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差差分分放放大大器器具具有有抑抑制制零零点点漂漂移移的的作作用用，广广泛泛用用于于集集成电路的输入级，是另一类基本放大器。成电路的输入级，是另一类基本放大器。4.4差分放大器差分放大器4.4.1电路结构电路结构 由两完全对称的共发电路，经射极电阻由两完全对称的共发电路，经射极电阻 REE 耦合而成。耦合而成。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RLT1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 采用正负双电源供电：采用正负双电源供电：VCC=|VEE|。具有两种输出方式：双端输出、单端输出。具有两种输出方式：双端输出、单端输出。第第 4 章放大器基础章放大器基础T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL由于电路采用正负双电源供电，则由于电路采用正负双电源供电，则 VBQ1=VBQ2 0 估算电路估算电路 Q 点点T1VCCREEVEERCRCT2IEEICQ1ICQ2令令 vi1=vi2=0，画出电路直流通路。，画出电路直流通路。因此因此第第 4 章放大器基础章放大器基础q 差模信号差模信号和共模信号和共模信号4.4.2电路性能特点电路性能特点 差模信号：指大小相等、极性相反的信号。差模信号：指大小相等、极性相反的信号。表示为表示为 vi1=-vi2=vid/2差模输入电压差模输入电压vid=vi1-vi2 共模信号：指大小相等、极性相同的信号。共模信号：指大小相等、极性相同的信号。表示为表示为 vi1=vi2=vic共模输入电压共模输入电压 vic=(vi1+vi2)/2 任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号任意信号：均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和。之代数和。vi1=vic+vid/2vi1=vic-vid/2即即第第 4 章放大器基础章放大器基础q 差放半电路分析法差放半电路分析法 因因电电路路两两边边完完全全对对称称，因因此此差差放放分分析析的的关关键键，就就是是如如何何在在差差模模输输入入与与共共模模输输入入时时，分分别别画画出出半半电电路路交交流流通通路路。在此基础上分析电路各项性能指标。在此基础上分析电路各项性能指标。分析步骤：分析步骤：差模分析差模分析画半电路差模交流通路画半电路差模交流通路 计算计算 Avd、Rid、Rod。共模分析共模分析画半电路共模交流通路画半电路共模交流通路 计算计算 Avc、KCMR、Ric。根据需要计算输出电压根据需要计算输出电压 双端输出：双端输出：计算计算 vo。单端输出：单端输出：计算计算 vo1、vo2。第第 4 章放大器基础章放大器基础q 差模性能分析差模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 双端输出电路双端输出电路 REE 对差模视为短路。对差模视为短路。iC2=ICQ-iCiC1=ICQ+iC因因IEE=iC1+iC2=2ICQ(不变不变)故故RL 中点视为交流地电位，中点视为交流地电位，即每管负载为即每管负载为 RL/2。直流电源短路接地。直流电源短路接地。1)半电路差模交流通路半电路差模交流通路注意：注意：关键在于对公共器件的处理。关键在于对公共器件的处理。第第 4 章放大器基础章放大器基础RC+-vod1+-vid1RL2 2T1半电路差模交流通路半电路差模交流通路 2)差模性能指标分析差模性能指标分析差模输入电阻差模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻差模电压增益差模电压增益注意：注意：电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到电路采用了成倍元件，但电压增益并没有得到 提高。提高。第第 4 章放大器基础章放大器基础半电路差模交流通路半电路差模交流通路 RC+-vod1+-vid1RL2T1ii 单端输出电路单端输出电路 与双端输出电路的区别：仅在于对与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。的处理上。T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL不变不变减小减小减小减小第第 4 章放大器基础章放大器基础RC+-vod1=vod+-vid1RLT1ii半电路差模交流通路半电路差模交流通路q 共模性能分析共模性能分析T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 双端输出电路双端输出电路每管发射极接每管发射极接 2REE。iC2=ICQ+iCiC1=ICQ+iC因因IEE=iC1+iC2=2ICQ+2iC则则RL 对共模视为开路。对共模视为开路。直流电源短路接地。直流电源短路接地。1)半电路共模交流通路半电路共模交流通路因此因此 REE 上的共模电压：上的共模电压：2iC REE因此流过因此流过 RL 的共模电流为的共模电流为 0。第第 4 章放大器基础章放大器基础半电路共模交流通路半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE2)共模性能指标分析共模性能指标分析共模输入电阻共模输入电阻共模输出电阻共模输出电阻共模电压增益共模电压增益电路特点电路特点无意义无意义双端输出电路利用对称性抑制共模信号。双端输出电路利用对称性抑制共模信号。利用对称性抑制共模信号利用对称性抑制共模信号(温漂温漂)原理：原理：第第 4 章放大器基础章放大器基础半电路共模交流通路半电路共模交流通路RC+-voc1+-vic1=vicT12REE 单端输出电路单端输出电路 T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL与双端输出电路的区别：仅在于对与双端输出电路的区别：仅在于对 RL 的处理上。的处理上。不变不变第第 4 章放大器基础章放大器基础半电路共模交流通路半电路共模交流通路RC+-voc1=voc+-vic1=vicT12REERL单端输出电路特点单端输出电路特点单端输出电路利用单端输出电路利用 REE 的负反的负反馈作用抑制共模信号。馈作用抑制共模信号。利用利用 REE 抑制共模信号原理：抑制共模信号原理：T1+-+-VCCREEvi1voVEE+-vi2RCRCT2RL 一般射极电阻一般射极电阻 REE 取值较大取值较大因此因此很小。很小。结论结论 无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大无论电路采用何种输出方式，差放都具有放大 差模信号、抑制共模信号的能力。差模信号、抑制共模信号的能力。第第 4 章放大器基础章放大器基础差放性能指标归纳总结差放性能指标归纳总结 Rid 与电路输入、输出方式无关。与电路输入、输出方式无关。Rod 仅与电路输出方式有关。仅与电路输出方式有关。Avd 仅与电路输出方式有关。仅与电路输出方式有关。Avc仅仅与电路输出方式有关。与电路输出方式有关。双端输出双端输出单端输出单端输出双端输出双端输出单端输出单端输出双端输出双端输出单端输出单端输出其中其中其中其中第第 4 章放大器基础章放大器基础q 共模抑制比共模抑制比KCMR 是是用用来来衡衡量量差差分分放放大大器器对对共共模模信信号号抑抑制制能能力力的一项重要指标，其值越大越好。的一项重要指标，其值越大越好。定义定义双端输出电路双端输出电路单端输出电路单端输出电路提高提高 IEE(即增大即增大 gm)、增大、增大 REE提高提高 KCMR第第 4 章放大器基础章放大器基础 普通差放存在的问题：普通差放存在的问题：q 采用恒流源的差分放大器采用恒流源的差分放大器REE KCMR 抑制零点漂移能力抑制零点漂移能力 但但 IEE Q 点降低点降低 输出动态范围输出动态范围 T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3其中其中很大很大第第 4 章放大器基础章放大器基础 双端输出时双端输出时 单端输出时单端输出时q 任意输入时，输出信号的计算任意输入时，输出信号的计算其中其中其中其中第第 4 章放大器基础章放大器基础例：例：图示电路，已知图示电路，已知 =100，vi=20sin t(mV)，求，求 vo。解：解：T1VCCREEvivoVEERCRCT2RL22.6 k 10 k 10 k(12 V)(-12 V)(1)分析分析 Q 点点(2)分析分析 Avd2、Avc2由于由于则则(3)计算计算 vo o由于由于则则第第 4 章放大器基础章放大器基础4.4.3电路两边不对称对性能的影响电路两边不对称对性能的影响实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：实际差分放大器，电路不可能做到完全对称：q 双端输出时的双端输出时的 KCMRT1、T2 两管集电极电阻两管集电极电阻 RC 不相等不相等或或 T1、T2 两管的两管的 及及 VBE(on)不对称不对称例如例如产生运算误差产生运算误差理想情况理想情况实际情况实际情况由于由于则则因此因此第第 4 章放大器基础章放大器基础由两管参数不对称由两管参数不对称(如如 VBE(on)、IS、RC 不等不等)引起失调。引起失调。q 失调及其温漂失调及其温漂 输入失调电压输入失调电压 VIOT1T2实实际际差差放放+-VO 0零输入时零输入时等效为等效为理理想想差差放放+-VOVIO+-从等效的观点看：从等效的观点看：VIO 就是使就是使 VO=0 时，在实际差放输入端所加的补偿电压。时，在实际差放输入端所加的补偿电压。失调电压失调电压VIO 产生原因：产生原因：第第 4 章放大器基础章放大器基础两管两管 不等，造成不等，造成 ICQ1 ICQ2 输入失调电流输入失调电流 IIO从等效的观点看：从等效的观点看：IIO 就就是是使使 ICQ1=ICQ2 时时，在在实实际际差差放放输输入入端端所所加加的的补尝电流。补尝电流。失调电流失调电流IIO 产生原因：产生原因：T1VCCREEVEERCRCT2RSRSIBQ1IBQ2若取若取则则第第 4 章放大器基础章放大器基础 失调模型失调模型总输入失调电压总输入失调电压当当 RS 较大时：较大时：当当 RS 较小时：较小时：失调以失调以 IIO为主，为减小为主，为减小 VIO ，应选，应选 IIO 小的差放。小的差放。失调以失调以 VIO 为主，为减小为主，为减小 VIO ，应选，应选 VIO 小的差放；小的差放；第第 4 章放大器基础章放大器基础T1T2-+IBIBIIO2IIO2VIORSRS 调零调零电路电路T1VCCREEVEERCRCT2RSRSVEE+-VORW(发射极调零电路发射极调零电路)T1VCCREERCRCT2RSRSVEE+-VORW(集电极调零电路集电极调零电路)调调节节电电位位器器 RW，改改变变两两端端发发射射极极电电位位或或集集电电极极电电阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。阻，使静态工作时双端输出电压减小到零。第第 4 章放大器基础章放大器基础 VIO 和和 IIO 的温漂的温漂若环境温度、电源电压等外界因素变化：若环境温度、电源电压等外界因素变化：三极管参数变化三极管参数变化VIO 和和 IIO 变化。变化。其中温度变化引起的温漂最大。其中温度变化引起的温漂最大。可以证明：可以证明：注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。注意：调零电路可以克服失调，但不能消除温漂。MOS 差放的失调差放的失调因因IG 0则则(mV 量级量级)由两管参数由两管参数(如如 W/l、VGS(th)及及 RD 不匹配引起失调。不匹配引起失调。VIO 产生原因：产生原因：注意：注意：MOS 管差放的管差放的 VIO 三极管差放的三极管差放的 VIO。第第 4 章放大器基础章放大器基础4.4.4差模传输特性差模传输特性完完整整描描述述差差模模输输出出电电流流随随任任意意输输入入差差模模电电压压变变化化的的特性。特性。q 双极型双极型差放的差差放的差模模传输特性传输特性T1VCCIEEVEERCRCT2iC1iC2+-vID假设电路对称假设电路对称则则得得第第 4 章放大器基础章放大器基础差模传输特性曲线差模传输特性曲线1OiC/IEEvID/VT0.5QiC1/IEEiC2/IEEOiC1-iC2vID/VTIEE-IEE可以证明：可以证明：当当|vID|26 mV 时，差放线性工作时，差放线性工作(单管电路单管电路 vI 100 mV 后后，一管截止一管截止、另一管导通另一管导通，差放非线性工作。差放非线性工作。说明：说明：若在两管发射极上串联电阻若在两管发射极上串联电阻 RE，则利用，则利用 RE 的负反馈的负反馈 作用，可扩展线性范围。作用，可扩展线性范围。RE 线性范围线性范围 但但 Avd 第第 4 章放大器基础章放大器基础最大差模输入电压范围：最大差模输入电压范围：最大共模输入电压范围：最大共模输入电压范围：受受 VBR(BEO)限制的最大差模输入电压。限制的最大差模输入电压。T1VCCvi1voVEEvi2RCRCT2R1R2R3T3保保证证 T1、T2、T3 管管工工作作在在放放大大区区，所所对对应应的的最最大大共共模模输输入入电压。电压。要保证要保证 T1、T2 管放大区工作：管放大区工作：要保证要保证 T3 管放大区工作：管放大区工作：第第 4 章放大器基础章放大器基础q MOS 差放差放-差模差模传输特性传输特性 假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：假设两管特性完全相同，且工作于饱和区，则：得得T1VDDISSVSSRDRDT2iD1iD2vI1vI2第第 4 章放大器基础章放大器基础可以证明：可以证明：当当|vID|2)当温度变化时，由于当温度变化时，由于 、VBE(on)的影响，的影响，I0 热稳定性降低。热稳定性降低。IO 精度及热稳定性精度及热稳定性由由当当 较较小小时时，I0 与与 IR 之之间间不不满足严格的镜像关系，满足严格的镜像关系，I0 精度降低。精度降低。输出电阻输出电阻 RO由由得知，得知，当考虑基宽调制效应时，当考虑基宽调制效应时，根据根据 VA 除了降低除了降低 I0 精度外，还造成精度外，还造成 Ro 较小，较小，I0 恒流特性变差。恒流特性变差。RO=rce2第第 4 章放大器基础章放大器基础得知，得知，则则得得q 减小减小 影响的影响的镜像电流源镜像电流源T1VCCiC1RT2IRIOiRET3 结构特点结构特点T1 管管 c、b 之间插入一射随器之间插入一射随器 T3。电路优点电路优点减减小小分分流流 i，提提高高 I0 作作为为 IR 镜镜像的精度。像的精度。由图由图整理得整理得式中式中输出电阻输出电阻Ro=rce2第第 4 章放大器基础章放大器基础q 比例式镜像电流源比例式镜像电流源T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2 结构特点结构特点两管射极串接不同阻值的电阻。两管射极串接不同阻值的电阻。电路优点电路优点R 增大，增大，I 恒流特性得到改善。恒流特性得到改善。由由(较大较大)(较大较大)得得当当时，时，得得式中式中第第 4 章放大器基础章放大器基础q 微电流源微电流源T1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像电流源中的令比例镜像电流源中的 R1=0。由由式中式中根根据据集集成成工工艺艺的的要要求求，电电阻阻 R 不不易易做做太太大大，故故前前述述电流源的电流源的 I0 只能做到只能做到 mA 量级。量级。得得输出电阻输出电阻电路优点：电路优点：可提供可提供 A 量级的电流，且量级的电流，且 Ro 大，精度高。大，精度高。第第 4 章放大器基础章放大器基础q MOS 镜像电流源镜像电流源MOS 镜镜像像电电流流源源与与三三极极管管基基本本镜镜像像电电流流源源结结构构相相似似，只是原参考支路中的电阻只是原参考支路中的电阻 R 被有源电阻被有源电阻 T3 取代。取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若若T1 T2 性能匹配，工作在饱和区性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为宽长比分别为(W/l)1、(W/l)2根据根据，得得其中其中第第 4 章放大器基础章放大器基础4.5.3有源负载差分放大器有源负载差分放大器 T1、T2 构成的镜像电流源代替构成的镜像电流源代替 RC4。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 电路组成：电路组成：T3、T4 构成双端输入单端输出差放。构成双端输入单端输出差放。电路特点：电路特点：由镜像电流源知由镜像电流源知当差模输入时当差模输入时则差模输出电流则差模输出电流当共模输入时当共模输入时则共模输出电流则共模输出电流第第 4 章放大器基础章放大器基础T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 性能分析：性能分析：结论：结论：该该电电路路不不仅仅具具有有放放大大差差模模、抑抑制制共共模模的的能能力力，在在单单端端输输出出时时，还还获得双端输出的增益。获得双端输出的增益。由于由于则则差模增益差模增益差模输入电阻差模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻第第 4 章放大器基础章放大器基础4.6集成运算放大器集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。集成运放性能特点集成运放性能特点Av 很大：很大：(104 107 或或 80 140 dB)Ri 很大：很大：(几几 k 105 M )Ro 很小：很小：(几十几十 )静态输入、输出电位均为零。静态输入、输出电位均为零。集成运放电路符号集成运放电路符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端v-v+vo o+-第第 4 章放大器基础章放大器基础 集成运放电路组成集成运放电路组成由由于于实实际际电电路路较较复复杂杂，因因此此读读图图时时，应应根根据据电电路路组组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。输入级输入级中间增益级中间增益级输出级输出级偏置电路偏置电路采用改进型采用改进型差分放大器差分放大器采用采用 1 2 级共发电路级共发电路 采用射随器或采用射随器或互补对称放大器互补对称放大器采用电流源采用电流源第第 4 章放大器基础章放大器基础q F007 集成运放内部电路集成运放内部电路输入级组成：输入级组成：由由 T1、T3 和和 T2、T4 组组成成的的共共集集共基组合电路构成双入单出差放。共基组合电路构成双入单出差放。T5、T6、T7 组组成成的的改改进进型型镜镜像像电电流源作流源作 T4 管的有源负载。管的有源负载。T8、T9 组组成成的的镜镜像像电电流流源源代代替替差差放的公共射极电阻放的公共射极电阻 REE。输入级特点：输入级特点：改进型差放具有共模抑制比高、输改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。集成运放中最关键的一部分电路。中间级组成：中间级组成：T17 构成共发放大器。构成共发放大器。T13B、T12 组组成成的的镜镜像像电电流流源源作作有有源源负负载载，代代替集电极电阻替集电极电阻 RC。电路特点：电路特点：中中间间级级是是提提供供增增益益的的主主体体，采采用用有有源源负负载载后后，电压增益很高。电压增益很高。隔离级隔离级：T16 管管构构成成的的射射随随器器作作为为隔隔离离级级，利利用用其其高高输输入入阻阻抗抗的的特特点点，提提高高输输入级放大倍数。入级放大倍数。输出级组成：输出级组成：T14 与与 T20 组组成成甲甲乙乙类类互互补补对对称称放放大大器器。该该放放大大器器采采用用两两个个射射随随器器组合而成。组合而成。电路特点：电路特点：输输出出电电压压大大，输输出出电电阻阻小小，带带负负载能力强。载能力强。过载保护电路过载保护电路：T15、R6 保保护护 T14管管，T21、T22、T24、R7 保护保护 T20 管。管。正正常常情情况况保保护护电电路路不不工工作作，只只有有过载时，保护电路才启动。过载时，保护电路才启动。隔离级隔离级：T23A 管管构构成成的的有有源源负负载载射射随随器器作作为为隔隔离离级级，可可提提高高中中间间级电压增益。级电压增益。T13A 与与 T12 组组成成的的镜镜像像电电流流源源作作有有源源负负载载，代代替替 T23A 的的发射极电阻发射极电阻 RE。偏置电路偏置电路：偏偏置置电电路路一一般般包包含含在在各各级级电电路中，采用多路偏置的形式。路中，采用多路偏置的形式。T10、T11构构成成微微电电流流源源，作作为整个集成运放的主偏置。为整个集成运放的主偏置。电平位移电路电平位移电路：输输入入级级共共集集共共基基组组合合电电路路中中，采采用用极极性性相相反反的的 NPN与与 PNP 管管进进行行电电平平位位移移。不不专门另设电平位移电路。专门另设电平位移电路。将将上上述述单单元元电电路路功功能能综综合合起起来来可可见见，F007 是是实实现高增益放大功能的一种集成器件。现高增益放大功能的一种集成器件。它它具具有有高高 Ri、低低 Ro、高高 Av、高高 KCMR、零零输输入入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。第第 4 章放大器基础章放大器基础4.7放大器的频率响应放大器的频率响应从系统的观点看，小信号放大器为线性时不变系统。从系统的观点看，小信号放大器为线性时不变系统。q 传递函数和极零点传递函数和极零点4.7.1复频域分析法复频域分析法输入激励信号输入激励信号 x(t)输出激励信号输出激励信号 y(t)若设若设拉氏变换拉氏变换X(s)Y(s)在初始条件为零时，定义系统的传递函数：在初始条件为零时，定义系统的传递函数：(m n)式中：标尺因子式中：标尺因子 H0=bm/an，z 为零点，为零点，p 为极点。为极点。第第 4 章放大器基础章放大器基础 在可实现的稳定有源线性系统中，分母多项式各系数在可实现的稳定有源线性系统中，分母多项式各系数恒恒 为正实数，极点必为负实数或实部为负值为正实数，极点必为负实数或实部为负值的共轭复数。的共轭复数。零点可以是负实数或实部为负值的共轭复数；也零点可以是负实数或实部为负值的共轭复数；也可以是可以是 正实数或实部为正值的共轭复数。正实数或实部为正值的共轭复数。在仅含容性电抗元件的系统中：在仅含容性电抗元件的系统中：只要不出现由电容构成的闭合回路，则极点只要不出现由电容构成的闭合回路，则极点数数=电容电容数。数。若出现闭合回路，则极点若出现闭合回路，则极点数数=独立独立电容数。电容数。C1C2C3图示闭合回路，极点数图示闭合回路，极点数=2说明说明第第 4 章放大器基础章放大器基础1)写出电路传递函数表达式写出电路传递函数表达式 A(s)q 频率响应分析步骤频率响应分析步骤 复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：2)令令 s=j，写出频率特性表达式，写出频率特性表达式 A(j)设极点均为负实数设极点均为负实数(p p=-p)，则，则4)确定上、下限角频率确定上、下限角频率 3)绘制渐近波特图绘制渐近波特图第第 4 章放大器基础章放大器基础q RC 低通电路频率响应低通电路频率响应 CR+-+-vi(t)vo(t)由图，由图，传递函数表达式传递函数表达式：时间常数时间常数式中式中，令令 s=j，则频率特性表达式：则频率特性表达式：幅值：幅值：或或相角：相角：第第 4 章放大器基础章放大器基础O p0.1 p10 pAv()/dB-20-3O p0.1 p10 p A()-45-90-5.7 绘制渐近波特图绘制渐近波特图：根据根据画出幅频波特图画出幅频波特图画出相频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：渐近波特图画法：幅频幅频 p 时，时，=p 时，时，相频相频 10 p 时，时，=p 时，时，-20 dB/10 倍频倍频-45/10 倍倍频频第第 4 章放大器基础章放大器基础 确定上限角频率：确定上限角频率：O p0.1 p10 pAv()/dB-20O p0.1 p10 p A()-45-90-20 dB/10 倍频倍频-45/10 倍倍频频归纳一阶因子归纳一阶因子渐近波特图画法：渐近波特图画法：幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：已知已知自自 0 dB水水平平线线出出发发，经经 p 转转折折成成斜斜率率为为(20 dB/10 倍频倍频)的直线。的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：自自 0 水水平平线线出出发发，经经 0.1 p 处处转转折折，斜斜率率为为(45/10 倍倍频频)，再再经经 10 p 处处转转折折为为-90 的水平线。的水平线。因因 =p 时，时，H=p第第 4 章放大器基础章放大器基础q RC 高通电路频率响应高通电路频率响应 由图，由图，传递函数表达式传递函数表达式：时间常数时间常数式中式中，令令 s=j，则频率特性表达式：则频率特性表达式：幅值：幅值：相角：相角：CR+-+-vi(t)vo(t)下限角频率：下限角频率：因因 =p 时，时，L=p第第 4 章放大器基础章放大器基础O p0.1 p10 p A()45 90 绘制渐近波特图绘制渐近波特图：根据根据画出幅频波特图画出幅频波特图画出相频波特图画出相频波特图O p0.1 p10 pAv()/dB-2020 dB/十倍频十倍频-45/十倍频十倍频幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：p：0 dB 水平线；水平线；p：斜率为斜率为(20 dB/十倍十倍 频频)的直线。的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：0.1 p：90 的水平线。的水平线。0.1 p 10 p：0 水平线。水平线。第第 4 章放大器基础章放大器基础q 多极点系统多极点系统频率响应频率响应 利用利用 RC 低通电路分析结果，得传递函数表达式低通电路分析结果，得传递函数表达式：式中式中C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3如图所示的三级理想电压放大器，如图所示的三级理想电压放大器，Ri ，Ro 0。试画渐近波特图，并求试画渐近波特图，并求 H。已知已知 R1 C1 R2 C2 R3 C3。第第 4 章放大器基础章放大器基础 频率特性表达式：频率特性表达式：幅频及相频表达式：幅频及相频表达式：均为单阶因子波特图的叠加。均为单阶因子波特图的叠加。假设假设O p20.1 p110 p3 A()-90 p1 p3-180-270 O p2 p1 p3Av()/dB 204060-20 p3-20 dB/10 倍频倍频-40 dB/十倍频十倍频-60 dB/十倍频十倍频-45/10 倍倍频频-90/十倍频十倍频-45/十倍频十倍频第第 4 章放大器基础章放大器基础归纳归纳多极点系统渐近波特图画法：多极点系统渐近波特图画法：幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：自自中中频频增增益益 AvI(dB)的的水水平平线线出出发发，经经 pn 转转折折成成斜斜率为率为(20 dB/十倍频十倍频)的直线。的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：自自 0 水平线出发，经水平线出发，经 0.1 p1 处开始转折，斜率为：处开始转折，斜率为：(45/十倍频十倍频)乘以乘以(单阶因子重叠的段数单阶因子重叠的段数)，再经再经 10 pn，转折成，转折成-90 的折线。的折线。已知已知第第 4 章放大器基础章放大器基础 确定上限角频率：确定上限角频率：根据定义，当根据定义，当 =H 时：时：即即整理并忽略高阶小量得到上限角频率为整理并忽略高阶小量得到上限角频率为若若 p2 4 p1，则称，则称 p1 为主极点，为主极点，p2、p3 为非主极点。为非主极点。上限角频率取决于主极点角频率：上限角频率取决于主极点角频率：第第 4 章放大器基础章放大器基础高高频频工工作作，考考虑虑三三极极管管极极间间电电容容影影响响时时，为频率的复函数。为频率的复函数。q 三极管频率特性参数三极管频率特性参数rbb rb erceCb eCb cgmVb e(s)b ebcIb(s)Ic(s)根据定义根据定义经推导得经推导得其中其中 指指 ()下降到中频下降到中频 的的 0.707 倍时对应的角频率。倍时对应的角频率。共发电路截止角频率共发电路截止角频率 第第 4 章放大器基础章放大器基础 ()O当当 =T 时时因此因此 T=指指 ()下下降降到到 1 时时，对应的角频率。对应的角频率。特征角频率特征角频率 T根据根据 T T 是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。及及第第 4 章放大器基础章放大器基础 T1 ()O 指指 ()下降到中频下降到中频 的的 0.707 倍时对应的角频率。倍时对应的角频率。共基电路截止角频率共基电路截止角频率 T 根据根据及及整理得整理得其中其中三三个个频频率率参参数数中中应应用用最最广广、最最具具代代表表性性的的是是特特征征角角频频率率 T。通通常常，T 越越高高，三三极极管管高高频频性性能能越越好好，构构成成的的放放大器上限频率越高。大器上限频率越高。第第 4 章放大器基础章放大器基础设原四端网络传递函数：设原四端网络传递函数：q 密勒定理密勒定理4.7.2共发放大器的频率响应共发放大器的频率响应 网络网络+-+-V1(s)V2(s)Y(s)网络网络+-+-V1(s)V2(s)Y1(s)Y2(s)密勒定理密勒定理等效后：等效后：第第 4 章放大器基础章放大器基础q 单向化单向化近似近似高频等效电路高频等效电路 rbb rb erceCb eCb cgmVb e(s)b Vo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ecIc(s)由由等效等效电路电路整理得整理得单向化单向化近似条件近似条件则则第第 4 章放大器基础章放大器基础共发交流通路共发交流通路 RC+-vo+-vsRLRS+-viq 共发高频等效电路及密勒近似共发高频等效电路及密勒近似密勒密勒等效等效rbb rb eCb egmVb e(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)Y1(s)Y2(s)高频等效电路高频等效电路 rbb rb erceCb eCb cgmVb e(s)b Vo(s)RS+-RCRL+-Vs(s)ec第第 4 章放大器基础章放大器基础rbb rb eCb egmVb e(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)CM1CM2简化等效电路中：简化等效电路中：密勒效应倍增因子密勒效应倍增因子：CtgmVb e(s)b Rt+-R L+-由简化等效电路得由简化等效电路得式中式中q 共发电路频率响应共发电路频率响应第第 4 章放大器基础章放大器基础q 共发电路增益带宽积共发电路增益带宽积 GBW 定义定义其中其中1)选选 rbb 小、小、Cb c 小、小、T 高的三极管高的三极管 使使 GBW 。若若 D 1，则，则 H T，此时上限角频率最高。，此时上限角频率最高。2)管子选定后管子选定后 采用恒压源采用恒压源(RS 0)激励：激励：采用恒流源采用恒流源(RS )激励：激励：D 1 时，时，H ，上限频率降低。，上限频率降低。3)RL D H ，但，但 AvsI 。需兼顾两者。需兼顾两者。第第 4 章放大器基础章放大器基础提高共发电路上限频率的方法：提高共发电路上限频率的方法：在电路输入端采用低阻节点在电路输入端采用低阻节点(即即 RS 小小)。在电路输出端也采用低阻节点在电路输出端也采用低阻节点(即即 RL 小小)。此此时时，共共发发电电路路上上限限角角频频率率 H 最最高高，且且接近管子特征角频率接近管子特征角频率 T。第第 4 章放大器基础章放大器基础q 共集放大器共集放大器4.7.3共集和共基放大器的频率响应共集和共基放大器的频率响应 高频等效电路高频等效电路 rbb rb erceCb eCb cgmVb e(s)b Vo(s)RS+-RERL+-Vs(s)ec由于由于简化等效电路简化等效电路 rbb rb eCb egmVb e(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)eIb(s)因此，因此，Cb c 可忽略不计。可忽略不计。令令 RL =rce/RE/RL第第 4 章放大器基础章放大器基础共集交流通路共集交流通路 RE+-vo+-vsRLRS共集简化等效电路共集简化等效电路 rbb rb eCb egmVb e(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)eIb(s)由简化等效电路：由简化等效电路：式中式中零点角频率：零点角频率：极点角频率：极点角频率：并联在并联在 Cb e 两端的总电阻两端的总电阻 采用恒压源采用恒压源(RS 0)激励：激励：共集电路输入为低阻节点共集电路输入为低阻节点(RS 小小)时，上限时，上限角频率角频率 H 。考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在 T/3 以下。以下。第第 4 章放大器基础章放大器基础q 共基放大器共基放大器由图由图高频等效电路高频等效电路(忽略忽略 rbb、rce)rb eCb eCb cgmVeb (s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)ecIe(s)整理得整理得受控源受控源其中其中共基交流通路共基交流通路 +-vo+-vsRSRCRLreCb eCb c (s)Ie(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路共基简化等效电路第第 4 章放大器基础章放大器基础由简化等效电路：由简化等效电路：式中式中共基电路输出为低阻节点共基电路输出为低阻节点(RL 小小)时，上限角频率时，上限角频率 H reCb eCb c (s)Ie(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路共基简化等效电路由于由于 Cb c 很小，因此当很小，因此当 RL 较小时较小时：p2 p1由主极点概念：由主极点概念：H P1 结论：结论：三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。第第 4 章放大器基础章放大器基础电电子子设设备备中中，为为改改善善电电路路频频率率响响应应，常常要要求求放放大大器器具有很高的上限频率具有很高的上限频率(几几 MHz 几千几千 MHz)。4.7.4宽带放大器宽带放大器扩展上限频率的方法：扩展上限频率的方法：改进集成工艺，通过提高管子特征频率改进集成工艺，通过提高管子特征频率 fT 扩展扩展 fH。在放大电路中引入负反馈扩展上限频率在放大电路中引入负反馈扩展上限频率 fH。利用电流模技术扩展上限频率利用电流模技术扩展上限频率 fH。利用组合电路扩展上限频率利用组合电路扩展上限频率 fH。第第 4 章放大器基础章放大器基础q 组合电路宽带放大器组合电路宽带放大器 共发共发共基组合电路共基组合电路 三三种种组组态态中中，共共发发电电路路上上限限频频率率最最低低，因因此此，组组合合电电路路上上限限频频率率主主要要由由共共发发电电路路决决定定。为为扩扩展展整整个个电电路路上上限限频频率，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。率，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。共集共集共发组合电路共发组合电路 由于共基电路由于共基电路 Ri2 小，小，因此扩展了上限频率。因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输出节点，则共发电路具有低阻输出节点，由于共集电路由于共集电路 Ro1 小，小，因此扩展了上限频率。因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输入节点，则共发电路具有低阻输入节点，第第 4 章放大器基础章放大器基础+-RL+-RST1T2Vs(s)Vo(s)Vs(s)+-RL+-RST1T2Vo(s)CA3040 集成集成宽带放大器：宽带放大器：共集共集-共发共发-共基共基组合电路差放组合电路差放恒流偏置恒流偏置T7、T8 射随射随器作输出级器作输出级Av=30 dB，fH=55 MHzT1VCCvi1VEEvi2R5T4T2T3T5T6vo1vo2R6T7T8R7R8R9R2R1T9R3R4第第 4 章放大器基础章放大器基础q 电流放大器电流放大器 跨导线性环电流放大器跨导线性环电流放大器由图由图则则化简得化简得改变输入输出偏置电流，即可改变电流增益。改变输入输出偏置电流，即可改变电流增益。两输入节点两输入节点 B1、B2 均为低阻节点均为低阻节点，故，故上限频率高。上限频率高。第第 4 章放大器基础章放大器基础T1T2T3B1B22IOQiC1iC2iC3iC4 二级宽带放大器二级宽