一文詳解小信號放大器

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(biāo);

1、放大的概念;話筒將微弱的聲音轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大器后，放大成足夠強的電信號，驅(qū)動揚聲器，使其發(fā)出的聲音比原來強得多的聲音就是放大，放大器的本質(zhì)是通過放大電路將直流電源的能量，轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)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(fù)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(yīng)管是放大電路的核心元件。它們只有工作在合適的區(qū)域(三極管工作于放大區(qū)，場效應(yīng)管工作于恒流區(qū))，才能使輸出與輸入始終保持線性關(guān)系，不失真。

2、放大器的性能指標(biāo);

第一類指標(biāo);輸入幅值已定，頻率已定時的性能。

①放大倍數(shù);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(nèi)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(biāo);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(dāng)信號頻率減小到一定程度時，放大器的放大倍數(shù)明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707Aum時的頻率稱下限截止頻率fL;當(dāng)信號頻率增加到一定程度時，放大器的放大倍數(shù)明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)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(yīng)能力強。

第三類指標(biāo);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(dāng)輸入信號電壓幅值在增大就會使輸出波形產(chǎn)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(fù)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(yīng)給放大器輸入中頻小幅值信號，對測fBW，應(yīng)給放大器輸入小幅值，寬頻率范圍的信號，對Uom,Pom,y應(yīng)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(yīng)用)

a,靜態(tài)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(tài)時，晶體三極管各極直流和電流統(tǒng)稱為靜態(tài)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(qū)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(shù)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(chǎn)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(shù)選擇符合要求的三極管。

VCC→提供電路正常工作的能量，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

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

②穩(wěn)定靜態(tài)工作電分壓式偏置共e放大電路;

a,靜態(tài)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(wěn)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(shù)對放大器性能的影響。

RP與Rp串聯(lián)組成基極上偏置電阻，通過電位器調(diào)節(jié)可使電路工作于理想的放大狀態(tài)，實際應(yīng)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(lián)負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

Ce→射極旁路電容，接入Re后可穩(wěn)定靜態(tài)工作點，但放大倍數(shù)受到嚴(yán)重衰減，故接入Ce以保證放大倍數(shù)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(xiàn)接至集電極上，引入了電壓，并聯(lián)負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)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(jù)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(lián)負(fù)反饋。

a,靜態(tài)工作點計算;

IBQ=VCC/[Rb+(1+β)Re]

ICQ=β*IBQ

VCEQ=VCC-ICQ*Re

設(shè)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(xiàn)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(tài)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(shù)，電流放大倍數(shù)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(yīng)管放大電路;

1、 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管共S放大電路;

①自給偏壓電路;

N溝道結(jié)型場效應(yīng)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(chǎn)生的壓降來獲取負(fù)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(shù)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(yīng)管共S放大電路;

①靜態(tài)工作點Q;

VGQ=Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC

→UGS=VGQ-Id*Rs

當(dāng)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(tài)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(yīng)管源極輸出器(共D電路)

①靜態(tài)工作點;

VGQ=Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC，

當(dāng)UGS很小時，

UGS≈USQ，

則UGS≈Id*Rs→ID=VCC/Rs

VDS=VDD-Vs

②動態(tài)分析Au,Ri,Ro;

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

若接負(fù)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(yīng)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(gòu)成復(fù)合管來代替基本電路中的一只晶體管，也可以根據(jù)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(fù)合管放大電路;

#復(fù)合管組合原則;

①兩管中的電流流動方向必須相統(tǒng)一;

②第二管的發(fā)射極必須單獨接出;

③復(fù)合管導(dǎo)電類型(NPN,PNP)由第一只管的導(dǎo)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(qū)。

#復(fù)合管的電流放大系數(shù)β=β1*β2

#復(fù)合管共射放大電路;增大電壓，電流放大倍數(shù)，增大輸入電阻;

#復(fù)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(tài)時，UCEQ1≈UBEQ2≈0.7V，所以V2工作接近于飽和區(qū)，在動態(tài)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(fā)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(shù)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(wěn)壓二極管，但是可以設(shè)想，如果級數(shù)增多，仍為NPN管構(gòu)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(yōu)缺點;缺點;前后級的電位相互影響，給電路分析，設(shè)計，計算帶來很大困難。優(yōu)點;低頻特性好，可以放大緩慢的低頻信號，但現(xiàn)在基本上采用集成運放，而關(guān)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(dāng)于∞，所以阻容耦合各級之間的靜態(tài)工作點相互獨立，注給電路的分析，設(shè)計和調(diào)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(xiàn)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(tài)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(yōu)點使能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗變換，因而在低頻分立功率放大電路中得到廣泛應(yīng)用。

#阻抗變換;在實際音頻功放系統(tǒng)中，負(fù)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(shù)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(xiàn)電信號的耦合和傳遞，因其抗干擾能力強而得到廣泛應(yīng)用是一種“電→光→電”轉(zhuǎn)換電子器件。

#光電耦合放大電路;

靜態(tài)時，輸入回路已有靜態(tài)電路電流IDQ，輸出回路有靜態(tài)電流ICQ，從而有靜態(tài)管壓降UCEQ，當(dāng)有動態(tài)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(nèi)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(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。

#如a圖所示，當(dāng)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(dāng)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(shù)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(xiàn)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(fā)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(dāng)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(diào)節(jié)Q點，它為了使信號源與電源“共地”，所以設(shè)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(dāng)兩個輸入端有差別時輸出電壓大有變動的意思。

應(yīng)當(dāng)指出電阻本身有誤差，晶體三極管的參數(shù)也不可能完全一樣，任何差分放大器的參數(shù)不可能理想對稱。

#圖中Re接負(fù)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(fù)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(shù)值相當(dāng)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(shù)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(guān)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(guān)系。

六、負(fù)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(fù)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(jié)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(fù)反饋，也可以表示為反饋的結(jié)果使輸出量變化減小的為負(fù)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(wěn)定靜態(tài)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(lián)反饋與并聯(lián)反饋;

串聯(lián)反饋是指凈輸入量是由輸入量和反饋量串聯(lián)而成;

并聯(lián)反饋是指凈輸入量是由輸入量和反饋量串聯(lián)而成。

⑤反饋的四種基本組態(tài);

a\電壓串聯(lián)負(fù)反饋

b\電壓并聯(lián)負(fù)反饋

c\電流串聯(lián)負(fù)反饋

d\電流并聯(lián)負(fù)反饋

3、 反饋組態(tài)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(lián)反饋與并聯(lián)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(lián)反饋，若輸入電壓Ui=0，而 uf≠0，則為串聯(lián)反饋。

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

4、 負(fù)反饋對放大電路性能的影響;

① 放大倍數(shù)下降，但放大倍數(shù)的穩(wěn)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(lián)負(fù)反饋;增大輸入電阻 并聯(lián)負(fù)反饋;減小輸入電阻

電流負(fù)反饋;增大輸出電阻 電壓負(fù)反饋;減小輸出電阻