光电信息技术 课件：1_3_1

第一章光电信息技术物理基础11.3.1 1.3.1 放大放大 所谓放大就是指增加电信号幅度或功率的物理过程实所谓放大就是指增加电信号幅度或功率的物理过程实现放大的装置称为放大器放大器的核心是电子管、双极型现放大的装置称为放大器放大器的核心是电子管、双极型晶体管和场效应晶体管等有源器件为了实现放大，还必须晶体管和场效应晶体管等有源器件为了实现放大，还必须给放大器提供能量常用的能源是直流电源放大作用实质给放大器提供能量常用的能源是直流电源放大作用实质上是把电源的能量转移给输出信号输入信号的作用是控制上是把电源的能量转移给输出信号输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化图1.3.1-1共发射极放大电路一、一、基本电路基本电路图图1.3.1-1 1.3.1-1 是一是一个简单的晶体管个简单的晶体管共发射极放大电共发射极放大电路第一章光电信息技术物理基础21.3.1 1.3.1 放大放大其中晶体管为其中晶体管为NPNNPN型；型；R Rc c 是负载电阻是负载电阻,用来提取放大了的信用来提取放大了的信号电压；号电压；R RB B称偏置电阻，用来给晶体管提供偏置电流，使无称偏置电阻，用来给晶体管提供偏置电流，使无信号时的发射极电流和集电极到发射极的电压降（分别称为信号时的发射极电流和集电极到发射极的电压降（分别称为工作点电流和电压）维持适当数值，以保证有信号输入时晶工作点电流和电压）维持适当数值，以保证有信号输入时晶体管工作在特性曲线的线性区域；体管工作在特性曲线的线性区域；C C1 1和和C C2 2是兼有隔直流作用是兼有隔直流作用的耦合电容。

这种形式的电路，常被称为的耦合电容这种形式的电路，常被称为RCRC耦合放大器，具耦合放大器，具有比较宽的放大频带将电阻有比较宽的放大频带将电阻R Rc c 换成调谐回路，使电路成换成调谐回路，使电路成为一个调谐放大器为一个调谐放大器,可用来选择并放大某个窄频带的信号可用来选择并放大某个窄频带的信号图图1.3.1-21.3.1-2和图和图1.3.1-31.3.1-3分别是共基极和共集电极放大电路分别是共基极和共集电极放大电路共基极电路的电流增益略小于共基极电路的电流增益略小于1,1,但输出阻抗高但输出阻抗高,寄生反馈小寄生反馈小,在高频时容易获得稳定的放大共集电极电路的电压增益略在高频时容易获得稳定的放大共集电极电路的电压增益略小于小于1,1,但输入阻抗高，输出阻抗低，常用作隔离级和低阻抗但输入阻抗高，输出阻抗低，常用作隔离级和低阻抗输出级在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组输出级在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用第一章光电信息技术物理基础31.3.1 1.3.1 放大放大 图1.3.1-2共基极放大电路 图1.3.1-3共集电极放大电路第一章光电信息技术物理基础41.3.1 1.3.1 放大放大二、二、性能指标性能指标 电子放大器的主要性能指标有增益、频率响应、非线性电子放大器的主要性能指标有增益、频率响应、非线性失真度和噪声指数等。

放大器的输出电压值失真度和噪声指数等放大器的输出电压值U Uo o与输入电压值与输入电压值U Ui i之比称为电压放大系数，记为之比称为电压放大系数，记为 A Au u U Uo o /U/Ui i 电压放大系数常常用分贝电压放大系数常常用分贝(dB)(dB)值表示值表示,称为电压增益称为电压增益,记为记为 G Gu u 20 log A20 log Au u (dB)(dB)同理，放大器的功率放大系数和功率增益分别记为同理，放大器的功率放大系数和功率增益分别记为 A AP P P Po o/P/Pi i G GP P 10 log A10 log AP P (dB)(dB)其中其中P Po o 和和P Pi i 分别是输出和输入功率分别是输出和输入功率放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成 A Au u =A=Au u(j)=A(j)=Au u(j)e(j)ej j()()第一章光电信息技术物理基础51.3.1 1.3.1 放大放大式中式中2f2f，f f是频率，是频率，是角频率是角频率,A Au u(j)(j)表示放表示放大器的放大量与频率的关系，称为幅大器的放大量与频率的关系，称为幅频特性频特性,(),()表示表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系,称为相称为相频频特性特性,它们合称为放大器的频率特性它们合称为放大器的频率特性,也称为频率响应。

放也称为频率响应放大器的频率特性应该与被放大信号的频谱相适应，以保证大器的频率特性应该与被放大信号的频谱相适应，以保证信号的各频率分量能均匀地得到放大有些应用还要求各信号的各频率分量能均匀地得到放大有些应用还要求各频率分量之间的相位关系得到保持频带过窄或不均匀以频率分量之间的相位关系得到保持频带过窄或不均匀以及相及相频特性的非线性都会引起输出波形失真频特性的非线性都会引起输出波形失真,这称为频率这称为频率响应失真，或频率失真响应失真，或频率失真对于大信号放大器，例如功率放大器，放大器件的非线对于大信号放大器，例如功率放大器，放大器件的非线性常常造成输出波形可觉察的失真，称为非线性失真，也性常常造成输出波形可觉察的失真，称为非线性失真，也称为谐波失真，其大小可以利用非线性失真系数称为谐波失真，其大小可以利用非线性失真系数D D来衡量对于弱信号放大，重要的是放大器的噪声特性对于弱信号放大，重要的是放大器的噪声特性第一章光电信息技术物理基础61.3.1 1.3.1 放大放大三、三、基本放大器基本放大器 差分放大器能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也差分放大器能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。

称差动放大器差分放大器可以用晶体三极管（晶体管）或电子管作为它差分放大器可以用晶体三极管（晶体管）或电子管作为它的有源器件图的有源器件图1.3.1-4 1.3.1-4 是晶体管差分放大器的基本电路是晶体管差分放大器的基本电路这是一种对称电路这是一种对称电路输出电压输出电压u uo ou uo1 o1 uu0202,是晶体管是晶体管T T1 1和和T T2 2集电极集电极输出电压输出电压u uo1o1和和u u0202之差当当T T1 1和和T T2 2的输入电压幅的输入电压幅度相等但极性相反度相等但极性相反,即即u uS1S1=-u=-uS2S2 时，差分放时，差分放大器的增大器的增图1.3.1-4差分放大器基本电路第一章光电信息技术物理基础71.3.1 1.3.1 放大放大益益K Kd d(称差模增益称差模增益)和单管放大器的增益相等和单管放大器的增益相等,即即K Kd d R Rc c/r re e,式中式中R Rc c R Rc1 c1 R Rc2 c2,r,re e是晶体管的射极电阻通常是晶体管的射极电阻通常r re e很很小小,因而因而K Kd d 较大当u uS1S1=u=uS2 S2，即两输入电压的幅度与极，即两输入电压的幅度与极性均相等时，放大器的输出性均相等时，放大器的输出u uo o应等于零应等于零,增益也等于零。

实增益也等于零实际放大电路不可能完全对称，因而这时还有一定的增益际放大电路不可能完全对称，因而这时还有一定的增益这种增益称为共模增益，记为这种增益称为共模增益，记为K Kc c 在实际应用中在实际应用中,温度变化温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响，等效于每个晶和电源电压不稳等因素对放大作用的影响，等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压利用电路的对称性可体管的输入端产生了一个漂移电压利用电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小显然，共模增益越小，即电路对称性越好时，这种漂小显然，共模增益越小，即电路对称性越好时，这种漂移电压也越小移电压也越小通常用差模增益通常用差模增益K Kd d 和共模增益和共模增益K Kc c的比值的比值K Kd d/K/Kc c 来表示来表示差分放大器的性能这个比值称为共模抑制比差分放大器的性能这个比值称为共模抑制比(CMRR)(CMRR)一般差分放大器的共模抑制比约为几十分贝，性能较高的可般差分放大器的共模抑制比约为几十分贝，性能较高的可达百分贝以上达百分贝以上第一章光电信息技术物理基础81.3.1 1.3.1 放大放大 运算放大器能对信号进行数学运算的放大电路。

运算放大器能对信号进行数学运算的放大电路运算放大器的电路结构有三种主要形式一是单端输入、运算放大器的电路结构有三种主要形式一是单端输入、单端输出，斩波稳定式直流放大器等采取这种形式二是单端输出，斩波稳定式直流放大器等采取这种形式二是差分输入、单端输出，大多数集成运算放大器采取这种形差分输入、单端输出，大多数集成运算放大器采取这种形式三是差分输入、差分输出，直流放大器和部分集成放式三是差分输入、差分输出，直流放大器和部分集成放大器采取这种形式大器采取这种形式1 1）频率补偿）频率补偿 运算放大器是多级放大电路，通常在较高的频率上仍具运算放大器是多级放大电路，通常在较高的频率上仍具有大于有大于1 1的增益的增益,而内部电路产生的附加相移却已达到或超而内部电路产生的附加相移却已达到或超过过1801802 2）理想运算放大器）理想运算放大器 理想运算放大器指开环增益理想运算放大器指开环增益A A和输入阻抗和输入阻抗R RI I 均趋近于无均趋近于无穷大、输出阻抗穷大、输出阻抗R Ro o 趋近于零的运算放大器趋近于零的运算放大器第一章光电信息技术物理基础91.3.1 1.3.1 放大放大（3）运算放大运用的基本电路运算放大运用的基本电路 运算放大器常被用来实现电信号的反相放大、同相放运算放大器常被用来实现电信号的反相放大、同相放大和差分输入输出放大。

大和差分输入输出放大四、放大器的应用电路四、放大器的应用电路 集成运放可用来组成对模拟量进行各种数学运算功能集成运放可用来组成对模拟量进行各种数学运算功能的电路1 1）模拟加法器）模拟加法器:图图1.3.2-81.3.2-8是模拟加法器的电路利用是模拟加法器的电路利用理想运算放大器的近似条件可得到理想运算放大器的近似条件可得到若取若取R R1 1 R R2 2 R Rn n R Rf f ,就可得到简单的求和就可得到简单的求和关系式关系式 u uo o -(u-(u1 1 +u+u2 2 +u+un n)nnf22f11fouRR uRRuRRu第一章光电信息技术物理基础111.3.1 1.3.1 放大放大（2 2）模拟积分器）模拟积分器:图图1.3.1-91.3.1-9是模拟积分器电路假定电容是模拟积分器电路假定电容器器C Cf f 上起始电压是零上起始电压是零,由虚短路特性可知由虚短路特性可知,i i1 1 u ui i /R/R1 1 i if f 又u uo o -u-uc c -1/C-1/Cf f o ot t i if f dtdt 于是 u uo o -1/R-1/R1 1 C Cf f o ot t u ui i dtdt若若C Cf f 起始电压不为零，式起始电压不为零，式(5)(5)还要附加一个起始电压。

还要附加一个起始电压2 2、测量放大器、测量放大器 测量放大器（又称数据放大器）就是用来放大这种差值测量放大器（又称数据放大器）就是用来放大这种差值信号的高精度放大器，它具有很大的共模抑制比、极高的信号的高精度放大器，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调输入电阻，且其增益能在大范围内可调图图1.3.1-101.3.1-10 所示是由三个集成运放构成的测量放大器所示是由三个集成运放构成的测量放大器电路其中，集成运放电路其中，集成运放A A3 3组成差值放大器，集成运放组成差值放大器，集成运放A A1 1 和和A A2 2组成对称的同相放大器从电路图可知组成对称的同相放大器从电路图可知w1f1212w1f1w1f1oRR)UU(UURRURR1U图图1.3.1-9 1.3.1-9 模拟积分器电路模拟积分器电路图图1.3.1-10 1.3.1-10 测量放大器电路测量放大器电路第一章光电信息技术物理基础141.3.1 1.3.1 放大放大w2f1221w2f2w2f2oRR)UU(UURRURR1U)UU(RRR1RR)UU(RRU12w2f1ff1O2Ofow2f1ff12oURRR1RRUUUA其其增益为增益为 由于性能对称，其漂移将大大减少，加上高由于性能对称，其漂移将大大减少，加上高输入阻抗输入阻抗和和高高共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测量远共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测量远距传输信号，因而适宜与传感器配合使用。

基于测量放大距传输信号，因而适宜与传感器配合使用基于测量放大器具有器具有高高输入阻抗、较低失调电压和低输入阻抗、较低失调电压和低漂移以及稳定的放漂移以及稳定的放大倍数和低输出大倍数和低输出阻抗等优点，使其得到广泛应用目前，阻抗等优点，使其得到广泛应用目前，测量放大器已有单片集成产品问世测量放大器已有单片集成产品问世。