第4章放大器基础 (1)
放大器工作原理
放大器工作原理放大器是一种电子设备，它可以将输入信号的幅度放大，从而得到更大的输出信号。
放大器在各种电子设备中都有广泛的应用，比如音响设备、通讯设备、电视机等。
那么，放大器是如何工作的呢？接下来，我们将深入探讨放大器的工作原理。
首先，让我们来了解一下放大器的基本构成。
放大器通常由输入端、输出端和电源端三部分组成。
输入端接收来自外部的信号，输出端输出放大后的信号，而电源端则提供工作所需的电源。
放大器的工作原理主要涉及到两个重要的概念，增益和线性。
增益是指放大器输出信号与输入信号之间的比值，它反映了放大器对信号幅度放大的能力。
而线性则是指放大器在输入信号的作用下，输出信号与输入信号之间的关系是否呈线性。
在理想情况下，放大器应该具有高增益和良好的线性特性。
接下来，让我们来详细了解放大器的工作原理。
放大器的工作原理可以简单地分为三个步骤，信号输入、信号放大和信号输出。
首先，当输入信号进入放大器时，它会被放大器的输入端接收并传输到放大器的放大电路中。
在放大电路中，输入信号会受到放大器的放大作用，其幅度会得到放大。
最后，放大后的信号会通过放大器的输出端输出，从而实现信号放大的功能。
放大器的放大作用主要依赖于放大电路中的放大元件，比如晶体管、真空管等。
这些放大元件可以根据输入信号的大小，控制输出信号的幅度，从而实现信号的放大。
此外，放大器还需要配合电源端提供稳定的电源，以确保放大器能够正常工作。
在实际应用中，放大器的工作原理还涉及到一些其他因素，比如负载匹配、频率响应、失真度等。
这些因素会影响放大器的工作效果，需要在设计和使用放大器时加以考虑。
总的来说，放大器的工作原理是通过放大电路实现对输入信号的放大，从而得到更大的输出信号。
放大器在电子设备中具有重要的作用，它的工作原理对于理解和应用电子设备具有重要意义。
希望通过本文的介绍，读者能够更加深入地了解放大器的工作原理，从而更好地应用和设计放大器。
第4章 三极管及放大电路基础1
与 的关系
IC IC ICBO I E ICBO IC I B ICBO
(1 ) IC I B ICBO
I CBO IC IB 1 1
IE
N
P
N
I'C ICBO IC
IC I B (1 ) ICBO
共射直流电流放大倍数： IC I B 1.7 42.5 0.04 共射交流电流放大倍数： IC I B 2.5 1.7 40 0.06 0.04 说明： 例：UCE=6V时： 曲线的疏密反映了 的大小； IC(mA ) 160mA 电流放大倍数与工作点的位置有关； I 5 140mA CM 120mA 交、直流的电流放大倍数差别不大， 4 100mA 今后不再区别；
3 80mA
___
4. 集电极最大电流ICM 当值下降到正常值的三分之二时的 集电极电流即为ICM。
IC
2.5 2 1.7
1 0 2 4 6 8
IB 40mA
IB=60mA 20mA IB=0 10 UCE(V)
六、主要参数
5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。 6. 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳热为： PC =ICUCE 导致结温 上升，PC 有限制， PCPCM 7. 频率参数
扩散 I C 复合 I B
IC
C
N
IB
P N
EC
或者 IC≈IB
I E IC I B (1 ) I B
EB
E
IE
二、电流放大原理
电子技术基础-第4章
整理得 uO1R Rf 13uI1uI2
图4-18 同相加法运算电路
28
【例4-1】 电路如图4-19所示。设A为理想集成运放， R1=10kΩ，Rf=100kΩ。试求：输出电压uO与输入电压uI之 间的关系，并说明该电路实现了什么运算功能。
解 根据理想集成运放的两条结论，利用“虚短”和“虚断” 的概念，有：uN=up=uI， iI=0
（ a）
（ b）
（ c）
非线性集成电路
3
（ d）
（ e）
（a）为圆壳式
（b）为双列直插式 （c）为扁平式 （d）为单列直插式 （e）为菱形式
（ a）
（ b）
（ c）
（ d）
（ e）
4
4.1 直接耦合放大电路
两级直接耦合放大电路如图4-1所示
图4 –1 两级直接耦合放大器电路
5
4.1.1 直接耦合放大器和组成及其零点漂移现 象
③输出级 输出级具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载 能力强），非线性失真小等优点。多采用互补对称发射极输 出电路。
17
Байду номын сангаас
④偏置电路 偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与 分立元件不同，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适 的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合 适的静态工作点。 集成运放的电路符号如图4-10所示。图(a)为国外常用符号， 图(b)为我国常用符号。
19
(2)直流参数 ①输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT 理想集成运放，当输入为零时，输出也为零。但实际集成运放的 差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输出电压可能不 为零。为使其输出为零，人为的在输入端加一补偿电压，称此补 偿电压为输入失调电压，用UIO表示。 ②输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT 集成运放在常温下，当输出电压为零时，两输入端的静态电流之 差，称为输入失调电流，用IIO表示，
高频功率放大电路
ube Eb Ubm cost uce Ec Ucm cost
由以上两式可得：
ube
Eb
Ubm
EC uce U cm
(4-13)
第4章 高频功率放大电路 19
将（4-13）代入（4-12）有：
ic
gc ( Eb
Ubm
EC uce U cm
Vth )
第4章 高频功率放大电路 25
➢ 过压状态下的ic的波形如下图所示，从图中看出： 1、特性曲线与临界曲线重合 2、电流凹陷：Rp负载过大，Ucm过大，uce减小，ic随之迅速减小。
第4章 高频功率放大电路 26
四、高频功放的外部特性 外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。
负载电阻Rp
激励电压Ubm
1．高频功放的负载特性
偏置电压Eb Ec
负载特性: 只改变负载电阻Rp, 高频功放电流、 电压、 功率及 效率η变化的特性。
第4章 高频功率放大电路 27
下图是反映不同负载时的动态特性曲线。
ic max
Rp
ic max
Ec Eb
Rp 斜率gd 谐振放大器的工作状态由欠压 临界 过 压逐步过渡。
P0
1 2
I c1mU cm
1 2
I R 2 c1m p
1 2
U
2 cm
Rp
(4-8)
➢ 集电极损耗功率PPcc为：Pd P0
(4-9)
第4章 高频功率放大电路 13
➢ 集电极效率η为：
其中：
P0 1 Ic1m Ucm
Pd 2 Ic0 Ec
1 2 g1
(4-10)
g1
Ic1m Ic0
第04章 集成运算放大电路题解
第四章集成运算放大电路自测题一、选择合适答案填入空内。
（1）集成运放电路采用直接耦合方式是因为。
A．可获得很大的放大倍数B. 可使温漂小C．集成工艺难于制造大容量电容（2）通用型集成运放适用于放大。
A．高频信号B.低频信号C.任何频率信号（3）集成运放制造工艺使得同类半导体管的。
A.指标参数准确B.参数不受温度影响C．参数一致性好（4）集成运放的输入级采用差分放大电路是因为可以。
A．减小温漂B. 增大放大倍数C. 提高输入电阻（5）为增大电压放大倍数，集成运放的中间级多采用。
A．共射放大电路B.共集放大电路C．共基放大电路解：（1）C （2）B （3）C （4）A （5）A二、判断下列说法是否正确，用“√”或“×”表示判断结果填入括号内。
（1）运放的输入失调电压U I O 是两输入端电位之差。
( ) （2）运放的输入失调电流I I O 是两端电流之差。
( ) （3）运放的共模抑制比cdCMR A A K =( ) （4）有源负载可以增大放大电路的输出电流。
( )（5）在输入信号作用时，偏置电路改变了各放大管的动态电流。
( ) 解：（1）× （2）√ （3）√ （4）√ （5）× 三、电路如图T4.3所示，已知β1=β2=β3=100。
各管的U B E 均为0.7V ，试求I C 2的值。
图T4.3解：分析估算如下： 100BE1BE2CC =--=RU U V I R μ AβCC B1C0B2C0E1E2CC1C0I I I I I I I I I I I I R +=+=+====1001C =≈⋅+=R R I I I ββμA四、电路如图T4.4所示。
图T4.4（1）说明电路是几级放大电路，各级分别是哪种形式的放大电路（共射、共集、差放……）；（2）分别说明各级采用了哪些措施来改善其性能指标（如增大放大倍数、输入电阻……）。
解：（1）三级放大电路，第一级为共集-共基双端输入单端输出差分放大电路，第二级是共射放大电路，第三级是互补输出级。
第4章 集成运算放大器的结构及特性
4.输入失调电压温漂 dVio /dT
在规定工作温度范围内，输入失调 电压随温度的变化量与温度变化量 之比值。
5.输入失调电流温漂dIio /dT
在规定工作温度范围内，输入失调电 流随温度的变化量与温度变化量之比 值。
6.最大差模输入电压Vidmax
(maximum differential mode input voltage) 运放两输入端能承受的最大差模输入电压， 超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。
五、运算放大器的符号和型号
运算放大器的符号中有三个引线端，两个 输入端，一个输出端。一个称为同相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用 符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入 端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异， 用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输 入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实 际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有 的品种还有补偿端和调零端。
7.最大共模输入电压Vicmax
(maximum common mode input voltage) 在保证运放正常工作条件下，共模输入 电压的允许范围。共模电压超过此值时， 输入差分对管出现饱和，放大器失去共 模抑制能力。
二、运算放大器的动态技术指标
1.开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电 压的变化量与输入电压的变化量之比。 2.差模输入电阻rid ：(input resistance)输入差模 信号时，运放的输入电阻。 3.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压 增益 Avd 与共模电压增益 Avc 之比，常用分贝数 来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)
第4章 差动放大器
17
差模特性
（假定Vin1-Vin2 从-变化到+ ）
Vin1比Vin2更负，M1截止，M2导 通，ID2=ISS，因此Vout1=VDD, Vout2=VDD-RDISS Vin1逐渐增大，M1开始导通， Vout1减小，由于ID1+ID2=ISS， M2流经的电流减小，Vout2增大； 当Vin1=Vin2 时， Vout1=Vout2=VDD-RDISS/2。 当Vin1比Vin2更正时，差动对 两侧情况正好与上述情况相 反。
低电压工作（宽输出摆幅）的共源共栅电流镜
考察图(b)，所有晶体管均处于饱和区， 选择合适的器件尺寸，使VGS2=VGS4，若选择
M3~M4消耗的电压余度最小(M3与M4过驱动电压 之和)，且可以精确复制IREF（VDS3=VDS1）。
2016/1/22
共源共栅电流镜
4 4
三种电流镜的比较
(W/L)=25/0.5, nCOX=50A/V2,VT=0.6V, ==0, VDD=3V。求： 1. 如果RSS上的压降保持在0.5V,则输入 共模电平＝? 2. 计算差模增益等于5时的RD＝？ 3. 如果输入共模电平比(1)计算出的值大 200mV，则输出如何变化 （1） 因ID1= ID2=0.5mA，故：
Vb
M3
两边对称
15
共模特性
采用NMOS提供尾电流ISS，Vin,CM从0开始增加。
当Vin,CM＝0时，ID1=ID2=ID3=0 Vin,CM增加，M3导通，处于三极管区； 当Vin,CM足够大时，M3进入饱和区， 因此电路正常工作状态应满足 Vin,CMVGS1+(VGS3-VTH3) Vin,CM进一步增加， Vin,CM>Vout1+VTH， M1 和M2进入三极管区,Vout1=VDD-RD*ISS/2
(整理)第4章场效应管放大电路
第四章 场效应管放大电路4.1 结型场效应管4．11 结构结型场效应管有两种结构形式：N 型沟道结型场效应管和P 型沟道结型场效应管。
如图（1）图（1）结型场效应管的结构示意图和符号4．12 工作原理在D 、S 间加上电压U DS ，则源极和漏极之间形成电流I D ，我们通过改变栅极和源极的反向电压U GS ，就可以改变两个PN 结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流I D 。
1. UGS 对导电沟道的影响 假设Uds=0：当Ugs 由零向负值增大时，PN 结的阻挡层加厚，沟道变厚，电阻增大。
如图（2）中（a ）（b ）所示。
若Ugs 的负值再进一步增大，当Ugs=Up 时两个PN 结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称为沟道被“夹断“了，Up 称为夹断电压，此时Id=0，如图（2）中（c ）所示。
图（2）当UDS=0时UGS 对导电沟道的影响示意2. I D 与U DS 、U GS 之间的关系假定栅，源电压|Ugs|〈|Up|，如Ugs=-1V ，而Up=-4V ，当漏，源之间加上电压Uds=2V 时，沟道中将所有的电流Id 通过。
此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的栅极之间的电位差也就各不相等。
漏电端与栅极之间的反(a ) N 型沟道＋(b ) P 型沟道＋DS(c ) N 沟道(d ) P 沟道(a ) U GS ＝0＝0(b ) U GS ＜0＝0(c ) U GS ＝ －U P＝0向电压最高，如Udg=Uds-Ugs=2 -（-1）=3V ，沿着沟道向下逐渐降低，使源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。
如图（3）中（a ）。
此时，若增大Uds ，由于沟道电阻增大较慢，所以Id 随之增加。
当Uds 进一步怎家到使栅，漏间电压Ugd 等于Up 时，即 Ugd=Ugs-Uds=Up则在D 极附近，两个PN 结的阻挡层相遇，如图（3）（b ）所示，我们称为预夹断。
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或
iS
RS vi -
Ri
定义
vi Ri ii
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
对输出端负载而言(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 。
io Ro + vot io
部分。
第4章
放大器基础
放大器分类
按信号特征分： 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)
宽频带 放大器
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)
(3)信噪比与噪声系数
信噪比：
PS SNR P N
有用信号功 率
信噪比越大越好 噪声系数：
噪声信号功 率
输入端信噪比 NF ＝ SNRi 输出端信噪比 SNRo
NF越小，说明放大器对微弱信号的实际放大 能力越强（NF=1说明放大器是理想无噪声 的）。
第4章
放大器基础
（4）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。 频率失真 线性失真 瞬变失真 失真类型 非线性失真
v Vm sin t
v VBEQ VT
利用傅里叶级数展开得： iC I S e
I CQe
v VT
v 1 v 2 1 v 3 iC I CQ [1 ( ) ( ) ] VT 2! VT 3! VT
I 0 I 1m sin t I 2m sin 2 t I nm sin n t ]
(2)通频带及频率响应 Av Avo Av0/ 2
放大倍数随频率变化曲 线——幅频特性曲线
幅频特性和相 f 下限截 L 频特性，统称 止频率 为频率特性。通频带： BW
上限截 fH 止频率
0.7
f
通频带越宽，放大器对信号的频率变化适应 能力越强;但也不宜过宽，易使信号以外的噪声得 到放大。
= fH – fL
+
RE RC RL
vo
-
27
第4章
放大器基础
共集电极放大器
RB1 C1 +
VCC
C2 RL
VCC
RS
+ vs -
+
+
RB2
RE
vo
-
直 流 通 路
RB1
RB2
RE
交 流 通 路
RS + vs -
RB1
RB2
RE
RL
+ -
vo
28
第4章
放大器基础
4.2.2 共射、共基和共集放大器的性能
共射电路性能分析
vo
-
直 流 通 路
RB1
RC
RB2
RE
交 流 通 路
+ RS + vs -
RB1
RB2
RC RL
vo
26
第4章
放大器基础
共基极放大器
C1 RS + vs RC RB2 CB RB1 C2 + RL VCC VCC
RE
vo
-
直 RB1 流 通 路 RB2
RC
RE
交 流 通 路
RS + vs -
( Ro 的定义)
+
v
-
(放大器一般框图)
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。
定义
加压求流法
v Ro i
RL v s 0 ( is 0 )
实验测量的方法：
Ro 反映放大器的带负载能力。
vot Ro ( 1) RL voL
第4章
+
RL vo -
+
或
vot Roion
ion
Ro
RL vo -
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：
i
RS + vS -
放 大 器
+ RL vo RS
放 大 器
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。
fL A( f )(线性刻度)
增益分贝值：
A( ) dB 20 lg A( )
通频带：
(对数刻度)
fH f /Hz
O
2 （下降了3dB ） ,
增益下降到
1
AI
对应上限频率 fH
O (对数刻度)
f /Hz
及下限频率 fL 。
BW 0.7 f H f L
第4章
放大器基础
频率特性的三个频段
源电压增益：
Avs
电压放大器
+ vi Ri
-
Ro + RL vo vot -
+
vo vo vi Ri Av vs vi vs Rs Ri
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：
ii
io
ion RL
RS Ri 短路电流增益： ion io ion RL Ain Ai (1 ) ii i i io Ro Ro 越大，RL 对 Ai 影响越小。 源电流增益： Ais io io ii Ai RS is i i is RS Ri Ri 越小，RS 对 Ais 影响越小。 io 互导放大器 互导增益： Ag vi vo 互阻放大器 A 互阻增益： r
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： j ( )
A( j ) A( )e
A
幅值，幅频特性
相角，相频特性
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。 幅 A( f )/dB(线性刻度) 频 AI 特 AI-3dB 性 相 频 特 性
ii RS + vS + vi io
线性 有源 四端 网络 Ri
Ro
RL
规定： + 电压的极性： 上＋下－ vo 电流的方向： - 流入网络为正 方向
反映放大器性能的主要指标有： 输入电阻 Ri 、 输出电阻 R 、 增益 A o
第4章
放大器基础
(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 。
1 2 1 2 2 2 PL iC RCdt I CQ RC I cm RC 2 2 0
因为 VC C VC EQ I C Q RC
所 以 PD PC PL
7
第4章
放大器基础
电源提供的功率 PD 除了转换成负载上有用的输出功
率 PL 外，其余均消耗在晶体三极管上( PC )。
放大器基础
小信号放大器四种电路模型
ii io
RS + vS -
+ vi Ri
-
Ro + RL vo vot io
+
ion
iS RS Ri Ro RL
电压放大器 ii iS
电流放大器 +
RS + vS -
+ vi Ri
-
ion
Ro RL RS Ri
Ro + RL vo vot -
互导放大器
互阻放大器
第4章
放大器基础 具有正向受控作用的半导 体器件是整个电路的核心
放大器组成框图
输 入 信 号
耦 合 电 路
耦 合 电 路
输 出 负 载
直流偏置电路
将输入信号源 与放大器输入 端进行连接。 外 围 电 路 将放大器输出 端与输出负载 进行连接。
保证半导体器件 工作在放大模式
第4章
放大器基础
放大器的组成原则：
第4章
概 4.1 4.2 4.3 4.4
放大器基础
述 放大器的基本概念 基本放大器 差分放大器 电流源电路及其应用
4.5 多级放大器 4.6 放大器的频率响应
第4章
放大器基础
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
放大器放大信号的实质：是利用三极管的正向受控 作用，将电源 VCC 提供的直流功率，部分地转换为输 出功率。 注意： 电源 VCC 不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在 放大区，同时还是整个电路的能源。 三极管仅是一个换能器。
8
第4章
放大器基础
4.1.2 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：