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模拟电子技术基础(高等教育出版社 第四版) 6.1-6.2 反馈的概念及判断 四种组态
第六章 放大电路中的反馈6.1 反馈的基本概念及判断方法 6.2 负反馈放大电路的四种基本组态 6.3 负反馈放大电路的方块图及一般表达式 6.4 负反馈放大电路放大倍数的分析 6.5 负反馈对放大电路性能的影响 6.6 负反馈放大电路的稳定性6.1 反馈的基本概念及判断方法6.1.1 反馈的基本概念 一、什么是反馈 反馈放大电路可用 方框图表示。 要研究哪些问题？ 电子电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路，影响输入量，称为反馈。怎样引回 是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈多少怎样引出影响输入电压 还是输入电流二、正反馈和负反馈引入反馈后其变化是增大？ 还是减小？引入反馈后其变化是 增大？还是减小？从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出 量的变化减小的为负反馈，否则为正反馈； 或者，凡反馈的结果使净输入量减小的为负 反馈，否则为正反馈。三、直流反馈和交流反馈直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通 路中存在的反馈称为交流反馈。交流负反馈 直流负反馈四、局部反馈和级间反馈只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部 反馈，将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输 入回路的称为级间反馈。 通过R3引入的是局部反馈通过R4引入的是级间反馈通常，重点研究级间反馈或称总体反馈。6.1.2 反馈的判断一、有无反馈的判断 “找联系”：找输出回路与输入回路的联系， 若有则有反馈，否则无反馈。无反馈R的接入没 有引入反馈将输出电压全 部反馈回去R2的接入引入反馈一、有无反馈的判断“找联系”：是找输出回路与输入回路的联 系，不仅是输出端与输入端的联系！既在输入回路又 在输出回路，因 而引入了反馈。二、 直流反馈和交流反馈的判断 “看通路”：看反馈是存在于直流通路还是 交流通路。设以下电路中所有电容对交流信号均可视为短路。仅有直流 反馈仅有交流 反馈交、直流 反馈共存三、正、负反馈（反馈极性）的判断“看反馈的结果” ：净输入量是被增大还是被减小。瞬时极性法： ? 给定 X i 的瞬时极性， 并以此为依据分析电路中 各电流、电位的极性从而 ? Xo 得到 的极性；? ? X X ? X o 的极性→ X f 的极性→ X i 、? f 、? i' 的叠加关系： ? ? ? ? ? ? Ui' ? Ui ? U f 或 I i' ? I i ? I f －负反馈（反馈量使净输入量减小）? ' ? U ? U 或 I ' ? I ? I －正反馈（反馈量使净输入量增大） ? ? ? Ui ? i ? f i i f三、正、负反馈的判断uD ? uI ? uFR1 uF ? ? uO R1 ? R2? ?uF??反馈量是仅仅决定于输出量的物理 量，而与输入量无关。三、正、负反馈的判断???? ?反馈电流?净输入电流增大， 引入了正反馈净输入电流减小，引入了负反馈在判断集成运放构成的反馈放大电路的反馈极性时， 净输入电压指的是集成运放两个输入端的电位差，净输入 电流指的是同相输入端或反相输入端的电流。6. 2 交流负反馈的四种组态一、电压反馈和电流反馈描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式，即 反馈网络的取样对象。 将输出电压的一部分或全 部引回到输入回路来影响净 输入量的为电压反馈，即? ? X o ? Uo将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净 输入量的为电流反馈，即? ? X o ? Io二 串联反馈和并联反馈 描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式， 即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。+ _负反馈? ? U ' ? U --串联负反馈 Ui ? i ? f ? ? I ' ? I --并联负反馈 I i ?i ?f三、四种反馈组态：注意量纲电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈四、电压反馈和电流反馈的判断令输出电压为0，若反馈量随之为0，则为电压反馈； 若反馈量依然存在，则为电流反馈。令输出电压uo=0，即将运放的输出端接地。虽然反 馈电阻R2中仍有电流，但那是输入电压uI 作用的结果。 因为输出电压uo为零，所以它在R2中产生的反馈电流也 为零，故电路引入了电压负反馈。四、电压反馈和电流反馈的判断?＋?仅受基极电 流的控制 反馈电流 令输出电压为零，由于T2管的发射极电流仅受控于它 的基极电流，且R3、R5对其分流关系没变，反馈电流依然 存在，故电路引入了电流负反馈。五、串联反馈和并联反馈的判断在输入端，输入量、反馈量和净输入量以电压的方式 叠加，为串联反馈；以电流的方式叠加，为并联反馈。? ??iN ? iI ? iF引入了并联反馈?????uD ? uI ? uF引入了串联反馈分立元件放大电路中反馈的分析图示电路有无引入反馈？是直流反馈还是交流反馈？是 正反馈还是负反馈？若为交流负反馈，其组态为哪种？ Rf将输出回路与输入 回路连接起来，故电 路引入了反馈； + +_+_+ uF _反馈存在于直流和交流 通路中，故电路引入了 直流、交流反馈；利用瞬时极性法可知反馈减小了T1管的净输入电压，故电 路引入了串联负反馈；令输出电压为零，反馈电流依然存 在，故电路引入了电流负反馈。所以电路引入了电流串联 负反馈。分立元件放大电路中的净输入量和输出电流在判断分立元件反馈放大电路的反馈极性时，净输 入电压常指输入级晶体管的b-e（e-b）间或场效应管g-s （s-g）间的电位差，净输入电流常指输入级晶体管的基极电流（射极电流）或场效应管的栅极（源极）电流。在分立元件电流负反馈放大电路中，反馈量常取自于 输出级晶体管的集电极电流或发射极电流，而不是负载上 的电流。此时称输出级晶体管的集电极电流或发射极电流 为输出电流，反馈的结果将稳定该电流。
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模拟电子技术实验指导书 荆楚理工学院 王军 2008.4实验 1 负反馈放大器 ........................................... 错误！未定义书签。&&&&实验 2 射极跟随器 ............................................... 错误！未定义书签。&&&&实验 3 差动放大器 ....................... 错误！未定义书签。&&&&实验 4 集成运算放大器指标测试 ....................................................... 35实验 5 集成运算放大器基本应用 ....................................................... 56实验 6 带通滤波器 ............................................................................... 64实验 7 低频功率放大器器 ................................................................... 87实验 8 比较器 ....................................................................................... 96实验 9 波形发生器 ............................................................................. 102实验 10 直流稳压电源 ....................................................................... 112实验 11 有源滤波器 ........................................................................... 114 实验一 负反馈放大器 一、实验目的 加深理解放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大器各项性能指标的影响。&&&& 二、实验原理 负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入、输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等。&&&&因此，几乎所有的实用放大器都带有负反馈。&&&& 负反馈放大器有四种组态，即电压串联，电压并联，电流串联，电流并联。&&&&本实验以电压串联负反馈为例，分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。&&&& 1、图 4－1 为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路，在电路中通过 Rf 把输出电压 uo 引回到输入端，加在晶体管 T1 的发射极上，在发射极电阻 RF1 上形成反馈电压 uf。&&&&根据反馈的判断法可知，它属于电压串联负反馈。&&&& 主要性能指标如下 1 闭环电压放大倍数 AV A Vf
A V FV 其中 AV＝UO／Ui ― 基本放大器（无反馈）的电压放大倍数，即开环电压放大倍数。&&&& 1＋AVFV ― 反馈深度，它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度。&&&& 图 4－1 带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器 2 反馈系数 R F1 FV
R F1 3 输入电阻 Rif＝1＋AVFV Ri Ri ― 基本放大器的输入电阻 4 输出电阻 RO R Of
A VO FV RO ― 基本放大器的输出电阻 AVO ― 基本放大器 RL＝∞时的电压放大倍数 2、本实验还需要测量基本放大器的动态参数，怎样实现无反馈而得到基本放大器呢？不能简单地断开反馈支路，而是要去掉反馈作用，但又要把反馈的影响（负载效应）考虑到基本放大器中去。&&&&为此: 1 在画基本放大器的输入回路时，因为是电压负反馈，所以可将负反馈放大器的输出端交流短路，即令 uO＝0，此时 Rf 相当于并联在 RF1 上。&&&& 2 在画基本放大器的输出回路时，由于输入端是串联负反馈，因此需将反馈放大器的输入端（T1 管的射极）开路，此时（Rf＋RF1）相当于并接在输出端。&&&&可近似认为 Rf 并接在输出端。&&&& 根据上述规律，就可得到所要求的如图 4－2 所示的基本放大器。&&&& 图 4－2 基本放大器 三、实验设备与器件 1、 ＋12V 直流电源 2、 函数信号发生器 3、 双踪示波器 4、 频率计 5、 交流毫伏表 6、 直流电压表 7、 晶体三极管 3DG6×2β＝50～100或 9011×2 电阻器、电容器若干。&&&& 四、实验内容 1、 测量静态工作点 按图 4－1 连接实验电路，取 UCC＝＋12V，Ui＝0，用直流电压表分别测量第一级、第二级的静态工作点，记入表 4-1。&&&& 表 4－1 UB（V） UE（V） UC（V） IC（mA） 第一级 第二级 2、测试基本放大器的各项性能指标 将实验电路按图 4－2 改接，即把 Rf 断开后分别并在 RF1 和 RL 上，其它连线不动。&&&& 1 测量中频电压放大倍数 AV，输入电阻 Ri 和输出电阻 RO。&&&& ① 以 f＝1KHZ，US 约 5mV 正弦信号输入放大器， 用示波器监视输出波形uO，在 uO 不失真的情况下，用交流毫伏表测量 US、Ui、UL，记入表 4－2。&&&& 表 4-2 US Ui UL UO AV Ri RO mv mv V V KΩ KΩ 基本放大器 US Ui UL UO AVf Rif ROf mv mv V V KΩ KΩ 负反馈放大器 ②保持 US 不变，断开负载电阻 RL（注意，Rf 不要断开），测量空载时的输出电压 UO，记入表 4－2。&&&& 2 测量通频带 接上 RL，保持 1中的 US 不变，然后增加和减小输入信号的频率，找出上、下限频率 fh 和 fl，记入表 4－3。&&&& 3、测试负反馈放大器的各项性能指标 将实验电路恢复为图 4－1 的负反馈放大电路。&&&& 适当加大 US（约 10mV），在输出波形不失真的条件下，测量负反馈放大器的 AVf、 if 和 ROf， 记入表 4－2； R测量 fhf 和 fLf，记入表 4－3。&&&& 表 4－3 fLKHz fHKHz △fKHz 基本放大器 fLfKHz fHfKHz △ffKHz 负反馈放大器 4、观察负反馈对非线性失真的改善 1实验电路改接成基本放大器形式，在输入端加入 f＝1KHz 的正弦信号，输出端接示波器，逐渐增大输入信号的幅度，使输出波形开始出现失真，记下此时的波形和输出电压的幅度。&&&& 2再将实验电路改接成负反馈放大器形式，增大输入信号幅度，使输出电压幅度的大小与 1相同，比较有负反馈时，输出波形的变化。&&&& 五、实验总结 1、将基本放大器和负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较。&&&& 2、根据实验结果，总结电压串联负反馈对放大器性能的影响。&&&& 六、预习要求 1、复习教材中有关负反馈放大器的内容。&&&& 2、按实验电路 4－1 估算放大器的静态工作点（取β1＝β2＝100）。&&&& 3、怎样把负反馈放大器改接成基本放大器？为什么要把 Rf 并接在输入和输出端？ 4、估算基本放大器的 AV，Ri 和 RO；估算负反馈放大器的 AVf、Rif 和 ROf，并验算它们之间的关系。&&&& 5、如按深负反馈估算，则闭环电压放大倍数 AVf＝？ 和测量值是否一致？为什么？ 6、如输入信号存在失真，能否用负反馈来改善？ 7、怎样判断放大器是否存在自激振荡？如何进行消振？ 注：如果实验装置上有放大器的固定实验模块，则可参考实验二附图 2－1进行实验。&&&& 实验二 射极跟随器 一、实验目的 1、 掌握射极跟随器的特性及测试方法 2、 进一步放大器各项参数测试方法 二、实验原理 射极跟随器的原理图如图 5－1 所示。&&&&它是一个电压串联负反馈放大电路，它具有输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数接近于 1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号同相等特点。&&&& 图 5－1 射极跟随器 射极跟随器的输出取自发射极，故称其为射极输出器。&&&& 1、输入电阻 Ri 图 5－1 电路 Ri＝rbe＋1＋βRE 如考虑偏置电阻 RB 和负载 RL 的影响，则 Ri＝RB‖rbe＋1＋βRE‖RL 由上式可知射极跟随器的输入电阻 Ri 比共射极单管放大器的输入电阻 Ri＝RB‖rbe 要高得多，但由于偏置电阻 RB 的分流作用，输入电阻难以进一步提高。&&&& 输入电阻的测试方法同单管放大器，实验线路如图 5－2 所示。&&&& 图 5－2 射极跟随器实验电路 Ui Ui Ri
R Ii U s U i 即只要测得 A、B 两点的对地电位即可计算出 Ri。&&&& 2、输出电阻 RO 图 5－1 电路 rbe r RO
‖ R E ≈ be β β 如考虑信号源内阻 RS，则 rbe R S ‖ R B
r R S ‖ R B
‖ R E ≈ be β β 由上式可知射极跟随器的输出电阻 R0 比共射极单管放大器的输出电阻 RO≈RC 低得多。&&&&三极管的β愈高，输出电阻愈小。&&&& 输出电阻 RO 的测试方法亦同单管放大器，即先测出空载输出电压 UO，再测接入负载 RL 后的输出电压 UL，根据 RL UL
RL 即可求出 RO UO R O
1R L UL 3、电压放大倍数 图 5－1 电路 1 βR E ‖ R L
≤ 1 rbe 1 βR E ‖ R L
上式说明射极跟随器的电压放大倍数小于近于 1，且为正值。&&&& 这是深度电压负反馈的结果。&&&&但它的射极电流仍比基流大1＋β倍， 所以它具有一定的电流和功率放大作用。&&&& 4、电压跟随范围 电压跟随范围是指射极跟随器输出电压 uO 跟随输入电压 ui 作线性变化的区域。&&&& ui 超过一定范围时， O 便不能跟随 ui 作线性变化， uO 波形产生了失真。&&&& 当 u 即为了使输出电压 uO 正、负半周对称，并充分利用电压跟随范围，静态工作点应选在交流负载线中点，测量时可直接用示波器读取 uO 的峰峰值，即电压跟随范围；或用交流毫伏表读取 uO 的有效值，则电压跟随范围 U0P－P＝2 2 UO 三、实验设备与器件 1、＋12V 直流电源 2、函数信号发生器 3、双踪示波器 4、交流毫伏表 5、直流电压表 6、频率计 7、3DG12×1 β＝50～100或 9013 电阻器、电容器若干。&&&& 四、实验内容 按图 5－2 组接电路 1、静态工作点的调整 接通＋12V 直流电源，在 B 点加入 f＝1KHz 正弦信号 ui，输出端用示波器监视输出波形，反复调整 RW 及信号源的输出幅度，使在示波器的屏幕上得到一个最大不失真输出波形，然后置 ui＝0，用直流电压表测量晶体管各电极对地电位，将测得数据记入表 5－1。&&&& 表 5－1 UEV UBV UCV IE（mA） 在下面整个测试过程中应保持 RW 值不变（即保持静工作点 IE 不变）。&&&& 2、测量电压放大倍数 Av 接入负载 RL＝1KΩ，在 B 点加 f＝1KHz 正弦信号 ui，调节输入信号幅度，用示波器观察输出波形 uo，在输出最大不失真情况下，用交流毫伏表测 Ui、UL值。&&&&记入表 5－2。&&&& 表 5－2 Ui（V） UL（V） AV 3、测量输出电阻 R0 在 接上负载 RL＝1K， B 点加 f＝1KHz 正弦信号 ui，用示波器监视输出波形，测空载输出电压 UO，有负载时输出电压 UL，记入表 5－3。&&&& 表 5－3 U0（V） UL（V） ROKΩ 4、测量输入电阻 Ri 在 A 点加 f＝1KHz 的正弦信号 uS，用示波器监视输出波形，用交流毫伏表分别测出 A、B 点对地的电位 US、Ui，记入表 5－4。&&&& 表 5－4 US（V） Ui（V） RiKΩ 5、测试跟随特性 接入负载 RL＝1KΩ，在 B 点加入 f＝1KHz 正弦信号 ui，逐渐增大信号 ui 幅度，用示波器监视输出波形直至输出波形达最大不失真，测量对应的 UL 值，记入表 5－5。&&&& 表 5－5 UiV ULV 6、测试频率响应特性 保持输入信号 ui 幅度不变，改变信号源频率，用示波器监视输出波形，用交流毫伏表测量不同频率下的输出电压 UL 值，记入表 5－6。&&&& 表 5－6 fKHz ULV 五、预习要求 1、复习射极跟随器的工作原理。&&&& 2、根据图 5－2 的元件参数值估算静态工作点，并画出交、直流负载线。&&&& 六、实验 1、 整理实验数据，并画出曲线 UL＝fUi及 UL＝ff曲线。&&&& 2、 分析射极跟随器的性能和特点。&&&& 附：采用自举电路的射极跟随器 在一些电子测量仪器中，为了减轻仪器对信号源所取用的电流，以提高测量精度，通常采用附图 5－1 所示带有自举电路的射极跟随器，以提高偏置电路的等效电阻，从而保证射极跟随器有足够高的输入电阻。&&&& 附图 5－1 有自举电路的射极跟随器 实验三 差动放大器 一、实验目的 1、加深对差动放大器性能及特点的理解 2、学习差动放大器主要性能指标的测试方法 二、实验原理 图 6－1 是差动放大器的基本结构。&&&& 它由两个元件参数相同的基本共射放大电路组成。&&&&当开关 K 拨向左边时，构成典型的差动放大器。&&&&调零电位器 RP 用来调节 T1、T2 管的静态点，使得输入信号 Ui＝0 时，双端输出电压 UO＝0。&&&&RE 为两管共用的发射极电阻， 它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。&&&& 图 6－1 差动放大器实验电路 当开关 K 拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。&&&& 它用晶体管恒流源代替发射极电阻 RE，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。&&&& 1、静态工作点的估算 典型电路 U EE U BE IE ≈ （认为 UB1＝UB2≈0） RE 1 IC1
IE 2 恒流源电路 R2 U CC
R 2 IC3 ≈ IE3 ≈ R E3 1 IC1
IC3 2 2、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 当差动放大器的射极电阻 RE 足够大，或采用恒流源电路时，差模电压放大倍数 Ad 由输出端方式决定，而与输入方式无关。&&&& 双端输出: RE＝∞，RP 在中心位置时， △U O βR C Ad
△Ui 1 R B
1 βR P 2 单端输出 △U C1 1 A d1
Ad △U i 2 △U C2 1 A d2
Ad △U i 2 当输入共模信号时，若为单端输出，则有 △U C1 βR C R A C1
≈ C 1 △Ui R
2R E B be P E 2 若为双端输出，在理想情况下 △U O AC
0 △U i 实际上由于元件不可能完全对称，因此 AC 也不会绝对等于零。&&&& 3、 共模抑制比 CMRR 为了表征差动放大器对有用信号（差模信号）的放大作用和对共模信号的抑制能力，通一个综合指标来衡量，即共模抑制比 Ad Ad CMRR
Ac Ac 差动放大器的输入信号可采用直流信号也可采用交流信号。&&&&本实验由函数信号发生器提供频率 f＝1KHZ 的正弦信号作为输入信号。&&&& 三、实验设备与器件 1、±12V 直流电源 2、函数信号发生器 3、双踪示波器 4、交流毫伏表 5、直流电压表 6、晶体三极管 3DG6×3，要求 T1、T2 管特性参数一致。&&&& （或 9011×3）。&&&& 电阻器、电容器若干。&&&& 四、实验内容 1、典型差动放大器性能测试 按图 6-1 连接实验电路，开关 K 拨向左边构成典型差动放大器。&&&& 1 测量静态工作点 ①调节放大器零点 信号源不接入。&&&&将放大器输入端 A、B 与地短接，接通±12V 直流电源，用直流电压表测量输出电压 UO，调节调零电位器 RP，使 UO＝0。&&&& 调节要仔细，力求准确。&&&& ②测量静态工作点 零点调好以后，用直流电压表测量 T1、T2 管各电极电位及射极电阻 RE 两端电压 URE，记入表 6－1。&&&& 表 6-1 UC1V UB1V UE1V UC2V UB2V UE2V UREV 测量值 ICmA IBmA UCEV 计算值 2 测量差模电压放大倍数 断开直流电源，将函数信号发生器的输出端接放大器输入 A 端，地端接放大器输入 B 端构成单端输入方式，调节输入信号为频率 f＝1KHz 的正弦信号，并使输出旋钮旋至零， 用示波器监视输出端（集电极 C1 或 C2 与地之间）。&&&& 接通±12V 直流电源，逐渐增大输入电压 Ui（约 100mV），在输出波形无失真的情况下，用交流毫伏表测 Ui，UC1，UC2，记入表 6－2 中，并观察 ui，uC1，uC2 之间的相位关系及 URE 随 Ui 改变而变化的情况。&&&& 3 测量共模电压放大倍数 将放大器 A、 短接， B 信号源接 A 端与地之间，构成共模输入方式， 调节输入信号 f1kHz，Ui1V，在输出电压无失真的情况下，测量 UC1， UC2 之值记入表 6－2，并观察 ui， uC1， uC2 之间的相位关系及 URE 随 Ui 改变而变化的情况。&&&& 表 6-2 典型差动放大电路 具有恒流源差动放大电路 单端输入 共模输入 单端输入 共模输入 Ui 100mV 1V 100mV 1V UC1V UC2V U C1 A d1
/ / Ui U0 Ad
/ / Ui U C1 A C1
/ / Ui U0 AC
/ / Ui A d1 CMRR │ │ A C1 2、具有恒流源的差动放大电路性能测试 将图 6－1 电路中开关 K 拨向右边，构成具有恒流源的差动放大电路。&&&&重复 内容 1－2、1－3的要求，记入表 6－2。&&&& 五、实验总结 1、 整理实验数据，比较实验结果和理论估算值，分析误差原因。&&&& 1 静态工作点和差模电压放大倍数。&&&& 2 典型差动放大电路单端输出时的 CMRR 实测值与理论值比较 3 典型差动放大电路单端输出时 CMRR 的实测值与具有恒流源的差动放大器 CMRR 实测值比较。&&&& 2、 比较 ui，uC1 和 uC2 之间的相位关系。&&&& 3、 根据实验结果，总结电阻 RE 和恒流源的作用。&&&& 六、预习要求 1、根据实验电路参数，估算典型差动放大器和具有恒流源的差动放大器的静态工作点及差模电压放大倍数（取β1＝β2＝100）。&&&& 2、测量静态工作点时，放大器输入端 A、B 与地应如何连接？ 3、实验中怎样获得双端和单端输入差模信号？怎样获得共模信号？画出A、B 端与信号源之间的连接图。&&&& 4、怎样进行静态调零点？用什么仪表测 UO ？ 5、怎样用交流毫伏表测双端输出电压 UO ？ 实验四 负反馈放大器 一、实验目的 加深理解放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大器各项性能指标的
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模拟电子技术
模拟电子技术作者：卜益民北京邮电大学出版社目第一章 半导体元器件基础 1.1 半导体物理基础知识 1.2 PN结及其性能 1.3 半导体二极管 1.4 双极型晶体管录第三章 3.1 3.2 3.3 3.4第四章 4.1 4.2 4.3 ~ 4.4场效应管及其放大电路 结型场效应管 绝缘栅场效应管 场效应管的特点及主要参数 场效应管基本放大电路反馈放大电路 反馈的基本概念 反馈放大电路的分析 负反馈对放大器性能的影响 反馈放大器稳定性讨论第二章 2.1 ~2.2 2.3 2.4放大器基础 放大器的工作原理 放大电路的级联 放大器的频率特性 小信号选频放大器目第5章 模拟集成电路 5.1 电流源 5.2 差动放大器 5.3 集成运算放大器 5.4 集成运放的基本应用 ~5.5 集成运放的其他应用 5.6 模拟乘法器及其应用 ~5.7 回转器电路 第6章 功率放大器 6.1 功率放大器的特点及分类 6.2 低频功率放大器 6.3 集成功放 6.4 高频丙类谐振功率放大器录第 7章 7.1 7.2 7.3 7.4 ~7.5 7.6 第 8章 8.1 8.2 8.3 8.4 直流稳压电源 直流稳压电源的组成 整流电路 滤波电路 稳压电源 集成稳压电源 开关型稳压电源 正弦波振荡电路 正弦波振荡电路的基本原理 LC反馈型正弦波振荡电路 石英晶体振荡电路 RC正弦波振荡电路目第 9章 9.1 9.2 9.3 9.4 振幅调制与解调 无线通信概述 振幅调制 振幅检波 混 频 角度调制与解调 角度调制 角度调制电路 调角波的解调录第11章 反馈控制电路 11.1 自动振幅控制电路 11.2 自动频率控制电路 11.3 自动相位控制――锁相 11.4 锁相环的应用 11.5 锁相频率合成器第10章 10.1 10.2 10.3第3章 场效应管及其放大电路? 场效应晶体管FET(Field Effect Transistor)简称场效应管，是利用电压产生的电场效应来控制输出电流的大小的，它 和晶体三极管一样具有放大作用。? 场效应管不仅具有一般晶体三极管体积小、重量轻、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、易于制造、便 于集成等优势，故被广泛应用于集成电路中。? 根据其结构的不同，场效应管通常分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)两大类。本章首先介绍 了两种场效应管的结构、工作原理及其特性曲线；分析比 较场效应管与晶体三极管的特点，阐述了其主要参数；最 后介绍了场效应管的两种基本放大电路――共源放大电路 及共漏放大电路，我们应掌握其偏置电路、交流等效电路 分析法及其性能指标的计算。3.1 结型场效应管3.1.1 结型场效应管基本结构和类型 ? 结型场效应管可分为N沟道和P沟道两种类型。它们的结构示意图及 相应的电路符号见图3.1。图3.1(a)是N沟道结型场效管的内部结构及 电路符号。它在一块N型半导体材料两侧，通过高浓度扩散制造两个 重掺杂的P+型区，形成两个P+N结。把两个P+区接在一起形成一个 电极，称为栅极（G）。中间的N型区是载流子的流通路径，称之为 导电沟道，在它的两端分别引出两个电极，分别称为源极（S）和漏 极（D）。所以这一器件从外部看也有三条电极引线，从内部看也是 背靠背的两个PN结。由于它的导电沟道为N型半导体，故取名N沟道 结型FET。图3.1(b)是P沟道JFET的结构及电路符号，它与N沟道 JFET相类似，只是导电沟道变为P 型半导体。图中栅极G的箭头方向 表示了GS之间PN结的正偏方向。3.1.2 结型场效应管的基本工作原理? 场效应管是利用电压产生的电场效应来控制输出电流的大小的，其实质就是通过改变加在栅源之间的反偏电压UGS来改变PN结耗尽层的宽 度，从而改变了导电沟道的宽度，也就是改变了导电沟道的电阻，最 终实现对输出电流ID的控制。? N沟道JFET在正常工作时，栅源之间所加电压 UGS＜0，即栅源之间的PN结处在反偏状态。若忽略反向电流，则栅极电流为零。这时漏源之 间电流ID的大小由沟道呈现的电阻大小决定。而沟道电阻的大小则由 沟道的半导体材料的电阻及尺寸决定，由于栅源之间的 P+N加的是反 偏电压，故P+N结的空间电荷区宽度将随反偏电压增大而增大，而且 空间电荷 区主要向沟道一侧延伸，这样，改变UGS的大小时就达到了 控制沟道宽度的目的，从而实现了对沟道电阻的控制作用。当漏源之 间加有 UDS ＞0 的电压时，漏源电流ID 就将随 UGS 的变化而变化，进而 达到UGS对ID的控制目的。? 在图3.2所示的情况下，我们可以看到当UDS＝0时，UGS变化对其导电沟道的影响。它表示了UGS对沟道宽度的控制作用。由图可见，当 UGS＝0时，导电沟道最宽，若此时加的漏源电压UDS，则相应的ID最 大。|UGS|越大，其导电沟道就越窄，相应的沟道电阻就越大，因而 当漏源之间加有电压UDS时，其漏极电流就越小。当|UGS|增加到一个 数值为||的电压时，由于P+N结的耗尽区向沟道一侧扩展的结果，使 沟道完全消失（即两个P+N结的耗尽区完全合拢），如图3.2(c)所示。 这种状态通称为沟道的夹断状态，相应的称为夹断电压。此时JFET 的漏源之间即使加有电压UDS，也不会有沟道电流产生，即ID＝0。? 由此我们可以知道，由于栅源之间加的反偏电压，故从栅极看进去所呈现的阻抗很高；此外，依靠UGS产生的电场效 应通过对P+N结耗尽区宽度的控制可以有效地实现对漏极电 流的控制作用，且当UGS＜UP时，由于沟道夹断，漏源之 间处在断路状态。2.ＵDS对ID的影响当UGS＝0时，改变UDS对导电沟道产生的影响，如图3.3所示。当N沟 道JFET正常工作时，UDS＞0，即漏源之间为正极性电压。在UGS＝ UDS＝0时，靠近漏端与源端的沟道宽度一样，即具有均匀的沟道宽度， 如图3.2(a)所示。当UGS＝0，UDS＞0时，则靠近漏端的P+N结反偏电压 要大于靠近源端P+N结的反偏电压，因此耗尽区向沟道一侧延伸的宽 度就不同了，导致靠近漏端的沟道宽度窄而靠近源端的沟道宽度宽。 这种延沟道长度方向上沟道宽度的不均匀性是由UDS引起的。其具体 解释如下：因为UDS＞0，漏源之间产生了一个较大电流，因为ID的方 向是从上到下，所以沿沟道的方向从上至下有一上电压降落。设源极 （最下面）电位为参考点，则沟道上各点的电位不同，最下面D点的 电位最高，最下面源极处电位最低。PN结的反向偏压数值在最上面靠 近漏极D点最大，所以耗尽区最宽，而最下面源极S处为最小，所以耗 尽区最窄，因而形成的耗尽区的形状是上宽下窄。随着UDS增加这种 沟道宽度不均匀性将越发明显。? 一旦当UDS＝－时，则靠近漏端就出现了沟道合拢的情况，如图3.3(b)所示。这种状态通常称为预夹断状态。预夹断 与前面的夹断是不一样的，器件在预夹断时，漏源之间有 较大的电流流过。而夹断状态时，则ID＝0。当器件到达 预夹断状态后，若继续加大UDS，则将会出现耗尽区的合 拢点（预夹断点）沿沟道向源极方向移动的现象，如3.3(c) 所示。这将导致导电沟道变短，从而使沟道电阻略有减小， 但变化不大，这是由于夹断区是高阻区，外加电压UDS的 增量主要降落在预夹断区，因而对沟道长度的影响甚小。 这种随UDS变化沟道长度随之略有变化的现象称为沟道长 度调制效应。可见，在沟道预夹断之后，UDS变化对沟道 电流ID的影响是很小的。场效应管的这种工作状态称为恒 流区（饱和区或放大区）。作为放大元器件，场效应管就 是工作在这一状态。不过应当注意，当UDS过大时，由于 P+N结的反偏过大，将产生反向击穿现象，工作时必须避 免这种情况发生。3.1.3 结型场效应管的特性曲线及其数学描述场效应管的特性曲线常用的有转移特性和输出特性两种 1.转移特性 当场效应管的漏源之间的电压保持不变时，漏极电流与之间的关系称 为转移特性，其表达式如下： 转移特性直观地描述了漏源电压一定时栅源电压对漏极电流的控制作 用。为了保证JFET工作在恒流特性区，要求 。图3.4(a) 就求出了某一场效应管在UDS＝10V时的转移特性曲线。图中IDSS称为 漏极饱和电流，它是指＝ 0 时，漏极电流的大小。称为夹断电压。 当 ，表示场效应管的沟道全部夹断。IDSS和UPf是场效应 管的两个重要参数。 用数学方程近似描述此转移特性有： (3.2) 可见，对该器件而言， 之间不是线性关系，而是平方律的关系， 因而它也是一种非线性器件。2.输出特性`当场效应管的栅源之间的电压 不变时，漏极电流 称为输出特性，其表达式如下：之间的关系图3.4(b)给出了一簇以不同 为参变量的N沟道JFET的输出特性曲线， 在该图中，我们也把这组特性曲线分为 4个区域：可变电阻区（线性 电阻区或非饱和区）、恒流区（饱和区）、截止区和击穿区。下面主 要讨论器件工作在相应区域的条件与特点：? 器件工作在可变电阻区的条件是：。 可变电 阻区在图中纵轴与曲线UDS＝UGS－之间的区域。当器件工作在该状态 时，导电沟道畅通，漏源之间呈线性电阻特性，故又称为线性电阻区。 而该电阻的大小又与 的大小有关， 越大，导电沟道越宽，沟道 电阻越小，在相同的 值时电流越大。因此通过改变 的大小，可 以控制漏源之间的沟道电阻的大小，因而又称该区域为压控电阻区。 这种工作状态在线性电路中是十分有用的。(2) 恒流区? 当器件工作在恒流区时，实际上此时器件工作在所谓预夹断状态。从图示的特性曲线可知，场效应管的漏极电流只受 控制，它与漏源 电压基本无关，呈现恒流特性。这里应当指出：实际的特性在 一 定时， 随 增加时略有上升。这是由于器件的沟道长度调制效应 引起的。器件工作在恒流区的条件是： ，场效应 管用作放大器时，工作在这个区域，它相当于BJT输出特性的放大区。(3) 截止区截止区处在图3.4(b)中靠近横轴的区域，其导电沟道完全被夹断，管子 不工作。器件工作在截止区的条件是： 。在这种状态下， ＝0，一般在开头电路中应用。(4) 击穿区击穿区为图3.4(b)中最右侧的部分，表示为升高到一定程度后，反向偏 置的PN结被击穿，将急剧增大，若电流过大，管子将被损坏。一般用 U(BR)DS来表示它的漏源之间的击穿电压。使用器件时，必须保证U DS ＜U(BR)DS，以防止器件进入击穿区。一般U(BR)DS在20～50V之间，且 随UGS的增加而增加，这在使用时应予以注意。 对于P沟道JFET的原理和特性，它与N沟道JFET的主要差别是在于UGS 及UDS所需的电压极性，在P沟道JFET中，UGS＞0，而UDS＜0。器件 的原理与特性同学们可以自行分析。3.2 绝缘栅场效应管 3.2.1 绝缘栅场效应管基本结构和类型绝缘栅场效应管也可有N沟道与P 沟道两种类型。N沟道IGFET的基本 结构如图3.5所示，它用一块杂质浓度较低的P型薄硅片做衬底，在其 顶部形成两个高掺杂的N+区，分别作为器件的源区和漏区，并相应地 引出两个电极：源极S和漏极D。在源区与漏区之间的P型衬底平面利用氧化工艺生长一层极薄的二氧化硅绝缘层， 在该绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极 作为栅极G。衬底引出一个欧姆接触电极，称为衬底电极，用符号B表示。这 种器件的栅极与衬底表面的绝缘层 是SiO2，故把它称为金属C氧化物C半 导体场效应管。即MOSFET。? 根据在栅源电压UGS＝0时，漏源之间是否存在导电沟道的情况，MOSFET又可分为增强型和耗尽型两种类型，分别 用EMOSFET和DMOSFET表示。当UGS＝0时，D、S之间 无导电沟道存在，就称为增强型器件；当UGS＝0时，D、 S之间有导电沟道存在，就称为耗尽型器件。这样， MOSFET共有4类：N沟道增强型MOSFET；N沟道耗尽型 MOSFET；P沟道增强型MOSFET和P沟道耗尽型MOSFET。 它们的符号分别由图3.6所示。MOSFET的电路符号3.2.2 N沟道增强型MOSFET 3.2.2 N沟道增强型MOSFET 前面我们已经讨论了N沟道IGFET的基本结构，如图3.5所 示，如果在制作MOSFET时，在二氧化硅绝缘层中不掺正 离子，则就是 N沟道增强型 MOSFET ，若掺入大量正离子， 则为 N 沟道耗尽型 MOSFET ，下面我们来讨论 N 沟道增强 型MOSFET的工作原理及相应的特性。 1.N沟道增强型MOSFET的工作原理 当器件工作在恒流区也就是在放大状态时，其工作原理与 JFET 不尽相同。此时 N 沟道增强型 MOSFET 的衬底电极 B 必须接在电路中的最低电位上或与源极相接。而UDS＞0， 这样使DS的两个N+区与衬底之间始终处在反偏状态。UGS 必须加正极性的电压，以保证形成漏源之间的导电沟道。 下面具体讨论。? (1) UGS对ID的控制 ? 当UGS＝0时，N+源区与漏区之间被P型衬底所隔开，就好像两个背靠背的PN结，故漏源无电流流过，这时，可认为管子处于夹断状态。当 UGS＞0时，在栅极与衬底之间形成了由栅极指向衬底的电场。此时栅 极与衬底之间极薄的SiO2绝缘层犹如一个平板电容器的介质，在电场 的作用下，P 型衬底中不少子自由电子被吸引到衬底表面处，而多子 空穴被排斥离开衬底表面。随着UGS的增加，栅极垂直于衬底表面的 电场也增强，被吸引到衬底表面的自由电子也越多。一旦当UGS增加 到某一电压UT时，衬底表面的自由电子数量就大于空穴数量，于是在 衬底的表面形成了与P型材料相反的N型区，它把源区和漏区相互连接 起来，形成了源漏区之间的导电通路。这一N型层通常称之为反型层， 相应的开始形成反型层所需的栅源电压UT称为开启电压，其大小一般 在2～10V之间。如果此时继续加大UGS，则相应的反型层厚度就随之 加大，导电能力也就越强。说明N沟道增强型MOSFET沟道形成的示 意图如图3.7所示。UGS对沟道的控制结果也就达到了对 ID控制的目的， 其具体情况可由转移特性来表示，即(2) UDS对沟道的影响 设UGS＞UT，导电沟道已经形成，则此时UGD＝UGS－UDS 随UDS增加，UGD减小，表示靠近漏端栅极垂直于衬底表面的电场减 小。当 ，则靠近漏端的导电沟道将被夹断，与JFET原理分 析中遇到的预夹断状态相类似。当器件进入该状态后，若继续增加 UDS，沟道电流就基本上保持恒定了。器件的这种工作状态称为饱和 工作状态或恒流工作状态。可见器件进入恒流区工作的条件是 UDS≥UGS－ UT显然UDS对沟道的影响与JFET的情况是完全类似的。其 具体情况可由输出特性来表示。即图3.7 N沟道增强型MOSFET的沟道形成图2.N沟道增强型MOSFET的特性曲线及其数学描述 N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线与输出特性曲线如图所示。 从图中的转移特性可以看出，当 时，由于尚未形成导电沟道，因 此 ；当 时，导电沟道形成，而且随着 的增高，导 电沟道变宽，沟道电阻减小，于是 也随之增大；当 ， 图3.8(a)所示的转移特性可用以下近似公式表示： 式中， N沟道增强型MOSFET的输出特性同样可以分为四个区域：可变电阻区、 恒流区、截止区和击穿区。如图 (b)所示。3.2.3 其它类型的MOSFET除N沟道增强MOSFET外，还有N沟道耗尽型MOSET和P沟道增强型 和耗尽型三种 3.2.4 VMOS功率场效应管简介 通常提高MOS管功率容量的办法是：采用纵向（垂直）导电沟道和大 规模集成电路技术，将许多小功率MOS管的管芯并联起来扩大电路， 减小导通电阻，构成功率MOS管。 以N沟道MOS管(NMOS)为例，介绍这种具有纵向结构的V型MOS管 (VMOSFET)的结构特点。图3.9是其结构剖面图。它以N+型硅材料作 衬底（形成漏极D），并在此基础上依 次制作出低掺杂的N－外延层、P型区 （导电沟道）和高掺杂的N+区（形成源 极S）。穿过N+区和P区，刻蚀成一个V 型槽，并在表面生长一层SiO2,再覆盖一 层金属作为栅极G。? 当栅极加正电压时，在氧化膜下的P型层两边表面上形成导电沟道。在漏源之间加正电压(UGS＞0)，则电子从源极 通过两个沟道，达到N－外延层，再通过N+衬底流入漏极, 可见电子沿导电沟道的运动是纵向的。 ? 由于功率MOS管的漏区面积大，有利于散热，且P层与N－ 外延层形成一反偏的 PN 结，它的耗尽层大多位于掺杂更 轻的外延层中，因此漏极与源极之间的反向击穿电压较高， 有利于制作成大功率器件。目前，有的功率MOS管耐压可 达1000V以上，最大连续电流200A。 ? V型MOS管有开关速度高、驱动电流小、过载能力强、易 于并联等特点，但MOS管与双极型晶体管相比，其低频损 耗大，且易受静电破坏，所以应用时需加保护电路。3.3 场效应管的特点及主要参数3.3.1 场效应管与晶体三极管的比较场效应管与双极型晶体管相比较，具有如下一些特点： (1) BJT输入端的PN结为正向偏置，因而它的输入电流较大， 相应的输入电阻数小。而 JFET 输入端的 PN 结为反向偏置， 对IGMOSFET则有绝缘层隔离，故它们的输入电阻很大。 通常 JFET 的输入 电 阻 108 ， 而 IGFET 的输 入电阻可 大于 。 (2) FET 是靠多子导电的器件，所以也称为单极型器件，而 BJT中，自由电子及空穴均参与工作，所以又称为双极型 器件。由于多子浓度受温度、光照、辐射等环境变化的影 响小，所以FET特别适合于环境条件变化较大的电子设备 中。 (3) 在低压小电流工作时，FET可作为电压控制的可变线性电 阻和导通电阻很小的无触点开关。而BJT则无此优异特性。(4) FET是一种自隔离器件，制造工作简单，特别适合于 大规模与超大规模集成电路的设计与制造。从当前的发展 趋势看，在这些集成度很高的大规模与超大规模集成电路 中，MOSFET已日益取代了BJT。 (5) 从器件的结构看，FET的漏极与源极是对称的，可以 互换使用，设计时也较BJT灵活。 ? 特别需要指出的是在保存和使用MOSFET时要倍加留心， 因为它的栅极与衬底表面之间的绝缘层很薄，当带电体或 人体接触金属栅时，由于会在栅极与衬底上产生感生电荷， 而栅极与衬底之间的平板电容器容量又很小，所以常常这 些感生电荷积累会在绝缘层上产生很高的电压，极易导致 绝缘层的击穿而损坏管子。所以这种器件在保存时应将各 电极引线短接，焊接应将电烙铁外壳良好接地，必要时还 可在管子的栅源之间接入背靠背的两只稳压管，以限制感 生电荷在栅源之间产生的最大电压，避免管子栅源之间因 击穿而损坏。3.3.2 场效应管的主要参数1.直流参数 (1) 饱和漏极电流IDSS当＝0时，漏源之间的电压大于夹断电压时对应的漏极电流值，一般 规定 时测出的漏极电流为IDSS。＝常数时，使耗尽型场效应管(JFET，MOSFET)漏极电流减小到某 一微小值(测试时用 )时的栅源电压值。 ＝常数时，使增强型MOSFET开始导电时的栅源电压值。(2) 夹断电压UP 当(3) 开启电压UT 当 (4) 直流输入电阻RGS 当漏极短路时，栅源之间所加直流电压与栅极直流电流之比。JFET的RGS 在 之间，MOSFET的RGS在 之间。
3.4 场效应管基本放大电路 场效应管的三个电极与晶体三极管的三个电极存在着对应关 系：即栅极与基极B、源极S与发射极E及漏极D与集电极C分 别对应。同样，由场效应管组成的放大电路也具有共源、共 栅、共漏三种组态。其放大倍数的计算，也采用交流小信号 等效电路分析方法。 3.4.1 场效应管的偏置电路 场效应管放大电路也应由偏置电路建立一个合适的静态工作 点。所不同的是，场效应管是电压控制元件，它只需要合适 的偏压，而不需要输入电流；另外，不同类型的场效应管对 偏置电压的极性有不同要求，在实际电路中，既要满足电压 极性要求，又要尽量满足单电源供电，因此场效应管放大电 路一般都采用自给偏压的方法。1.直流偏Z电路 (1) 自偏压电路 ? 图3.10(a)是由N沟道结型场效应管构成放大电路的自偏压电 路。RG称为栅极电阻，也称为栅极漏电阻，简称栅漏电阻， 可用来释放栅极感应电荷，防止栅极被感应电压击穿，同时 也为栅偏压提供了直流通路，通常RG取值很大以提高输入电 阻。RD、RS分别为漏极电阻和源极电阻，UDD在漏极、源极 间加正向偏压。由于耗尽型场效应管在＝ 0时也有漏极电流， 因此源极对地电压为＝ ；由于栅极不取电流，RG上无 电压降，栅极对地电压＝0，所以栅偏压 (3.5)? 可见，该电路使＞0，＜0，提供了一个合适的静态工作点，使场效应管能够起正常的放大作用。这种电路的栅偏压是 靠场效应管的自由漏电流产生的，故称为自偏压电路。(2) 分压式自偏压电路(混合偏置) 上述自偏压电路虽然结构简单，但RS不能过大，否则静态工 作点将下降，影响动态工作范围，减小放大倍数，因此的 调节范围较小，并且该电路只能提供负的栅偏压，适用于 耗尽型场效应管，不能适用于增强型场效应管，因此在自 偏压电路上给栅极再加一定的分压，则栅偏压的变化范围 就可以增大。如图3.10(b)所示是分压式自偏压电路，它是 在自偏压电路基础上接入分压电阻构成的，特点是能稳定 静态工作点，且适用于各类场效应管的放大电路。 该电路的源极电位仍然由漏极电流确定， ；同样栅极无 电流，栅极电位为 (3.6) 由分压电阻确定，则栅偏压为 (3.7) 由式可见，适当选取 RG1 、 RG2 和 RG3 的值，就可以得到各类 场效应管工作时所需要的正、负或零的偏压。2.静态分析场效应管的静态工作点指直流量 ，它们同样对应于 特性曲线上的某一点 Q。通常可用图解法和估算法确定。 在这里我们介绍估算法。 场效应管工作在饱和区时，其漏电流 基本无关，且和 之间满足转移特性，因此其静态工作点也可由转移特性估 算得出。 对于耗尽型场效应管的分压式自偏压电路和静态工作点可由 式(3.2)和式(3.7)的方程解出 求得 ，则 应注意的是该方程组为二元二次，方程有两组根，求解后应 检验根是否合理，以确定最后的解。3.4.2 场效应管的微变等效电路 因为 所以用交流有效值表示，上式可改写为(3.8)(3.9)(3.10)通常较大，的影响可以忽略，则(3.11) 根据式(3.10)和(3.11)可画出场效应管低频交流小信号等效 电路如图3.12所示。由于 栅流 所以输入 回路等效电路可以不画出。 可见，场效应管低频小信 号等效电路比晶体管的还简单。3.4.3 场效应管的基本放大电路性能分析 场效应管也具有共源、共漏和共栅极三种组态的放大电路， 其动态分析与三极管的动态分析方法相同，其步骤也是找 出其交流通路，做微变等效替换，然后按电路分析方法计 算。 1.共源电路 共源放大电路如图3.13(a)所示，图(b)为其交流等效电路。
根据R0的定义，可画出求输出电阻R0的等效电路，如图(c)所 示。由外加电压法得：(3.19) 放大器输出电阻为：(3.20) 通过以上分析可知，源极输出器和射极输出器有相同的特 点，即输入电阻很高，输出电阻很低，输出电压与输入电 压同相，电压放大倍数小于且接近于1。3. 三种组态放大电路的比较 除了上述的共源、共漏放大器外，还有一种共栅放大器， 在此我们不再进行分析了，这里我们把场效应管三种组态 放大电路的性能比较用表3.2来简单描述。第4章 反馈放大电路? 反馈的理论及反馈技术在电子电路中占据非常重要的地位。在放大电路中引入负反馈可以起到改 善放大器性能的作用，而利用正反馈可以组成不 同类别的信号发生器(或称振荡器)。本章首先讨 论反馈的基本概念，分析了负反馈对放大器性能 的影响，通过对反馈放大器电路分析方法的介绍， 从而达到正确辩识反馈电路类型，掌握深负反馈 条件下电路的简单分析、估算。本章最后对反馈 放大器的稳定性进行了论述。4.1 反馈的基本概念 1. 反馈概念的引入 反馈的概念，就是将放大器的输出量(电流或电压)，通 过一定的网络，回送到放大器的输入回路，并同输入信 号一起参与对放大器的输入控制作用，从而使放大器的 某些性能获得有效改善的过程。 1.负反馈稳定静态工作点 如图4.1所示该电路中放大器的电流ICQ取决于控制电压UBEQ，而UBEQ ＝UBQ－UEQ，其中UEQ≈［RB2／(RB1＋RB2)］? UCC ，基本 上是固定不变的。但UEQ则不同，UEQ＝IEQRE，它携带着 晶体管输出电流(ICQ≈IEQ)的变化信息。如果某种因素使IEQ 增大，则ＵEQ也增大，导致UBEQ反而减小，从而又使IEQ减 小。，其结果是使IEQ稳定。这里RE将输出电流IEQ的变化 反馈到输入回路，引进了一种自动调节的机制，这种过程 就是“反馈”。这种反馈实质上是从直流角度来分析的， 若去掉发射极旁路电容CE，该电路还起到稳定输出交流电 流的作用，这将在后面具体讨论。2.负反馈稳定输出电压(射极输出器电路)图4.2是我们熟悉的共集电极放大电路，即射极跟随器。由 前面的讨论可知，其电压放大倍数约等于 1，而且输出电 压 稳定，这就是引入负反馈的缘故。该电路中，设当放 大器的电压 受外界因素影响而增大时，射极电阻RE上电 压 也增大。 携带了输出电压变化的信息，而输入 电压 不变，则净输入 减小，导致 减小， 相应 减小，最终表现为 增大的程度变小，达到 了稳定输出电压 的目的。外界因素导致减小的情况分析类似， 读者可自行分析。4.1.2 反馈放大器的基本框图和一般表达式 1.基本框图 我们将反馈放大器抽象为如图4.3所示的方框图。 图中虚线表示反馈放大器，其输入信号为 ，输出信号为 。 反馈放大器由两部分组成：放大电路和反馈网络。放大电 路的传输方向为输入到输出；反馈网络的传输方向为输出 到输入（图中箭头方向就是信号的传输方向）。反馈网络 将放大电路的输出信号的 一部分（或全部）取出，这就 是取样的概念。直接或加工处理后，返回到放大电路的输入回路，在输入回 路，反馈信号 与输入信号 叠加（相加或相减），此过 程称为 “比较”。 与 叠加后的信号才是真正加到基本 放大器输入端的“净输入信号” 。人们将 与 反相 相加（也就是相减），使 ＜ 的情况定义为“负反馈”； 反之，将 与 同相相加， ＞ 的情况定义为“正反 馈”。反馈信号极性不同，对放大器性能影响正好相反。2.反馈放大电路的一般表达式 由反馈放大电路的基本框图中的一些基本量我们定义如下： 基本放大电路的开环增益（开环放大倍数）定义为输出信号 与净输入信号之比，即 (4.1) 反馈系数定义为反馈信号与输出信号之比，即 (4.2) 反馈放大电路的放大倍数（闭环增益）定义为的输出信号与 输入信号之比，即 环路增益（回归比）为(4.3)(4.4)这里， 等信号可以取电压量或电流量，所以传输系数 A、F的量纲不一定是电压比或电流比，也可能是互导或互 阻。 闭环增益Ａf与开环增益以及反馈系数之间的关系。推导如下， 由图4.3可见 (4.5) （负反馈） (4.6)(4.7)将式（4.6）、（4.7）、代入式（4.5），得 (4.8)所以(4.9) 式（4.9）称为反馈放大器的基本方程。反馈放大电路的一些主要特性： (1) 负反馈使放大器的增益下降了(１＋AF)倍。这是因为负反 馈，反馈信号 与输入信号 相减，使得真正加到基本放 大器的净输入信号 减小的缘故。 (2) 令D＝１＋AF，称它为“反馈深度”。它是一个表征反馈 强弱的物理量。因(4.10) 式（4.10）表明，负反馈使净输入信号减小为输入信号的 “１/D”倍，那么同样的输入 ，则反馈放大器的输出信 号也下降“D”倍（见式（4.8））。若D&&１，意味着 && ，此时反馈信号为(4.11)? 我们把Ｄ&&１，或AF &&１称之为“深负反馈条件”。在深负反馈条件下，反馈信号 近似等于输入信号 ，而 真正加到基本放大器的净输入信号 将很小。这一结论， 将大大简化反馈放大器的分析计算。 (3) 在深反馈条件下，AF&&１，所以 (4.12) 这是一个重要的关系式。它表明，深反馈条件下，闭环增 益主要决定于反馈系数，而与开环增益关系不大。 (4) 若正反馈，则 增益增大了，但以后 分析将知道，正反馈使放大器许多性能恶化，所以在线性 放大器中的应用极少，但它是振荡电路形成的必要条件。4.2 反馈放大电路的分析4.2.1 反馈放大电路的基本类型及判别 1.直流反馈与交流反馈 根据反馈信号中包含的交直流成分来分，可分为直流反馈 和交流反馈。如果反馈信号中只包含直流成分，为直流反 馈；如果反馈信号中只包含交流成分，为交流反馈；既包 含直流成分又包含交流成分的，为交直流反馈。引入直流 负反馈的目的是要稳定静态工作点，引入交流负反馈目的 是要改善放大电路性能（放大倍数除外）。本章主要讨论 交流负反馈。2.正反馈与负反馈 ? 正负反馈的概念已在前面有所定义，这里再简述一下。 根据反馈极性的不同，可将反馈分为正反馈和负反馈。 如果引入的反馈信号增强了外加输入信号的作用，从而使 电路的放大倍数得到提高，称为正反馈；如引入的反馈信 号削弱了外加输入信号的作用，从而使电路的放大倍数降 低，称为负反馈。 ? 判断正负反馈常用的方法是瞬时极性法：假设输入信号的 变化处于某一瞬时极性（用符号“+”、“－”表示），从 输入端沿放大电路中信号的传递路径到输出端，逐级推出 电路中其它有关各点信号瞬时变化的极性，最后看反馈到 输入端信号的极性对原来的信号是增强了还是削弱了，若 增强了输入信号的作用为正反馈，否则为负反馈。3.电压反馈与电流反馈 按反馈网络与基本放大器输出端的连接方式不同，有“电 压反馈”与“电流反馈”之分。 如图4.4(a)所示，反馈网络与基本放大器输出端并联连接， 输出端即取样端， 输出电压是反馈的取样对象，若令 =0， 则也为零，我们将这种反馈称为“电压反馈”。但 (b)图不同，在(b)图中，取样端与输出端不连在一起，反 馈网络串联在输出回路中，取样对象是输出电流 ，而 不是输出电压 ，即使 =0，反馈信号 照样存在，我 们把这种反馈称为“电流反馈”。在“电压反馈”中， 正比于输出电压 ，在“电流反馈”中， 正比于输出电 流 。? 根据前面所述，我们一般用输出短路法判断是电压反馈还是电流反馈，即将输出端短路，看是否还存在反馈信号，如果此时反馈信号不存在了，说明反馈信号取自输出电压， 为电压反馈；如果反馈信号仍然存在，说明反馈信号不是取自输出电压，而是取自输出电流，为电流反馈。4.串联反馈与并联反馈 按反馈网络与基本放大器输入端的连接方式不同，有“串 联反馈”和“并联反馈”之分。 如图 4.5(a) 所示，反馈网络串联在基本放大器的输入回路中， 净输入电压 等于输入电压 与反馈电压 之差，即图4.5(b) 电路，反馈网络直接并联在基本放大器的输入端， 反馈信号与输入信号在基本放大器输入端以节点方式联接 在一起。在这种反馈方式中，用节点电流描述较为方便， 即放大器净输入电流 为 判断串联反馈还是并联反馈的一般方法：若净输入信号 ＝输入电压 －反馈电压 ，说明是串联反馈；若净 输入信号 ＝输入电流 －反馈电流 ，说明是并联反馈。 也可以用以下方法来判断串并联反馈：若反馈支路与放大 电路输入端同点相连，则该反馈为并联反馈，否则该反馈 为串联反馈。5.负反馈放大电路的四种组态 根据反馈网络与基本放大器输出、输入端连接方式的不同， 负反馈电路可分为以下四种组态，即：串联电压负反馈； 串联电流负反馈；并联电压负反馈；并联电流负反馈。如 图4.6所示。其具体的分析将在后面结合实例阐述。4.2.2 反馈放大电路的分析举例 1.单级反馈放大器电路 (1) 串联电压负反馈电路 共集电极放大电路虽然在反馈概念的引入时已有讨论，在 这里我们再总体分析一下，如图4.7所示，该电路的净输 入电压 ，而与输出电压 有关，所以本电路 存在反馈。由图可见，反馈网络由RE、RL组成，反馈电 压 ，净输入电压为反馈系数 反馈网络（RE//RL）串联在输入回路内，所以是串联反馈； 反馈电压 ，若令 =0，则 也为零，所以是电 压反馈；反馈电压 与 反相叠加，净输入电压 所 以是负反馈。所以该电路是串联电压负反馈。(2) 串联电流负反馈电路共反射极放大电路也是我们所熟悉的，只不过这里发射极电 阻 RE 没 有 旁 接 电 容 ， 如 图 4.8 所 示 。 该 电 路 净 输 入 电 压 ，所以也存在着反馈，其反馈网络由RE组成，因 为 RE 串 联 在 输 入 回 路 中 ， 所 以 是 串 联 反 馈 ； 反 馈 电 压 ， 为输出电流，而输出为电压 ， 若令 =0，反馈电压仍然存在，所以是电流反馈；且有 可见 ，所以，该电路是一个引进了串联电流负反馈 的共射极放大电路。(3) 并联电压负反馈电路 由图4.9可见，该电路反馈网络由R1和R2组成，其输入信号 和输出电压 分别通过电阻R1和R2并联连接到放大器的基 极，所以是并联反馈，其中反馈电流 正比于输出电压 （ ）, 所以是电压反馈。且净输入电流为 (4.13) 所以是负反馈。综上所述，该电路是一个并联电压负反馈放大电路。2.多级反馈放大器电路 对于多级放大电路，不仅各级电路存在本级反馈，在级与级 之间也可能有越级反馈 (1) 串联电压负反馈电路 图4.10给出一个二级级联的共射－共射放大电路。可以看出， R4将输出电压 反馈到第一级发射极，所以R4和R3组成两 级间的大闭环反馈网络。将输出端短路，则电阻R4右端接 地，反馈信号消失，所以是电压反馈。反馈支路与放大电 路输入端不接在同一点，即反馈网络R3串联在输入回路之 中，所以是串联反馈。至于是正反馈还是负反馈，则可根据瞬时极性法来确定， 所谓瞬时极性，都是相对于参考点地或交流地而言的。如 图4.10所示，设b1点信号为正极性，则c1点为负极性，c2点 为正极性，经R4反馈到e1点而形成的反馈信号Uf也为正极 性。这样，净输入信号 所 以是负反馈。输入信号与反馈信号对地都是正极性并不意 味着正反馈。正、负反馈判别的唯一依据是净输入电压 （或净输入电流 ）是增大了还是减小了。根据分析，我 们可以得出该电路的越级反馈是串联电压负反馈。(2) 并联电流负反馈电路 如图4.11所示， R6 将第二级射极和第一级基极联在一起， R1 、 R6和R5构成了两级间的反馈网络。输入信号支路 （ 、 R1 ）与反馈支路（ R6 ）并联连接到放大器的控制端 （ ），也就是反馈支路与放大电路输入端同点相连， 所以构成两级间的并联反馈。反馈信号取自于T2射极，而 信号则从T2的集电极输出，若将输出端交流短路，反馈信 号没有消失，所以是电流反馈。假设输入信号瞬时极性为 正，即信号极性b1为正，c1为负，e2为负，故反馈电流 的 方向是b1流向e2，该电路使净输入电流减小 （即 ），所以是负反馈。综上所述，该电 路的越级反馈为并联电流负反馈。(3) 串联电流负反馈电路 电路如图 4.12 所示，该电路中电阻 R8 将 T3 射极电压反馈到 T1 射极，该电路反馈网络由R3、R8和R7组成。信号从T3集电 极输出，故该电路是电流反馈。反馈支路与放大电路输入 端不接在同一点，所以是串联反馈。假设输入信号瞬时极 性为正，即信号极性b1为正，则c1为负，c2为正，e3为正， 该电压经R8与R3分压，得反馈电压也为正，所以，净输入 电压 使 ，所以是负反馈。可以得到该电路 为串联电流负反馈。(4) 并联电压负反馈电路 电路如图4.13所示，该电路中电阻R8将输出电压反馈到第一 级的基极，该电路反馈网络由R1和R8组成。反馈支路与放 大电路输入端同点相连，所以构成三级间的并联反馈。若 将输出端交流短路，反馈信号消失，所以是电压反馈。设 信号瞬时极性为b1正，则c1为负，c2为正，c3为负，反馈电 流的流向为b1流向c3，净输入电流 所以是 负反馈。可得出该电路的越级反馈为并联电压负反馈。(5)串联电流正反馈电路 电路如图 4.14 所示，该电路中电阻 Rf 将 T2 射极电压反馈到 T1 源极，该电路反馈网络由RS、Rf、RE组成。信号从T2集电 极输出。若将输出端交流短路，反馈信号没有消失，故该 电路是电流反馈。反馈支路与放大电路输入端不接在同一 点，所以是串联 反馈。假设输入信号 为正，即信 号极性g为正，则d为负，e2也为 负，该电压经Rf和Rs分压形成反馈 信号 ，其极性为负，因此，净输入 电压 变大，即可见，电路引进了正反馈。同样可以 得出：该电路的越级反馈为串联电流 正反馈。4.2.3 深负反馈放大电路的计算由前面的分析可知，当负反馈放大电路满足深度负反馈条件 ( 1+AF ) && 1时，闭环增益 ，因而我们可以把电 路的反馈系数F求出来，从而求出Af。 例4.1 近似估算图4.10的Auf 。解 由前面分析可知，该电路的越级反馈为串联电压负反馈， 当满足深度负反馈条件时，有∵ 反馈系数 所以由该例可以看出，深负反馈的放大倍数由反馈系数决定，也 就是由反馈网络决定，若反馈网络均由线性元器件组成， 其稳定性可得到大大提高。 对于深负反馈，还有一个要提及的概念，就是“虚短路”和 “虚断路”的概念。 在深负反馈条件下，有Af ≈ ，而Af = ，F = ，故 有 ，也就是说净输入信号为零，即 =0。那么对 于串联负反馈有 ，即 ≈0，即虚短路。对于并 联负反馈有 ，即 ≈0，即虚断路。这个概念将在集 成线性运放电路中有所运用。4.3 负反馈对放大器性能的影响 放大电路引入直流反馈可稳定静态工作点，引入交流后，负 反馈虽然使放大电路的放大倍数减少，但却改善了放大电 路的许多性能指标。如提高放大电路的稳定性、减小非线 性失真、抑制干扰和扩展通频带等，而且还可以根据需要 灵活地改变放大电路的输入电阻和输出电阻。 1.提高放大倍数的稳定性 放大电路引入负反馈的目的之一就是提高放大电路的工作稳 定性，工作环境变化（如温度、湿度）、器件更换或老化， 电源电压不稳定等诸多因素会导致基本放大器的放大倍数 不稳定，引入负反馈后，反馈网络将输出信号的变化信息 返回到基本放大器的输入回路，从而使净输入信号自动保 持稳定。即当输入信号 不变时,若可见将保持稳定,闭环增益 放大电路工作在中频区，有也将保持稳定。 对其求导，则有 (4.14)可见，引入负反馈使放大倍数相对变化减小为原相对变化的 1/（1+AF）。说明反馈越深，稳定性越好。2.扩展通频带 因为负反馈的作用就是对输出的任何变化都有纠正作用，所 以放大电路在低频段或高频段放大倍数的下降，必然会引 起反馈量的减小，从而净输入量增大，使输出信号比不加 反馈时下降的要小，这相当于扩展了频带。 我们可以简单推导如下：式中， =(1+AF)fH为负反馈放大器的高频截止频率，它比无 反馈的放大器截止频率提高了(1+AF)倍。这样，引入负反 馈后，通频带展宽为过去的(1+AF)倍，上限频率fH提高为 原来的 (1+AF) 倍，下限频率 fL 降低为原来的 1/(1+AF) ，但 增益带宽积仍不变。3.减小非线性失真 当放大器工作在大信号时，不可避免地存在非线性失真。负 反馈减小非线性失真的原理可以用图 4.16简要说明。若输 入信号 为单一频率的正弦波，由于放大器内部器件（如 晶体管）的非线性失真，如图4.16(a)所示，将输出信号形 象地描述为“上大下小”的非正弦波。引入负反馈后 ( 如 图4.16(b))，反馈信号正比于输出信号，也应该是“上大下 小”， 与 相减（负反馈）后，使净输入信号变成了“上 小下大”，即产生了“预失真”。预失真的净输入信号与 器件的非线性的作用正好相反，其结果使输出信号的非线 性失真减小了。可以证明，引入负反馈后，放大电路的非 线性失真减小为原来的1/(1+AF)。4. 抑制内部噪声和干扰 利用负反馈抑制放大器内部噪声及干扰的机理与减小非线性 失真是一样的。负反馈使输出噪声下降（ 1+AF ）倍，如 果输入信号本身不携带噪声和干扰，且其幅度可以增大， 使输出信号分量保持不变，那么放大器的信噪比将提高 （1+AF）倍。5.对输入电阻和输出电阻的影响 (1) 串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小 设无负反馈时基本放大电路的输入电阻为 。因为引入串联负 反馈后，使放大电路的净输入电压减小，则输入电流Ii必然减 小，所以带负反馈后的输入电阻 Rif=Ui/Ii 必然要比Ri 大，可以 证明 Rif=(1+AF)ri ，即引入串联负反馈使输入电阻增大为原来 的(1+AF)倍。 与之相反，引入并联负反馈后，放大电路输入电流Ii要比净输入 电流大，则带负反馈后的输入电阻Rif必然要比Ri小，可以证明， Rif=Ri/(1+AF) ，即引入并联负反馈使输入电阻减小为原来的 1/(1+AF)。(2) 电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻 增大对负载而言，放大电路相当于一个带内阻的信号源，即可 以把放大电路认为是一个电压源与内阻的串联。由电路知 识可知，信号源内阻越小，负载变化时输出电压越稳定， 而电压负反馈也具有稳定输出电压的相同效果，所以可以 认为引入电压负反馈后，电路的输出电阻降低了。可以证 明，输出电阻降低为原来的1/(1+AF)。 同样也可以把放大电路认为是一个电流源与内阻的并联。 信号源内阻越大，负载变化时输出电流越稳定，而电流负 反馈也具有稳定输出电流的相同效果，所以可以认为引入 电流负反馈后，电路的输出电阻提高了。可以证明，输出 电阻提高为原来的(1+AF)倍。? 以上是负反馈对放大电路的一些基本影响，我们可以根据对放大电路性能改善的不同要求，引入适当形式的反馈， 简单总结见表4.1 ? 综上所述，负反馈之所以能改善放大器的质量指标，关键 是通过的X∑自动调节作用来实现的。负反馈只能改善反 馈环节内的性能，而不能改善反馈环节外的性能，负反馈 虽然改善了放大器的性能，但是付出的代价是放大倍数的 下降。第5章 模拟集成电路? 对数字量进行逻辑处理的称数字集成电路；对模拟量进行信息处理的称模拟集成电路。1967年国际电工委员会 （IEC）定义，数字集成电路以外的集成电路统称为模拟 集成电路。模拟集成电路通常包括线性电路和非线性电路。 模拟集成电路有如下优点： 1.采用集成技术，一块硅片上各元件温度偏差小，各元件参 数的一致性好，既提高电路技术指标，又提高电路的稳定 性。 2.集成电路组装时，相对于分立元件焊接点大幅度减少，提 高电路可靠性，减少装配整机的工时与成本。 3.具有体积小，重量轻，功耗低和环境适应性好等特点。 模拟集成电路的缺点是：电感和大容量电容难以集成，集 成电路的精度差，元件数值有限，难以集成高值电阻，难 以制造优质的PNP管，集成电路的耐压、功耗、电流等受 限制。5.1 电流源? 电流源又称恒流源，它是模拟集成电路的基本电路，常用作偏置电路和有源负载。从共射三极管输出特性曲线上看， 当基极电流一定时，集电极与发射极间电压在一个较宽的 范围内发生变化，而集电极电流变化极小，说明晶体管集 电极输出电流具有恒流特性。三极管输出端可等效为受控 电流源βib和输出电阻Rce相并联。Rce=ΔUce/Δlc，通常Rce为 数十千欧至数百千欧，远大于负载电阻阻值，该三极管对 负载近似认为是恒流源，若三极管发射极接有电流负反馈 电阻RE，则其等效输出电阻更高，该三极管更接近于恒流 源了。5.1.1 镜像电流源 镜像电流源电路如图5.1所示。它由一只电阻和二只三极管组 成。这两只三极管是在一块硅晶片上制作完成，它们由同 一个发射极、同一个基极，两个面积相等的集电极构成。 它们采用同一制作工艺，因而具有相同的电参数（UBE、β、 ICBO等）和相同的电参数的温度系数（ΔUce/ΔT、Δβ/ΔT、 ΔICBO/ΔT等）。因而两管的基极电流相等，集电极电流也 相等。参考电流为：(5.1) 通常 时，电流源输出电流近似为参考电流 (5.2) 根据lR的大小，UBE可在0.60V~0.75V之间取值。 改变Ucc或R可改变lR的值，l0的值也随之改变，lR和l0如同是 一平面镜两边的物与像，故此电路称为镜像电流源。5.1.2 比例电流源 比例电流源如图5.2所示。由图可知，两管基极电位相同， 可得到： 忽略基极电流lb的影响上式变为 (5.3) 由发射结正偏伏安特性方程得： 将上式代入式(5.3)可得：5.5
5.1.3 微电流源 微电流源如图5.4所示，微电流源是比例电流源的一个特例， 即R1=0 ，由式(5.4)可得 (5.8) 此方程为超越方程，利用初等数学无法将 I0并到等号的一侧。 若将等式右侧用台劳级数展开，可得到变量为I0的高次方 程，解高次方程，又是数学上的一大难题。实用的方法是 试值，先估计一个I0的值，代入等号右边计算出一个值， 二值不等，根据左右大小， 再高估或低估另一值，再计算 比较，逐步逼近，直到允许的 相对误差即可认定。估值的 方法涉及应用数学中的优选法， 如瞎子爬 法、对折法、0.618 (黄金分割)法等等，可以用较少的步骤得到相应近似的结果。在工程设计上，往往给定lR和I0分别求R和R2即可。例如： 当Ucc=12V， lR =1mA， I0 =20μA，用式(5.2)和式(5.8)可得：5.1.4 MOS电流源 由增强型NMOS构成的电流源如图5.5所示，从放大的角度看， T1 管属百分百的直流电压并联负反馈的接法。 UGS=UDS 它 工作于饱和区。进入饱和区的转移特性方程为： (5.9) 式中 ―沟道表面电子迁移率 W/L―沟道宽长比 COX―栅极单位面积电容 =ΔL/LUDS―沟道长度调制参数设T1、T2两管沟道宽长比不同，其余结构电参数相同，则可 求得 (5.10) 由于式(5.9)中有项存在，使得场效应管T2的输出电阻R0不大， 不能成为真正意义上的恒流源，需改进，如图5.6所示，该 图称改进型威尔逊恒流源。由于T1、T2两管具有相同的UGS 和UDS，所以式(5.10)可改写为 (5.11) 集成电路制造商可根据两 管沟通宽长此来解决I0的需 求。此外T2的输出电阻是 T4的电流串联负反馈电阻 ，使得T4管输出阻大大提 高，更具恒流特性。5.1.5 有源负载 电流源作为有源负载有两种基本电路，分别是有源负载共 射放大器（如图5.7）和有源负载射极输出器（如图5.8）。 在这两图中，电流源作为放大管的负载电阻，提供给放大 管的静态直流工作电流。通常电流源的动态（交流）输出 电阻远大于负载电阻，于是放大管输出的动态（交流）电 流几乎全部进入负载，提高了放大器的动态增益。? 双极型晶体管输出特性曲线如图5.9所示。由于集电结反偏电压 UCB 的变化使得基区宽度发生变化，此 称之为基区宽度调制效应，于是放大区的特性曲线发生倾 斜，将这些倾斜线向左延伸，交于UCE轴上的一点，此点 电压称欧拉电压，记作UA。通常双极型管的欧拉电压约为 100V以上。由晶体管的输出电阻的定义可得：(5.12)若Ic=1mA， =100，则rce≈100 K，rbe≈3 K若Ic=0.1mA， =100，则rce ≈1 M ， rbe≈26 K5.2 差动放大器 差动放大器又称差分放大器，几乎所有集成运算放大器的输 入级都采用这种电路，因为它对抑制零点漂移，提高共模 抑制比起到关键的作用。 5.2.1 零点漂移 在直接耦合放大电路中，通常把输入信号为零时的输出电压 （或电流），也即是静态输出工作点的电压（或电流）作 为参考电压（或参考电流），称为“零点”。“零点”绝 不是专指电位为零的那个端点，不可望文生义。 如果直接耦合放大器（或称直流放大器）的电源电压发生波 动，或者环境温度发生变化，都会引起“零点”的电压 （或电流）值发生变化，而这种变化是缓慢的，人们称之 为“零点漂移”? 晶体管的直流参数、UBE和ICBO均是温度函数。在常温 下，随温度的升高，将引起 和ICBO的增大和UBE的减小， 这都使集电极电流Ic增大，集电极 发射极间电压UcE减小， 产生零点漂移。在工程中，往往需要放大一些缓慢变化的 弱信号，在直接耦合放大器的输出端将出现信号的物理量 和零点漂移的物理量的迭加。假若信号物理量远大于漂移 物理量，人们可以忽略漂移的影响，认为输出物理量就是 信号量。若信号物理量与漂移物理量之比相当或者更小， 人们无法区分这两种物理量，这种放大将失去意义。衡量放大器零点漂移的程度，或者说大小，采用温度漂移， 简称温漂的技术指标。人们通常规定：温度每升高 1℃时， 引起放大器的等效输入漂移量称为温漂。 例如：某直流放大器在基准环境温度为20 ℃时，直流放大倍 数为100倍，输入信号为零时，输出端电压为4V，若环境 温度上升到 30 ℃时，输入信号仍为零，而输出电压为 4.05V。输出端漂移电压为0.05V，该电压除以放大倍数， 就是折合到输入端漂移电压为 0.5mV，再除以温度变化量 便是温度漂移，为50 μV/℃。 克服零点漂移最有效的措施之一，就是采用差动放大器。5.2.2 差动放大器的工作原理 1.静态分析 差动放大器的基本电路如图5.10所示。 假设T1和T2管电参数完全一致，电路两边结构、阻值完全对 称。当两输入电压 Ui1 和 Ui2 都为零，即两输入端同时接地 时。图中各物理量估值如下，由于基极电阻RB的阻值和基 极电流IB的值通常均很小，不考虑的RB电压降可得即输入信号为零时，输出信号也为零。2.差模信号与共模信号双端输入信号分别是Ui1和Ui2 ，现在定义：两输入信号之差为 差模输入信号，记作Uid 。Uid = Ui1― Ui2(5.13)Uic =定义：两输入信号之平均值为共模输入信号，记作Uic。 (5.14) 例如： Ui1 =30mV, Ui2 =20mV, 则差模信号为Uid=10mV，共模 信号为 Uic = 25mV。 我们称该放大器两输入端，加有一对大小相等（均为5mV）， 极性相反（左端正，右端负）的差模信号，同时两输入端 又加有一对大小相等（均为 25mV ）极性相同（左、右端 均为正）的共模信号。3.小信号差模特性分析 当两输入端仅有差模信号而没有共模信号时，设左正右负， 则T1管射极电流增加的量与T2管射极电流减少的量相等， 则IE不变，UE也不变。换句话说，RE中没有交流电流流过， 则两管发射极可视为交流接地。该差放交流等放电路如图 5.11所示。 根据共射放大器的一般原理可得：该差放的差模输入电阻为Rid = 2(该差放若是双端输出，其输出电阻为 Rod= 2Rc 该差放若是单端输出，其输出电阻为 Rod= Rc)(5.17)(5.18)(5.19)4.小信号共模特性分析 当两输入端仅有共模信号，而没有差模信号时，设左右均为 正，则T1管、T2管射极电流均增大，则IE增大，增UE高， U01和U02 同时减小。RE可用两只2RE的电阻并联所取代。 共模输入时的交流等效电路如图5.12所示。 由于两管特性一致，电路对 称，所加为共模电压，故两 管发射极等电位，两管发射 极间的连线中无电流，该连 线可以去掉，而不影响电路 分析。根据放大电路原理可得： 若为双端输出，则共模电压放大倍数为： (5.20) 若为单端输出，则共模电压放大倍数为：(5.21)5.共模抑制比共模抑制比定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之 比，用CMRR表示：CMRR = (5.22a)差模放大倍数越大，共模放大倍数越小，表明放大器对零点 漂移的抑制性能越强，放大器的品质性能越强，CMRR越 大越好。在工程上，共模抑制比常用对数表示：CMRR（dB）=20lg 对于本节图5.12 的电路，在双端输出时， CMRR = 在单端输出时 (5.24) (5.23) (5.22b)从式 (5.24) 中可以看出增大 RE 可以增加 CMRR 的值，但是， 由于UEE和UCQ的限制，使得增大RE有限，通常为几千欧。 用电流源取代 RE ，便是集成电路差放输入级常用的作法。 电流源在上一节已讲述过了。对于镜像电流源的输出电阻 r0=rce。对于比例电流源或微电流源的输出电阻则更高。 (5.25) 式中 为晶体管基极之外的等放电阻。6.差动放大器的大信号特性大信号作用下，晶体管工作进入非线性区（饱和、载止区）， 将使差模输出信号产生严重失真。下面从发射结的伏安特 性入手来研究这种失真。若令图5.13中的RB=0，有如下关 系：将式(5.26)和式(5.27)绘制出差放转移特性曲线，如图5.13所示。 从曲线可以看出： （1）当Uid/UT在±1之间，Uid与Ic1、具有良好的线性关系。 （2）当Uid/UT在±2之间，Uid与Ic1 、 Ic2具有准线性关系。 （3）当 Uid/UT在±4之外， Ic1 或Ic2中一个趋于限幅（极限为 IE），另一个趋于截止。输出差模信号严重失真。 为了扩大差动放大器输入大信号的线性或准线性的应用范围， 可采用如下的方法： （1）差动放大器采用复合管接法。例如NPN―NPN接法，或 NPN―PNP接法（共集―共基接法）。 （2）差动放大器采用负反馈，即在两只三级管的发射极各串 接一只小电阻，起到电流串联负反馈作用。但这种方法是 以牺牲差模放大倍数为代价的。如果用一只电位器取代这 两只小电阻，该电路还可以起到调节实际差放的平衡问题。7.差动放大器的单端化电路 如前所述，单端输出的差动放大器，虽可以实现双端输入― 单端输出的功能，但是，它的差模增益仅是双端输出差放 的一半，而共模抑制比更是小得多得多。为了克服上述的 缺点，利用电流源作为有源负载，构成差动放大器的单端 化电路，见图5.14。图中T3和T4管为镜像电流源，作为差放管T1、T2的负载。 (1) 在两输入端均接地的情况下，四只晶体管中的电流为静 态工作点电流，假若完全相等，即Ic1 = Ic2 = Ic3 = Ic4 ， 则输出电流I0 = 0。 (2) 在输入差模信号的情况下，设左正右负，则 T1 管电流增 加 ，T2管电流减少 ，T3和T4管中的电流与T1管一致。 于是，该电路的输出电流为2 ，负载获得全部有效的电流。 (3) 在输入共模信号的情况下，四只晶体管增加(或减少)的电 流完全一致，于是共模输出电流I0 =0，这和差动放大器双 端输出时共模输出电压为零的情况一样。 差动放大器的单端化电路被集成运算放大器普遍地采用。5.3 集成运算放大器集成运算放大器简称为集成运放，进一步简称为运放.它除了能对信号进 行加减乘除，微分积分，指数对数等运算之外，还能对信号进行整流 滤波，放大限幅比较等处理，还能产生正弦、三角、锯齿、多谐等振 荡波形。它已取代了绝大部分由分立元件构成的上述功能电路。 5.3.1 集成运放电路的组成 集成运放是一个高增益多级直接耦合的线性放大器，通常由输入级、中 间级、输出级和偏置电路四部分组成，见图5.15 。输入级采用差动放 大电路，实现抑制零点漂移，提高共模抑制比，和单端化输出等功能。 中间级采用有源负载，实现高增益放大功能。输出级采用NPN和PNP 互补的甲乙类推挽输出电路结构（下一章详介）。实际上是射极输出 器，实现低阻输出功能。偏置电路由各种电流源组成，为上述三部分 电路提供偏置电流和用做有源负载。集成运放有三种封装。一为金属帽状或称罐状封装，罐口引 8、 10、 12 根管脚。这种封装显得过时，现在很少采用。 二为双列直插陶瓷或塑料封装，是目前用得最广泛的一种， 它需要在印刷电路板上打管脚孔，管脚焊在板的背面。三 为双列（贴片）封装，主要用于超小形、微型设备中，印 刷电路板采用双面或多层板，管脚与印刷线路在同一侧， 用专用烙铁，电风枪等工具焊上或取下集成块。管脚的识 别，要注意产品标志，例如突键、凹口、标志圆点等。最 新出现的有锡球栅状阵列封装，引脚在集成电路底部。 集成运放的符号见图 5.16 ，图(a)是常用符号，图(b)是国家 标准符号。 图中标“＋”号的为同相输入 端，该端信号相位与输出信 号相位相同。图中标“－”号 的为反相输入端，该端信号 相位与输出信号相位相反。5.3.2 集成运放的主要参数 1.输入偏Z电流IiB 在给定测试温度下（例如25℃），输入信号为零时，两输入 端的静态电流的平均值，即IiB=?（IB1+IB2） 越小，运放的输入电阻越高，输入失调电流愈小。 2.输入失调电流Ii0及其温漂Ii0 / 实际的运放在输入信号为零时，输出电压并不为零，这是运 放内部不对称造成的。如果在输入端施加一微量差模电流， 使得输出电压为零，此施加的电流称为输入失调电流Ii0 。 Ii0 = IB1-IB2 输入失调电流随温度改变而变化，人们把输入失调电流的 变化量与对应温度的变化量之比，称为输入失调电流温漂， 记作3.输入失调电压UI0及其温漂 与Ii0相仿，在输入端施加微量差模电压，使得输出电压为零， 此施加的电压称为输入失调电压 UI0 。同理将输入失调电 压的变化量与对应的温度变化量之比称为输入失调电压温 漂，记作4.最大差模输入电压Uidm指运放两输入端之间允许输入的最大电压差，超过此电压， 输入级某一侧晶体管发射结可能出现反向击穿，使输入特 性明显恶化，甚至损坏集成电路， 5.最大共模输入电压Uicm 指运放所能承受的最大输入共模电压。超过此电压，共模抑 制比显著下降，甚至出现“锁死”现象，进而造成永久性 损坏。6.输出电压最大摆幅Uopp 指在标称电源电压和额定输出电流条件下，输出不产生明显 的削波或非线性失真，运放所提供的最大输出电压峰峰值。 有时正、负峰大小不一致。 7.转换速率SR指差模输入信号为阶跃大信号时，输出波形前沿（或后沿） 变化最快部分的斜率。 8.开环带宽BW 指开环差模电压增益下降3dB时所对应的频率。 9.单位增益带宽BWG 指开环差模电压增益下降到0dB时所对应的频率。 此外，还有差模电压增益Aud、共模电压增益Auc 、共模抑 制比CMRR、差模输入电阻Rid和输出电阻R0等重要参数。? 值得注意的是：1.上述各种参数的获得，是在一定的测试条件下进行的。 不同的测试条件，获得的参数值常常是不一样的，有的相 差甚大。测试条件通常有环境温度、电源电压、信号内阻、 负载阻抗、测试信号动态范围，以及测试电路结构等等。 2.集成电路制造商定给的参数有典型值，最大值和最小值。 一般的设计采用典型值，高稳定高可靠的设计，就必须根 据要求采用最小值或最大值。5.3.3 集成运放的类型 集成运放分通用型和专用型两大类，通用型的典型产品 A741 ，中国型号为 F007 ，它的差模增益达 100dB ，单位增益 带宽为1MHz，专用型的有如下几种： 1.高输入阻抗型 一般要求差模输入阻抗不小于1010Ω，输入级采用结型或MOS型 场效应管。它的典型产品是CA3130，中国产品为5G28。该集 成电路主要用于跨接式测量仪器仪表拾取微弱信号，采样一 保持电路等。 2.低功耗型 一般要求功耗小于 6mW。该类集成运放主要用于便携式测量仪 器仪表和通信设备，即使用在电池供电的场合。它的典型产 品有 PC253、FO11、F012、F013、FC54、XFC-75等。 3.低漂移型 一般要求ΔUi0/ΔT≤2 V/℃，CMRR＞110dB，该类集成运算又称 高精度型，主要用于微弱信号的精密检测和精密运算。它的 典型产品有 A725、FC72、F714等。4.高速型 一般要求在Auf =1时的转换速度SR＞40V/ S,该类集成运放主 要用于高速采样一保持，高速积分，宽带电视放大、A/D、 D/A 转 换 器 等 ， 它 的 典 型 产 品 有 F318 、 F715 、 F772 、 4E321等，此外还有超高SR=1000V / S的F3554。 5.宽带型 一般要求，在小信号工作时单位增益带宽BWG＞10MHz，在 大信号工作时，要求闭环增益带宽乘积G.B＞100MHz或功 率带宽 BWP ＞ 300KHz ，该类集成电路主要用于测量放大、 宽带视频放大、中频放大、有源滤波器等。其典型产品有 F507、F1520系列、F733系列、XFC-79等。 6.高压型 一般要求 最大电源 电压 US≥±28V 以上 ，输出电 压峰峰值 UOPP≥±20V以上，该类集成运放主要用于高共模电压下的 测量放大器，大功率音频放大器，驱动高电压的浮动负载 （平衡负载），其典型产品有F1536、F143/F343、BG315 等。此外还有超高压UOPP ＝±140V的F3583 。7.其他专用集成运算 (1) 跨导型运放将输入电压转换成输出电流，典型产品有 LM3080， (2) 程控型运放是运放的偏Z电流Z于外部的控制下，以决 定 该 运放处 于 工作状 态 ，还是 截 止状态 。 典型产 品 有 LM4250、LM146、MC14573、MC14575等。 (3) 电流型运放，也称诺顿放大器，它实现对输入电流进行 放大功能。该电路用于放大缓冲，有源滤波，波型发生， 逻辑转换等，主要产品有 MC3301 、 MC3401 、 LM1900 、 LM3900等。 (4) 集成电压跟随器，是专门设计的电压跟随器，其输入阻 抗高，转换速率快，输出阻抗低，电路无外接元件等，用 于阻抗变换、缓冲、取样―保持、有源滤波、峰值检测等 电路，典型产品有F102和F110等。5.4 集成运放的基本应用 实际集成运放的参数很庞杂，而在一般电路设计中往往引 入较深的负反馈，这使得集成运放的本身参数不显得特别 的重要。我们在设计之前，常把集成运放理想化，而后通 过适当的调节，使之符合设计要求。5.4.1 理想化的集成运放 理想运放的条件是： 1.开环电压增益=∞ 2.开环输入电阻=∞ 3.开环输出电阻=∞ 4.共模抑制比 CMRR =∞ 5.开环带宽 BW =∞ 6.电流、电压失调及其温漂都为零。以上除开环带宽 BW 与实际运放有较大的出入外，其余五条 与实际运放相差不太大。理想运放如图5.17所示。 由上述的理想化条件可得如下关系： (5.28)式 (5.28) 是第一条重要推论：理想运放的同相输入端电位等 于反相输入端电位。或者说两输入端等电位，也就是有人 常说的两输入端“虚短”的概念。再者，理想集成运放的 净输入电流 (5.29) 式 (5.29) 是第二条重要推论：理想运放的净输入电流为零， 或者说两输入端不取电流，也就是有人常说的两输入端 “虚断”的概念。 由于理想运放的输出电阻 r0=0，故理想运放输出为理想电压 源。5.4.2 基本放大电路 1.反相比例放大电路 反相比例放大电路如图5.18所示。 运放的输入级为差动放大器，而差动放大器要求电路结构 对称平衡,否则会降低共模抑制比。所以在电路设计时要求 平衡电阻 RP 为 R1 与 Rf 的并联值，由理想运放两个重要推 论可得：(5.30)该式表明的是输出信号与输入信号的函数关系，或称运算关 系。具体说是比例运算关系，式中负号表示输入、输出信 号之间的倒相关系。故此电路称反相比例放大器，其放大 倍数为： (5.31) 上两式的运算关系和放大倍数，仅与运放外围电路有关，而 与运放本身参数无关，从反馈的角度分析，该电路为电压 并联负反馈电路。 该电路作为放大器,其输出电阻R0等于r0为零,输入电阻为： (5.32) 式中Rf/Aud是负反馈电阻 Rf 折合到输入端的等效电阻 , 根据电 路分析中的密勒定理求得。若 Rf =100, Aud =106 则 Rf/Aud =0.1，相对于可以忽略。2.同相比例放大电路： 同相比例放大电路如图 5.19所示。此电路为电压串联负反馈 电路，由理想运放条件可得：(5.33) 该式表明输出信号与输入信号成比例关系.比例系数为 称该电路为同相比例放大器。其放大倍数为 ,故 (5.34)作为放大器，其输出电阻为零，输入电阻为∞ 。同理该电路 的运算关系和放大倍数仅与外围电路 (反馈网络)有关，而 与运放本身参数无关。 若令R1= ∞，Rf= 0，Rp= 0 。则该电路便成为电压跟随器，U0=Ui如图5.20所示。它的输入电阻Ri=∞ 输出电阻R0=0，电压放大倍数Au= 1 。它常作为缓冲器，隔离用，