模拟电路第二章_基本放大电路

42第2章放大电路基础2.1教学要求1、掌握放大电路的组成原理，熟练掌握放大电路直流通路、交流通路及交流等效电路的画法并能熟练判断放大电路的组成是否合理。2、熟悉理想情况下放大器的四种模型，并掌握增益、输入电阻、输出电阻等各项性能指标的基本概念。3、掌握放大电路的分析方法，特别是微变等效电路分析法。4、掌握放大电路三种基本组态（CE、CC、CB及CS、CD、CG）的性能特点。5、了解放大电路的级间耦合方式，熟悉多级放大电路的分析方法。2.2基本概念和内容要点2.2.1放大电路的基本概念1、放大电路的组成原理无论何种类型的放大电路，均由三大部分组成，如图2.1所示。第一部分是具有放大作用的半导体器件，如三极管、场效应管，它是整个电路的核心。第二部分是直流偏置电路，其作用是保证半导体器件工作在放大状态。第三部分是耦合电路，其作用是将输入信号源和输出负载分别连接到放大管的输入端和输出端。下面简述偏置电路和耦合电路的特点。（1）偏置电路①在分立元件电路中，常用的偏置方式有分压偏置电路、自偏置电路等。其中，分压偏置电路适用于任何类型的放大器件；而自偏置电路只适合于耗尽型场效应管（如JFET及DMOS管）。输入信号耦合电路耦合电路输出负载偏置电路外围电路T图2.143②在集成电路中，广泛采用电流源偏置方式。偏置电路除了为放大管提供合适的静态点（Q）之外，还应具有稳定Q点的作用。（2）耦合方式为了保证信号不失真地放大，放大器与信号源、放大器与负载、以及放大器的级与级之间的耦合方式必须保证交流信号正常传输，且尽量减小有用信号在传输过程中的损失。实际电路有两种耦合方式。①电容耦合，变压器耦合这种耦合方式具有隔直流的作用，故各级Q点相互独立，互不影响，但不易集成，因此常用于分立元件放大器中。②直接耦合这是集成电路中广泛采用的一种耦合方式。这种耦合方式存在的两个主要问题是电平配置问题和零点漂移问题。解决电平配置问题的主要方法是加电平位移电路；解决零点漂移问题的主要措施是采用低温漂的差分放大电路。2、放大电路的主要性能指标及其意义（1）输入和输出电阻输入电阻Ri是从放大器输入端口视入的等效电阻，它定义为放大器输入电压Vi和输入电流Ii的比值，即Ri与网络参数、负载电阻RL有关，表征了放大器对信号源的负载特性。输出电阻Ro是表征放大器带负载能力的一个重要参数。它定义为输入信号电压源vs短路或电流源is开路并断开负载时，从放大器输出端口视入的一个等效电阻，即式中V2为负载断开处加入的电压，I2表示由V2引起的流入放大器输出端口的电流，Ro不仅与网络参数有关，还与源内阻Rs有关。若要求放大器具有恒定的电压输出，Ro应越小越好；若要求放大器具有恒定的电流输出，Ro应越大越好。（2）放大倍数或增益它表示输出信号的变化量与输入信号的变化量之比，用来衡量放大器的放大能力。根据需要处理的输入和输出电量的不同，有四种不同的增益定义，它们分别是：ViRi=Ii（2—1）V2Ro=I2RL=∞vs=0（2—2）①电压增益VoAv=Vi（2—3）44为了表征负载对增益的影响，引入负载RL开路和短路时的增益。负载RL开路时的电压增益定义为它与电压增益Av的关系为RL短路时的电流增益定义为它与电流增益Ai的关系为为了表征输入信号源对放大器激励的大小，常常引入源增益的概念。其中，源电压增益定义为源电流增益定义为（3）失真它是评价放大器放大信号质量的重要指标，常分为线性失真和非线性失真两大类。②电流增益IoAi=Ii④互导增益IoAg=Vi③互阻增益VoAr=IiVotAvt==AvViRL=∞RLAv=AvtRo+RLIonAin==AiIiRL=0RoAi=AinRo+RLVoRiAvs==AvVsRs+RiIoRsAis==AiIsRs+Ri（2—4）（2—5）（2—6）（2—7）（2—8）（2—9）（2—10）（2—11）（2—12）45线性失真又有频率失真和瞬变失真之分，它是由于放大器是一种含有电抗元件的动态网络而产生的。前者是由于对不同频率的输入信号产生不同的增益和相移所引起的信号失真；后者是由于电抗元件对电压或电流不能突变而引起的输出波形的失真。线性失真不会在输出信号中产生新的频率分量。非线性失真则是由于半导体器件的非线性特性所引起的。它会引起输出信号中产生新的频率分量。3、放大电路的类型根据输入和输出电量的不同，放大器有四种增益表达式，相应有四种类型的放大器，它们的区别集中表现在对Ri和Ro的要求上。如表2.1所示。表2.1放大器的类型类型模型增益对Ri的要求对Ro的要求电压放大器Av,AvsRi＞＞Rs(Ri→∞)Ro＜＜RL(Ro→0)电流放大器Ai,AisRi＜＜Rs(Ri→0)Ro＞＞RL(Ro→∞)互导放大器Ag,AgsRi＞＞Rs(Ri→∞)Ro＞＞RL(Ro→∞)互阻放大器Ar,ArsRi＜＜Rs(Ri→0)Ro＜＜RL(Ro→0)4、放大电路的分析方法放大电路的分析分静态（直流）分析和动态（交流）分析，静态分析是动态分析的基础，动态性能的分析则是放大器分析的最终目的。目前，常用的放大器的分析方法有以下三种：（1）图解分析法：利用晶体管的输入、输出特性曲线对放大器进行分析。其关键在于作放大器的直流负载线及交流负载线。该方法适宜分析电路参数对Q点的影响以及Q点对放大器性能的影响，分析放大器的非线性失真问题，确定放大器的最大不失真动+vot－+vi－RLRsRi+vs－Ro+vo－ioion+vi－RLRsRi+vs－RoioniiioRLRsRiisRo+vot－+vo－iiRLRsRiisRo46态范围Vom等。该方法形象、直观，但输入信号过小时，分析误差较大。（2）等效电路分析法：利用晶体管的直流及交流小信号模型对放大器进行分析。其关键在于作放大器的直流交流通路，尤其是交流微变等效电路。该方法是工程上常用的分析方法，利用它可获得放大器各项性能指标的工程近似值。（3）计算机仿真分析法：利用电路仿真程序进行分析。如利用PSPICE程序对电路进行分析，它可对电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、孟特卡罗（MonteCarlo）分析和最坏（WorstCase）情况分析。2.2.2BJT放大电路1、放大电路的基本组态放大电路的组态是针对交流信号而言的。对于晶体三极管（或场效应管）放大器，观察输入信号作用在哪个电极，输出信号又从哪个电极取出，除此之外的另一个电极即为组态形式。例如：若输入信号加在晶体三极管基极，输出信号从集电极取出，则该电路为共发射极组态电路。BJT放大电路的三种基本组态为：共发射极、共集电极和共基极。2、三种基本组态放大电路的性能比较见表2.2。表2.2BJT放大电路共发电路共基电路共集电路AvRiRB1∥RB2∥rbe(中)RoRC(中)(考虑rce)RC(大)(考虑rce)Ainβ(大)－α≈－1－(1+β)(大)特点输入、输出反相既有电压放大作用又有电流放大作用输入、输出同相有电压放大作用无电流放大作用输入、输出同相有电流放大作用无电压放大作用应用作多级放大器的中间级，提供增益作电流接续器构成组合放大电路作多级放大器的输入级、中间级、隔离级RERsRB1+v－RB2VCCT+vo－C2C1RL+vs－RERsRB1RCRB2VCCT+vo－C2C1RLCERB1∥RB2∥［rbe+(1+β)RL′］(大)rbeRE∥(小)1+ββRL′－(大)rbeβRL′(大)rbe(1+β)RL′≈1rbe+(1+β)RL′rbe+RB1∥RB2∥RsRE∥(小)1+βRB1RERs+vs－RCRB2T+vo－C2C1RLCBVCC473、发射极接电阻RE的共发放大电路（1）电路如图2.2所示。（2）性能指标如下所示。Ri=RB1∥RB2∥［rbe+(1+β)RE］（增大）（Ro′增大）其中Rs′=RB1∥RB2∥Rs4、组合放大电路组合放大电路是由三种基本组态电路相互取长补短构成的一种电路结构。这些组合主要是共发—共基组合、共集—共基组合及复合管（达林顿）组合。组合放大电路实际上是一种最简单的多级放大电路。2.2.3FET放大电路1、FET放大电路的三种基本组态与BJT放大电路的三种基本组态—共发射极、共集电极和共基极相对应，FET放大电路的三种基本组态分别为：共源极、共漏极和共栅极。2、三种基本FET放大电路的性能比较见表2.3。3、集成MOS放大器在MOS集成电路中，为了提高集成度，一般都采用有源电阻取代占芯片面积较大的集成电阻，根据有源电阻的不同实现方法，集成MOS放大器分为E/EMOS、E/DMOS和CMOS三种类型电路。（见题【2-31】）图2.2带射极电阻的共发放大电路βRL′′Av=－rbe+(1+β)RE（减小）βRE1Ro=RC∥rce（1+）RE1+rbe+Rs′（a）原理电路RE2RE1RsRB1+vs－RCRB2VCCT+vo－C2C1RLCE（2—13）（2—14）（2—15）（b）等效电路rce+vi－RE1βibibrbeRLRsRB1+vs－RCRB2+vo－iiioRo′Ro48表2.3FET放大电路共源电路共栅电路共漏电路AvRiRG3+RG1∥RG2(大)RG3+RG1∥RG2(大)RoRD(大)RD(大)特点类似于共发电路类似于共基电路类似于共集电路4、源极接电阻RS的共源放大电路（1）电路如图2.3所示。（2）性能指标如下所示。Ri=RG3+RG1∥RG2（不变）1RS∥(小)gm－gmRL′(大)gmRL′≈11+gmRL′1RS∥(小)gm（b）等效电路gmvgsiodRoRi+vi－grdsRG2RD+vo－RG3RG1sRS1Ro′（a）原理电路CGRS2RDRG3CSRS1RG2+vi－RG1VDDT+vo－CD图2.3带源极电阻的共源放大电路gmRDAv≈－（减小）1+gmRS1（2—16）（2—17）VDDRG3RSRsRG1+vs－RDRG2T+vo－C2C1RLCSVDDRSRsRG1+vs－RDRG2T+vo－C2C1RLCGgmRL′(大)RG3RSRsRG1+vs－RG2T+vo－C2C1RLVDD49Ro=RD∥［RS1+(1+gmRS1)rds］（Ro′增大）5、BJT放大电路与FET放大电路的性能比较（1）比较表2.2及表2.3可知，FET三种基本组态放大器的性能特点与BJT放大器相似；（2）由于ig=0，所以共源和共漏放大器的输入电阻和电流增益均趋于无穷大；（3）在相同静态电流下，由于场效应管的gm远小于三极管的gm，因此共源、共栅电路的电压增益远小于共发、共基电路的增益，且共栅放大器的输入电阻比共基放大器的大，共漏放大器的输出电阻比共集放大器大。2.2.4多级放大电路在许多应用场合，要求放大电路有较高的增益及合适的输入、输出电阻，而单级放大电路的增益不可能做得很大。因此，需要将多个基本放大电路级联起来，构成多级放大电路。在构成多级放大电路时，应充分利用三种基本组态放大电路的性能特点进行合理组合，用尽可能少的级数，来满足放大电路整体性能的要求。多级放大电路的级间耦合方式在§2.2.1节已提及，此处不再赘述。多级放大电路性能指标的分析思路如下：通过计算每一单级指标来分析多级指标。但应特别注意，在计算单级指标时，要考虑级间相互影响，即要将后级作为前级的负载来考虑，而要将前级作为后级的信号源来考虑。因此，一个n级放大电路总的性能指标可表示为如下的形式：（2—18）vovo1vo2voAv==··…·=Av1·Av2·…·Avnvivivo1vo(n－1)（2—19）Ri=Ri1RL1=Ri2（2—20）Ro=RonRsn=Ro(n－1)（2—21）502.3典型习题详解【2-1】各放大器电路如题图2.1所示，图中各电容对信号频率呈短路，试画出直流通路、交流通路、交流等效电路。设各管rce忽略不计。【解】本题用来熟悉：放大器直流通路、交流通路、交流等效电路的画法。将电容开路，得直流通路；将电容短路，直流电源短路，得交流通路；将晶体管用小信号电路模型取代，得交流