第一章 模拟电路及放大器基础知识

第一章模拟电路及放大器基础知识1.1模拟电子技术的地位及特点1.2模拟电路及放大器1.1模拟电子技术的地位及特点随着电子学科在各个学科中不断渗透，很多领域技术的发展都要借助于电子学科，特别是在数字化的当代更体现了这一点。由于模拟电子技术是电子技术的基础课程，因此，模拟电子技术（以下简称模电）如今已成为现代众多学科的基础课。对电子类专业的学生来说，模电是启蒙课程，也是标志性课程，只有学完模电后，才能开展诸如“数字电子技术”、“通信技术”、“计算机原理”、“嵌入式系统原理”、“测控技术”等课程。1.1模拟电子技术的地位及特点我们建议在模电的学习中把握以下原则：（1）重视器件的物理工作过程，不理解物理原理而一味着进行数学推导是不恰当的；（2）对于概念和方法要仔细理解，琢磨其原理，不可盲目死记。（3）要特别重视实践环节，规定的每个实验尽可能完成，只有实验才能帮助理解电路原理，培养动手能力，增进成就感，促进学习。（4）一句口号：抓住一个电路不放一直弄清，必举一反三。1.2模拟电路及放大器当xi有一个微小的变化时，xo必有一个相应的变化，这样的电路称为模拟电路。换句话说，xo和xi是连续函数关系。研究模拟电路的技术就称为模拟电子技术。1.2.1模拟电路的定义ixox模拟电路图1-1模拟电路示意图1.2模拟电路及放大器为了增加对模拟电路的理解，我们顺便给出数字电路的定义:数字电路的输出只有高电平或低电平两个值，当输入值有个微小变化时，输出端一般不会变化，只有输入值的变化累计达到一定值时输出才改变状态。在实际工作时，数字电路的输入输出信号都是二值信号。数字电路又称脉冲电路，属于非线性电路的范畴。图1-2所示的是大家熟知的电阻式分压电路，该电路就是一种模拟电路，其作用是得到一个比ui小的电压uo，这种电路在中学的课程上就研究过了。在模电中要研究的模拟电路将具有更多的功能，必然要引入新的元器件。图1-2电阻分压电路图如果xi和xo的变化遵循线性关系，我们称这种电路为线性电路，当这种线性电路需要通过加电源后才能实现时，我们就称之为放大电路或放大器，所以放大器是线性电路的一种。从本质上讲，放大器是将一种形式的信号转换为另一种形式的信号。图1-3为放大器的示意图。1.2.2放大器的定义图1-3放大器示意图ixox放大器电源+电源-如在输入信号的一定的频率范围内，一个放大器有一个基本不变的性能指标。一个在工作的放大器如图1-4所示，放大器的前一级电路可认为是信号源，后一级的电路可认为是负载。1.2.3放大器的性能指标图1-4放大器在电路中的位置ixox放大器信号源负载放大器的性能指标主要有：（一）放大器的放大倍数放大倍数定义为输出输入之比，放大倍数又称增益，用A表示。本质上，放大器只是一种信号转化为另一种信号，增益A不一定就是大于1的，A可以小于1。当输入xi为电压ui，输出xo为电压uo时，增益为Au=uo/ui，称为电压增益，无量纲。当输入xi为电压ui，输出xo为电流io时，增益为Ag=io/ui，称为互导增益，量纲为S（西门子）。当输入xi为电流ii，输出xo为电压uo时，增益为Ag=uo/ii，称为互阻增益，量纲为Ω（欧姆）。当输入xi为电流ii，输出xo为电流io时，增益为Ag=io/ii，称为电流增益，无量纲。由此可见，放大器根据输入输出的信号类型不同有4种类型，有电压型、互导型、互阻型和电流型，最常见的是电压型。（二）放大器的输入阻抗（1）输入阻抗的定义从图1-5可用看出，放大器的输入端等效为一个信号源的负载，当加一个信号si时，放大器从信号索取电流ii，并且在其输入端口产生一个电压ui，定义输入阻抗Ri为ui与ii之比，即Ri=ui/ii。这个定义适合于理论上求输入阻抗，也适合于实验室求输入阻抗。iS放大器iuiRii+-方法是在一个放大器输入端加一电压源，求出电压源的输出电压ui和输出电流ii，由此而求得Ri。图1-5放大器输入阻抗的理解示意图下面讨论一下输入阻抗对放大器的影响。（2）电压输入型放大器应有高输入阻抗当输入信号源为电压型时，要求放大器也为电压输入型。对非理想的电压源来讲，由戴维南定理可等效为理想电压源us与内阻Rs之串联，电压源加入放大器的等效电路如图1-6，此时，在放大器输入端得到的有效电压ui为：isisiRRRuu式1-1Ri↑→ui↑，由此可以得出结论：对于电压源信号来说，放大器的输入阻抗越大越好，换言之，电压输入型放大器应有较高的输入阻抗。理想的电压型输入放大器Ri=∞。sRsu放大器iuiRii+-图1-6放大器输入阻抗对电压信号源的影响（3）电流输入型放大器应有低输入阻抗当输入信号源为电流型时，要求放大器也为电流输入型。对非理想的电流源来讲，由诺顿定理可等效为理想电流源is与内阻Rs之并联，电流源加入放大器的等效电路如图1-7，此时，在放大器输入端得到的有效电流ii为：式1-2Ri↓→ii↑，由此得出结论：对于电流源信号来说，放大器的输入阻抗越小越好，换言之，电流输入型放大器应有较低的输入阻抗。理想的电流型输入放大器Ri=0。图1-7放大器输入阻抗对电流源信号源的影响isssiRRRii放大器iuiRii+-sRsi（三）放大器的输出阻抗（1）输出阻抗的定义输出阻抗是反映放大器输出带载能力的一个指标，带载能力由输出阻抗来决定。当放大器在工作时，其输出端就是一个带载能力较强的信号源，因此我们定义输出阻抗为从放大器输出端看进去的等效电阻Ro。下面来讨论输出阻抗对负载的影响。（2）电压输出型放大器应有低输出阻抗如果放大器是电压输出型，根据戴维南定理，其输出端可等效为一个开路输出电压和其内阻Ro的串联，如图1-8所示，在输出端有负载RL时，落在RL上的输出电压uo为：式1-3Ro↓→uo↑，由此可以得出结论：对于电压型负载来说，放大器的输出阻抗越小越好，换言之，电压输出型放大器应有较低的输出阻抗。理想的电压型输出放大器Ro=0。图1-8电压输出型放大器输出阻抗对负载的影响LoLooRRRu'uouLRoi+-oRou'放大器（3）电流输出型放大器应有高输出阻抗如果放大器是电流输出型，根据诺顿定理，其输出端可等效为一个短路输出电压i’o和其内阻Ro的并联，如图1-9所示，在输出端有负载RL时，流过RL上的输出电流io为：式1-4Ro↑→io↑，由此可以得出结论：对于电流型负载来说，放大器的输出阻抗越大越好，换言之，电流输出型放大器应有较高的输出阻抗。理想的电流型输出放大器Ro=∞。图1-9电流输出型放大器输出阻抗对负载的影响LooooRRRi'iouLRoi+-放大器oRoi'（4）输出阻抗的实验室求法据图1-8和图1-9所示原理，要想通过实验的方法求得放大器的输出阻Ro，可用下面方法：式1-5LoooR1uu'R）（对电流输出型放大器，先量其短路电流，接上负载RL再量其输出电流io，根据解得：LooooRRRi'iLooooRii'iR式1-6LoLooRRRu'u对电压输出型放大器，先量其开路电压，接上负载RL再量其输出电压uo，根据解得：（5）输出阻抗的理论求法如图1-10所示，无论是什么形式输出的放大器，作出其等效交流电路，令其输入信号si为0（即将电压型信号源短路或电流型信号源开路），此时在放大器的输出端加一个电压信号uo，必有io产生，uo与io之比就是输出阻抗Ro，这就是放大器输出阻抗的理论求法。在这里必须强调的是，本方法实质上是通过激励法求放大器的输出端等效电阻，所产生的电流io必须是完全由外加电压uo所致，因此，要令输入si=0，否则io中可能有si产生之成分。图1-10输出阻抗的理论求法ouoi+-放大器oRiS=0（四）放大器的通频带严格来讲，由于电感电容等的影响，当输入信号的频率发生变化时，放大器的各项指标都会发生变化，因而放大器的增益A、输入阻抗Ri、输出阻抗Ro等指标都是复数，但在一定的输入信号的频率范围内，放大器的指标变化非常小可视其为常量。当超过这个输入信号的频率范围时，放大器的各项指标会发生较大的变化。我们把这个信号的频率范围称为放大器的通频带。一般情况下，放大器的通频带是根据放大器的增益来定义的，如图1-11所示：在通频带内增益Am视为近似不变，当输入信号频率f变小，增益下降到0.707Am时，对应的频率定义为下限截止频率fL，当输入信号频率f变大，增益下降到0.707Am时，对应的频率定义为上限截止频率fH，我们把fH-fL定义为放大器的通频带fBW，对放大器来说fBW越大越好。图1-11放大器的通频带0fAAm0.707AmLfHf（五）放大器的零点和零漂当放大器的输入为0时，对应的放大器输出值就是放大器的零点。一个放大器总会有个零点，理想的放大器的零点是不变的，但实际的放大器零点是变化的，零点的变化称为零漂，零漂越小，说明放大器的稳定性越好。零漂分为时漂和温漂，时漂是放大器的零点随时间的漂移，例如某放大器的零漂为“20MV/年”，意思是这个放大器的零点1年的漂移最大为20MV；温漂是指放大器零点随温度变化的漂移，例如某放大器的零漂为“50PPM”，意思是温度每变化1℃这个放大器的零点相对变化率为50个百万分之一，PPM是PartsPerMillion的缩写。（六）放大器的噪声当放大器输入不变时输出也应是不变的，但如果把此时的输出在示波器上放大观测时，会发现输出信号上已经叠加上了很多未知信号，这些未知信号其实就是放大器的噪声。如图1-12所示，某放大器在不变的直流输入作用时，其理想的输出应是一条不变的直线波形，实际放大器输出是位于U1～U2之间的一条无规律的曲线，这是由于放大器在放大有用信号时同时也叠加了放大器自身的一些干扰和噪声。touU1U20图1-12叠加有噪声的放大器输出我们把噪声的最大包络线幅值定义为放大器的噪声Un，显然，Un=|U1-U2|。放大器的噪声越小越好，理想放大器的Un=0。（七）放大器的非线性度在给定的输入频率范围内，放大器的增益A应为一常数，如A=100。事实上，在放大器的有效输入幅值范围内的不同的输入点，放大器增益会有一定的变化。如图1-13所示，，某放大器输入为x，输出为y，信号过零点，即x=0时，y=0，在理想的情况下，y/x=A1，A1是常数，函数特性为图中的A1直线。而实际特性是A2曲线，也就是说，在输入的有效范围内，y/x是变化的。例如在输入xi点，理想输出应为：A1xi=yi，实际输出是：y’i≠A2xi，我们把放大器的实际输出特性曲线与理想直线的最大增益相对变化率定义为放大器的非线性度。图1-13放大器的非线性度描述xy01A2Aixiy'iy（八）放大器的最大不失真输出在保证非线性度满足要求的前提下，放大器能输出的最大幅值定义为最大不失真输出，最大不失真输出包括最大不失真电压输出Uom和最大不失真电流输出Iom。（九）放大器的最大输出功率及转化效率在保证不失真的前提下，放大器可输出的瞬时功率定义为放大器的最大输出功率Pom。放大器的最大输出功率和电源提供的平均功率的百分比定义为放大器的转换效率η。