模塊四、小信號放大器;

一、放大的概念與放大器的主要性能指標;

1、放大的概念;話筒將微弱的聲音轉換成電信號，經放大器后，放大成足夠強的電信號，驅動揚聲器，使其發出的聲音比原來強得多的聲音就是放大，放大器的本質是通過放大電路將直流電源的能量，轉換成負載所獲得的能量，使負載從電源所獲得的能量大于信號源，所提供的能量。因此電子電路放大的基本特征是功率放大。

即負載上總是獲得比輸入信號大得多的電壓或電流(AP〉1)放大的前提是不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義，晶體管和場效應管是放大電路的核心元件。它們只有工作在合適的區域(三極管工作于放大區，場效應管工作于恒流區)，才能使輸出與輸入始終保持線性關系，不失真。

2、放大器的性能指標;

第一類指標;輸入幅值已定，頻率已定時的性能。

①放大倍數;Au=Uo/Ui,Ai=Io/Ii

Ap=Po/Pi=(Uo*Io)/(Ui*Ii)=Au*Ai

②輸入電阻;從放大器輸入端看進去的等效電阻。

Ri=Ui/Ii(越大，越好，對信號源影響小)

③輸出電阻;從放大器輸出端看進去的等效內阻稱為輸出電阻。

∵Uo=RL/Ro+RL*Uo′→Ro=(Uo′/Uo-1)RL(越小越好，帶載能力強)

第二類指標;輸入信號幅值不變，而頻率改變時的性能。

①通頻帶fbw，是衡量放大器對不同信號頻率的放大能力。

當信號頻率減小到一定程度時，放大器的放大倍數明顯下降，使放大倍數的數值等于0.707Aum時的頻率稱下限截止頻率fL;當信號頻率增加到一定程度時，放大器的放大倍數明顯下降，使放大倍數的數值等于0.707Aum時的頻率成為上限截止頻率fH。fL與fH形成的頻帶稱為通頻帶fBW，fBW越寬越好，對不同信號頻率適應能力強。

第三類指標;輸入信號頻率不變，而幅值改變時的性能。

①最大不失真輸出電壓Uo\Uomp-p;當輸入信號電壓幅值在增大就會使輸出波形產生非線性失真時的輸出電壓，可以用有效值或峰一峰值表示。

最大輸出功率和效率;#最大輸出功率;在輸出信號不失真的情況下，負載上能獲得的最大功率Pom。

Pom=Uo 2 m/RL

#效率;直流電源能量的利用率稱為效率η

η=Pom/Pvcc=Uo 2 m/RL→(最大輸出功率)/VCC*Icm→(電源消耗功率)

#測試要求;測Ai,Au,Ap,Ri,Ro,應給放大器輸入中頻小幅值信號，對測fBW，應給放大器輸入小幅值，寬頻率范圍的信號，對Uom,Pom,y應給放大器輸入中頻段大幅值信號。

二、晶體三極管放大電路;

1、共e放大電路;固定偏置與分壓偏置共e放大電路;

①固定偏置共e放大(只作理論分析，實際很少應用)

a,靜態工作點Q的估算;把放大器的輸入端短路，則放大器處于無信號輸入狀態時，晶體三極管各極直流和電流統稱為靜態工作點。

IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb≈VCC/Rb,

ICQ≈β*IBQ,

VCEQ=VCC-IC*Rc

b,Ri,Ro,Au的估算 基極到基區電阻，小功率rbb'≈300，大功率rbb'≈5~50Ω

Ri=Rb∥rbe(rbe=rbb'+(1+β)26mv/IEmA) ≈rbe

Ro=Rc Au=Uo/Ui=-(ic*Rc)/(ib*rbe)=-β*(ib*Rc)/(ib*rbe)=-(β*Rc)/rbe

Au'=-β*RL'/rbe(RL'=Rc∥RL)

c,元器件參數選擇對電路工作的影響。

┏Rb太大→IBQ太小→VCEQ太大→截止失真(頂部)

Rb→Rb的取值對電路的影響最大

┗Rb太小→IBQ太大→VCEQ太小→飽和失真(底部)

Rc→集電極電阻的取值對Q點有影響，且也影響Au。

C1，C2→輸入輸出耦合電容，取值的大小對信號的通頻帶產生影響，

因為容抗Xc=1\2πfc，所以C的值太小，容抗太大，輸入輸出信號幅值會被衰減。

V→晶體三極管，電路核心元器件，注意參數選擇符合要求的三極管。

VCC→提供電路正常工作的能量，實現能量轉換。

#電路簡單，但工作點不穩定且不易調整，實際中基本不使用，而采用分壓式偏置共e電路。

②穩定靜態工作電分壓式偏置共e放大電路;

a,靜態工作點Q的估算;

VBEQ=Rb2/(Rb1+Rb2)*VCC

VEQ=VBQ-VBEQ(固定為0.3V或0.7V)

IEQ≈ICQ=VEQ/Re

VCEQ=VCC-ICQ*(Rc+Re)

#注;Ib1=Ib2+IBQ,要求Ib1≥IBQ

b,穩定Q點原理;

T℃↑→β↑→ICQ↑→IEQ↑→UEQ↑

→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓

c,Ri,Ro,Au計算與固定偏置共E放大電路基本相

似。

d,元器件參數對放大器性能的影響。

RP與Rp串聯組成基極上偏置電阻，通過電位器調節可使電路工作于理想的放大狀態，實際應用時，估算合理后，直接用一個電阻代替即可。

Re→射極電阻，引入直流電流串聯負反饋，穩定靜態工作點。

Ce→射極旁路電容，接入Re后可穩定靜態工作點，但放大倍數受到嚴重衰減，故接入Ce以保證放大倍數不受影響，Ce比C1,C2值略大。

③集基耦合共射放大電路;

#電路中Rb由原固定偏置接電源，現接至集電極上，引入了電壓，并聯負反饋，穩定靜態工作點。

T℃↑→β↑→IB↑→IC↑→UC↑→UBE↓,

IB↓→IC↓

④圖解法簡要分析共E放大電路;

可根據土辦法;

∵UCEQ≈VCC-IC*RC

2、共C放大電路;又稱射極跟隨器或者電壓跟隨器→引入電壓串聯負反饋。

a,靜態工作點計算;

IBQ=VCC/[Rb+(1+β)Re]

ICQ=β*IBQ

VCEQ=VCC-ICQ*Re

設計使用電路時，取ICQ≈1~2mA,

例如;Re=2K

IE=1.2mA,UE=2.4V

則;Rb=(VCC+UB) β/IEQ

b,Ri,Ro,Au,Ai估算;

Ri=[rbe+(1+β)RL*Re/(RL+Re)]∥Rb→輸入電阻大

Rb=(Rb+rbe)/(1+β)∥Re →輸出電阻小

Au=Uo/Ui=(1+β)RL∥Re/[rbe+(1+β)RL]∥Re≈1且小于1→體現電壓跟隨。

Ai放大了(1+β)倍，∴共C電路是一個功率放大電路。

c,共C放大電路(射極跟隨器)特點;

Ri大Ro小，Au≈1且小于1，電流放大( 1+β)倍。

3、共b放大電路(高頻放大電路);

a,靜態工作點;

UBQ=Rb2/(Rb1+Rb2)*VCC

UCEQ=UBQ-UBEQ(固定為0.7V或0.3V)

IEQ=VEQ/ReQ

UCEQ=VCC-ICQ*(Rc+Re)

b, Ri,Ro,Au,Ai估算;

Ri=Re∥rbe/(1+β)

Ro≈Rc

Au=β*Rc/[rbe+(1+β)Re]

Ai=IC/IE <1(約等于1)

c,特點;具有一定的電壓放大倍數，電流放大倍數略小于1，

Uo與Ui同相，Ri小Ro適中，高頻特性好，適合于高頻放大。

4、共E,共C,共B三種放大電路比較;

三、場效應管放大電路;

1、 N溝道結型場效應管共S放大電路;

①自給偏壓電路;

N溝道結型場效應管正常工作時，只有在UGS上加小于0的電壓，電路才能正常工作。所以我們可以利用漏極電流在源極電阻上產生的壓降來獲取負的柵源—UGS.

原理;由于柵極電阻Rg上沒有直流電流，所以VG=0，源極電壓US=ID*RS,

又因為UGS=UG-US, ∴UGS=-ID*RS.

②參數選取;C1,C2取值0.1~10UF，比三極管放大電路中C1,C2小得多，CS通常比C1,C2大得多，Rg阻值取值范圍3~10M可不同，Rd，Rs通常比三極管中的Rc,Re大。

2、N溝道增強型絕緣柵場效應管共S放大電路;

①靜態工作點Q;

VGQ=Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC

→UGS=VGQ-Id*Rs

當VGQ≥UGS時，則;UGS≈USQ

Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC=ID*Rs

→ID=Rg2*VCC/RS(Rg1+Rg2)

VDS=VDD-ID(Rd+Rs)

②動態分析Ri,Ro,Au,

Ri=Rg+(Rg1∥Rg2) ≈Rg

Ro≈Rd

Au=-gm*RL'

(RL'=Rd*Rl/(Rd+RL))

3、 N溝道絕緣柵場效應管源極輸出器(共D電路)

①靜態工作點;

VGQ=Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC，

當UGS很小時，

UGS≈USQ，

則UGS≈Id*Rs→ID=VCC/Rs

VDS=VDD-Vs

②動態分析Au,Ri,Ro;

Au=Uo/Ui=gm*Rs/(1+gm*Rs)

若接負載;Au=gm*RL'/(1+gm*RL')

(R'L=Rs∥RL)

Ri≈Rg

Ro=Rs∥1/gm≈1/gm

所以源極輸出器不實用。

四、放大電路的派生電路;

在實際應用中，為了進一步改善放的放大電路的性能，可用多只晶體管構成復合管來代替基本電路中的一只晶體管，也可以根據需要將兩種基本接法組合起來，以得到多方面性能頗佳的放大電路。

1、 復合管放大電路;

#復合管組合原則;

①兩管中的電流流動方向必須相統一;

②第二管的發射極必須單獨接出;

③復合管導電類型(NPN,PNP)由第一只管的導電類型確定;

④在正確的外加電壓下，每只管的各極電流均有合適的通路，且能工作在放大區。

#復合管的電流放大系數β=β1*β2

#復合管共射放大電路;增大電壓，電流放大倍數，增大輸入電阻;

#復合管共集電極放大電路;增大輸入電阻，減小輸出電阻，但Au≈1(更小)

2、 共射——共基放大電路;

將共E與共B組合起來，既保持共E放大電路電壓放大能力強的特點，又獲得共B放大電路較好的高頻特性。

Au≈-(-β1(R5∥RL))/rbe1

3、共C——共B放大電路;

將共C與共B組合起來，既保持共C放大電路輸入電阻大的特點，又獲得共B具有一定的電壓放大能力，而共C，共B均有較高的上限頻率，故電路有較寬的fBw.

五、多級放大器;

1、多級放大器的耦合方式;直接耦合，阻容耦合，變壓器耦合，光電耦合。

①直接耦合;

A圖直接耦合兩級放大電路中，靜態時，UCEQ1≈UBEQ2≈0.7V，所以V2工作接近于飽和區，在動態信號的作用下，容易引起飽和失真。為了抬高V2基極電位，采用B圖在V2發射極加了一個電阻Re2，雖然飽和失真問題解決了，但Re2的存在會使V2注一級的電壓放大倍數大大下降，從而影響整個電路的放大能力，為了解決這個問題，可采用二極管來抬高V2基極電位，又為了取得更好的效果，采用C圖的穩壓二極管，但是可以設想，如果級數增多，仍為NPN管構成共射電路，則集電極的電位逐級升高，以至于接近電源電壓，所以直接耦合多級放大器常采用NPN和PNP管混合使用的方法解決上述問題，如果D所示，V1管VC1>VB1，而V2管VC1

#直接耦合方式的優缺點;缺點;前后級的電位相互影響，給電路分析，設計，計算帶來很大困難。優點;低頻特性好，可以放大緩慢的低頻信號，但現在基本上采用集成運放，而關于直接耦合存在的零點漂移采用差分放大器等后面在進一步描述。

②阻容耦合;

由于電容對于直流而言電抗相當于∞，所以阻容耦合各級之間的靜態工作點相互獨立，注給電路的分析，設計和調試帶來很大的方便。但阻容耦合放大器的低頻特性差，對放大變化緩慢的信號不能放大，同時大容量的電解電容很難集成，所以阻容耦合不利于集成化。一般現在只有在信號頻率較高，輸出功率的特殊情況下，才采用阻容耦合。

③變壓器耦合;

變壓器耦合的前后級靠磁路耦合，與阻容耦合一樣，它前后級之間的靜態工作點相互獨立。同樣低頻特性差不可放大變化緩慢的低頻信號，且笨重，不易集成化，但變壓器耦合最大的優點使能夠實現阻抗變換，因而在低頻分立功率放大電路中得到廣泛應用。

#阻抗變換;在實際音頻功放系統中，負載電阻的阻值都很小，例如揚聲器一般只有4Ω，8Ω和16Ω等幾種，如果采用直接耦合或阻容耦合，放大倍數將變得很小，無法獲得足夠大的功率。若忽略變壓器自身損耗，則初級繞組損耗的功率或次級繞組損耗的功率。即;P1=P2。

I12RL'=I22RL→RL'=(I2/I1) 2RL

RL'=(N1/N2)*RL, ∴

上圖中的Au為：

Au=-β*RL'/rbe(RL'=(N1/N2) 2*RL)

④光電耦合;光電耦合是以光信號為媒介來實現電信號的耦合和傳遞，因其抗干擾能力強而得到廣泛應用是一種“電→光→電”轉換電子器件。

#光電耦合放大電路;

靜態時，輸入回路已有靜態電路電流IDQ，輸出回路有靜態電流ICQ，從而有靜態管壓降UCEQ，當有動態信號輸入時，就對信號進行放大。

#簡單光電耦合測試電路;

#常用光夠型號與引腳功能;

2、 差分放大器→直接耦合放大電路的基本單元電路，能有效抑制零點漂移，一般在集成運放，集成功放內部的第一級均采用差分放大器。

#輸入信號為0時，輸出信號電壓偏離其起始值的現象稱為零點漂移，簡稱零漂。

#如a圖所示，當Ui1與Ui2所加的信號為大小相等極性相同輸入信號時，稱為共模信號。

由于電路對稱，即Δib1=Δib2, Δic1=Δic2, ΔUc1=ΔUc2，

而Uo=Uc1-Uc2=(UCQ1+ΔUC1)-(UCQ2+ΔUC2)=0

所以說明差分放大器對共模信號有抑制作用，能有效克服零漂。

#如b圖所示，當Ui1與Ui2所加的信號為大小相等，極性相反輸入信號時，稱為差模信號。

由于Ui1=-Ui2,且電路參數對稱，所以Δib1=-Δib2, Δic1=-Δic2, ΔUc1=-ΔUc2，所以ΔUo=ΔUC1-ΔUC2=2ΔUC1,從而對差模信號實現了電壓放大，但是由于Re1，Re2的存在，會使電路的電壓放大能力大大變差。

從上述分析可知;Δie1=-Δie2若得V1與V2管的發射極接在一起，將Re1和Re2合二為一。成為一個電阻Re，在差模信號的作用時，Re中的電流變化相互抵消，變化為0，即對差模無反饋作用，相當短路，大大提高了對差模信號的放大能力。

#為了簡化電路，便于調節Q點，它為了使信號源與電源“共地”，所以設計了如圖C所示實用型差分放大器，也稱為差動放大器，所謂的差動是指當兩個輸入端有差別時輸出電壓大有變動的意思。

應當指出電阻本身有誤差，晶體三極管的參數也不可能完全一樣，任何差分放大器的參數不可能理想對稱。

#圖中Re接負電原VEE，一般把它稱為長尾式電路，Re在電路中的作用是引入共模負反饋。從而抑制了溫度漂移。

#特別說明;差分放大器用了二只三極管，但它的放大倍數值相當于單管共E放大電路，它是犧牲一只管子的放大來抑制溫漂的效果。

#差分放大器的四種接法;

┏雙端輸入，雙端輸出

┣雙端輸入，單端輸出

┣單端輸入，雙端輸出

┗單端輸入，單端輸出

#四種接法參數特點;

A、輸入電阻均為2(Rb+rbe)=Ri

B、雙端輸出Ad=-β(Rc∥RL/2)/(Rb+rbe)

Ac=0 Ro=2Rc

C、單端輸出Ad=-1/2*β(RC∥RL)/(Rb+rbe)

Ac=-( Rb+rbe)* β/[Rb+rbe+2(1+β)Re] Ro=Rc

3、差分放大器和集成運放中的電流源電路;

①鏡像電流源(V1,V2兩管特性要求完全相同)

因為β=β1=β2，又因為IB1=IB2=IB,所以IC1=IC2,

由于這種IC1與IC2呈鏡像關系，故稱為鏡像電流源。

IR=(VCC-VBE)/R=IC2+2IB=IC2+2(IC/β)

→IC2=IC=β/(β+2)*IR

因為β≥2，所以IC2=IC≈IR=(VCC-VBE)/R

②比例電流源;因為鏡像電流源中Ic2≈IR，在左圖比例電流源中，UBE1+IE1*Re1=UBE2+IE2*Re2.

又因為，IR≈IC1≈IE1 IC2≈IE2

所以IC1≈Re1/Re2*IR IR=(VCC-VBEO)/(R+Re1)。

所以只要改變Re1和Re2的阻值，就可以改變IC1(IR)與IC2之間的電流比例關系。

六、負反饋放大器;

1、反饋的定義;

在電子電路中，將輸出量(輸出電壓或輸出電流)的一部分或全部通過一定的電路形式作用到輸入端，用來影響輸入量(放大電路的輸入電壓或輸入電流)的措施，稱為反饋。

2、 反饋類型;

①正反饋與負反饋;

如果使放大電路凈輸入量增大的反饋為正反饋，也可以表示為反饋的結果使輸出量變化增大的為正反饋。

如果使放大電路凈輸入量減小的反饋為負反饋，也可以表示為反饋的結果使輸出量變化減小的為負反饋。

②直流反饋與交流反饋;

如果反饋量含有直流量稱為直流反饋;

如果反饋量含有交流量稱為交流反饋。

交流反饋是為了改善放大器的某一性能，

而直流反饋一般是為了穩定靜態工作點。

③電壓反饋與電流反饋;

如果反饋信號取自輸出電壓，并與輸出電壓成正比的為電壓反饋;

如果反饋信號取自輸出電流，并與輸出電流成正比的為電流反饋。

④串聯反饋與并聯反饋;

串聯反饋是指凈輸入量是由輸入量和反饋量串聯而成;

并聯反饋是指凈輸入量是由輸入量和反饋量串聯而成。

⑤反饋的四種基本組態;

a\電壓串聯負反饋

b\電壓并聯負反饋

c\電流串聯負反饋

d\電流并聯負反饋

3、 反饋組態的判斷;

①電壓反饋與電流反饋的判斷;將輸出端短路，即令Uo=0，如果反饋信號uf也等于0，則為電壓反饋，若輸出電壓Uo=0，而uf≠0，則為電流反饋。

②串聯反饋與并聯反饋的判斷;將輸入端短路，即令Ui= 0，如果反饋信號uf也同樣被短路，即凈輸入信號為0，則并聯反饋，若輸入電壓Ui=0，而 uf≠0，則為串聯反饋。

③正反饋與負反饋的判斷;瞬時極性法是判斷電路中反饋極性(正、負)的基本方法，具體方法是;規定輸入信號在某一時刻對地的瞬時極性，并以此做為依據，逐級判斷電路中的各相關點電流流向和電位極性，從而得到輸出信號的極性，根據輸出信號的極性判斷出反饋信號的極性。

若反饋信號使故大電路的凈輸入信號增大，則說明引入了正反饋，

若反饋信號使放大電路的凈輸入信號減小，則說明引入了負反饋。

#反饋量的大小反反決定于輸出量的物理量，而與輸入量無關。

4、 負反饋對放大電路性能的影響;

① 放大倍數下降，但放大倍數的穩定性提高;

② 改善了放大器的頻率特性，展寬了通頻帶;

③ 減小了放大器的波形失真，

④ 改變了放大器的輸入輸出電阻。

串聯負反饋;增大輸入電阻 并聯負反饋;減小輸入電阻

電流負反饋;增大輸出電阻 電壓負反饋;減小輸出電阻