一文详解小信号放大器

模块四、小信号放大器;

一、放大的概念与放大器的主要性能指标;

1、放大的概念;话筒将微弱的声音转换成电信号，经放大器后，放大成足够强的电信号，驱动扬声器，使其发出的声音比原来强得多的声音就是放大，放大器的本质是通过放大电路将直流电源的能量，转换成负载所获得的能量，使负载从电源所获得的能量大于信号源，所提供的能量。因此电子电路放大的基本特征是功率放大。

即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流(AP〉1)放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义，晶体管和场效应管是放大电路的核心元件。它们只有工作在合适的区域(三极管工作于放大区，场效应管工作于恒流区)，才能使输出与输入始终保持线性关系，不失真。

2、放大器的性能指标;

第一类指标;输入幅值已定，频率已定时的性能。

①放大倍数;Au=Uo/Ui,Ai=Io/Ii

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

②输入电阻;从放大器输入端看进去的等效电阻。

Ri=Ui/Ii(越大，越好，对信号源影响小)

③输出电阻;从放大器输出端看进去的等效内阻称为输出电阻。

∵Uo=RL/Ro+RL*Uo´→Ro=(Uo´/Uo-1)RL(越小越好，带载能力强)

第二类指标;输入信号幅值不变，而频率改变时的性能。

①通频带fbw，是衡量放大器对不同信号频率的放大能力。

当信号频率减小到一定程度时，放大器的放大倍数明显下降，使放大倍数的数值等于0.707Aum时的频率称下限截止频率fL;当信号频率增加到一定程度时，放大器的放大倍数明显下降，使放大倍数的数值等于0.707Aum时的频率成为上限截止频率fH。fL与fH形成的频带称为通频带fBW，fBW越宽越好，对不同信号频率适应能力强。

第三类指标;输入信号频率不变，而幅值改变时的性能。

①最大不失真输出电压Uo\Uomp-p;当输入信号电压幅值在增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压，可以用有效值或峰一峰值表示。

最大输出功率和效率;#最大输出功率;在输出信号不失真的情况下，负载上能获得的最大功率Pom。

Pom=Uo ² m/RL

#效率;直流电源能量的利用率称为效率η

η=Pom/Pvcc=Uo ² m/RL→(最大输出功率)/VCC*Icm→(电源消耗功率)

#测试要求;测Ai,Au,Ap,Ri,Ro,应给放大器输入中频小幅值信号，对测fBW，应给放大器输入小幅值，宽频率范围的信号，对Uom,Pom,y应给放大器输入中频段大幅值信号。

二、晶体三极管放大电路;

1、共e放大电路;固定偏置与分压偏置共e放大电路;

①固定偏置共e放大(只作理论分析，实际很少应用)

a,静态工作点Q的估算;把放大器的输入端短路，则放大器处于无信号输入状态时，晶体三极管各极直流和电流统称为静态工作点。

IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb≈VCC/Rb,

ICQ≈β*IBQ,

VCEQ=VCC-IC*Rc

b,Ri,Ro,Au的估算 基极到基区电阻，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,元器件参数选择对电路工作的影响。

┏Rb太大→IBQ太小→VCEQ太大→截止失真(顶部)

Rb→Rb的取值对电路的影响最大

┗Rb太小→IBQ太大→VCEQ太小→饱和失真(底部)

Rc→集电极电阻的取值对Q点有影响，且也影响Au。

C1，C2→输入输出耦合电容，取值的大小对信号的通频带产生影响，

因为容抗Xc=1\2πfc，所以C的值太小，容抗太大，输入输出信号幅值会被衰减。

V→晶体三极管，电路核心元器件，注意参数选择符合要求的三极管。

VCC→提供电路正常工作的能量，实现能量转换。

#电路简单，但工作点不稳定且不易调整，实际中基本不使用，而采用分压式偏置共e电路。

②稳定静态工作电分压式偏置共e放大电路;

a,静态工作点Q的估算;

VBEQ=Rb2/(Rb1+Rb2)*VCC

VEQ=VBQ-VBEQ(固定为0.3V或0.7V)

IEQ≈ICQ=VEQ/Re

VCEQ=VCC-ICQ*(Rc+Re)

#注;Ib1=Ib2+IBQ,要求Ib1≥IBQ

b,稳定Q点原理;

T℃↑→β↑→ICQ↑→IEQ↑→UEQ↑

→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓

c,Ri,Ro,Au计算与固定偏置共E放大电路基本相

似。

d,元器件参数对放大器性能的影响。

RP与Rp串联组成基极上偏置电阻，通过电位器调节可使电路工作于理想的放大状态，实际应用时，估算合理后，直接用一个电阻代替即可。

Re→射极电阻，引入直流电流串联负反馈，稳定静态工作点。

Ce→射极旁路电容，接入Re后可稳定静态工作点，但放大倍数受到严重衰减，故接入Ce以保证放大倍数不受影响，Ce比C1,C2值略大。

③集基耦合共射放大电路;

#电路中Rb由原固定偏置接电源，现接至集电极上，引入了电压，并联负反馈，稳定静态工作点。

T℃↑→β↑→IB↑→IC↑→UC↑→UBE↓,

IB↓→IC↓

④图解法简要分析共E放大电路;

可根据土办法;

∵UCEQ≈VCC-IC*RC

2、共C放大电路;又称射极跟随器或者电压跟随器→引入电压串联负反馈。

a,静态工作点计算;

IBQ=VCC/[Rb+(1+β)Re]

ICQ=β*IBQ

VCEQ=VCC-ICQ*Re

设计使用电路时，取ICQ≈1~2mA,

例如;Re=2K

IE=1.2mA,UE=2.4V

则;Rb=(VCC+UB) β/IEQ

b,Ri,Ro,Au,Ai估算;

Ri=[rbe+(1+β)RL*Re/(RL+Re)]∥Rb→输入电阻大

Rb=(Rb+rbe)/(1+β)∥Re →输出电阻小

Au=Uo/Ui=(1+β)RL∥Re/[rbe+(1+β)RL]∥Re≈1且小于1→体现电压跟随。

Ai放大了(1+β)倍，∴共C电路是一个功率放大电路。

c,共C放大电路(射极跟随器)特点;

Ri大Ro小，Au≈1且小于1，电流放大( 1+β)倍。

3、共b放大电路(高频放大电路);

a,静态工作点;

UBQ=Rb2/(Rb1+Rb2)*VCC

UCEQ=UBQ-UBEQ(固定为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(约等于1)

c,特点;具有一定的电压放大倍数，电流放大倍数略小于1，

Uo与Ui同相，Ri小Ro适中，高频特性好，适合于高频放大。

4、共E,共C,共B三种放大电路比较;

三、场效应管放大电路;

1、 N沟道结型场效应管共S放大电路;

①自给偏压电路;

N沟道结型场效应管正常工作时，只有在UGS上加小于0的电压，电路才能正常工作。所以我们可以利用漏极电流在源极电阻上产生的压降来获取负的栅源—UGS.

原理;由于栅极电阻Rg上没有直流电流，所以VG=0，源极电压US=ID*RS,

又因为UGS=UG-US, ∴UGS=-ID*RS.

②参数选取;C1,C2取值0.1~10UF，比三极管放大电路中C1,C2小得多，CS通常比C1,C2大得多，Rg阻值取值范围3~10M可不同，Rd，Rs通常比三极管中的Rc,Re大。

2、N沟道增强型绝缘栅场效应管共S放大电路;

①静态工作点Q;

VGQ=Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC

→UGS=VGQ-Id*Rs

当VGQ≥UGS时，则;UGS≈USQ

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

→ID=Rg2*VCC/RS(Rg1+Rg2)

VDS=VDD-ID(Rd+Rs)

②动态分析Ri,Ro,Au,

Ri=Rg+(Rg1∥Rg2) ≈Rg

Ro≈Rd

Au=-gm*RL'

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

3、 N沟道绝缘栅场效应管源极输出器(共D电路)

①静态工作点;

VGQ=Rg2/(Rg1+Rg2)*VCC，

当UGS很小时，

UGS≈USQ，

则UGS≈Id*Rs→ID=VCC/Rs

VDS=VDD-Vs

②动态分析Au,Ri,Ro;

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

若接负载;Au=gm*RL'/(1+gm*RL')

(R'L=Rs∥RL)

Ri≈Rg

Ro=Rs∥1/gm≈1/gm

所以源极输出器不实用。

四、放大电路的派生电路;

在实际应用中，为了进一步改善放的放大电路的性能，可用多只晶体管构成复合管来代替基本电路中的一只晶体管，也可以根据需要将两种基本接法组合起来，以得到多方面性能颇佳的放大电路。

1、 复合管放大电路;

#复合管组合原则;

①两管中的电流流动方向必须相统一;

②第二管的发射极必须单独接出;

③复合管导电类型(NPN,PNP)由第一只管的导电类型确定;

④在正确的外加电压下，每只管的各极电流均有合适的通路，且能工作在放大区。

#复合管的电流放大系数β=β1*β2

#复合管共射放大电路;增大电压，电流放大倍数，增大输入电阻;

#复合管共集电极放大电路;增大输入电阻，减小输出电阻，但Au≈1(更小)

2、 共射——共基放大电路;

将共E与共B组合起来，既保持共E放大电路电压放大能力强的特点，又获得共B放大电路较好的高频特性。

Au≈-(-β1(R5∥RL))/rbe1

3、共C——共B放大电路;

将共C与共B组合起来，既保持共C放大电路输入电阻大的特点，又获得共B具有一定的电压放大能力，而共C，共B均有较高的上限频率，故电路有较宽的fBw.

五、多级放大器;

1、多级放大器的耦合方式;直接耦合，阻容耦合，变压器耦合，光电耦合。

①直接耦合;

A图直接耦合两级放大电路中，静态时，UCEQ1≈UBEQ2≈0.7V，所以V2工作接近于饱和区，在动态信号的作用下，容易引起饱和失真。为了抬高V2基极电位，采用B图在V2发射极加了一个电阻Re2，虽然饱和失真问题解决了，但Re2的存在会使V2注一级的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力，为了解决这个问题，可采用二极管来抬高V2基极电位，又为了取得更好的效果，采用C图的稳压二极管，但是可以设想，如果级数增多，仍为NPN管构成共射电路，则集电极的电位逐级升高，以至于接近电源电压，所以直接耦合多级放大器常采用NPN和PNP管混合使用的方法解决上述问题，如果D所示，V1管VC1>VB1，而V2管VC1

#直接耦合方式的优缺点;缺点;前后级的电位相互影响，给电路分析，设计，计算带来很大困难。优点;低频特性好，可以放大缓慢的低频信号，但现在基本上采用集成运放，而关于直接耦合存在的零点漂移采用差分放大器等后面在进一步描述。

②阻容耦合;

由于电容对于直流而言电抗相当于∞，所以阻容耦合各级之间的静态工作点相互独立，注给电路的分析，设计和调试带来很大的方便。但阻容耦合放大器的低频特性差，对放大变化缓慢的信号不能放大，同时大容量的电解电容很难集成，所以阻容耦合不利于集成化。一般现在只有在信号频率较高，输出功率的特殊情况下，才采用阻容耦合。

③变压器耦合;

变压器耦合的前后级靠磁路耦合，与阻容耦合一样，它前后级之间的静态工作点相互独立。同样低频特性差不可放大变化缓慢的低频信号，且笨重，不易集成化，但变压器耦合最大的优点使能够实现阻抗变换，因而在低频分立功率放大电路中得到广泛应用。

#阻抗变换;在实际音频功放系统中，负载电阻的阻值都很小，例如扬声器一般只有4Ω，8Ω和16Ω等几种，如果采用直接耦合或阻容耦合，放大倍数将变得很小，无法获得足够大的功率。若忽略变压器自身损耗，则初级绕组损耗的功率或次级绕组损耗的功率。即;P1=P2。

I1²RL'=I2²RL→RL'=(I2/I1) ²RL

RL'=(N1/N2)*RL, ∴

上图中的Au为：

Au=-β*RL'/rbe(RL'=(N1/N2) ²*RL)

④光电耦合;光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递，因其抗干扰能力强而得到广泛应用是一种“电→光→电”转换电子器件。

#光电耦合放大电路;

静态时，输入回路已有静态电路电流IDQ，输出回路有静态电流ICQ，从而有静态管压降UCEQ，当有动态信号输入时，就对信号进行放大。

#简单光电耦合测试电路;

#常用光够型号与引脚功能;

2、 差分放大器→直接耦合放大电路的基本单元电路，能有效抑制零点漂移，一般在集成运放，集成功放内部的第一级均采用差分放大器。

#输入信号为0时，输出信号电压偏离其起始值的现象称为零点漂移，简称零漂。

#如a图所示，当Ui1与Ui2所加的信号为大小相等极性相同输入信号时，称为共模信号。

由于电路对称，即Δib1=Δib2, Δic1=Δic2, ΔUc1=ΔUc2，

而Uo=Uc1-Uc2=(UCQ1+ΔUC1)-(UCQ2+ΔUC2)=0

所以说明差分放大器对共模信号有抑制作用，能有效克服零漂。

#如b图所示，当Ui1与Ui2所加的信号为大小相等，极性相反输入信号时，称为差模信号。

由于Ui1=-Ui2,且电路参数对称，所以Δib1=-Δib2, Δic1=-Δic2, ΔUc1=-ΔUc2，所以ΔUo=ΔUC1-ΔUC2=2ΔUC1,从而对差模信号实现了电压放大，但是由于Re1，Re2的存在，会使电路的电压放大能力大大变差。

从上述分析可知;Δie1=-Δie2若得V1与V2管的发射极接在一起，将Re1和Re2合二为一。成为一个电阻Re，在差模信号的作用时，Re中的电流变化相互抵消，变化为0，即对差模无反馈作用，相当短路，大大提高了对差模信号的放大能力。

#为了简化电路，便于调节Q点，它为了使信号源与电源“共地”，所以设计了如图C所示实用型差分放大器，也称为差动放大器，所谓的差动是指当两个输入端有差别时输出电压大有变动的意思。

应当指出电阻本身有误差，晶体三极管的参数也不可能完全一样，任何差分放大器的参数不可能理想对称。

#图中Re接负电原VEE，一般把它称为长尾式电路，Re在电路中的作用是引入共模负反馈。从而抑制了温度漂移。

#特别说明;差分放大器用了二只三极管，但它的放大倍数值相当于单管共E放大电路，它是牺牲一只管子的放大来抑制温漂的效果。

#差分放大器的四种接法;

┏双端输入，双端输出

┣双端输入，单端输出

┣单端输入，双端输出

┗单端输入，单端输出

#四种接法参数特点;

A、输入电阻均为2(Rb+rbe)=Ri

B、双端输出Ad=-β(Rc∥RL/2)/(Rb+rbe)

Ac=0 Ro=2Rc

C、单端输出Ad=-1/2*β(RC∥RL)/(Rb+rbe)

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

3、差分放大器和集成运放中的电流源电路;

①镜像电流源(V1,V2两管特性要求完全相同)

因为β=β1=β2，又因为IB1=IB2=IB,所以IC1=IC2,

由于这种IC1与IC2呈镜像关系，故称为镜像电流源。

IR=(VCC-VBE)/R=IC2+2IB=IC2+2(IC/β)

→IC2=IC=β/(β+2)*IR

因为β≥2，所以IC2=IC≈IR=(VCC-VBE)/R

②比例电流源;因为镜像电流源中Ic2≈IR，在左图比例电流源中，UBE1+IE1*Re1=UBE2+IE2*Re2.

又因为，IR≈IC1≈IE1 IC2≈IE2

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

所以只要改变Re1和Re2的阻值，就可以改变IC1(IR)与IC2之间的电流比例关系。

六、负反馈放大器;

1、反馈的定义;

在电子电路中，将输出量(输出电压或输出电流)的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输入端，用来影响输入量(放大电路的输入电压或输入电流)的措施，称为反馈。

2、 反馈类型;

①正反馈与负反馈;

如果使放大电路净输入量增大的反馈为正反馈，也可以表示为反馈的结果使输出量变化增大的为正反馈。

如果使放大电路净输入量减小的反馈为负反馈，也可以表示为反馈的结果使输出量变化减小的为负反馈。

②直流反馈与交流反馈;

如果反馈量含有直流量称为直流反馈;

如果反馈量含有交流量称为交流反馈。

交流反馈是为了改善放大器的某一性能，

而直流反馈一般是为了稳定静态工作点。

③电压反馈与电流反馈;

如果反馈信号取自输出电压，并与输出电压成正比的为电压反馈;

如果反馈信号取自输出电流，并与输出电流成正比的为电流反馈。

④串联反馈与并联反馈;

串联反馈是指净输入量是由输入量和反馈量串联而成;

并联反馈是指净输入量是由输入量和反馈量串联而成。

⑤反馈的四种基本组态;

a\电压串联负反馈

b\电压并联负反馈

c\电流串联负反馈

d\电流并联负反馈

3、 反馈组态的判断;

①电压反馈与电流反馈的判断;将输出端短路，即令Uo=0，如果反馈信号uf也等于0，则为电压反馈，若输出电压Uo=0，而uf≠0，则为电流反馈。

②串联反馈与并联反馈的判断;将输入端短路，即令Ui= 0，如果反馈信号uf也同样被短路，即净输入信号为0，则并联反馈，若输入电压Ui=0，而 uf≠0，则为串联反馈。

③正反馈与负反馈的判断;瞬时极性法是判断电路中反馈极性(正、负)的基本方法，具体方法是;规定输入信号在某一时刻对地的瞬时极性，并以此做为依据，逐级判断电路中的各相关点电流流向和电位极性，从而得到输出信号的极性，根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性。

若反馈信号使故大电路的净输入信号增大，则说明引入了正反馈，

若反馈信号使放大电路的净输入信号减小，则说明引入了负反馈。

#反馈量的大小反反决定于输出量的物理量，而与输入量无关。

4、 负反馈对放大电路性能的影响;

① 放大倍数下降，但放大倍数的稳定性提高;

② 改善了放大器的频率特性，展宽了通频带;

③ 减小了放大器的波形失真，

④ 改变了放大器的输入输出电阻。

串联负反馈;增大输入电阻 并联负反馈;减小输入电阻

电流负反馈;增大输出电阻 电压负反馈;减小输出电阻