电路
REE 对差模视为短路 。
iC2 = ICQ - iC
iC1 = ICQ + iC因
IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ(不变 )故
RL 中点视为交流地电位,
即每管负载为 RL / 2 。
直流电源短路接地 。
1)半电路差模交流通路注意,关键在于对公共器件的处理 。
第 4 章 放大器基础
RC
+
-
vod1+
-
vid1 RL
2
T1
半电路差模交流通路
2)差模性能指标分析
i
id
id i
vR?
差模输入电阻
eb1i 22 rR
i
i d 2i d 1
i
vv
i
id12
i
v?
差模输出电阻 C1ood 22 RRR
差模电压增益
id
od
d v
vA
v?
i d 2i d 1
o d 2o d 1
vv
vv
id1
od1
2
2
v
v?
1vA?
eb
L
C )2//(
r
RR?
注意,电路采用了成倍元件,但电压增益并没有得到提高 。
第 4 章 放大器基础半电路差模交流通路
RC
+
-
vod1+
-
vid1 RL
2
T1ii
单端输出电路与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
T1
+
-
+
-
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
i
id
id i
vR?
eb1i 22 rR
不变
C1o1od RRR
id
o d 1
d1 v
vA
v?
id1
od1
2v
v?
2
1vA?
eb
LC )//(
2
1
r RR?
减小减小d2vA
第 4 章 放大器基础
RC
+
-
vod1= vod+
-
vid1 RL
T1i
i
半电路差模交流通路
共模性能分析
T1
+
-
+ -
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
双端输出电路
每管发射极接 2REE。
iC2 = ICQ +
iC
iC1 = ICQ + iC因
IEE = iC1 + iC2 = 2ICQ+ 2iC则
RL 对共模视为开路 。
直流电源短路接地 。
1)半电路共模交流通路因此 REE 上的共模电压,2iC REE
因此流过 RL 的共模电流为 0。
第 4 章 放大器基础半电路共模交流通路
RC
+
-
voc1+
-
vic1= vic
T1
2REE
2)共模性能指标分析
i
ic
ic i
vR?
共模输入电阻
1iR?
i
ic1
i
v?
共模输出电阻
共模电压增益
ic
oc
d v
vA
v?
ic
o c 2o c 1
v
vv 0?
电路特点
)1(2 EEeb Rr
无意义双端输出电路利用对称性抑制共模信号。
利用对称性抑制共模信号 (温漂 )原理：
C Q 2C Q 1 IIT
0)( C Q 2C Q 1O VVV
)( CC Q 1CCC Q 2C Q 1 RIVVV
第 4 章 放大器基础半电路共模交流通路
RC
+
-
voc1+
-
vic1= vic
T1
2REE
单端输出电路
T1
+
-
+
-
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。
i
ic
ic i
vR?
1iR? )1(2 EEeb Rr 不变
C1o1oc RRR
ic
oc
c1 v
vA
v? 1vA?
EE
L
EEeb
LC
2)1(2
)//(
R
R
Rr
RR
c2vA?
第 4 章 放大器基础半电路共模交流通路
RC
+
-
voc1=voc+
-
vic1=
vic
T1
2REE
RL
单端输出电路特点单端输出电路利用 REE 的负反馈作用抑制共模信号。
利用 REE 抑制共模信号原理：
CQIT EQV BQI )( EQBQB E Q VVV
T1
+
-
+
-
VCC
REE
vi1
vo
VEE
+
-
vi2
RC RC
T2R
L
CQI
一般射极电阻 REE 取值较大
EE
L
c1 2 R
RA
v
因此 很小。
结论 无论电路采用何种输出方式,差放都具有放大差模信号,抑制共模信号的能力 。
第 4 章 放大器基础差放性能指标归纳总结
Rid 与电路输入、输出方式无关。
Rod 仅与电路输出方式有关。
Avd 仅与电路输出方式有关。
Avc仅与电路输出方式有关。
eb1id 22 rRR i
双端输出,22
C1ood RRR
单端输出
C1oo d 1 RRR
双端输出,
eb
L
1d
r
RAA
vv
单端输出,
2 eb
L
d2d1
r
RAA
vv
双端输出 0
ic
oc
v
vA
vc
单端输出
1
ic
o c 1
c2c1 vvv Av
vAA
EE
L
2 R
R
)2///( LCL RRR其中
LCL // RRR
其中第 4 章 放大器基础
共模抑制比
KCMR 是用来衡量差分放大器对共模信号抑制能力的一项重要指标,其值越大越好 。
定义
c
d
C M R
v
v
A
AK
c
d
C M R
v
v
A
AK?
双端输出电路单端输出电路
c1
d1
C M R
v
v
A
AK?
EEm
eb
EE Rg
r
R
提高 IEE(即增大 gm),增大 REE 提高 KCMR
第 4 章 放大器基础普通差放存在的问题：
采用恒流源的差分放大器
REE?
KCMR抑制零点漂移能力?
但 IEE Q 点降低?输出动态范围?
T1
VCC
vi1
vo
VEE
vi2
RC RC
T2
R1
R2R3
T3
3
3B E ( o n )EE
21
2
EE
)(
R
VV
RR
R
I
ebid 2 rR Co d2 RR?
eb
C
d2 2
rRA v?
o3
C
2c 2 R
RA
v
)//1(
21e3b3
33
ce3o3 RRrR
RrR
其中
2/EE2CQ1CQ III
o3mC M R RgK? 很大第 4 章 放大器基础
双端输出时
单端输出时
任意输入时,输出信号的计算
idd2o1oo vAvvv v
i2i1id vvv其中
idd1icc1o d 1o c 11o vAvAvvv vv
idd2icc2o d 2o c 22o vAvAvvv vv
其中
i2i1id vvv2 i2i1ic
vvv
eb
L
C
d
)
2
//(
r
RR
A v
eb
LC
d2d1 2
)//(
r RRAA vv?c2c1 vv AA?
EE
LC
2
//
R
RR
第 4 章 放大器基础例,图示电路，已知? = 100,vi = 20sin?t (mV)，求 vo 。
解：
T1
VCC
REE
vi
vo
VEE
RC R
C
T2R
L
22.6 k?
10 k?
10 k?
(12 V)
(-12 V)
(1)分析 Q 点
mA 25.02/EEC Q 2C Q 1 III
mA 5.0/)( EEEEB E ( o n )EE RVVI
(2)分析 Avd2,Avc2
252 )//(
eb
LC
d2
r
RRA
v
11.0
2
//
EE
LC
2c R
RRA
v
由于
k 4.10
26)1(
1CQ
eb Ir?
则
(3)计算 vo
ii2i1id vvvv 2/2/)( ii2i1ic vvvv由于则 ( m V ) s i n479idd2icc2o2o tvAvAvv vv
第 4 章 放大器基础
4.4.3 电路两边不对称对性能的影响实际差分放大器,电路不可能做到完全对称：
双端输出时的 KCMR
T1,T2 两管集电极电阻 RC 不相等或 T1,T2 两管的? 及 VBE(on)不对称例如产生运算误差理想情况 o d 2o d 1 vv
实际情况 2/d)o ( dc)o ( do d 1 vvv
2/d)o ( dc)o ( do d 2 vvv
o c2o c1 vv cdCM R / vv AAK
2/d)o ( cc)o ( co c 1 vvv
2/d)o ( cc)o ( co c 2 vvv
由于 o d 1o c 11o vvv o d 2o c 22o vvv
icd)c(idd)d(d)c(od)d(o2o1oo vAvAvvvvv vv则
d)c(d)d(C M R / vv AAK
因此第 4 章 放大器基础由两管参数不对称 (如 VBE(on),IS,RC 不等 )引起失调 。
失调及其温漂
输入失调电压 VIO
T1
T2
实际差放
+
-
VO? 0零输入时等效为 理想差放
+
-
VOVIO
+
-
从等效的观点看：
VIO 就是使 VO = 0 时，在实际差放输入端所加的补偿电压。
dOIO / vAVV?失调电压
VIO 产生原因：
第 4 章 放大器基础两管? 不等,造成 ICQ1? ICQ2
输入失调电流 IIO
从等效的观点看：
IIO 就是使 ICQ1 = ICQ2 时,在实际差放输入端所加的补尝电流 。
B Q 2B Q 1IO III
失调电流
IIO 产生原因：
T1
VCC
REE
VEE
RC RC
T2
RS RS
IBQ1 IBQ2若取
2
)( B Q 2B Q 1
B
III
则 2
IO
BB Q 1
III
2
IO
BB Q 2
III
第 4 章 放大器基础
失调模型总输入失调电压
SIOIOIO RIVV
当 RS 较大时：
当 RS 较小时：
失调以 IIO为主，为减小 VIO?,应选 IIO 小的差放。
失调以 VIO 为主，为减小 VIO?，应选 VIO 小的差放；
第 4 章 放大器基础
T1
T2
- +
IB
IB
IIO
2
IIO
2
VIO
RS
RS
调零电路
T1
VCC
REE
VEE
RC RC
T2
RS RS
+ -V
O
RW
(发射极调零电路 )
T1
VCC
REE
RC RC
T2
RS RS
VEE
+ -V
O
RW
(集电极调零电路 )
调节电位器 RW,改变两端发射极电位或集电极电阻,使静态工作时双端输出电压减小到零 。
第 4 章 放大器基础
VIO 和 IIO 的温漂若环境温度、电源电压等外界因素变化：
三极管参数变化 VIO 和 IIO 变化 。
其中温度变化引起的温漂最大。
可以证明：
IO
IO V
T
V?
IO
IO I
T
I?
注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。
MOS 差放的失调因 IG? 0 IOSIOIOIO VRIVV则 (mV 量级 )
由两管参数 (如 W/l,VGS(th))及 RD 不匹配引起失调 。
VIO 产生原因：
注意,MOS 管差放的 VIO >> 三极管差放的 VIO 。
第 4 章 放大器基础
4.4.4 差模传输特性完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性 。
双极型差放的差模传输特性
T1
VCC
IEE
VEE
RC RC
T2
iC1 iC2
+
-
vID
假设电路对称 121
T
BE1
eSC1 V
v
Ii?
T
BE2
eSC2 V
v
Ii?
C2C1EE iiI
B E 2B E 1ID vvv
则
TID /
EE
C2 e1 Vv
Ii
TID /
EE
C1 e1 Vv
Ii
得 )2(th
T
ID
EEC2C1 V
vIii
第 4 章 放大器基础差模传输特性曲线
1
O
iC/IEE
vID/VT
0.5 Q
iC1/IEEiC2/IEE
O
iC1- iC2
vID/VT
IEE
-IEE
可以证明：
当 | vID |? 26 mV 时,差放线性工作 (单管电路 vI < 2.6 mV)。
|vID | > 100 mV 后,一管截止,另一管导通,差放非线性工作 。
说明,若在两管发射极上串联电阻 RE,则利用 RE 的负反馈作用,可扩展线性范围 。
RE线性范围? 但 Avd?
第 4 章 放大器基础
最大差模输入电压范围：
最大共模输入电压范围：
受 VBR(BEO) 限制的最大差模输入电压。
T1
VCC
vi1
vo
VEE
vi2
RC RC
T2
R1
R2R3
T3
保证 T1,T2,T3 管工作在放大区,所对应的最大共模输入电压 。
B E ( o n ) 1C E ( s a t ) 1CCCCIC VVRIVv
要保证 T1,T2 管放大区工作：
B E ( o n ) 1C E ( s a t ) 33E3EEIC VVRIVv
要保证 T3 管放大区工作：
第 4 章 放大器基础
MOS 差放 -差模传输特性假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：
2
G S ( t h )G S Q
ID
G S ( t h )G S Q
IDSSSS
D1 4
11
22?
VV
v
VV
vIIi得
T1
VDD
ISS
VSS
RD RD
T2
iD1 iD2
vI1 vI2
2
G S ( t h )G S 1OXnD1 )(2 VVl
WCi
D2D1SS iiI
G S 2G S 1ID vvv
2
G S ( t h )G S 2OXnD2 )(2 VVl
WCi
2
G S ( t h )G S Q
ID
G S ( t h )G S Q
IDSSSS
D2 4
11
22?
VV
v
VV
vIIi
第 4 章 放大器基础可以证明：
当 | vID | << 2(VGSQ? VGS(th) )
时,MOS差放线性工作 。
2
G S ( t h )G S Q
ID
G S ( t h )G S Q
ID
SSD2D1 4
11
VV
v
VV
vIii
差模传输特性曲线
O
iD1- iD2
vID
ISS
-ISS
-v?ID
v?IDMOS 差放进入非线性限幅区 。
与双极型差放不同：
l WCVI 2,,OXnG S QSS?线性范围与非限幅范围?
一般,MOS 差放的线性与非限幅范围 均比双极型差放大。
时，当 )(2|| ( t h )GSG S QID VVv
第 4 章 放大器基础
4.5 电流源电路及其应用
直流状态工作时,可提供恒定的输出电流 I0。
交流工作时,具有很高输出电阻 Ro,可作有源负载使用 。
+
-
VQ+v
RiB恒定
iC 外电路
(电流源电路 )
+
-
VQ
R
电流源
I0
(直流状态 )
+
-
R
电流源
Ro v
(交流状态 )
电流源电路特点：
对电流源电路要求：
直流状态工作时,要求 I0 精度高,热稳定性好 。
交流状态工作时，要求 Ro 大 (理想情况 Ro)。
利用 iB 恒定时,iC接近恒流特性而构成 。 电流源电路原理：
第 4 章 放大器基础
4.5.1 镜像电流源电路假设 T1,T2 两管严格配对，
基本镜像电流源
T1
VCC
iC1
R
T2
IR
iC2 = I0
由于 vBE1 = vBE2
根据,e TBESC VvIi?
C2C1 ii?得知因此，称 iC2 是 iC1 的镜像。
参考电流
R
VVI B E ( o n )CC
R
由于 )21(2
C1B1C1R iiiI )
21(
C2 i
第 4 章 放大器基础因此?/21 RC20
IiI
IR (?>> 2)
当温度变化时，由于?、
VBE(on) 的影响,I0热稳定性降低。
IO 精度及热稳定性由 当? 较小时,I0 与 IR 之间不满足严格的镜像关系,I0精度降低 。
输出电阻 RO
由
R
VVI B E ( o n )CC
R
得知，
当考虑基宽调制效应时,根据 )/1(e
ACESC T
BE
VvIi V
v
VA 除了降低 I0 精度外，还造成 Ro 较小,I0 恒流特性变差。
RO = rce2
第 4 章 放大器基础得知,?/21 R0
II
则
B E ( on )A
C E Q 2AR
0 /21 VV
VVII
得
B E ( on )A
C E Q 2A
C1C2 VV
VVii
减小? 影响的 镜像电流源
T1
VCC
iC1
R
T2
IR
IOi
RE
T3
结构特点
T1 管 c,b 之间插入一射随器 T3。
电路优点减小分流 i,提高 I0 作为 IR 镜像的精度 。
由图
1
2 B1
C1C1R
iiiiI
])1( 21[0 I
R2
2
0 2 II
整理得 式中
R
VVI B E ( o n )CC
R
2
输出电阻 Ro = rce2
第 4 章 放大器基础
比例式镜像电流源
T1
VCC
iE1
R
T2
IR
IO
R1 R2
iE2
结构特点两管射极串接不同阻值的电阻。
电路优点
Rｏ 增大,I０ 恒流特性得到改善。
)//1(
1e2b2
22
c e 2o RRrR
RrR
由
(?较大 )
2E2B E 21E1B E 1 RivRiv
)/l n ( C2C1TB E 2B E 1 iiVvv
RC1E1 Iii
0C2E2 Iii (?较大 )
得 )/l n ()/(/ 0R2T21R0 IIRVRRII
当 )/l n ( 0RT1R IIVRI时，
得 21R0 / RRII?
式中
1
B E ( o n )CC
R RR
VVI
第 4 章 放大器基础
微电流源
T1
VCC
R
T2
IR
IO
R2
iE2
令比例镜像电流源中的 R1 = 0 。
由 )/l n ()/(/ 0R2T21R0 IIRVRRII
式中
R
VVI B E ( o n )CC
R
根据集成工艺的要求,电阻 R 不易做太大,故前述电流源的 I0 只能做到 mA 量级 。
)/l n ()/( 0R2T0 IIRVI?得
)1(
e2b2
22
c e 2o
rR RrR?输出电阻电路优点,可提供?A 量级的电流，且 Ro 大，精度高。
第 4 章 放大器基础
MOS 镜像电流源
MOS 镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似,
只是原参考支路中的电阻 R 被有源电阻 T3 取代 。
T1
VCC
T2
IR
IOT3
VSS
若 T1 T2 性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为 (W/l )1,(W/l )2
根据
2G S ( t h )GSOXnD ))((2 VVlWCi
0D2D1R IiiI
D S 1D S 3SSDD vvVV
G S 1D S 1 vv? G S 3D S 3 vv?，
得 R120 )/(
)/( I
lW
lWI?
2
G S ( t h )G S 1SSDD
G S ( t h )G S 1
1
3 )(
)/(
)/(
VvVV
Vv
lW
lW
2
G S ( t h )G S 11OXnR )()(2 Vvl
WCI其中第 4 章 放大器基础
4.5.3 有源负载差分放大器
T1,T2 构成的镜像电流源代替 RC4 。 T1
VCC
iC3
T2
vi1
T3 T
4I
EE
VEE
iO
iC4
iC2
vi2
电路组成：
T3,T4 构成双端输入单端输出差放。
电路特点：
由镜像电流源知 C3C2 ii?
当差模输入时
C3C4 ii
则差模输出电流
C3C4C2o 2 iiii
当共模输入时 C3C4 ii?
则共模输出电流 0
C4C2o iii
第 4 章 放大器基础
T1
VCC
iC3
T2
vi1
T3 T
4I
EE
VEE
iO
iC4
iC2
vi2? 性能分析：
结论：
该电路不仅具有放大差模,抑制共模的能力,在单端输出时,还获得双端输出的增益 。
2/EEC Q 4C Q 3C Q 2C Q 1 IIIII由于则 TCQm4m3m2m1 / VIgggg
)//( ce4ce2m4Lm4d rrgRgA v差模增益差模输入电阻 ebe4be3bid 2)(2 rrrR
差模输出电阻
c e 4c e 2o // rrR?
第 4 章 放大器基础
4.6 集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。
集成运放性能特点
Av 很大,(104 ~ 107 或 80 ~ 140 dB)
Ri 很大,(几 k? ~ 105 M?)
Ro 很小,(几十?)
静态输入、输出电位均为零。
集成运放电路符号反相输入端同相输入端输出端v-
v+
vo
+
-
第 4 章 放大器基础
集成运放电路组成由于实际电路较复杂,因此读图时,应根据电路组成,把整个电路划分成若干基本单元进行分析 。
输入级 中间增益级 输出级偏置电路采用改进型差分放大器采用 1 ~ 2 级共发电路采用射随器或互补对称放大器采用电流源第 4 章 放大器基础
F007 集成运放内部电路输入级组成：
由 T1,T3 和 T2,T4 组成的共集 —
共基组合电路构成双入单出差放 。
T5,T6,T7 组成的改进型镜像电流源作 T4 管的有源负载 。
T8,T9 组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻 REE。
输入级特点：
改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。
中间级组成：
T17 构成共发放大器 。
T13B,T12 组成的镜像电流源作有源负载,代替集电极电阻 RC。
电路特点：
中间级是提供增益的主体,采用有源负载后,
电压增益很高 。
隔离级,
T16 管构成的射随器作为隔离级,利用其高输入阻抗的特点,提高输入级放大倍数 。
输出级组成：
T14 与 T20 组成甲乙类互补对称放大器 。 该放大器采用两个射随器组合而成 。
电路特点：
输出电压大,输出电阻小,带负载能力强 。
过载保护电路,
T15,R6 保护 T14管,T21,T22、
T24,R7 保护 T20 管 。
正常情况保护电路不工作,只有过载时,保护电路才启动 。
隔离级,
T23A 管构成的有源负载射随器作为 隔离级,可提高中间级电压增益 。
T13A 与 T12 组成的镜像电流源作有源负载,代替 T23A 的发射极电阻 RE。
偏置电路,
偏置电路一般包含在各级电路中,采用多路偏置的形式 。
T10,T11构成微电流源,作为整个集成运放的主偏置 。
电平位移电路,
输入级共集 —共基组合电路中,采用极性相反的 NPN
与 PNP 管进行电平位移 。 不专门另设电平位移电路 。
将上述单元电路功能综合起来可见,F007 是实现高增益放大功能的一种集成器件 。
它具有高 Ri,低 Ro,高 Av,高 KCMR,零输入时零输出等特点,是一种较理想的电压放大器件 。
第 4 章 放大器基础
4.7 放大器的频率响应从系统的观点看，小信号放大器为线性时不变系统。
传递函数和极零点
4.7.1 复频域分析法输入激励信号 x(t)
输出激励信号 y(t)若设拉氏变换 X(s)
Y(s)
0
1
1
n
0
1
1
)(
)()(
asasa
bsbsb
sX
sYsA
n
nn
m
m
m
m
在初始条件为零时，定义系统的传递函数：
)())((
)())((
21
21
0
n
m
pspsps
zszszsH
(m? n)
式中：标尺因子 H0 = bm/an,z 为零点,p 为极点。
第 4 章 放大器基础
在可实现的稳定有源线性系统中,分母多项式各系数 恒为正实数,极点必为负实数或实部为负值 的共轭复数 。
零点可以是负实数或实部为负值的共轭复数；也 可以是正实数或实部为正值的共轭复数 。
在仅含容性电抗元件的系统中：
只要不出现由电容构成的闭合回路,则极点 数 = 电容 数 。
若出现闭合回路,则极点 数 = 独立 电容数 。
C1
C2
C3 图示闭合回路，极点数 = 2
说明第 4 章 放大器基础
1)写出电路传递函数表达式 A(s)
频率响应分析步骤复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：
)1()1)(1(
)(
21
I
np
s
p
s
p
s
AsA
2)令 s = j?,写出频率特性表达式 A(j?)
设极点均为负实数 (p = -?p )，则
)j1()j1)(j1(
)j(
p2p1p
I
n
AA
4)确定上,下限角频率
3)绘制渐近波特图第 4 章 放大器基础
RC 低通电路频率响应
C
R+
-
+
-
vi(t) vo(t)
由图,传递函数表达式,
pi
o
/1
1
)(1
)/(1
)(
)()(
ssCR
sC
sV
sVsA
v
RC时间常数式中 /1P?,
令 s = j?，则频率特性表达式：
Pj1
1)j(
vA
幅值：
2
P )(1
1)(
vA
2P
dB )(1lg20)(vA
或相角,)a r c t a n ()(
PA
第 4 章 放大器基础
O?p0.1?p 10?p
Av(? )/dB
-20
-3
O?p0.1?p 10?p
A(?)
- 45?
- 90?
- 5.7?
绘制渐近波特图,
2P
dB )(1lg20)(vA
)a r c t a n ()( PA
根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：
幅频
<<?p 时,dB 0)(
dBvA
>>?p 时，
P
dB lg20)(?
vA
=?p 时,dB 3)(
dBvA
相频
oA 0)( < 0.1?p 时，
> 10?p 时,oA 90)(
=?p 时,oA 45)(
-20 dB/10 倍频
-45?/10 倍频第 4 章 放大器基础
确定上限角频率：
O?p0.1?p 10?p
Av(? )/dB
-20
O?p0.1?p 10?p
A(?)
- 45?
- 90?
-20 dB/10 倍频
-45?/10 倍频归纳一阶因子 渐近波特图画法：
幅频渐近波特图：
Pj1
1)j(
vA
已知自 0 dB水平线出发,经
p 转折成斜率为 (–20 dB/10
倍频 )的直线 。
相频渐近波特图：
自 0? 水平线出发,经
0.1?p 处转折,斜率为 (–45?/
10 倍频 ),再经 10?p 处转折为 -90?的水平线 。
dB3)(1lg20)( 2pdBvA因? =?p 时，
H =?p
第 4 章 放大器基础
RC 高通电路频率响应
由图,传递函数表达式,
ssCR
R
sV
sVsA
v /1
1
)(1)(
)()(
pi
o
RC时间常数式中 /1P?,
令 s = j?，则频率特性表达式：
Pj1
1)j(
vA
幅值,2
PdB )(1lg20)(vA
相角,)a r c t a n ()(
PA
C
R
+
-
+
-
vi(t) vo(t)
下限角频率：
dB 3)(1lg20)( 2PdBvA因? =?p 时，
L =?p
第 4 章 放大器基础
O?
p0.1?p 10?
p
A(?)
45?
90?
绘制渐近波特图,
2P
dB )(1lg20)(vA
)a r c t a n ()( PA
根据 画出幅频波特图画出相频波特图
O?p0.1?p 10?p
Av(? )/dB
-20 20 dB/十倍频
-45?/十倍频
幅频渐近波特图：
>?p,0 dB 水平线；
<?p,斜率为 (20dB/十倍频 )的直线 。
相频渐近波特图：
< 0.1?p,90?的水平线 。
0.1?p <? < 10?p：
斜率为 (–45?/十倍频 )的直线 。
> 10?p,0?水平线 。
第 4 章 放大器基础
多极点系统 频率响应
利用 RC 低通电路分析结果，得传递函数表达式,
)/1)(/1)(/1()( p3p2p1
I
sss
AsA v
v
式中
11
P1
1
CR
C1
R1
+
-
+
-
vi voAv1 C2
R2
Av2 C3
R3
Av3
如图所示的三级理想电压放大器,Ri,Ro? 0。
试画渐近波特图，并求?H 。 已知 R1 C1 > R2 C2 > R3 C3 。
22
P2
1
CR 33P3
1
CR
321I vvvv AAAA
第 4 章 放大器基础
频率特性表达式：
2
P3
2
P2
2
P1
IdB )(1lg20)(1lg20)(1lg20lg20)(?
vv AA
P3P2P1A /a r c t a n/a r c t a n/a r c t a n)(
)/j1)(/j1)(/j1()( p3p2p1
I
v
v
AsA
幅频及相频表达式,均为单阶因子波特图的叠加。
假设 dB 60
I?vA P1P2P3 10010
O
p20.1?p1 10?p3
A(?)
- 90?
p1?p3
- 180?
- 270?
O?
p2?p1?p3
Av(? )/dB
20
40
60
-20
-20 dB/10 倍频
-40 dB/十倍频
-60 dB/十倍频
-45?/ 10 倍频
-90?/十倍频
-45?/十倍频第 4 章 放大器基础归纳 多极点系统渐近波特图画法：
幅频渐近波特图：
自中频增益 AvI(dB)的水平线出发,经?pn 转折成斜率为 (–20 dB/十倍频 )的直线 。
相频渐近波特图：
自 0?水平线出发,经 0.1?p1 处开始转折,斜率为：
(– 45?/十倍频 )乘以 (单阶因子重叠的段数 )，
再经 10?pn,转折成 - 90?的折线 。
)/j1)(/j1)(/j1()j( p3p2p1
I
v
v
AA已知第 4 章 放大器基础
确定上限角频率：
根据定义，当? =?H 时：
2])(1[])(1][)(1[)(
I
2
P3H
2
P2H
2
P1H
I
H
vv
v
AAA?
即 2])(1[])(1][)(1[ 2
P3H2P2H2P1H
整理并忽略高阶小量得到上限角频率为
2
3P
2
2P
2
1P
H /1/1/1
1
若?p2? 4?p1,则称?p1 为主极点,?p2,?p3为非主极点 。
p1H
上限角频率取决于主极点角频率：
第 4 章 放大器基础高频工作,考虑三极管极间电容影响时,
为频率的复函数 。
三极管频率特性参数
0)(b
c
ce
)(
)()(
sVsI
sIs?
rbb?
rb?e rceC
b?e
Cb?c
gmVb?e(s)
b?
e
b c
Ib(s) Ic(s)
根据定义经推导得
β
/j1)j(
H
cbebeb )(
1
CCrβ
其中
指?(?)下降到中频? 的 0.707 倍时对应的角频率。
共发电路截止角频率
第 4 章 放大器基础
(?)
2/?
O
当? =?T 时
T2T
T )/(1)(?
β
β
因此?T =
指?(?) 下降到 1 时,
对应的角频率 。
特征角频率?T
根据?T >>
T 是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。
2)/(1
)(
β
及
1?
第 4 章 放大器基础
T
1
(?)
2/?
O
指?(?)下降到中频? 的 0.707 倍时对应的角频率。
共基电路截止角频率
>?T >>
根据
)j(1
)j()j(
β
/j1)j(
及整理得
α
/j1)j( β )1(其中三个频率参数中应用最广,最具代表性的是特征角频率?T。 通常,?T 越高,三极管高频性能越好,构成的放大器上限频率越高 。
第 4 章 放大器基础设原四端网络传递函数：
密勒定理
4.7.2 共发放大器的频率响应网络+
-
+
-
V1(s) V2(s)
Y (s)
网络+
-
+
-
V1(s) V2(s)
Y1 (s) Y2 (s)
)(/)()( 12 sVsVsA?
密勒定理 等效后,)](1)[(
)(
1)(
1
1 sAsYsZsY
])(11)[()(1)(
2
2 sAsYsZsY
第 4 章 放大器基础
单向化 近似高频等效电路
rbb?
rb?e
rce
Cb?e
Cb?c
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
RC RL
+
-Vs(s)
e
cIc(s)
cboebebmc )]()([)()( sCsVsVsVgsI
)//)(()( ceLco rRsIsV
由 等效 电路
cbL
Lmcb
eb
o
1
)(
)(
)()(
CRs
RgsC
sV
sVsA整理得
cbm Cg?
)/(1 cbL CR?
单向化 近似条件 Lm)( RgsA则第 4 章 放大器基础共发交流通路
RC
+
-
vo
+
-vs
RLRS
+
-
vi
共发高频等效电路及密勒近似密勒 等效
rbb?
rb?e Cb?e g
mVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-
Vs(s)
Y1 (s) Y2 (s)
高频等效电路
rbb?
rb?e
rce
Cb?e
Cb?c
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
RC RL
+
-Vs(s)
e
c )](1[)(
cb1 sAsCsY
])(11[)( cb2 sAsCsY
]1[ Lmcb RgsC
M1sC?
cbLmM1 CRgC
]11[
Lm
cb RgsC
cbM2 CC
M2sC?
第 4 章 放大器基础
rbb?
rb?e Cb?e g
mVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-
Vs(s)
CM1 CM2
简化等效电路中,ebbbst //)( rrRR
ebcbLm /1 CCRgD
ebM1ebt CDCCC
密勒效应倍增因子,
cbLT1 CR?
Ct
gmVb?e(s)
b?Rt
+
-
R?L
+
-
)(s sV? )(
o sV
P
sI
s
o
s /1)(
)()(
s
A
sV
sVsA v
v
ebbbs
L
sI
rrR
RA
v
由简化等效电路得式中
tt
pH
1
CR
共发电路频率响应第 4 章 放大器基础
共发电路增益带宽积 GBW
定义
HsI fAGB W v
ttebbbs
L
2
1
CRrrR
R
bbs
LT
2
rR
R
D
cbT1 CRD L?
其中
1)选 rbb? 小,Cb?c 小,?T 高的三极管?使 GBW?。
若 D? 1，则?HT,此时上限角频率最高。
2)管子选定后
采用恒压源 (RS? 0)激励：
DrR
rrR
CR
T
bbs
ebbbs
tt
H )(
1?
Dr
r
Dr
r T
bb
eT
bb
eb
采用恒流源 (RS)激励,DD β //TH
D?1 时,?H，上限频率降低。
3)RL DH?，但 AvsI?。需兼顾两者。
第 4 章 放大器基础提高共发电路上限频率的方法：
在电路输入端采用低阻节点 (即 RS 小 )。
在电路输出端也采用低阻节点 (即 RL?小 )。
此时,共发电路上限角频率?H 最高,且接近管子特征角频率?T。
第 4 章 放大器基础
共集放大器
4.7.3 共集和共基放大器的频率响应高频等效电路
rbb? rb?e
rce
Cb?eCb?c
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
RE RL
+
-Vs(s)
e
c
)()/(1 bbScb rRC?由于简化等效电路
rbb? rb?e
Cb?e
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
- R?L
+
-
Vs(s)
e
Ib(s)
因此,Cb?c 可忽略不计。
令 RL? = rce// RE // RL
第 4 章 放大器基础共集交流通路
RE
+
-
vo+
-vs RL
RS
共集简化等效电路
rbb? rb?e
Cb?e
gmVb?e(s)
b?
Vo(s)
RS
+
- R?L
+
-
Vs(s)
e
Ib(s)
由简化等效电路：
式中
p
Z
sI
s
o
s 1
1
)(
)()(
s
sA
sV
sVsA
vv?
1)1()1(
LebbbS
L
sI
RrrR
RA
v?
TZ零点角频率,极点角频率,)/(1 ebtP CR?
Lm
bbsL
ebt 1// Rg
rRRrR
并联在 Cb?e 两端的总电阻采用恒压源 (RS? 0)激励：
Lbbs
TL
P RrR
R
T
共集电路输入为低阻节点 (RS 小 )时，上限 角频率?H。
考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在?T /3 以下。
第 4 章 放大器基础
共基放大器由图 )]/1//([)]()([)(
ebebbemebe sCrsVgsIsV
高频等效电路 (忽略 rbb?,rce)
rb?e Cb?e Cb?c
gmVeb?(s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-Vs(s)
e cIe(s)
整理得 )]/1//([)()(
ebeebe sCrsIsV
)]/1//([)()( ebeembem sCrsIgsVg
)()(/1)( ee ssIssI
α
受控源
)/(1 ebe Crα?其中共基交流通路
+
-
vo+
-vs
RS
RC RLre b?e Cb?c
(s) Ie (s)
b?
Vo(s)
S
+
-
R?L
+
-Vs(s)
e cIe(s)
共基简化等效电路第 4 章 放大器基础由简化等效电路：
式中
αCrCrR
ebeebes
P1
1
)//(
1
共基电路输出为低阻节点 (RL?小 )时，上限角频率?H
re Cb?e Cb?c
(s) Ie (s)
b?
Vo(s)
RS
+
-
R?L
+
-Vs(s)
e cIe(s)
共基简化等效电路
)1)(1()( p2p1
sI
s ss
AsA v
v
eS
L
sI rR
RA
v?
cbL
P2
1
CR?
由于 Cb?c 很小，因此当 RL? 较小时,?p2 >>?p1
由主极点概念,?HP1
结论,三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。
第 4 章 放大器基础电子设备中,为改善电路频率响应,常要求放大器具有很高的上限频率 (几 MHz ~ 几千 MHz)。
4.7.4 宽带放大器扩展上限频率的方法：
改进集成工艺，通过提高管子特征频率 fT 扩展 fH。
在放大电路中引入负反馈扩展上限频率 fH。
利用电流模技术扩展上限频率 fH。
利用组合电路扩展上限频率 fH。
第 4 章 放大器基础
组合电路宽带放大器
共发 —共基组合电路三种组态中,共发电路上限频率最低,因此,组合电路上限频率主要由共发电路决定 。 为扩展整个电路上限频率,应设法使共发电路的输入,输出为低阻节点 。
共集 —共发组合电路由于共基电路 Ri2 小，
因此扩展了上限频率。
则共发电路具有低阻输出节点，
由于共集电路 Ro1 小，
因此扩展了上限频率。
则共发电路具有低阻输入节点，
第 4 章 放大器基础
+
-
RL
+
-
RS T1
T2
Vs(s)
Vo(s)
Vs(s) + -
RL
+
-
RS T1
T2
Vo(s)
CA3040 集成 宽带放大器：
共集 -共发 -共基组合电路差放恒流偏置
T7,T8 射随器作输出级
Av = 30 dB,fH = 55 MHz
T1
VCC
vi1
VEE
vi2 R5T4
T2
T3
T5
T6 vo1 vo2
R6
T7 T8
R7
R8R9
R2R
1 T9
R3 R4
第 4 章 放大器基础
电流放大器
跨导线性环电流放大器
C4C2C3C1 iiii
由图则 )
2()2(
odOQidIQ iIiI
)2()2( odOQidIQ iIiI
化简得
IQ
OQ
id
od
id I
I
i
iA
改变输入输出偏置电流，即可改变电流增益。
两输入节点 B1,B2 均为低阻节点,故 上限频率高。
第 4 章 放大器基础
T1 T2 T3B
1 B2
2IOQ
iC1 i
C2 iC3
iC4
二级宽带放大器
T1
iC6
VEE
T2
T16
T3
T9 R1
VCC
T10 T11 T12 T13
R2
T15T14
T4
T17T18
T5 T6
T7T8
IE IE 2IE 2IE
IN IN
IN IN
iC7
-iid/2
iid/2 iC2
iC3
T1 ~ T4
第一级
T9 ~ T13 镜像电流源
T5 ~ T8
第二级
T14 ~ T18 镜像电流源第 4 章 放大器基础
电流模电路以电压作为电路中的处理变量? 电压模电路。
两者主要区别,表现在节点阻抗电平的高低上。
电流放大器,跨导线性电路,开关电流电路,动态电流镜等 。
低阻节点上的变量：主要表现为电流量。
以电流作为电路中的处理变量? 电流模电路。
高阻节点上的变量：主要表现为电压量。
利用低节点阻抗的特点，电流模电路特点：
频带宽、速度高、动态范围大、非线性失真小。
常用的电流模电路：
第 4 章 放大器基础
