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模拟电子技术基础 · 第六版 · 第三章

集成运算放大电路
从看懂电路,到会做题

按教材补全多级放大、差分、电流源、输出级与运放分析。把电流箭头变成节点方程,把正文接到例题、思考题、自测和章末习题。

2026 年 10 月 26 日补全。含 3.1—3.7 纸面正文主线、3 个正文例题、19 道节末思考题、5 道章末自测,保留习题 3.1—3.19 详解。3.8 附自编实验提纲;MOS 器件计算可按老师进度选学。

从补全正文开始 →

先把知识接起来

第三章到底在解决什么问题

第二章让你会分析一个放大级;第三章要你知道:多个级接在一起,怎样既能接收微弱信号,又有足够增益,还能带动后面的负载。集成运放内部虽然管子很多,仍然由偏置、输入级、中间放大级和输出级组成。

做题先分清两件事。第一件是直流:每只管子有没有合适的静态工作点。第二件是交流:信号引起多大电流变化,这些变化又在哪个电阻上变成输出电压。题目已经说“Q 点合适”,通常就是让你直接进入第二件事。

课本部分必须会做什么为什么要讲
3.1 多级放大带上后级负载算前级,再乘各级增益解决“单级都会,接起来就算错”
3.2 运放概述认输入端、输出端和线性区,判断输出方向把内部电路与外部符号联系起来
3.3 单元电路差模/共模分解、差分增益、电流镜、互补输出本章主要计算与分析题集中在这里
3.4 整体电路把偏置网络分出去,沿信号路径判断各级训练读复杂图;不用背每根线的位置
3.5 性能指标分清失调、偏置电流、带宽与转换速率判断理想运放近似什么时候会失效
3.6—3.7 选择与使用根据输入、速度、负载和电源条件判断是否适用常见于简答与应用题,也解释计算为何不等于实物必然正常

掌握边界:工艺历史、型号罗列不必与电路计算投入同样精力;它们用于理解集成器件为什么这样设计。3.4.3 的二维码实际电路全文未取得;3.8 已补自编实验提纲,不声称替代这些配套数字资源。

本次补全 · 按教材顺序重新接上正文

从这里补第三章:你要学会的,是怎样从电路图走到答案

之前的版本把正文压成了四段复习,主要精力放在章末习题。这会造成一个问题:你能跟着看答案,却不知道下一道题该从哪一步开始。这一轮把中间缺掉的分析过程补齐。下面按照教材 3.1—3.7 的顺序展开,穿插三个正文例题、十九道节末思考题,再讲五道章末自测。原有习题 3.1—3.19 在后面保留。

先统一“掌握”的意思。标为“必会”的部分,要能合上答案画出等效电路、列式并解释结果;“会解释”要能用几句话说明元件的作用;“选学”仍有讲解,但老师没讲 MOS 时,可以先跳过其器件计算。历史、型号不需要逐个背,讲它们是为了说明结构为什么演变、选器件时看什么。

你之前问的电流箭头,有三种用途。

管子旁的箭头用于规定电流正方向;节点上的箭头用于列“流入=流出”;分析段落里的 ↑、↓ 表示某个量增大或减小。最后一种不是说电子真的沿着这一串符号跑了一遍。比如“集电极电流增大,集电极电位降低”,实际要用的就是 uC=VCC−iC RC。能把箭头翻译成这一句或一个方程,就够用了。

建议分三次读:多级放大与运放概述;差分电路到电流源;输出级、完整运放与自测。每次读完先做所在小节的思考题,不必一口气读完整页。

本段正文依据教材印刷第 117—161 页;同时吸收辅导书第 90—96 页“难点释疑”的六条主线。3.4.3、3.8 的二维码资源全文不在两份 PDF 的纸面正文里,后文会单独说明已讲与未取得的范围。

3.1.1 · 必会比较,会算阻抗折合

四种耦合方式:先看两级之间传递了什么

“一级”是一段完成信号放大的电路,“耦合”是把前一级的输出送给后一级。它不是一个新的放大原理。你看到两个管子,先找连接它们的那条信号路径,再判断直流能不能沿这条路径过去。

四种级间耦合:直流联系、隔直、阻抗变换和电气隔离直接耦合前级后级阻容耦合前级后级变压器耦合前级后级光电耦合前级后级直流和变化量都传递C直流断开;低频受衰减R′L = (N₁/N₂)² RL光电隔离两侧没有金属信号连线
连接方式直流与低频题目最常问什么
直接耦合直流和缓慢变化信号都能传递;也能放大交流,直到高频性能不再允许前后级 Q 点相互影响、零点漂移、适于集成
阻容耦合耦合电容隔直;中频近似短路,极低频衰减明显静态逐级独立算;动态仍须计入后级负载
变压器耦合靠交变磁通传信号,不能传递稳定直流;两侧直流回路分开阻抗变换、功率传递;体积和集成化不利
光电耦合电→光→电,能传递光强所代表的直流或变化信息电气隔离;两侧独立电源、地线分开时才能保持隔离

变压器为什么能“改变负载”?理想变压器满足电压比等于匝数比,电流比相反。前级在一次侧看到的电阻是:

R′L = (N₁/N₂)² RL
N₁/N₂ = 10,RL = 8 Ω ⇒ R′L = 800 Ω

这不是让扬声器真的变成 800 Ω,也不是凭空增加功率,而是前级端口上“电压/电流”的比值发生了变换。光耦的 CTR 则把输入发光电流与输出光敏电流联系起来;做小信号题看变化量之比 ΔiC/ΔiD,不能把它当成整级电压增益。

最低要求:能根据“要传缓慢变化信号/要隔直/要阻抗变换/要隔离”选择方式。器件工艺、历史用途读懂即可;具体光耦型号的 CTR 不用背。

直接耦合的第一道关:前级输出电位必须能给后级偏置

设第一只 NPN 管发射极接地,集电极直接接第二只 NPN 管的基极。若第二只管的发射极也接地,那么它的基极大约只有 0.7 V。这就把第一只管的 UCEQ 压到约 0.7 V,离饱和太近,向下摆一点就容易失真。问题不在“放大倍数算错”,而在静态电位没安排好。

直接耦合中用第二级发射极电阻抬高第一级集电极电位+VCCRC1RC2T₁T₂UB1UC1 = UB2RE2uoUB2 = UE2 + 0.7 V

在第二级发射极串 RE2,可使 UE2=IE2 RE2,于是 UB2=UE2+0.7 V,第一只管的集电极电位也跟着抬高。但 RE2 同时产生交流负反馈,会压低第二级增益。因此,教材接着讲二极管或稳压管:它们有一定的直流压降,又可能有较小的动态电阻,可以兼顾偏置与增益。

例如直流压降为 1.4 V 的两个正向结,不能在静态图里画成短路;动态分析也不能再使用 1.4 V 这个定值当电阻,而要用 rD=dUD/dID。稳压管还需要足够的反向电流,不能只画上一个“几伏”的符号就认为稳压一定成立。

多个 NPN 共射级连续直接耦合时,基极、发射极、集电极的电位容易逐级抬高,挤掉后级的电压余量。混用 NPN 和 PNP,可以在满足各管放大区条件的同时调整电位方向。判断放大区仍回到两个结:NPN 发射结正偏、集电结反偏;PNP 的电压极性相反。

做题用处:解释为什么加二极管、稳压管或换 PNP,分析削顶以及直接耦合的 Q 点。你不必背那几张改进图的外形,但要会写连接节点的电位相等。这会用在 习题 3.2(c)。

多级动态计算:为什么必须把后一级当成负载

前级空载时,输出没有向后级提供电流;接上后级后,后级的输入电阻会分流,输出就变小。辅导书专门强调的“级间相互影响”,不是额外要背的概念,就是下面这张分压电路。

级间负载用前级戴维南输出模型和后级输入电阻求解+−Au01 uiRo1ui2 = uo1Ri2后级入口就是前级的负载先分压,再乘第二级增益
Au1 = Au01 · Ri2/(Ro1+Ri2)
Au2 = Au02 · RL/(Ro2+RL)
Au = Au1Au2
Aus = [Ri1/(Rs+Ri1)] Au

下标 0 表示空载,Au 是从放大器输入端开始算,Aus 是从信号源内部电压开始算。若前级已经按 −β(RC∥Ri2)/rbe 算出带载增益,就不要再补一次 Ri2/(Ro1+Ri2)。两种计算是同一损失的两种表示。

跟着算一次:单级都很强,接起来却少了一半

设第一、二级空载增益为 −100、−50;Ro1=10 kΩ,Ri2=10 kΩ;Ro2=2 kΩ,RL=8 kΩ。则 Au1=−50,Au2=−40,总增益为+2000,不能直接写+5000。再设 Rs=2 kΩ、Ri1=8 kΩ,源电压增益为 0.8×2000=1600。

先后顺序:如果末级为共集,先用外部负载求它的输入电阻,再拿这个输入电阻回头算前级。求末级输出电阻时,要把信号源置零,但前一级输出电阻不能消失:

Ri,共集 ≈ R偏置 ∥ [rbe+(β+1)(RE∥RL)]
Ro,共集 ≈ RE ∥ [(rbe+R前级等效)/(β+1)]

所以“整体 Ri 等于首级 Ri、整体 Ro 等于末级 Ro”是说测量端口在哪里,不等于首末级的参数与其他级无关。这正是 3.2(b)、3.3 的核心。

检查:末级共集增益只有 0.99,是否应该删掉?

不能。它的高输入电阻减轻前级负担,低输出电阻又能驱动小负载。插入它后,整机的带载增益可能上升;应比较整机接同一个信号源、同一个负载时的结果。

选级与查失真:按输入、增益、负载分配任务

高内阻电压源不希望被取走太多电流,首级选高输入电阻结构;中间需要大电压增益,选共射/共源;末级面对小负载,常选共集或互补输出。这是组电路题的逻辑,而不是“共射最好,所以每一级都共射”。

基本接法最值得记的性能通常安排的位置
共射电压、电流均可放大;电压反相主要电压增益
共集电压同相且略小于 1;Ri 高、Ro 低输入缓冲或输出驱动
共基输入电阻低,电流增益接近 1,电压同相低阻电流入口、展宽频带等
共源/共漏前者提供反相电压增益;后者用于跟随,栅极输入电阻高高阻输入,MOS 内容可按进度读

失真要逐级找源头。NPN 共射级自己的集电极电压顶部变平,常意味着截止;底部变平,常意味着饱和。但两级共射会反相两次:第一级顶部的截止失真,经第二级反相后,会出现在最终输出的底部。

因此,两级共射的最终输出底部失真,至少要检查两种常见情况:第一级先截止,或第二级先饱和。不能只盯最后一只管。检查方法是比较两级集电极波形:第一级已削顶,先处理它的 Q 点或输入幅值;第一级正常而第二级失真,再处理后级。直接耦合时改一个电阻还会牵动后级偏置,改后要重查全部 Q 点。

必会:写出选择每级的理由,并根据经过几次反相回溯削顶位置。无需在这一步推导全部频率响应;第四章再系统处理。

教材例 3.1.1 · MOS 器件计算选学,级间分析必会

例 3.1.1:共源接共集,按“静态独立、动态带载”算

教材图 3.1.2 中,第一级实际上是 MOS 共源级,第二级是三极管共集级,耦合电容把两级直流分开。下图按功能分开重画,节点 A 经级间电容接节点 B;输入和输出也有隔直电容,源极电阻被 C3 旁路。

例3.1.1第一级MOS共源;R3串在栅极偏置支路,R5按教材解答取1千欧+12 VR4T₁AR1R2R3C1uiR5C3R1 2M;R2 1M;R3 2M;R4 6.2k;R5 1k
例3.1.1第二级共集;C2从节点A接B,输出经C4接负载+12 VR6T₂C2ABR7C4RLuoR6 = 100 kΩ;R7 = RL = 5 kΩ

数据核对:教材第 123 页题干将 R5 印为 1 MΩ,但同页解答使用 R5=1 kΩ,才会得到 IDQ=1 mA、UDSQ=4.8 V;本讲按解答采用的 1 kΩ 重算并在图中标明。原图说明里的“共射”也应按实际 MOS 器件理解为“共源”。

① 静态先断开所有电容。栅极电流近似零,R3 没有直流压降。UGQ=12×1/(2+1)=4 V。用题目给出的平方律,并选取 UGS 大于开启电压的有效根:

UGSQ = 4 − IDQ·1 kΩ
IDQ = 4 mA · (UGSQ/2 V − 1)²
IDQ = 1 mA,UGSQ = 3 V
UDSQ = 12 − 1 mA × (6.2+1) kΩ = 4.8 V

平方方程还有不满足器件工作条件的数学根,不能两根都收下。检查饱和区条件 UDS≥UGS−Uth=1 V,4.8 V 满足。三极管的基极偏置由 R6=100 kΩ 提供:

IBQ2 = (12−0.7)/[100 kΩ+151×5 kΩ] ≈ 13.22 μA
IEQ2 ≈ 1.996 mA,UCEQ2 ≈ 2.02 V

② 动态把足够大的电容短路,直流电源接交流地。先从末级计算:RE′=5∥5=2.5 kΩ;Ri2=100 kΩ∥[2.2 kΩ+151×2.5 kΩ]≈79.15 kΩ。第一级的 gm=2√(IDD IDQ)/Uth=2 mS。于是:

Au1 = −2 mS × (6.2 kΩ∥79.15 kΩ) ≈ −11.50
Au2 = 151×2.5/(2.2+151×2.5) ≈ 0.9942
Au ≈ −11.43

教材把第一项先粗略取为 −12,给出总增益约 −11.9。两者来自同一方法;这里保留了级间负载的中间精度,不把估算值当作精确相等。

Ri = R3+(R1∥R2) = 2.667 MΩ
Ro = 5 kΩ ∥ {[2.2 kΩ+(6.2 kΩ∥100 kΩ)]/151} ≈ 52.7 Ω

教材计算 Ro 时又近似忽略 R6 的并联及最后与 R7 的并联,得到约 56 Ω。解题时允许一致地说明近似;最忌的是忘掉前级输出电阻,把 Ro 写成 rbe/(β+1)。本题最值得学的是计算顺序,而不是记 −11.9 这个数。

3.1 的四道思考题:你能否自己组织多级分析

思考 3.1.1:直接耦合是否只能放大直流?

不是。它能放大直流、缓慢变化信号,也能在自身通频带内放大交流。阻容和变压器耦合不能传递稳定直流;“能放大交流”也不能解释为任意低频、任意高频都能正常放大。

思考 3.1.2:Ri>1 MΩ、Ro<150 Ω、|Au|>10³,怎样安排级次?

可从“共源输入级→一个或多个共射增益级→共集输出级”着手。首级满足高 Ri,中间补足带载增益,末级满足低 Ro。也可采用其他合适结构,但必须用实际参数检验:各级带载增益的乘积是否超过 10³,偏置电阻是否把首级 Ri 拉低,末级 Ro 是否包含前级内阻。只画三个方框不等于指标自动满足。

思考 3.1.3:已知三级的空载增益、Ri、Ro 和 RL,怎样写总增益?
Au = Au01Au02Au03
 × Ri2/(Ro1+Ri2)
 × Ri3/(Ro2+Ri3)
 × RL/(Ro3+RL)

从内部信号源开始算时,还要乘 Ri1/(Rs+Ri1)。该式采用各级能用单向输入/输出模型描述的常用近似;共集等结构应先按实际连接确定 Ri、Ro。

思考 3.1.4:两级 NPN 共射,最终输出底部失真,原因有哪些?

在教材讨论的截止/饱和削顶范围内,可能是第一级截止后再被第二级反相,也可能是第二级饱和;两种限制也可能同时存在。逐级测波形与 Q 点,找最早发生失真的级。实际电路还可能有电源、带宽等限制,但不能用那些可能性代替这道题的基本判断。

3.2:很多管子的运放,实际上只有几项主要任务

把全部器件做在同一片硅片上,会带来两种直接后果:相邻器件容易匹配且温度接近;大电容和很大的电阻不方便制作。因此,集成运放常用直接耦合,利用匹配差分对抑制漂移,再用晶体管电流源代替大电阻。

运放的输入级、中间级、输出级以及偏置电路差分输入级高输入电阻、低漂移共射/共源中间级主要提供电压增益互补输出级低输出电阻、驱动负载输出电压偏置电流

输入级负责接收两端的微小差别,尽量少取输入电流,并抑制共同干扰;中间级提供主要电压增益;输出级把信号送给负载,重视低输出电阻和摆幅;偏置电路为前三者安排静态电流。偏置不是串在信号路上的“第四级”。

同一张图里有十几只管,不等于十几级放大。两只管可能组成一个复合管,几只管可能只是电流镜,另一些负责温度补偿、偏置和保护。做级数判断题,要沿信号入口到输出走,不能数管子。

会解释即可:集成制造允许增加电路功能而不逐个增加分立焊接步骤,并非器件数越多完全没有面积、功耗和设计代价。这里讲工艺,是为了理解为什么内部电路看起来复杂,而不是让你背制造流程。

开环传输特性:增益很大,为什么反而容易饱和

规定同相端为 uP,反相端为 uN。在线性区,uo=Aod(uP−uN)。同相端上升、或反相端下降,都会使输出上升。反相端这个名称不表示该引脚电压必须是负数。

运放开环传输特性:只在很窄的差模输入范围内线性放大uP − uNuo−UOM+UOM线性区负饱和正饱和

输出受供电和器件电压余量限制,不能无限大。给定最大线性输出 ±UOM 时,应先算候选值,再检查是否越界:

uo,候选 = Aod(uP−uN)
线性输入范围:|uP−uN| < UOM/Aod

教材取 Aod=5×10⁵、UOM=14 V,对应只有约 ±28 μV 的差模线性输入范围。输入 1 mV 乘出来是 500 V,这只是“线性公式已失效”的证据,真实输出只能接近饱和值。后面利用负反馈,正是为了让差模输入被压得足够小,同时得到可用、稳定的闭环关系。

必会:判断输入、输出符号和线性/饱和状态;不能见到运放就写 uP=uN。“虚短”需要负反馈且能维持线性工作,开环、正反馈或输出到限幅区时不成立。

3.2 的三道思考题:结构相同,不代表性能相同

思考 3.2.1:用分立元件搭出相同内部电路,会有相同性能吗?

不一定。器件匹配程度、温度一致性、连线寄生参数都可能不同。差分对和电流镜特别依赖匹配,所以同样的连接关系不保证同样的失调、温漂和共模抑制。

思考 3.2.2:为什么集成运放可以用更复杂的电路改善性能?

集成制造主要通过版图和掩模实现大量连接,增加元件不等于逐个增加分立焊接与装配。分立电路也可以复杂,只是面积、工时、可靠性和匹配代价往往更高。不要把教材的比较理解成“分立电路不能加元件”。

思考 3.2.3:电源 ±15 V,Aod=10⁵,四种差模输入产生多大输出?

±1 μV、±10 μV、±100 μV 的线性候选输出依次为 ±0.1 V、±1 V、±10 V;在允许输出范围内就取这些值。±1 mV 的候选值为 ±100 V,必然饱和,写成 ±UOM。仅凭“电源为 ±15 V”不能确定实际 UOM 恰好为 15 V;题目若明确采用理想电源限幅模型,才近似写 ±15 V。

3.3.1 零点漂移:为什么非要引入差分电路

设输入信号没有变化,输出却慢慢变了,这就是零点漂移。它是 Q 点变化被当成信号传下去,不是正常信号的放大。温度、电源波动、器件老化都可能造成这种变化,温度影响通常特别突出。

直接耦合很擅长放大缓慢变化量,因此它也会把前级的缓慢漂移继续放大。用耦合电容拦住它,会同时丢掉原本想测的慢变信号,不能作为所有测量电路的解决办法。

第二章的发射极电阻能稳定电流,但稳定不是“完全不变”:电流必须先发生一点变化,电阻才产生抵消变化的电压。差分电路又增加了一种办法:让两支匹配电路一起受温度影响,用它们的输出之差消去共同变化;再通过公共尾支路抑制共同电流变化。

学到哪里:会说明“对称抵消+共模负反馈”两条作用即可,不必背半导体内部每种温度变化。下一节的两个半电路,就是把这两条作用写成可算的公式。

3.3.2 · 本章计算主线,从这张图开始

差分静态分析:先求尾巴里一共多少电流,再分给两边

以下统一规定 uid=ui1−ui2,双端输出 uo=uc1−uc2。两只 NPN 管匹配,左右 Rb、RC 相同,两个输入的静态电位均为 0。电源写成+VCC 和−VEE,其中 VEE 是正的幅值。

对称差分放大电路;规定左减右为差模输入及双端输出+VCCRCRCT₁T₂RbRbui1ui2Re−VEE+ uo −

左、右发射极流出的电流在公共节点汇合,才流过 Re。所以 Re 中是两只管电流的和,不能拿一只管的 IE 直接除 Re。这是箭头在本题里的第一项用途:帮助写 KCL。

Itail = IEQ1+IEQ2 = 2IEQ
IBQRb+UBEQ+2IEQRe = VEE
IEQ = (VEE−UBEQ)/[2Re+Rb/(β+1)]

若基极电阻上的压降可忽略,IEQ≈(VEE−0.7)/(2Re)。再用 ICQ=βIEQ/(β+1),UCQ=VCC−ICQ RC,UCEQ=UCQ−UEQ。双端输出的静态值为零,不等于两个集电极对地电位都是零。

静态小算例

VCC=12 V,VEE=6 V,Re=5.3 kΩ,RC=10 kΩ,忽略 Rb 压降及基极电流。尾电流为 1 mA,每侧约 0.5 mA;UEQ≈−0.7 V,UCQ≈7 V,UCEQ≈7.7 V,双端静态输出为 0。单端接电压表,则读到约 7 V。

求出 Q 点后,才由它求小信号参数 rbe≈rbb′+(β+1)UT/IEQ;UT 常取室温约 26 mV。最后检查放大区、尾电流源是否有足够的电压余量。若管子已饱和,后面的线性小信号公式就失去前提。

两个输入怎么拆:差模是差,共模是平均值

差模、共模不是互斥的两类题。一般输入同时含有两者。按下面四个式子拆开,每一项都能加回原输入,就不会把“两个都是正电压”误认成纯共模。

uid=ui1−ui2,uic=(ui1+ui2)/2
ui1=uic+uid/2,ui2=uic−uid/2
两路输入等于共同平均值加上反向的一半差值实际输入20 mV10 mV共同部分15 mV15 mV差别部分+5 mV−5 mV=+uid = 10 mV;uic = 15 mV

图中两输入是 20 mV、10 mV,分成共同的 15 mV,加上一边+5 mV、另一边−5 mV。差模信号的定义是两端之差,所以是 10 mV;每只管真正分到的是差模的一半。

单端输入也这样拆。若 ui1=ui、ui2=0,则 uid=ui、uic=ui/2。第二个输入端接地,并不意味着没有共模。只有在共模增益为零或可忽略时,才可以不算它的输出贡献。

Δuo=Aduid+Acuic
总输出 uo=UOQ+Δuo
检查:两端输入分别为 −8 mV 和+2 mV,各是什么?

uid=−10 mV,uic=−3 mV。加回去:左侧−3−5=−8 mV,右侧−3+5=+2 mV。差模的负号还会决定最终输出极性。

差模半电路:尾部为什么能当交流地,RL 为什么要除以 2

纯差模作用时,左侧输入增加多少,右侧就减少多少。对称条件下,ΔiE1=−ΔiE2,尾电流增量为零。Re 上的电压增量也为零,因此公共发射极点的动态电位为零。这叫交流虚地:静态电位仍可能为−0.7 V,不是被导线真的短接到了地。

如果 RL 跨接两个集电极,两端动态电位也等大反向,所以 RL 的中点动态电位为零。把它从中点分开,每侧看到 RL/2。注意:这是纯差模、对称结构下的等效,不是任何电阻画在中间都能折半。

差模半电路:公共发射极为交流虚地,跨接负载折半差模:两侧反向变化Rbrbeuid / 2β ibRC′uc1双端跨接 RL:RC′ = RC ∥ (RL/2)尾电流增量为零,uE = 0
ib1 = (uid/2)/(Rb+rbe)
uc1 = −βib1[RC∥(RL/2)]
uc2 = −uc1
Ad,双端 = (uc1−uc2)/uid
 = −β[RC∥(RL/2)]/(Rb+rbe)

这里两个“2”各干一件事:输入分给每边一半;两个反相输出再相减,结果翻倍。相互抵消后,双端增益不是一只共射的两倍,而与采用相同动态负载的单只共射量级相当。

Rid = 2(Rb+rbe)
Ro,双端 ≈ 2RC

Ri 是从两个输入端之间看进去的差模电阻,Ro 是移走负载、输入置零后从两个输出端之间看进去的电阻。求 Ro 时不能把 RL 留在里面,否则求的是输出端带载后的并联电阻。

必须自己推一遍:写 ib1、uc1、uc2,最后再相减。只要这三行会写,就不用背四套完全独立的增益公式。

共模半电路:同向电流相加,所以每边看到 2Re

共模时两输入一起升高,两侧发射极电流增量相同。Re 中因此增加 2ie,公共发射极升高 2ieRe。输入上升的一部分被发射极上升抵消,真正作用到 b-e 间的电压变化减小。

共模半电路:每支路看到2Re共模:两侧同向变化Rbrbeuicβ ibRC′uc12ReuE = 2Re · ie

从一侧看,它自己的电流是 ie,却产生了 2ieRe 的发射极电压,因此半电路必须用 2Re。不是两只 Re 串联,而是同一个电阻承担两侧电流造成的等效结果。

uic=ib(Rb+rbe)+2(β+1)ibRe
Ac,单端=−βR′C/[Rb+rbe+2(β+1)Re]

R′C 是该输出端的实际交流负载;从单侧取输出,共模一般不为零。理想对称的双端输出把两侧相同的共模电压相减,得到 Ac,双端=0。这是输出相减与每侧自身负反馈的区别,不能混成一句“差分电路没有共模”。

KCMR=|Ad/Ac|
KCMR,dB=20 log₁₀ KCMR

算 CMRR 时,两种增益必须取同一输出端口。比如 Ad,单端=−100、Ac,单端=−0.01,KCMR=10000=80 dB;不能拿双端的 −200 去除这个单端 Ac。

检查:公共尾电阻很大,为什么还要保持原来的静态电流?

在同一电源下只把 Re 加大,会同时减小 IEQ,进而改变 rbe 和差模增益。说“加大尾部动态电阻改善共模抑制”,最好在 Q 点相同的条件下比较;恒流源正是为了把合适的直流电流和很大的动态电阻同时实现。

四种接法:输入决定信号分解,输出决定增益和静态读数

差分电路四种输入输出接法的端口示意双入双出差分对ui1ui2+−双入单出差分对ui1ui2+单入双出差分对ui1+−单入单出差分对ui1+

记 D=Rb+rbe。先忽略管子输出电阻,并假定匹配、处于放大区;下表单端负载接 T1 集电极,双端负载跨接两集电极。

输出接法差模增益 Ad输出电阻共模与静态值
双端:uc1−uc2−β[RC∥(RL/2)]/D约 2RC理想对称时 Ac=0、UOQ=0
T1 单端−β(RC∥RL)/(2D)约 RCAc 通常不为 0;UOQ=UCQ1
T2 单端+β(RC∥RL)/(2D)约 RC差模符号反过来;共模仍通常反相

“单端是一半”要比较相同负载条件。空载时确实是双端的一半;同一只有限 RL 从跨接改为单端后,动态负载从 RL/2 改成 RL,不能只把旧数值直接除以 2。

负载直流接地会改 Q 点。双端负载两端静态等电位,静态无电流;单端 RL 接地后会分流。用戴维南等效:

V′CC=VCCRL/(RC+RL)
R′C=RC∥RL
UCQ1=V′CC−ICQ1R′C

若负载经过耦合电容连接,则静态应断开它,不能沿用上式直接改变 Q 点。题目说“直流表测输出 3 V”,要先减去 UOQ,再用 Ad 反推输入。

进一步澄清:四种接法的输入电阻都精确等于 2D 吗?

2D 是差模端口电阻。对单端实际信号源,在有限尾电阻时还有共模输入电流。用常用模型可得 R输入=2D[D+2(β+1)Re]/[2D+2(β+1)Re]。当 (β+1)Re≫D 时才近似 2D;理想恒流尾源时趋于 2D。教材的统一写法使用了长尾电路共模电流很小的近似。基础题可按教材近似,但要知道它的前提。

改进差分:恒流尾源、调零电位器和场效应管各改了什么

想让每管保持 0.5 mA,又把 Re 从 10 kΩ 提高到 100 kΩ,尾电流 1 mA 所需压降就从 10 V 升到 100 V。恒流源可以在较低直流压降下提供 1 mA,同时有很大的小信号输出电阻。它解决的是这个冲突。

对称差分放大电路;规定左减右为差模输入及双端输出+VCCRCRCT₁T₂RbRbui1ui2RwIT−VEE+ uo −

尾源静态给 IT,所以每管 IEQ≈IT/2;动态若理想恒流,尾电流增量为零,共模引起的电流变化受到更强抑制。理想恒流源的小信号等效是开路,直流分析时仍必须保留它的电流。差模下公共点成为交流虚地来自对称性,不是因为把恒流源短路了。

Rw 是调零电位器,用来补偿左右不完全匹配。滑片位于中点时,每侧有 Rw/2 的发射极退化电阻。即使 Rw 只有 100 Ω,经 (β+1) 放到基极回路里也可能很明显:

D带调零 = Rb+rbe+(β+1)Rw/2
Rid=2D带调零

差模增益分母也要换成这个 D,不能因为“电位器用于调零”就在交流图中删掉它。对应练习是 3.5。

MOS/JFET 差分对的迁移方法:输入分解、尾电流平分、差模半电路、共模抑制的逻辑不变;把 βib 换成 gm ugs,理想栅极不取电流。对称无退化时,双端 Ad=−gm[RD∥(RL/2)],T1 单端 Ad=−gm(RD∥RL)/2。输入高阻也会受外接偏置电阻限制。老师未讲 MOS 时,先掌握这条对应关系,器件平方律可后读。

差分电路也有线性范围:尾电流只是重新分配,不会无限增加

前面的增益来自 Q 点附近的小信号近似。差模输入逐渐增大时,左管多分电流、右管少分电流;一边接近承担全部尾电流之后,输出就不再按原来的斜率增加。你不能让两只管长期同时保持“电流一个加 Δi、另一个减 Δi”,却把 Δi 算得比原来的静态电流还大。

下面的交互采用匹配 BJT、理想尾源、忽略基极电流和 Early 效应的示例模型:IT=1 mA,RC=10 kΩ,VCC=12 V,UT=26 mV,输入为左右各±uid/2。暂不加跨接负载及射极退化电阻。它用来观察电流分配与非线性,数值不要拿去直接替代带 Rb、Rw 的题。

IC1=0.500 mA,IC2=0.500 mA;UC1=7.000 V,UC2=7.000 V;uo=0.000 V。

差分电路的大信号传输曲线;可随滑块改变的工作点uid / mVuo / V-100-5050100-1010实线:大信号曲线;虚线:零点切线

先试+5 mV,再试+50 mV:符号不变,但第二次输出不再等于第一次的十倍。把输入改为负数,两管交换任务,输出反号。零点附近切线的增益约为−IT RC/(2UT)=−192.3;整条曲线却不是一条直线。

选读:交互曲线使用什么方程?
IC1=IT/[1+exp(−uid/UT)]
IC2=IT−IC1
uo=−RC(IC1−IC2)
 =−ITRCtanh[uid/(2UT)]

它来自两个匹配发射结的指数电流比与尾部 KCL。基础做题不要求背 tanh;你要记住小信号公式有范围,还需检查管子是否截止、饱和,以及尾源是否能正常工作。实际电路可能先遇到电源或管压降限制。

例 3.3.1:为什么电压表读到 3 V,不能直接除以增益

教材给 Rb=1 kΩ、RC=10 kΩ、RL=5.1 kΩ、VCC=12 V、VEE=6 V,β=100、rbe=2 kΩ,每侧 IEQ=0.5 mA。先按教材近似 ICQ≈IEQ、忽略 Rb 的静态压降。

① 求 Re 与静态管压降。Re≈(6−0.7)/(2×0.5 mA)=5.3 kΩ;UCQ≈12−0.5 mA×10 kΩ=7 V;UCEQ≈7.7 V。若保留 β 与 Rb,Re≈5.295 kΩ,结果略有修正,分析方式相同。

② 原电路双端输出。RL/2=2.55 kΩ,RC∥(RL/2)≈2.032 kΩ:

Ad ≈ −100×2.032/(1+2) ≈ −67.73
Rid=6 kΩ,Ro=20 kΩ

③ 改成 T1 单端,RL 直接接地。注意下面图里的接地负载,这一步改变了集电极静态电位。

对称差分放大电路;单端负载必须同时计入直流通路+VCCRCRCT₁T₂RbRbui1ui2Re−VEERLuo
窄屏可在图内横向滚动
R′C=10∥5.1≈3.377 kΩ
V′CC=12×5.1/(10+5.1)≈4.053 V
UCQ1=4.053−0.5×3.377≈2.364 V
Δuo=3−2.364≈0.636 V
Ad,单端=−100×3.377/[2×(1+2)]≈−56.29
uid≈0.636/(−56.29)≈−11.29 mV

教材把中间量取为 2.36 V、0.64 V、−56,得到约 −11.4 mV。这里的负号有物理意义:T1 基极相对下降,集电极电流减少,输出升高。错误做法“3/Ad”把静态的 2.36 V 也当成信号了。

本题过关标准:看见输出测量值,先问它是总值还是变化量;看见负载,先问它静态通不通;看见单/双端变化,重新画负载再算,不能机械乘除 2。

3.3.3 · 会算节点电流,比记电流源名字重要

镜像电流源:相同 UBE 复制电流,KCL 决定复制误差

两只匹配三极管的基极相连、发射极相连,因而 UBE 相同。在相同温度、忽略输出电压影响的近似下,它们的集电极电流相同。参考管 T0 把集电极与基极相连,由电阻支路设定这个 UBE;输出管 T1 在合适的集电极电压范围内复制电流。

简单镜像电流源:参考电流分为集电极及两个基极电流+VCCRIC1IRT₀T₁公共基极

先沿电阻回路求 IR,再在参考节点分流。电阻电流不是全部进入 T0 的集电极,它还要供应两只管的基极电流:

IR=(VCC−UBE)/R
IR=IC0+IB0+IB1=IC+2IC/β
Iout=IC=βIR/(β+2)

若 VCC=12 V、R=11.3 kΩ,IR≈1 mA。β=100 时输出约 0.980 mA;β=10 时只有 0.833 mA。这说明“忽略基极电流”在小 β 的横向 PNP 管上可能造成明显误差。

它不是无限能力的理想源。NPN 输出管的集电极需要高于合适的最低电位,才能保持放大区;若负载把它拉进饱和,电流复制就失效。真实输出电流也会随集电极电压、温度等变化,所谓“恒流”是在工作范围内近似稳定。

检查:电流镜画着三股电流,究竟要记哪件事?

记参考节点的 KCL:一股 IR 分成 IC0、IB0、IB1。电路换方向、换 PNP 时,先按实际方向重新画箭头再列式,不需要背箭头在纸上必须向左或向右。

比例电流源:电阻比怎样决定输出电流比

在两只管发射极各加一个电阻,基极仍连接,但两只管的 UBE 不必严格相等。沿两条“基极到地”的路径写电压相等:

比例电流源:两只管的发射极各加电阻+VCCRIC1IRT₀T₁公共基极Re0Re1
UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1

若 β 足够大、两边 UBE 的差与电阻压降相比可以忽略,便有 IE0 Re0≈IE1 Re1。于是:

Iout≈(Re0/Re1)IR
IR≈(VCC−UBE0)/(R+Re0)

电阻越大,分到的电流越小。IR=0.5 mA,Re0=1 kΩ、Re1=2 kΩ,则输出约 0.25 mA。比例不能颠倒;参考支路算 IR 时,也不能漏掉 Re0 的压降。

为什么说“近似”?按指数关系,UBE0−UBE1≈UT ln(IC0/IC1),于是更细的关系为:

IoutRe1≈IRRe0+UTln(IR/Iout)

必会:先列公共基极回路,再按给定条件判断能否省略 UBE 差。对数修正项知道来源即可;题目明确要求精算或进入微电流源时才必须保留。

微电流源:为什么两管匹配,UBE 却不能都硬写 0.7 V

把比例电流源的参考管发射极电阻去掉,只在输出管保留 Re。公共基极电位相同,但输出管发射极比参考管高 IE1 Re,因此它的 UBE 更小,电流也更小。这就能用不大的电阻得到很小的输出电流。

微电流源:只在输出管发射极串入电阻+VCCRIC1IRT₀T₁公共基极Re
IoutRe≈UBE0−UBE1
UBE0−UBE1≈UTln(IR/Iout)
Iout≈(UT/Re)ln(IR/Iout)

若把两个 UBE 都精确写成 0.7 V,相减后就得到零电流,直接把这种电路的工作原理删掉了。0.7 V 是粗略偏置估算,不适用于求两个相近结压降的微小差值。

教材的设计思路:先定电流,再求电阻

VCC=15 V,IR=1 mA,目标输出 20 μA,UT=26 mV。先算 R≈(15−0.7)/1 mA=14.3 kΩ;再算 Re≈(26 mV/20 μA)ln50≈5.09 kΩ。Re 上只有约 0.102 V,而不是完整的 0.7 V。

若题目反过来给 Re,要解含未知数两次出现的方程,可以试值:猜 I,计算右边;再调整直到两边相近。或者令 F(I)=IRe−UT ln(IR/I),在 0<I<IR 内查找零点。没必要为了这道题专门背高等特殊函数。

Re 还提供电流负反馈:若输出电流有增大趋势,发射极电位升高,使 UBE 减小,压制电流增大。这里的变化箭头解释的是稳定性,做题时对应一条 KVL 和器件的电流—电压关系。

改进电流源:射极跟随器补基极电流,威尔逊结构再加强稳定

第一种:加一只射极输出器

射极输出器帮助供应基极电流的改进镜像源+VCCRT₂IC1T₀T₁IE2

T2 的发射极供应 T0、T1 的两个基极电流,因此它的基极只需约 2IB/(β+1)。从 IR 支路分走的电流大幅减少:

IE2=2IC/β
IB2=2IC/[β(β+1)]
IR=IC+IB2
Iout=IR/[1+2/(β(β+1))]

β=10 时,输出约为 0.982 IR,比简单镜像的 0.833 IR 接近得多。不过参考节点变成约两个 UBE 高,算 IR 时要看电阻两端实际电压,不能继续无条件减一个 0.7 V。

第二种:威尔逊电流源

威尔逊电流源:用两个节点方程计算输出电流+VCCRT₂IC2A ≈ 1.4 VB ≈ 0.7 VT₀T₁

图为与教材 PNP 版本对应的 NPN 形式,也与后面的 T3.4 自测相同。T0、T1 匹配,设其集电极电流均为 IC。把节点 B 和节点 A 分别列一次 KCL:

B:IE2=IC+2IC/β
IC2=βIE2/(β+1)=(β+2)IC/(β+1)
A:IR=IC+IC2/β
⇒ IC2/IR=β(β+2)/(β²+2β+2)

β=10 时比例约 0.984。电路还利用局部负反馈提高输出电流对输出电压变化的稳定性。最低掌握要求:认得哪个管输出,能在两个关键节点列 KCL,知道为什么误差缩小。完整输出电阻的高阶推导,题目不要求就不必作为本章重点死算。

有限 β 的公式假设匹配、各管处于放大区并忽略 Early 效应。追求更精细的实际误差时,还需考虑不同 UCE 对电流的影响。

多路电流源:一个基准,给不同级分配不同静态电流

运放输入级需要较小电流来减小偏置、功耗;中间级与输出级又需要不同电流。没有必要为每一级各搭一个独立基准,可以从一个 IR 派生多条支路。

多路电流源功能图:同一个参考电流设置不同支路,非内部接线图参考支路IR = 0.5 mA,Re0 = 2 kΩ输出支路 1Re1 = 1 kΩ输出支路 2Re2 = 4 kΩ约 1 mA约 0.25 mA按各支路射极电阻上的压降近似相等计算

若各支路发射极都有电阻,并满足忽略 UBE 差的条件,各电阻上的压降近似相等:IE0 Re0≈IE1 Re1≈IE2 Re2。例:参考支路 0.5 mA、Re0=2 kΩ,另两路 Re1=1 kΩ、Re2=4 kΩ,则输出约 1 mA 与 0.25 mA。

若是相同面积、无射极电阻的普通多路镜像,n 条输出加一条参考管,有限 β 时参考支路要供应共 n+1 个基极电流;每一路相同 IC 满足 IR=IC[1+(n+1)/β]。加入助推管后,重新按节点列 KCL;不能把两管镜像的“2/β”原样搬过来。

器件尺寸也能设置比例。多集电极管在教材近似下按集电区面积分配电流;匹配 MOS 管在相同 UGS、阈值相同且均处于饱和区、忽略沟道长度调制时,ID 比例等于 W/L 的比例。参考 MOS 的 W/L=10、ID=100 μA,另一只 W/L=30,则约为 300 μA。

必会:找基准,判断是电阻比例、面积比例还是普通镜像,再检查基极电流是否可忽略。无需背每种芯片的支路编号。对应 习题 3.12。

例 3.3.2:F007 的偏置电路,先找到唯一能直接算的电流

教材给正负电源 ±15 V,R5=39 kΩ,R4=3 kΩ。上方 T12、T13 是 β=5 的 PNP 镜像管;下方 T11 为参考管,T10 发射极串 R4,组成微电流源。不能把四只管都当成同一个电流。

例3.3.2 F007偏置:上方小β镜像,下方微电流源+15 VT12T13IC13R5 39kT11T10IC10R4 3k−15 VIR
窄屏可在图内横向滚动

第一步:沿完整电源回路求基准。从+15 V 经过 T12 的 e-b 结、R5、T11 的 b-e 结到−15 V:

IR≈(30−0.7−0.7)/39 kΩ≈0.7333 mA

第二步:上方按有限 β 镜像算。β 只有 5,不能省略两个基极电流:

IC12=IC13=5IR/(5+2)≈0.5238 mA

第三步:下方按微电流关系算。纵向管按 β 大处理,IC11≈IR。令 I 以 μA 为单位:

IC10≈(26/3)ln(733.3/IC10) μA
试 28 μA:右边约 28.3 μA
解得 IC10≈28.23 μA

所以各管的集电极电流约为:T10 28 μA,T11 0.733 mA,T12 与 T13 各 0.524 mA。先基准、后关系、最后分支,比在复杂图上从任意一只管开始求电压容易得多。

有源负载:直流不需要大压降,交流却能提供大电阻

共射增益约为 −gm RC′。若单纯增大电阻 RC,同样静态电流会产生更大直流压降,很快吃掉电源余量。电流源有源负载把这两件事分开:静态时提供所需电流,小信号时输出电流随电压变化很少,所以动态电阻很大。

有源负载共射级及其交流输出模型+VCCuiuo偏置源ro∥rCSuogm ube同一个偏置支路:直流给电流,交流呈现大电阻

它也不是一个自动解决一切的 Q 点装置。放大管必须有合适的输入直流偏置,使它能接住负载源给出的电流;若强行给不相容的输入偏置,输出会移动,直到某管离开放大区。带上直接接地的 RL,还可能改变静态电流分配。

以前常忽略三极管 c-e 间输出电阻 ro,是因为它远大于几千欧的 RC。如今有源负载的动态电阻 rCS 也可能几十、几百千欧,两者同量级,不能再忽略:

Au≈−gm(ro∥rCS∥RL)
或 Au≈−β(ro∥rCS∥RL)/rbe

忽略一个 ro,会差多少?

设 gm=2 mS、ro=rCS=100 kΩ。空载增益约 −100,而只保留一个 100 kΩ 会算成 −200。再接 RL=10 kΩ,总动态负载为 8.33 kΩ,增益降到约 −16.67。大开环增益不代表直接接小负载后还保持同样增益。

这一级的输出电阻是变大。它适合产生大电压增益;整个运放想要低输出电阻,要依靠后面的跟随输出级等措施。若 RL 远小于两个管子的动态输出电阻,信号电流主要流向 RL,但仍受静态电流与摆幅限制,不能说最大输出电流无条件变大。

镜像有源负载差分:两边电流怎样合成到一个输出端

普通电阻负载差分若只取一个集电极,就只取得一边的电压变化。镜像负载把另一边的电流变化复制到输出节点,因此两边都对单端输出做贡献。先只看变化量的 KCL:

镜像有源负载将两侧差模电流相加送入输出节点上方 PNP/PMOS 电流镜+Δi+Δi+Δi−Δi下方 NPN/NMOS 差分对Δio = 2Δi相加的是电流增量;静态仍需平衡

以教材 NMOS 差分对、上方 PMOS 镜像负载为例,uid>0 时,左管电流增加 Δi,右管电流减少 Δi。上方镜像把左边的增加复制成流入右输出节点的+Δi。于是:

Δiout=Δi镜像流入−Δi右管流出
 =Δi−(−Δi)=2Δi
Δi≈gmuid/2 ⇒ Δiout≈gmuid
Ad≈+gm(ro,右管∥ro,负载∥RL)

这个“2 倍”来自镜像把两侧变化合并,不是输入差模被凭空翻倍。正号由上述输入、输出端约定决定;换成 PNP 输入、反过来取 uid,必须重新判方向。

共模时两侧电流同向、近似等量变化,镜像流入与右管流出互相抵消,单端共模输出也能得到改善。实际器件失配、有限输出电阻和尾源误差仍会留下残余。

会做题的标准:能在输出节点写“镜像流入−本侧流出”,再把每个增量的符号代入。不要靠记忆说“有源负载总是增益乘二”。对照 3.13、3.14。

3.3.4 互补输出级:电压跟随,也能解决最末级的难题

一个共集管可以向负载提供某一方向的电流,但正、负方向都要跟随时,需要互补的一对管。上方 NPN 的集电极接正电源,下方 PNP 的集电极接负电源,两个发射极接输出。两侧轮流承担不同方向的负载电流。

基本互补输出级:两个半周的负载电流方向不同TNTP+VCC−VCCRLuoui正半周:TN 向负载供电流负半周:TP 从负载吸电流

输入足够正时,上管导通,电流从正电源经上管、负载到地;输入足够负时,下管导通,电流从地经负载、下管到负电源。输出电压跟随输入,理想近似增益为+1,但输出电流由电源提供,前级只需提供基极驱动。

ui较正:uo≈ui−0.7 V
ui较负:uo≈ui+0.7 V
|ui|不足以导通任何一管时:输出出现死区

过零附近两管都不充分导通,正弦输出中间出现缺口,这就是交越失真。它发生在换班的零点附近,不是饱和导致的波峰削平。只增大输入幅值可能让缺口的相对影响变小,但没有从原理上消除它。

无偏置互补输出的过零死区,与输入正弦及理想跟随对比输入:正弦电压t无偏置输出:过零出现缺口t模型:|ui| ≤ 0.7 V 时两管均未导通

理论摆幅还受管子饱和压降约束,最大峰值不超过约 VCC−|UCES|;实际还可能先受前级驱动幅度、电流和负载限制。不能把这个上界当作任何负载下都保证得到的数值。

消除交越失真:直流要留出压差,交流要一起移动

辅导书把这部分归纳为两条条件:静态时两管处于临界导通或微导通;动态时两基极之间不要损失太多信号。二极管恰好能同时提供约定的直流压降与较小的动态电阻。

二极管偏置的互补输出级TNTP+VCC−VCCRLuoD₁D₂ui偏置 IR
静态:UB1−UB2≈UD1+UD2≈2UBE
小信号:ΔuB1≈ΔuB2

第二行不是说两个基极总电位相等。它们可以始终相差约 1.4 V,却一起上升或下降 10 mV。把静态压差与动态变化混淆,是这类电路最常见的错误。

也可用 UBE 倍增电路提供可调的基极间偏压。下图将集电极—基极电阻称为 R上、基极—发射极电阻称为 R下,若分压支路电流远大于基极电流:

UBE倍增电路:集电极到基极为R上,基极到发射极为R下TR上R下b₁b₂Ubb ≈ (1 + R上/R下) UBE
UBB≈(1+R上/R下)UBE

R上=R下时约为 2UBE;若输出由复合管构成,应按实际串联结数决定所需偏压,不能一律 1.4 V。偏压太低留下交越失真,偏压过高会增大静态直通电流与发热,因此需要合适设计及温度补偿,不是“偏置越大越好”。

复合管、准互补与 CMOS:哪些要会,哪些可后读

复合管用前一管的电流驱动后一管,得到较大的等效电流放大系数;同类型达林顿结构的 β等效=β1+β2+β1β2,常近似 β1β2。准互补输出的上下等效管型相反,但直接承担负载的两只功率管可以同为 NPN,便于匹配。后面 3.4 的分块图会把它画出来。

CMOS 跟随输出用互补 NMOS、PMOS,两个源极接输出、漏极接正负电源。阈值也会产生过零死区;给两个栅极安排合适的静态偏压可使两管微导通。教材电流源流过串联偏置电阻时,若小信号电流近似不变,电阻上的电压增量近似为零,因此两栅极可一起变化。

必会:正确辨认上下管、解释交越失真、区分静态与动态电位。准互补结构会认等效管型;MOS 的器件细节按老师进度选学。效率和最大功率的系统计算放到第八章,不在这里硬塞一套公式。

3.3 的五道思考题:从“会套公式”走到“会分析改变”

思考 3.3.1:只有左侧 RC1=1.01RC2,其余匹配,哪里会变?

在忽略 Early 效应、两管仍放大且输入与尾支路不变时,两侧静态电流仍近似相等;但集电极电位不等,双端出现静态失调 UOQ=−ICQ(RC1−RC2)。纯差模增益取决于两侧负载的组合,也略有变化;共模电流即使相等,流经不同 RC 后产生的电压变化也不等,所以双端共模不再完全抵消,CMRR 有限。空载近似 Ad=−β(RC1+RC2)/(2D),Ac=−β(RC1−RC2)/[D+2(β+1)Re],Ro≈RC1+RC2;差模输入电阻近似不变。

思考 3.3.2:单端输出从 T1 改到 T2,静态和动态如何变?

若把同样的接地负载完整移到对称的另一侧,负载引起的静态电位变化也交换左右,总体数值对应相同。固定 uid=ui1−ui2 的约定,差模增益改符号,幅值相同;共模增益同号同量级,Ri、Ro 及 CMRR 的幅值近似不变。若只是换电压表测量位置而不搬原来的负载,电路已不对称,不能直接套这个结论。

思考 3.3.3:微电流源的 Re 是否稳定输出电流?

是。IC 增大使 IE Re 增大,在基极电位变化不大的条件下 UBE 减小,抵消 IC 的增加;这是电流负反馈。温度稳定仍有限,不代表电流完全不受温度影响。

思考 3.3.4:共射加有源负载后,输出电阻与输出电流怎样变?

输出电阻通常增大,因为原来较小的 RC 被大动态电阻取代。在相同输入小信号、放大管 Q 点及外部 RL 的比较条件下,原本分到 RC 的动态电流更少,流入 RL 的信号电流可增大,电压增益也提高。这不是说静态电流、最大安全输出电流或整机带负载能力必然都增大;要把比较条件说清楚。

思考 3.3.5:教材图 3.3.30(b) 的两管栅极动态电位可以近似相等吗?

在尾部/负载电流源小信号电流近似不变、MOS 栅极电流可忽略的分析中,串联偏置电阻中的电流变化很小,其压降变化也很小,所以两栅极动态电位近似相等。静态电位必须有一定差别,才能让互补管临界导通。有限电流源输出电阻等因素会使“动态相等”只近似成立。

3.4 读复杂运放:第一遍只做四件事

这部分确实值得学,因为章末 3.18、3.19 和自测 T3.5 会直接考读图。但学习目标是读出组成、信号极性和性能改进,不是记住某一款运放的全部内部连线。

  1. 找基准电流。沿正负电源寻找能通过电阻与几个结压降直接估算电流的支路。
  2. 分离偏置。找出与它共基极/共栅极、有镜像或比例关系的管,用等效电流源标出它们向各级提供的静态电流。
  3. 沿信号分级。从输入端经过控制端、输出端向后找,复合管按一个等效放大单元处理,电流镜不单独计一个信号级。
  4. 检查作用与极性。各级怎样提高 Ri、增益、CMRR 或负载能力;输入略增大后,哪一个关键节点升、哪一个降。

教材图 3.4.1 中,R1 支路提供基准;T7/T8 为微电流源,T3/T4 将小电流复制给输入级,T9/T10 提供中间与输出部分的偏置。到这里,偏置已经可以先用两个电流源表示。

IR≈(2VCC−UEB9−UBE8)/R1
IC7:按微电流源关系求
IC3≈IC4≈IC7;IC10≈IC9≈IR

遇到太复杂的图:第一遍只标电源、参考支路、输入对、输出端,第二遍再追信号;不要一开始就给每个节点都列方程。辅导书“读图方法”强调的正是先分主次。

教材原理电路:三个放大级怎样连成一只运放

下图按教材图 3.4.3 重绘,已将偏置网络替换为 IC3、IC10 两个电流源。横向图在窄屏内可以横向滚动;所有元件仍为矢量图。先读三个区域,不急着记编号。

教材图3.4.3分块重绘:PNP差分、复合共射和准互补输出+VCCIC3uNuPT₁T₂T₅T₆AT12T13IC10T11R2R3BT14T15T16T17uo−VCC输入级:T1/T2 + T5/T6中间级:T12/T13准互补输出级
窄屏可在图内横向滚动
区域结构与信号端口为什么这样做
输入级T1/T2 是 PNP 差分对;T5/T6 为镜像有源负载,从 T2 集电极输出尾源抑制共模;电流镜合并差模变化并提供高动态负载
中间级T12/T13 复合共射,基极输入、集电极输出较大等效 β 与有源负载共同提高增益
输出级T14/T15 等效 NPN,T16/T17 等效 PNP,构成准互补;T11 与 R2/R3 提供偏置减小驱动要求,降低输出电阻,改善过零衔接

沿右输入 T2 的基极升高看一次。PNP 管的基极升高,使其发射结正向程度减小,T2 电流减少;另一边电流增加,镜像 T6 拉走更多电流,节点 A 降低。T12/T13 共射反相,使其集电极节点 B 升高;互补输出跟随,uo 升高。因此 T2 基极是同相输入,T1 基极是反相输入。

注意“PNP 基极升高→本管电流减小”与 NPN 的直觉不同。不要机械套用“输入升高,所有电流都增大”。沿节点走一遍,符号就确定了。

教材随后用电流增益连乘估算很大的总电压增益。这个推导说明大增益来自电流放大逐级积累和高阻负载;题目要求定量时,应计入级间分流、有限输出电阻和实际负载。不能把若干 β 相乘后当成任何实物的精确开环增益。

3.4.3 标为星号扩展,PDF 只给数字资源入口。本页用纸面原理图、自测 T3.5 以及原有 3.18、3.19 练习训练实际读图,没有把未取得的二维码材料算作已经逐页讲完。

3.4 的四道思考题:能拆开,还要能看回整体

思考 3.4.1:如何从内部电路分离偏置部分?

先找到能由电源、结压降、电阻直接计算的 IR,再沿共基极、共发射极或电流比例关系找各路输出。用电流源替换它们提供的偏置,保留每个电流源的接入节点与方向。不能把任何没有接输入信号的管子都随手删除。

思考 3.4.2:按什么判断各级接法与性能?

看信号从哪个电极进入、从哪个电极取出、哪个电极对交流为公共端;再认退化电阻、复合管、电流源、镜像负载等改进。输入级看 Ri、失调和共模抑制,中间级看增益,输出级看 Ro、摆幅和交越失真。

思考 3.4.3:单电源怎样安排正负方向相同的输出摆幅?

把静态输出设在允许线性输出上、下限的中点 UOQ=(UOH+UOL)/2;若可近似在 0 至 VCC 间摆动,才是 VCC/2。信号围绕这个直流中心上下变化。直接耦合与阻容耦合的两种 SVG 偏置图、直流回路与输入分压,见 3.7 单电源偏置;输入偏置和稳定输出 Q 点并不是同一件事,实际线性电路还要合理负反馈。

思考 3.4.4:为什么混用双极型与场效应管?

利用各自适合的特性:场效应管输入可减小输入电流、提高输入电阻;双极型管等结构可提供需要的跨导、增益或驱动。选择取决于整体指标,不存在“只要全换成某一种管子,所有性能都更好”的规则。

3.5.1 · 先分清“误差”“范围”“速度”

运放性能指标:每个名字究竟限制哪一道题

指标不用作为一长串名词背。把题目提出的困难翻译成一个指标:信号太弱怕误差、信号源太软怕取电流、信号变化太快怕跟不上、输入输出太大怕超范围。

指标定义/判断方法习题中的用处
开环差模增益 Aod无外加反馈时 Δuo/Δuid;dB=20log₁₀|Aod|算开环候选输出、检查是否已饱和
共模抑制比 KCMR|Ad/Ac|,差模与共模必须同一输出端口共同干扰折合成多少有用差模误差
差模输入电阻 rid差模输入电压/对应输入电流估计信号源负载效应;越高通常取走电流越少
输入失调电压 UIO为消除零输入输出偏差所需的差模补偿量描述输入级电压失配,微弱直流测量特别关注
UIO 温漂 dUIO/dT失调电压随温度变化的速率一次调零之后温度变化仍会留下误差
输入失调电流 IIO两个输入偏置电流之差的绝对值两端外接电阻相等时,仍可能留下不平衡压降
IIO 温漂 dIIO/dT失调电流随温度变化的速率估计温度变化引入的电流误差
输入偏置电流 IIB输入级正常工作所需两输入电流的平均值高源电阻上的压降;不能与 IIO 混用
最大共模输入范围仍能正常放大差模信号的共模电位范围两输入差很小,也可能共同超出允许工作范围
最大差模输入电压输入级允许承受的差模极限是耐受/保护限制,不等于开环线性输入范围
−3 dB 带宽 fH增益降至低频值的 1/√2≈0.707 时的频率描述小信号频率响应;不是“增益变成 3”
单位增益频率/带宽 ft开环增益幅值降到 1,即 0 dB 的频率评估速度;不能直接当成任意闭环增益下的带宽
转换速率 SR大信号输出能达到的最大 |duo/dt|检查大幅度正弦或快速跳变是否产生斜率失真

表里把两个温漂参数分开列出,因此行数多于教材的十一个分类标题。最容易混的三个边界:输入不损坏、输入级还能正常工作、整机输出保持线性,是三个不同条件,不能用一个“最大电压”通吃。

必会:从要求选指标、单位换算和基本估算。教材列出的 F007 等数值用于说明量级;不必逐项背,更不能把书中老型号的典型值当成所有运放的通用参数。

把指标变成数:分贝、输入误差和转换速率

1.增益与分贝互换

100 dB ⇒ |A|=10100/20=10⁵
80 dB 的 CMRR ⇒ K=10⁴
共模输入 1 V ⇒ 等效差模误差约 1 V/10⁴=100 μV

最后一步来自 Ac uic=Ad(uic/K),表示同样输出误差折合到差模输入端有多大。电压增益和电流增益用 20log;不要未经判断就套功率比的 10log。

2.偏置与失调电流

两输入偏置电流大小为 80 nA、100 nA,则 IIB=90 nA,IIO=20 nA。若两端均通过 100 kΩ 接到各自的理想电压源,单边压降为 8 mV、10 mV,差值已有 2 mV。可见高输入电阻不等于偏置电流带来的误差可以忽略。符号要先按实际电流流入/流出方向列,不能只背绝对值。

若 UIO 的温漂为 5 μV/℃,温度变化 30 ℃,对应失调变化约 150 μV。把室温误差调为零并不会自动消除这项温漂。

3.小信号带宽够,还要看大信号 SR

uo=Uomsin(2πft)
最大 |duo/dt| = 2πfUom
不发生压摆率限制的必要条件:2πfUom ≤ SR

若 Uom=5 V、f=20 kHz,所需 SR 至少约 0.628 V/μs。给定 SR=0.5 V/μs,则这一幅度下的频率上限约为 0.5×10⁶/(2π×5)=15.9 kHz;这还没有检查小信号带宽、负载和输出摆幅。将幅度减小,大信号斜率要求就会放宽。

本页指标练习均用题设参数,不作为现实芯片的选型数据。教材把 F007 的开环截止频率举为几赫兹,不代表加负反馈后的应用电路只能处理几赫兹;第四、五章会说明增益和带宽的关系。

3.5.2 低频等效电路:把整只运放换成端口模型

如果给运放内部每只管都画一个小信号模型,几行应用电路会立刻变成上百个元件。宏模型只保留本题需要的端口特性:输入端取多少电流,输出怎样随输入变化,输出能被负载分掉多少。

运放低频简化宏模型:差模输入电阻、受控电压源和输出电阻riduPuNrouo+−Aod (uP − uN)若计入误差:补 UIO、IIB、IIO、Aoc没有电容 → 不能预测高频或压摆率限制
简化模型:输入端为 rid
内部受控电压源 eo=Aod(uP−uN)
输出端串联 ro,带载时 uo=eoRL/(ro+RL)

如果题目研究失调,应在输入等效电路加入偏置电流、失调电流和输入等效失调电压源;研究共模误差,还要在输出受控源中加入 Aoc uic。补偿失调所施加的电压与内部等效误差源的符号相反,数据手册常给大小,列式时要自己定正方向。

例如 rid=2 MΩ、差模信号源内阻 100 kΩ,输入先乘 2/2.1≈0.9524;ro=100 Ω、RL=10 kΩ,输出再乘 10000/10100≈0.9901。内在增益即使不变,端口测得的增益也有这两次损失。

为什么只用于低频?这个特定模型没画结电容、寄生电容和频率补偿,因此不能预测高频增益下降、相移;它也不能表示输出饱和、限流和 SR。宏模型并非天生只能低频,加入相应动态与限幅机制可以描述更多现象,只是本节模型没有这些机制。

理想化取 rid→∞、ro→0、Aod 很大,是在特定问题中省略误差;输入两个端口仍然是两个端口,绝不意味着拿导线把它们短接。是否能用虚短,仍由反馈和工作状态决定。

3.5 的三道思考题:理想参数省略了哪些现实影响

思考 3.5.1:差模输入为零,实际输出就一定为零吗?

不一定。输入失调、偏置电流在外部电阻上的不平衡压降、共模误差都会影响输出;还要区分期望的静态输出电位与信号变化量。开环增益很高时,微小误差甚至可使输出饱和。

思考 3.5.2:哪些指标描述输入级不对称,是否受温度影响?

UIO、IIO 直接反映电压和电流不平衡,它们的温漂参数描述这种不平衡如何随温度变化。两侧器件参数及其温度系数不可能完全一致,所以调零后的误差仍可能随温度变化。IIB 是平均偏置电流,不是“不对称程度”本身。

思考 3.5.3:本节宏模型为何只适于低频,F007 开环 fH 为什么小?

模型省略电容和频率相关环节;真实多级高增益电路含结电容、连线寄生与补偿电容,这些与内部高阻节点结合,会使开环增益较早下降。较小开环 fH 与较高低频开环增益可以同时存在;负反馈应用会以降低增益换取更宽的有效带宽。这里无需提前把频率响应全章推完。

3.6 种类与选择:背型号之前,先说清楚要满足什么

教材按历史讲了从早期基本结构,到普遍采用有源负载,再到高精度输入结构、斩波与动态稳零的演变。你需要提取的是增益、输入电流、失调与温漂怎样被逐步改进,不用把代际名称和所有型号背成时间表;这也不是当前市场的完整分类。

按输入输出量分类,先认单位

类型关系增益单位
电压放大uo=Av uiV/V,无量纲
电流放大io=Ai iiA/A,无量纲
跨导io=gm uiA/V=S
互阻/跨阻uo=Rm iiV/A=Ω

“增益 1000”必须结合定义看:1000 V/V 和 1000 Ω 不是同一种指标。对应 习题 3.16。按可控性还有增益可调与输入选通两类:前者改变放大程度,后者选择哪路输入通过,两者别混淆。

选型题的答题顺序

  1. 信号源:幅度多小、内阻多大、是电压还是电流,先定输入电阻、偏置电流与噪声/失调要求。
  2. 速度:检查信号频带,再用 2πfUom 检查 SR,不能只看其中一个。
  3. 负载:输出幅度与 RL 决定电流需求 Iom≈Uom/RL;容性负载等还会影响稳定性。
  4. 精度与环境:看 UIO、IIO、CMRR、温漂、供电范围和功耗,确保输入共模范围与输出摆幅都容得下实际信号。

因此高源阻选高阻/低输入电流,微弱直流测量关注低失调与温漂,大幅高速信号关注带宽和 SR,电池设备还要查静态功耗。性能较好不代表所有指标同时最优;先说明哪个指标是约束,再判断是否需要专用器件。习题 3.10—3.11 正是在考这个转换。

3.7 单电源偏置:把信号放在允许的电压区间里

双电源时输出可围绕 0 V 上下摆动;只有 0~VCC 单电源时,输出一般不能摆到负电源以下。为了有相同的上、下摆幅,应把输出 Q 点放在允许输出范围中间。若允许范围是 0.2~4.6 V,中心是 2.4 V,而不是机械取 5/2=2.5 V。

教材的两种偏置图,主要说明如何给输入设置共模电位。下面先单独画输入网络与运放供电,尚未画实际应用所需的反馈。

电容耦合:直流由分压器决定

单电源输入的电平偏置,电容耦合+−A+VCCRCui1RRCui2Ruo偏置原理图;实际线性应用还需负反馈

直接耦合:信号也参与直流分压

单电源输入的电平偏置,电阻直接耦合+−A+VCCRRui1RRui2uo偏置原理图;实际线性应用还需负反馈

左图静态电容断开,两个输入各由等值电阻分压到 VCC/2;交流足够高时,电容阻抗较小,信号叠在这个偏置上,输入电阻与信号源电阻仍会造成衰减。右图假设信号源理想、两个输入支路电阻相同,则 uP=(VCC+ui1)/2,uN=(VCC+ui2)/2;静态输入为零时二者都是 VCC/2,而差模信号也被分成原来的一半。

关键边界:uP、uN 都在 VCC/2,只能说明共模偏置,不能保证开环输出自动稳定在 VCC/2。实际运放有高开环增益和失调,线性应用必须由合适的负反馈把输出 Q 点稳定下来。已学到后续章节时,可看下面这个最简单的跟随器实例。

具有负反馈的单电源电压跟随器:输入交流叠加在VCC一半的偏置上+−A+VCCRRCuiuo线性且稳定时,uo ≈ VCC/2 + 输入变化量

图中输入通过电容耦合,等值分压器将同相端静态设为 VCC/2;输出反馈到反相端。在器件输入/输出范围允许、反馈稳定的条件下,uo≈uP,所以静态输出约为 VCC/2,交流在其上跟随。这才把“输入偏置”和“输出 Q 点”联系起来。

会做题:画直流通路,求输入共模偏置,检查信号围绕哪个中心摆动;知道参考电位不是第二个地线,也不要把 VCC/2 当成必须加在两输入之差上的电压。

使用与保护:这些段落为什么不能全跳过

它们通常不带来复杂计算,却会出现在实验、简答和“为什么计算正常但电路不工作”的题里。掌握每项在防止什么,不用背所有封装外形。

工作实际要做什么做题时对应哪类问题
辨认引脚按具体型号资料认供电、输入、输出、调零/补偿端相同引脚数不保证接法相同
测量与调零先确定供电和连接正确,再用合适测试电路测工作状态;有调零功能才按其接法使用输入为零为什么仍有偏差
电源去耦在电源附近给变化电流提供局部路径,减弱通过公共电源互相影响去耦不是信号耦合电容;位置与回路也重要
频率补偿按器件与闭环增益条件安排补偿防止自激;随意加大电容也可能损失带宽
运放保护:差模钳位、输出限流和电源反接保护的作用位置输入差模保护R+−A两只反并联二极管限制两端差值输出保护串联限流电阻运放输出负载电源保护外部电源芯片电源端

输入端的反并联二极管限制差模电压,串联电阻限制钳位时的电流;防共模越界需要限制输入对允许参考电位的电压,仅把两输入互相钳住还不够。输出串电阻可限制电流、隔离负载,配合限幅器件限制幅值,但会带来压降。电源串二极管可以阻止反接电流,也会消耗供电余量。

这些图表示教材的保护原理,不是适配所有运放的元件值。实际接线按该型号允许输入范围、钳位电流、输出电流和供电要求确定。你现在需要会解释元件作用;具体板级稳定性设计属于后续实践。

3.8 仿真部分:用两个小实验验证本章判断

两份 PDF 的教材纸面在此只列出“直接耦合多级放大调试”和“消除互补输出交越失真”两项数字资源主题,没有给出二维码内完整实验步骤。下面是配合本章的自编实验提纲,不冒充原书资源,也没有声称已替你运行 Multisim。

  1. 直接耦合调试:先将输入信号置零,记录每只管的 UB、UE、UC,检查放大区;输入很小正弦,逐级测增益与相位;逐渐加大输入,记录哪一级先削顶。改变第一极偏置后,重新记录两级 Q 点,观察直接耦合的相互影响。
  2. 互补输出:先用无偏置上下管驱动电阻,查看过零缺口;加入合适二极管偏置,再看缺口与静态电流;将偏置过低、适当、偏高三种情况并排比较。判断依据是失真与静态电流同时合适,不是只追求波形看着平滑。

仿真报告最有用的四列是:理论预测、测得的 Q 点、观察到的波形、原因解释。模型若省略某种非理想特性,仿真中就不会自动出现那种现象;用仿真核对公式前,先确认两边使用的模型条件一致。

教材章末自测 · 第 162—164 页;辅导书第 114—117 页

自测 T3.1:给出性能要求,选择两级结构

先自己选,再展开。选项为 A 共射、B 共集、C 共基、D 共源、E 共漏;答案是教材条件下的典型选择,仍需合适的器件和偏置参数才能达到指标。

① Ri 为 1~2 kΩ,电压增益大于 3000

A、A:共射接共射。首级输入电阻量级合适,两次电压反相使总增益为正,并能取得较大增益。必须用第二级的输入电阻作第一级负载校验,不能仅凭“两级共射”就断言一定超过 3000。

② Ri>10 MΩ,电压增益大于 300

D、A:共源接共射。共源输入利用栅极高阻,同时提供电压增益;第二级再共射放大。注意栅极偏置网络的等效电阻也必须足够高。

③ Ri 为 100~200 kΩ,|Au|>100

B、A:共集接共射。共集提高首级输入电阻,后级共射提供电压增益。首级输入电阻含有由后级 Ri 反映到基极的部分,必须先把后级算出来。

④ |Au|>10,Ri>10 MΩ,Ro<100 Ω

D、B:共源接共集。共源兼顾高阻输入与增益,末级共集降低输出电阻、驱动负载。这里只要求增益的绝对值,反相没有问题。

⑤ 大内阻信号源,希望把输入电流变成输出电压,|Uo/Is|>1000,Ro<100 Ω

C、B:共基接共集。共基低输入电阻使大内阻源给出的电流主要进入放大支路,在集电极负载上变为电压;末级共集满足低 Ro。Uo/Is 的单位为 Ω,这是互阻指标。教材主书将信号源表述为大内阻电流源,辅导书文字有不同;本题选择的关键是取得输入电流并转换成电压。

自测 T3.2:八个概念判断,逐项说出理由

这组不是只抄选项。先遮住解析,对每一项说一句原因,能说清楚才算通过。

① 零点漂移来自哪些因素?

A、B、D:元件老化、晶体管参数受温度影响、电源不稳定,都可能改变零输入时的 Q 点。“放大倍数不稳定”主要描述增益变化,不能作为本题零输入漂移的直接原因选项。

② 集成运放采用直接耦合的主要工艺原因?

C:不易制作大容量耦合电容。直接耦合便于处理慢信号,但各级 Q 点相互联系,不能说它因此最便于设计和调试。

③ 差模和共模分别取两个输入的什么?

A、C:差与平均值。uid=ui1−ui2,uic=(ui1+ui2)/2。共模不是两输入的和。

④ 用恒流源代替公共发射极电阻,主要改善什么?

B:抑制共模能力。保持相同 Q 点时,纯差模下公共尾支路本来就不承受电流增量,所以不能无条件宣称差模增益、差模输入电阻随之增大。

⑤ 通用型运放按本章常见模型适合哪种频段?

B:低频信号。任何实际运放都有频率限制,不能选择“任何频率”。实际频段应按器件与闭环条件核对。

⑥ 输入级采用差分结构的主要原因?

A:减小温漂。差分结构也会影响输入电阻,但它在本题中解决的主要问题是直接耦合的漂移与共同干扰。

⑦ 双极型运放中间级为何多用哪一种接法?

A,共射:提供较大电压增益。共集的主要任务是跟随与阻抗变换。

⑧ 末级采用互补输出的目的?

B、C:较大的不失真输出电压与较强的带负载能力。它通常不提供大的电压增益。原来只选“带负载”会漏掉这道多选题的另一项。

自测 T3.3 · MOS 部分可选学,静态调零与级间负载必会

自测 T3.3:差分级接 PNP 共射,怎样算到总增益

图按教材重绘。T1、T2 为匹配增强型 NMOS,Uth=2.5 V、IDD=10 mA;三极管 β=200、rbb′=200 Ω,结压降约 0.7 V。T3 的电阻沿用原题符号 Rc3,但实际接在发射极,不能仅凭字母判断连接位置。

自测T3.3的MOS差分、三极管尾源和PNP共射输出+12 VT₁T₂Rd2uiT₃Rc3 3kR 2kDZ3.7 VT₄Re4Rc4−6 Vuo500 Ω10 kΩ按原题重画;尾源放大区余量的模型问题见正文
窄屏可在图内横向滚动

① 尾电流、每管电流和 gm

稳压管把 T3 基极保持在负电源之上 3.7 V,因此 Rc3 上约有 3 V。按教材忽略尾源管基极电流的近似:

IC3≈IE3=(3.7−0.7)/3 kΩ=1 mA
IS1Q=IS2Q≈0.5 mA
gm=2√(IDDIDQ)/Uth
 =2√(10×0.5)/2.5 mS≈1.789 mS

第一处数值核对:辅导书第 115 页列出同一个公式,却得到约 2.24 mS。按本题明确给出的 2.5 V、10 mA 与 0.5 mA,代入结果应为约 1.789 mS;这不是正常舍入差异。下面按题面参数重算,并把书中答案单独对照。

同一模型下 UGSQ=Uth[1+√(IDQ/IDD)]≈3.059 V,公共源极约为−3.059 V;T3 发射极约−3 V,集电极约−3.059 V,按此粗略计算会出现很小甚至符号不合适的 UCE。这提示原题给定数值与“尾源正常恒流”的假设需要检查。

模型边界核对:上面的教材标准解将 T3 直接当作 1 mA 恒流源来算,辅导书也未检查此余量。本讲下面先完成该标准理想尾源模型的解法;若按图搭建真实电路,必须调整负电源、稳压值或尾源结构,为 T3 留出放大区余量,不能把理想解当成已验证的实物工作点。

② 静态 uo>0,要怎样调 Rd2?

uo 偏高表示流过 Rc4 的电流偏大。要让 PNP T4 电流减小,应提高它的基极电位、减小发射结正偏。减小 Rd2使其压降减小,T4 基极升高,输出下降,才能向零靠近。

③ 令静态输出为零,再算 Rd2

IC4=6 V/10 kΩ=0.6 mA
IB4=0.6/200=0.003 mA,IE4=0.603 mA
UE4=12−0.603×0.5=11.6985 V
UB4=10.9985 V
IRd2=ID2−IB4=0.497 mA
Rd2=(12−10.9985)/0.497 mA≈2.015 kΩ

Rd2 的电流是“漏极电流减 PNP 基极流入该节点的电流”,这一处要用 KCL,不能凭感觉加起来。忽略基极电流时就得到书上的 Rd2≈2 kΩ。

④ 后级先算输入电阻,前级再带载

rbe4=0.2 kΩ+201×26 mV/0.603 mA≈8.867 kΩ
Ri4=rbe4+201Re4≈109.367 kΩ
Au1=+(gm/2)(Rd2∥Ri4)≈+1.770
Au2=−βRc4/Ri4≈−18.287
Au≈−32.36

第一极从 T2 漏极取输出,故对左端输入为同相;PNP 共射仍是电压反相,总增益为负。辅导书基于约 2.24 mS 的跨导给出总增益约 −40.8,和当前题面数据并不一致;若只把其跨导代入本页保留负载的计算,才会得到约 −40.5。按题面得到约 −32.4,不要因为对不上答案就怀疑级间分析方法。

这道题应带走四步:先求尾电流,按给定器件参数算 gm,调输出 Q 点,再由后级输入电阻回算前级增益。题中理想尾源的形式解、辅导书数值差异与实际工作区是否成立,要分别检查。

自测 T3.4:134 kΩ 与 136 kΩ,先核对题目再核对答案

这是前面讲过的 NPN 威尔逊结构,三管 β=100、UBE≈0.7 V,电源+15 V。教材第 164 页图中 R=134 kΩ,辅导书第 116 页图中却是 136 kΩ;两个版本不能混着代入。

自测T3.4威尔逊电流源;主书R为134千欧,辅导书为136千欧+VCCRT₂IC2A ≈ 1.4 VB ≈ 0.7 VT₀T₁
IR=(15−0.7−0.7)/134 kΩ≈101.493 μA
IC2=β(β+2)IR/(β²+2β+2)
 ≈101.473 μA≈101.5 μA

基准节点不是一个 UBE,而是两个 UBE,因为输出管 T2 的发射极接在 T1 基极/集电极节点之上。若忽略基极电流,直接取 IC2≈IR,也得到约 101.5 μA。

辅导书用 136 kΩ,则 IR=100 μA;按其忽略小量的估算法,答案约为 100 μA。保留全部基极电流的上述模型给约 99.98 μA。两本书的主要数值差异来自电阻,不能把自己的 101.5 μA 强改成 100 μA。

再练一步:为什么不能当作普通两管镜像,直接除以 1+2/β?

因为输出来自第三只管 T2,它的发射极电流包含 T1 的集电极电流和 T0/T1 的基极电流。应先写 IE2=IC+2IC/β,再写 IR=IC+IC2/β。电流节点不同,有限 β 修正关系就不同。

自测 T3.5:十只管子,怎样只数出三级

下面是教材简化运放的 SVG 重绘。先把 I1、I2 当作偏置源,再沿输入到输出看三段。窄屏可在图内横向滚动。

自测T3.5:共集共基差分、复合共射与互补输出+VCCui1ui2T₁T₂T₃T₄I₁T₅T₆ART₇T₈I₂D₁D₂T₉T10uo−VCC第一级:共集—共基差分第二级:复合共射第三级:互补输出
窄屏可在图内横向滚动
级次组成与接法改善性能的措施
第一级T1/T2 共集输入,接 T3/T4 共基,构成双入单出差分级共集—共基组合提高输入电阻并改善频带;T5/T6 镜像有源负载增加增益、合并两侧差模变化并减小共模输出
第二级T7/T8 复合共射,基极输入、集电极输出复合管提高等效电流增益,I2 提供有源负载,得到较大电压增益
第三级T9/T10 互补跟随输出降低输出电阻,增大带负载能力;D1/D2 提供合适偏置以减小交越失真

为什么 T1、T3 不分成两个完全独立的级?它们作为共集—共基组合完成输入差分级的功能;左右两支共同组成一个差分级。T5/T6 是负载与电流转换,也不另算信号放大级。判断标准是功能、输入输出节点和级间传递,不是管子的数量。

加一道迁移题:哪端是整个运放的同相输入?

令 ui1 上升而 ui2 不变。T1 发射极跟随升高,使 T3 发射极升高、其电流增加;右支路变化相反。T5/T6 镜像使第二级输入节点向下变化;T7/T8 共射反相使其集电极上升,输出级跟随上升。因此 ui1 为同相,ui2 为反相。判断时要让差分和电流镜两个变化都进入节点 KCL,不能只跟一侧管子。

补完后怎样检查:十个动作,比“看懂了”更可靠

以下是自编短题,与你做过的教材题不是同一套数字。能独立答对,才说明你拿走了方法。算错后回到对应正文,不必从整章开头重读。

1.前级空载增益 −80、Ro=4 kΩ,后级 Ri=12 kΩ,前级实际增益?

−80×12/(4+12)=−60。若后级带载增益为+0.98,整体为−58.8。

2.两输入为 13 mV、9 mV,uid、uic、左右差模分量?

uid=4 mV,uic=11 mV,差模分量分别+2 mV、−2 mV。

3.理想尾源 0.8 mA,β=99,每侧静态 IC?

每侧 IE=0.4 mA,IC=99/100×0.4=0.396 mA;不要把尾电流直接当成每侧集电极电流。

4.对称差分 β=100、Rb+rbe=5 kΩ、RC=20 kΩ,跨接 RL=20 kΩ,双端 Ad?

半电路负载=20∥10=6.667 kΩ,Ad≈−133.33。若把同一 RL 改为 T1 单端,Ad=−100×(20∥20)/(2×5)=−100,不能直接把 −133.33 除以 2。

5.UOQ=2 V,Ad=−100、Ac=−0.02,两输入 13 mV、9 mV,总输出?

Δuo=−100×0.004−0.02×0.011=−0.40022 V;总输出约 1.59978 V。先分解,再相加,最后加静态值。

6.普通两管镜像 IR=120 μA、β=20,输出?

120×20/22≈109.09 μA。若改用三管助推结构,不能直接沿用这个因子,应按其节点重算。

7.微电流源 IR=0.5 mA,目标输出 10 μA,UT=26 mV,Re?

Re≈26 mV×ln50/(10 μA)≈10.17 kΩ;输出管电阻压降约 0.102 V。

8.gm=1 mS,两只管动态输出电阻各 200 kΩ、外接 RL=100 kΩ,普通有源负载共射增益?

等效负载=200∥200∥100=50 kΩ,增益约−50。不能只算其中一只管。

9.两输出管基极静态差 1.4 V,动态各增加 20 mV,基极间动态电压是多少?

20−20=0。总电压差仍约 1.4 V,静态偏置与动态共同移动并不矛盾。

10.SR=1 V/μs,要输出峰值 4 V 的正弦,单看 SR 的频率上限?

f≤10⁶/(2π×4)≈39.8 kHz。还需另查小信号带宽、输入共模、输出摆幅与负载电流。

你不需要达到的程度:背下所有内部连线、所有型号参数、所有载流子轨迹。你需要达到的程度:能把题目里的某一处结构变成一条 KCL、KVL、一个半电路或一个端口模型;能检查结果所依赖的工作区与近似。

正文与习题怎样接起来:按薄弱环节选择练习

正文能力先做的检查下面保留的教材习题
耦合、接法、级间负载例 3.1.1、思考 3.1、自测 T3.13.1、3.2(a)、3.2(b)、3.2(c)、3.2(d)、3.3、3.4
差分静态、差模/共模、总输出例 3.3.1、思考 3.3.1—2、自测 T3.33.5、3.6、3.7
多级整体、摆幅与故障思考 3.1.4、3.43.8、3.9
指标与选择思考 3.5、自测 T3.23.10、3.11
电流源、复合结构、有源负载例 3.3.2、思考 3.3.3—4、自测 T3.43.12、3.13、3.14、3.15、3.16
互补输出与复杂运放读图思考 3.3.5、3.4、自测 T3.53.17、3.18、3.19

本页已补的范围:3.1—3.7 纸面正文主线、三个正文例题、十九道节末思考题、五道章末自测,加上原有 3.1—3.19 纸面习题详解。辅导书的六类难点已融入相应正文;其“例题精解”并未被逐题重排成另一套完整题库,不能把正文覆盖与辅导书全部题目覆盖混为一谈。

接下来四段是保留的快速复习,可以考前查公式;第一次补课到这里,已经可以直接转入下面的教材习题。数字资源全文、所有实际型号的内部电路与仿真工程不计入这次完成范围。

3.1—3.2 复习:后一级既是放大器,也是前一级的负载

假设第一级单独测得空载增益 Au01、输出电阻 Ro1。接上输入电阻为 Ri2 的第二级后,第一级的输出会分压。这个损失发生在两级之间,不能等全部增益乘完再补一个随意的系数。

Au1 = Au01 · Ri2 / (Ro1 + Ri2)
Au = Au1Au2 ··· Aun

这里每个 Auk 都要包含它实际所带的负载。末级的实际负载是外接 RL。如果公式已经用了 RC∥RL,就不要再乘一次同一负载的分压系数。

直接耦合可以传递直流和缓慢变化的信号,但前一级的直流电位也会影响后一级偏置。阻容耦合隔开直流,低频时电容阻抗不能忽略。所谓“中频电容短路”,是题设频段下的近似,不是电容在任何情况下都等于导线。

运放的基本关系是 uo≈Aud(u+−u−),只在线性范围内成立。开环增益很大,因此很小的差模输入就可能使输出饱和。看见运放符号,不能自动写“虚短”。还需要负反馈、能够维持线性等条件;这些会在后续章节系统应用。

本段最低要求:能说出直接耦合与阻容耦合的区别;能把“空载增益”和“接上后级后的增益”分开;知道同相端升高使线性区输出升高。

3.3.1—3.3.2 复习:差分电路只把“差别”当作有用输入

把两个输入分解,是差分题的第一步。两端一起上升的部分叫共模;两端不一样的部分叫差模。这是代数拆分,不需要猜信号属于哪一类。

uid = ui1 − ui2  uic = (ui1 + ui2) / 2
ui1 = uic + uid/2  ui2 = uic − uid/2

例如两端分别是 20 mV 和 10 mV,那么差模是 10 mV,共模是 15 mV。不能因为两个输入都是正数,就说“只有共模”。

对称的三极管差分对在纯差模作用下,两侧电流增量相反,尾部总电流的增量为零。公共发射极点可视为交流虚地。对称、无发射极退化、忽略管子输出电阻、两侧集电极各接 RC 时:

uc1 = −βRCuid/(2rbe)
uc2 = +βRCuid/(2rbe)
Aud,双端 = (uc1−uc2)/uid = −βRC/rbe
Rid = 2rbe

从第一侧单端输出,增益为双端的一半;从第二侧输出,符号相反。若负载跨接两个集电极,纯差模的半电路中每侧应放 RL/2,再与本侧 RC 并联。负载接法不同,不能照抄未带负载的结果。

纯共模时两侧电流同向变化。尾部电阻 Re 越大,这种共同变化越难发生;理想电流源的动态电阻趋于无穷,能够进一步抑制共模。对称且只用公共尾电阻的简单电路,单端共模增益为:

Auc,单端 ≈ −βRC / [rbe + 2(β+1)Re]
KCMR = |Aud/Auc|;以 dB 表示时用 20 log10KCMR

理想对称的双端输出会把两侧相等的共模变化相减掉;实际器件不完全匹配,所以共模抑制不是无限好。计算 KCMR 时,差模和共模增益必须使用相同输出端口。

必会:输入分解、静态尾电流分配、单端与双端的二倍关系及符号、负载折半条件。温度漂移这一段说明为什么需要差分结构,不必把微观过程背成长篇答案。

3.3.3—3.4 复习:电流源、输出级和整张运放图

电流镜:匹配管在相同 UBE 下有近似相同的集电极电流。简单双管镜像源若 β 有限,参考支路还要供应两只管的基极电流,因此不能无条件把 IREF 全部当成输出电流。

IREF = IC + IB1 + IB2
IO ≈ IREF / (1 + 2/β)

这里的箭头就是为了让你看清参考电流在哪个节点分成三份。题目说忽略基极电流时,才进一步取 IO≈IREF。输出管还要有足够的管压降维持放大区,电流源并非能在任何输出电压下保持恒流。

有源负载:一个支路直流能流过电流,同时交流电流却几乎不随端电压变化,因此它的动态电阻可以很大。共射级增益取决于动态负载,大动态电阻有利于获得大电压增益。这里的“恒流”不等于这条支路从电路中消失。

互补输出:上、下两管分别承担不同方向的负载电流。简单乙类输出在零点附近可能两管都不充分导通,造成交越失真;加入适当静态偏置能减轻它。输出级通常重视低输出电阻和电流驱动能力,电压增益接近 1 仍然很有价值。

读复杂运放:先圈出电源和偏置支路,再找到差分输入对,沿集电极节点找中间级与输出级,最后逐级判断输入升高会使输出升高还是降低。别把给各级供电流的偏置网络也硬算成一个信号放大级。

做题标准:会用 KCL 算简单镜像源;能辨认电流源作为尾部偏置还是作为有源负载;能解释交越失真;能在复杂图中标出信号路线。晶体管内部的全部载流子轨迹不需要逐条背诵。

3.5—3.7 复习:性能指标要对上具体错误

指标它在描述什么习题里怎么用
输入失调电压 UIO为使输出回到指定零点所需的小差模补偿估计零输入时的输出偏差
输入偏置电流 IIB两输入端静态电流的平均量与外接电阻相乘,找附加压降
输入失调电流 IIO两个输入偏置电流的不一致程度解释电阻平衡后为何仍有误差
共模抑制比放大差模、抑制共模的相对能力用一致端口的两种增益计算
带宽小信号增益随频率下降的程度看频率响应;单主极点近似下才用常见增益带宽关系
转换速率 SR输出每单位时间最多改变多少电压正弦输出需满足 2πfUom≤SR

带宽不足和转换速率不足不是同一件事。前者属于小信号频率响应;后者常在大幅度、快速变化时暴露。输出正弦峰值越大,保持不受 SR 限制的最高频率越低。

选用与保护需要检查:电源电压、输入共模范围、允许差模电压、输出摆幅、负载电流、速度及所需精度。输入偏置电流还需要直流回路;电源旁路电容用于减少供电扰动。具体限值依赖器件,本页不把某一型号的数值当成所有运放的通用规定。

优先级:先能解释指标、用单位正确的公式算简单限制;型号发展史和工艺名称作为背景认识。实物使用问题有自己的价值,不要求你为一道基本增益题先学完整本器件手册。

开始做题:每次都执行同一套顺序

  1. 查题设。是否已知 Q 点合适?是否为中频?是否忽略 rce、rds 等输出电阻?
  2. 画交流通路。直流理想电压源交流接地,充分大的耦合与旁路电容短路;偏置电阻仍保留。
  3. 分级、定端口。每级从哪一极输入、哪一极输出;用 X 标出两级之间的节点。
  4. 从后向前算负载。先求后一级输入电阻,再并到前一级输出负载上。
  5. 从前向后乘增益。每个增益都写清分子、分母,特别是有没有把输入串联电阻算进去。
  6. 分别求 Ri、Ro。求 Ro 时独立信号源置零,受控源保留,并移去外接负载。

以下 3.2 的解析采用教材的中频简化微变模型,忽略晶体管输出电阻与高频电容;ui、uo 都是题图所标端口电压。∥ 表示并联。没有另画的外接 RL 时,按题图给出的负载计算。

习题 3.1 回看:接法由输入、输出和公共端决定

三极管画在上方、箭头向内、使用负电源,都不能直接决定接法。先把电容和电源变成交流通路,然后找输入、输出对哪一极而言。

题图第一级第二级读图要点
(a)共射共基第二级从发射极输入,基极交流固定
(b)共射共射两级均由基极输入、集电极输出
(c)共射共射第一级是 PNP,发射极在上方仍可以是共射
(d)共集共基第一管从发射极输出,第二管从发射极输入
(e) 选学共源共集场效应管源极被充分旁路,后级从发射极输出
(f)共基共集第一管基极有旁路,实际信号送入发射极
(a) 交流识别图 R3uo T2T1 uiC4 短接 C2 短接 地符号均表示交流地 (b) 交流识别图 R1R4 T1T2 uiuo C3 短接 地符号均表示交流地
(c) 交流识别图 C2 短接R3 R4C3 短接 T1PNPT2 uiuo 带箭头的支路是发射极 (d) 交流识别图 T1T2 R5R2 C2 短接uiuo 两管相连的是发射极
(e) 交流识别图 R2R4 T1T2 uiuo gds C2 短接 场效应管只做接法识别 (f) 交流识别图 R3R4R6 T1T2 uiuo C1 短接C3 短接

这些识别图突出端口关系,省略的偏置支路不能在后面的增益计算中继续无条件省掉。判断接法与计算负载,是两步不同的工作。

做对的标准:不用背 (a) 到 (f) 的答案,而是换一张画法仍能按三个端口判断。PNP 不自动代表同相,共基也不等于基极必须真的拿导线接电源地。

习题 3.2(a) 回看:共射后接共集

3.2(a) 交流通路 R1R2R3 T1T2 uiuoX:u1 VCC、VBB 的交流分量为零 微变等效:第一级 uiR1ib1 rbe1R2β1ib1 X 微变等效:第二级 Xrbe2ib2 R3β2ib2uo 同名 X 点直接相连

这里输入端到第一管基极之间有一个串联 R1。第一级共射负责电压放大,第二级共集主要降低输出电阻。先看第二级:

Ri2 = rbe2 + (β2+1)R3
Au2 = (β2+1)R3 / Ri2

于是第一管集电极实际看到 R2∥Ri2,不能只用 R2。本题把第一级增益定义为 u1/ui,因此输入串联 R1 也必须计入:

Au1 = −β1(R2∥Ri2) / (R1+rbe1)
Au = Au1Au2  Ri = R1+rbe1
Ro = R3 ∥ [(rbe2+R2)/(β2+1)]

求输出电阻时 ui=0,第一管的基极增量电流在本题简化模型下为零,所以其受控电流源恰好为零,T2 基极对地看到 R2。这不等于“受控源都可以关掉”。第二管受控源仍然参与输出测试电流的形成,正是它导致了除以 β2+1。

记忆抓手:共射后面接共集,关键是“前级带上共集的输入电阻”和“输出电阻由共集折算”。

本轮新课 · 必会

习题 3.2(b):把共集放到前面,会改变什么

这题变成共集 → 共射。不要因为仍然是一只共射加一只共集,就认为与 (a) 的 Ri、Ro 相同。放在输入端还是输出端,会决定它主要改善哪一端。

第一步:电容短路后,R3 到底去了哪里

C2 短路,把第一管发射极和第二管基极合成同一个 X 点。R3 上端接 VCC,交流时相当于接地。因此从 X 点看向地有三条路:R2、R3,以及第二管的 rbe2。

3.2(b) 交流通路 uiuo R1R2R3R4 T1T2X:u1 T1:为什么出现 β1+1 uirbe1ib1X:u1 ie1RE′β1ib1 RE′:R2、R3、rbe2 并联
RE′ = R2 ∥ R3 ∥ rbe2

R3 虽然在直流分析中负责偏置,但交流电压变化同样能在它上面产生电流。“偏置电阻”是用途描述,不是“交流时删掉”的许可。

第二步:那一堆电流箭头,在这里就用来得到 β+1

把第一管换成微变模型。流进基极的 ib1 经 rbe1 到发射极;集电极支路的受控电流 β1ib1 也到发射极。它们在 X 点汇合,然后一起流入 RE′。

ie1 = ib1 + β1ib1 = (β1+1)ib1
u1 = (β1+1)ib1RE′
ui = ib1rbe1 + u1

最后一行就是沿输入端到地列电压:输入电压分给了基极—发射极这一段和发射极到地这一段。两式相除:

Au1 = u1/ui
= (β1+1)RE′ / [rbe1+(β1+1)RE′]

它是正数,而且小于 1。只有在 (β1+1)RE′ 远大于 rbe1 时,才能近似等于 1。后级输入电阻很小时,会把 RE′ 拉低,跟随效果也会变差。

第三步:第二级是熟悉的共射

第二管发射极交流接地,所以 ib2=u1/rbe2。基极电流增大,集电极电流增大,R4 上的压降增大,输出节点电压降低,负号就从这里来。

Au2 = −β2R4/rbe2
Au = [(β1+1)RE′ / (rbe1+(β1+1)RE′)] · [−β2R4/rbe2]

本题没有额外外接负载;若另接 RL,第二级增益中的 R4 要换成 R4∥RL。

第四步:输入电阻要计入 R1,而且是并联

从输入端看进去,一股电流通过 R1 流向交流地,另一股流入第一管基极。两条路径共用相同输入电压,因此它们并联:

Ri = R1 ∥ [rbe1+(β1+1)RE′]
Ro ≈ R4

为什么 Ro 没有再除 β+1?因为现在从末级集电极输出。输入置零、忽略管子输出电阻时,从输出端看到的就是 R4。共集放在前面,不会把最后这个集电极自动变成低阻输出。

把结果翻译回这两级各自的任务

电压增益主要来自第二级;第一级把发射极负载折算成较大的基极输入电阻,使信号源少供一些电流。最终输入电阻仍受到并联 R1 的限制:即使晶体管输入支路的电阻很大,整个电路的 Ri 也不可能超过 R1。

如果题目另给直流元件数值,还需要先求 Q 点,再求 rbe;不能任意指定一组 rbe,就保证它与原图的偏置网络相容。本题只要求符号表达式,而且已说明 Q 点合适,因此做到上面的结果即可。

必须掌握:三条并联负载、β+1 的 KCL 来历、R1 与 (a) 的串并联区别、首级共集与末级共集各改善哪一端。

习题 3.2(c):PNP、二极管和正负号一起出现

第一管是 NPN 共射,第二管是 PNP 共射。第二管的发射极在上方,通过一只正向导通二极管接电源;集电极在下方,通过 R3 接地,并从这里输出。

先处理二极管:直流压降和交流电阻是两件事

静态分析中可以用 UD≈0.7 V 等模型估算电位。微变分析问的是 Q 点附近“电流改一点,电压会改多少”。这个比例是动态电阻 rd。配套解答也保留了它。

rd = ΔuD/ΔiD(Q 点附近)
采用指数模型时,rd ≈ nUT/IDQ

如果题目特别指定理想恒压降模型,其增量电阻才取零。题目保留动态模型时,不要因为“二极管导通了”就直接画成导线。

3.2(c) 二极管换成 rd uiR1R2rdR3 T1T2X:u1uo 上管箭头向内:PNP T2:PNP 微变模型 u1rbe2ib2rde β2ib2R3uo 箭头是参考方向,增量可为负

从第二级看入,发射极的 rd 会被放大折算

把第二管基极流向外部的电流增量参考方向记作 ib2,集电极电流参考方向由发射极指向集电极。按图列式:

ue2 = −(β2+1)ib2rd
ue2−u1 = ib2rbe2
u1 = −ib2[rbe2+(β2+1)rd]

第一行的负号来自电阻电流:我们把电流参考方向选为从交流地经 rd 流向发射极。沿这个方向出现压降,所以发射极电位是负的增量。这里的电流是带符号的变化量,算出负数表示实际变化与所选箭头相反。

从外部输入端流入该级的电流是 −ib2,所以输入电阻仍为正:

Ri2 = u1/(−ib2)
= rbe2+(β2+1)rd

这就是电流箭头的实际用途:帮你一致地列 KCL、KVL,避免把 PNP 的符号凭感觉写反。你不必额外追踪每一个电子经过了哪里。

第二级为什么仍然反相

PNP 基极电位升高,会使正向发射结电压减小,集电极电流减小,于是 R3 上的输出电压下降。发射极有 rd 时也会跟着变化,但方向仍是反相,只是增益幅值变小。

uo = β2ib2R3
Au2 = −β2R3 / [rbe2+(β2+1)rd]

第一级依旧使用“实际集电极负载”:

Au1 = −β1(R2∥Ri2) / (R1+rbe1)
Au = Au1Au2 > 0
Ri = R1+rbe1  Ro ≈ R3

总增益为正,原因是两个共射级连续反相两次。不是因为“出现一只 PNP,所以整个电路同相”。

rd 只有几十欧,能不能忽略

不能仅凭它的原始数值决定。假设 β2=100、rbe2=3 kΩ、rd=26 Ω、R3=3 kΩ,则:

(β2+1)rd = 2626 Ω
Ri2 = 5626 Ω
Au2 ≈ −53.32

若误把 rd 置零,会得到 Au2=−100,差别很大。判断可否忽略,应比较 (β2+1)rd 与 rbe2,而不是只比较 rd 与几千欧的电阻。

必须掌握:二极管的直流模型与微变模型不同;PNP 共射仍反相;发射极阻抗折算到基极要乘 β+1。指数模型的深入推导不是这道题的解题门槛。

选学 · 不影响三极管主线

习题 3.2(d):场效应管共源后接三极管共射

老师尚未要求场效应管计算时,这题先掌握三个对应关系即可。第一管从栅极输入、漏极输出,源极被电容充分旁路;第二管发射极也被充分旁路,因此是共源 → 共射,两次反相,总体同相。

第二级输入电阻由基极两只偏置电阻和 rbe2 并联组成;第一管漏极除了 R4,还接着这个负载。

Ri2 = R6∥R7∥rbe2
Au1 = −gm(R4∥Ri2)
Au2 = −β2R8/rbe2
Au = Au1Au2

场效应管把栅源电压变化转换成漏极电流变化,使用 gm;三极管把基极电流变化转换成集电极电流变化,使用 β。两个模型的控制量不同,不要把 gm 当成无量纲电流倍数。

本题栅极通过 R3 连接 R1、R2 的分压中点。电源交流接地后,从输入端到地的电阻路径先经过 R3,再经过 R1∥R2:

R1R2R3G / ui
只抽出输入端的电阻路径。上下两个接地符号表示同一个交流参考点,因此 R1 与 R2 并联。
Ri = R3 + (R1∥R2)
Ro ≈ R8

“栅极几乎不取电流”说的是器件栅极支路;输入端仍可以向偏置电阻供电流。因此整个放大电路的输入电阻不一定是无穷大。

当前掌握边界:会沿电阻路径算 Ri、知道 gm 的单位是 S、知道共源反相即可。场效应管 Q 点与 gm 的专项计算留到对应进度。

习题 3.3:增益不到 1 的级,为什么能提高整体效果

课本把两种基本电路装进方框:I 是共射放大级,II 是共集跟随级,然后接出三种组合。这里不需要重新推导整张图,先说清每个方框的特点。

共射通常有较大的电压增益,但输入电阻不算大,输出电阻也不低。共集电压增益接近 1,同时通常有较大的输入电阻、较小的输出电阻。题目讨论的是这种典型工作条件下的比较。

左端:信号源与 Rs 右端:RL (c)(d)(e) I 共射II 共集末级共集:输出电阻小 II 共集I 共射首级共集:输入电阻大 II 共集I 共射II 共集前后缓冲:减轻两端的分压损失

第一问:哪些输入电阻较大

信号源首先碰到第一级。图 (d)、(e) 的第一级是共集,所以按本题常用近似判断,(d)、(e) 输入电阻较大。这里是定性比较;实际数值仍会受到后级负载和偏置电阻影响,不能只背“看首级”就停止计算。

第二问:哪些输出电阻较小

外部负载接在末级。图 (c)、(e) 的最后一级是共集,所以(c)、(e) 输出电阻较小。两端都安排共集的 (e),同时改善了输入和输出的衔接。

第三问:先看清分母是 us,不是 ui

us 是信号源的源电压,ui 是经过源内阻 Rs 分压后真正加到放大器输入端的电压。二者一般不同:

ui = us · Ri/(Rs+Ri)
Aus = uo/us = [Ri/(Rs+Ri)] Au

如果把整个放大器用空载增益 Au0、输入电阻 Ri、输出电阻 Ro 的单向模型表示,还可以展开成:

Aus = [Ri/(Rs+Ri)] · Au0 · [RL/(Ro+RL)]

最左边是输入损失,中间是放大器内部的空载增益,最右边是输出带负载后的损失。放在前面的共集增大 Ri,放在后面的共集减小 Ro,使两端少损失。因此本题预期的比较结论是:(e) 的 |Aus| 最大。

共集级自己虽然不能把电压变成两倍、十倍,却可以避免其他地方把电压分掉很多。它的作用是改善连接条件,所需输出能量仍来自电源。

一组完整数字:只多乘两个 0.99,为什么结果反而变大

以下是说明分压作用的自设单向模型,不是课本给定参数。共射级:空载增益 −100、RiI=2 kΩ、RoI=10 kΩ;共集级:空载增益 0.99、RiII=200 kΩ、RoII=0.1 kΩ。信号源 Rs=10 kΩ,外接 RL=2 kΩ。每个连接处都算一次分压。

(c):Aus = (2/12) × (−100) × (200/210) × 0.99 × (2/2.1)
≈ −14.97

(d):Aus = (200/210) × 0.99 × (2/2.1) × (−100) × (2/12)
≈ −14.97

(e):Aus = (200/210) × 0.99 × (2/2.1) × (−100)
× (200/210) × 0.99 × (2/2.1) ≈ −80.63

(c) 的主要损失在输入端,(d) 的主要损失在输出端,(e) 把两端都改善了。这里特意选择了对称的数值,所以 (c)、(d) 的结果相等;它们一般不必相等。

适用边界:这不是“加跟随器就必定增益更高”的数学定律。如果信号源本来是理想电压源、负载又近似开路,原有两端损失已很小,再加有限增益的跟随器未必有利。课本结论针对共集能够明显改善源和负载条件的典型比较。

必须掌握:Ri 大能减少源端分压,Ro 小能减少负载端分压;Au 与 Aus 的分母不同。不要把“电压增益约 1”误解成“没有用”。

3.1—3.3 阶段自测:合上答案检查

先口头回答,再展开核对。这里的六问比重新背一遍长公式更能发现漏洞。

1. 3.2(b) 中,为什么 R3 不能删掉?

它从第二管基极接到电源,交流时电源接地,所以 R3 从两级之间的 X 点接地。它既参与第二级偏置,也会加载第一管发射极。

2. (a) 与 (b) 都有 R1,为什么一个串联,一个并联?

(a) 的输入电流到基极前必须经过 R1,所以与 rbe1 串联;(b) 的输入节点分出 R1 到交流地的支路,所以 R1 与晶体管输入支路并联。串并联由节点连接决定。

3. 共集电路里的 β+1 从哪里来?

发射极节点接收基极电流 ib 和集电极电流 βib,流向发射极负载的总电流就是 (β+1)ib。它是 KCL,不是要另背一个器件规律。

4. 3.2(c) 的第二级是 PNP,为什么增益仍为负?

基极电位升高,使发射结正向电压减小、集电极电流减小,R3 上电压随之下降。因此它仍然是反相的共射级。

5. 二极管动态电阻只有 26 Ω,忽略它之前要和谁比较?

先乘 β2+1,再与 rbe2 比较。折算后的发射极阻抗可能已经与基极输入电阻同量级。

6. 题目把 Au 换成 Aus,为什么排序可能改变?

Aus 从信号源电压开始计,包含 Rs 与 Ri 的输入分压;Au 从放大器输入端电压开始计。两个量覆盖的电路范围不同。

这次学到:习题 3.2(b)、(c)、(d) 的分析及 3.3 的整体性能比较。下文继续 3.4—3.19;三极管主线从 3.5 的差分静态工作点、增益和输入电阻继续。

如果六问能用自己的话回答,再看电路时就应当知道哪些箭头需要保留:用来确定节点电流相加还是相减、用来写电压与电流的符号。图上不是每条线都需要编一段物理故事,但每个节点关系都得有依据。

第三章续讲 · 习题 3.4—3.19

3.4 共源接共集:先算后级,再决定能不能近似

这道场效应管题可以选学,但把解题步骤保留下来。原图是 3.1(e):第一管共源,第二管共集。已知 gm=15 mS、β=200、rbe=3 kΩ,图中 R1=10 MΩ、R2=2 kΩ,末级发射极 R4=5 kΩ。源极的 R3 被电容充分旁路。

先求共集输入电阻,才能知道它加载前级有多严重。下面各式用 kΩ 和 mS 配合,乘积自然无量纲:

Ri2 = 3 + 201×5 = 1008 kΩ
Au1 = −15×(2∥1008) ≈ −29.941
Au2 = 1005/1008 ≈ 0.9970
Au ≈ −29.85 ≈ −30

这里可以把 R2∥Ri2 近似成 R2,因为后级输入电阻大约是它的 500 倍。先看数值关系,再做近似,才能知道答案为什么可靠。

Ri = R1 = 10 MΩ
Ro = 5 kΩ ∥ [(3+2) kΩ/201] ≈ 24.75 Ω ≈ 25 Ω

求 Ro 时,输入信号置零使第一管的 gmugs 为零;忽略其输出电阻后,第二管基极看到的前级电阻就是 R2。最终结果把这两级的任务说得很清楚:输入端几乎不加载信号源,中间获得约 30 倍电压增益,输出端又能提供较低的输出电阻。

掌握标准:会解释为什么约等于 −30、为什么输出约 25 Ω。题目已经给 gm,本题不要求倒推场效应管内部参数或重新求静态工作点。

3.5 差分电路:100 Ω 的调零电位器不能直接删掉

已知两管对称,β=100,rbb′=100 Ω,UBEQ≈0.7 V;两侧 RC=10 kΩ,公共尾电阻 Re=5.1 kΩ,负电源为 −6 V。电位器总阻值 Rw=100 Ω,滑动端位于中点。

这一题必须分开做:先求静态电流,再求 rbe,最后画差模微变电路。千万别把 rbb′=100 Ω 当成整只管的 rbe。

3.5原电路重绘,电位器在中点时分为两个50欧支路,公共尾电阻流两管发射极电流之和。 +VCC = +12 V10 kΩ10 kΩT1T2+ uo −ui050 Ω50 ΩRe = 5.1 kΩ−VEE = −6 VIEQIEQ2IEQ

静态:每边经过 50 Ω,公共电阻经过两倍电流

两只管基极的静态电位都为零,所以发射极电位约为 −0.7 V。对称意味着两边的发射极静态电流相等,均记 IEQ。每半边电位器只有本侧电流 IEQ,而公共 Re 承担两边之和 2IEQ。

0.7 + IEQ(Rw/2) + 2IEQRe = 6
IEQ = (6−0.7)/(0.05+2×5.1) mA ≈ 0.517 mA

这又是箭头的用途:让你知道哪个电阻流一份电流,哪个电阻流两份电流。把 Re 前的 2 漏掉,后面的 rbe、增益都会一起错。

rbe = rbb′ + (β+1)UT/IEQ
≈ 100 Ω + 101×26 mV/0.517 mA ≈ 5.18 kΩ

差模:公共尾电阻不流增量电流,两个 50 Ω 仍然保留

纯差模作用下,两侧电流变化一增一减,公共尾电流的变化抵消;电位器中点是交流虚地。但是每一侧自己的 50 Ω 仍有本侧增量电流经过,不能跟着公共尾电阻一起消失。

3.5差模左半电路,输入为uid除以2,发射极50欧不能省略,集电极10千欧接交流地。 T1+uid/2RC = 10 kΩuc1Rw/2 = 50 Ωib1两个接地符号均表示交流参考点

令 uid=ub1−ub2,差模分量分别为 +uid/2 和 −uid/2。左半电路中:

uid/2 = ib1[rbe+(β+1)Rw/2]
uc1 = −βib1RC;uc2 = −uc1
uo = uc1−uc2 = 2uc1

输入的“除以 2”和双端输出的“乘以 2”抵消了,所以:

Ad = −βRC/[rbe+(β+1)Rw/2]
≈ −100×10/(5.18+101×0.05) ≈ −98
Ri = 2rbe+(β+1)Rw ≈ 20.5 kΩ

原图只给左端信号、右端接参考端,也可以分解成差模与共模。由于电路理想对称且采用双端输出,共模输出被相减抵消,以上差模结果仍决定输出。

为什么 Rw 只有 100 Ω,却让增益变化明显?

每侧 50 Ω 折算到基极,要乘 101,变成约 5.05 kΩ,与 rbe≈5.18 kΩ 同量级。它不是一个能随手忽略的小修饰。

必会:公共电流的 2、差模半电路的 1/2、双端输出的 2、rbb′ 与 rbe 的区别。会这道题,才算把“差模虚地”落实到计算。

3.6 两个输入都是正电压,也可以有差模信号

本题给 ui1=20 mV、ui2=10 mV,β=140,rbe=4 kΩ,左侧集电极电阻 10 kΩ,从左侧单端输出,尾部是理想电流源。

3.6理想尾电流源差分对,左侧集电极10千欧并单端输出,右侧集电极直接接电源。 +VCC10 kΩT1T2ui1ui2uoI−VEE

不要先猜,直接做输入分解

uic = (20+10)/2 = 15 mV
uid = 20−10 = 10 mV
20 mV = 15 mV + 5 mV
10 mV = 15 mV − 5 mV

“两端同时为正”只描述它们相对于地的符号;共模说的是共同变化部分,差模说的是两者之差。两种分量完全可以同时存在。

这次是单端输出,不能把上一题的增益直接搬来

Ad = −βRC/(2rbe)
= −140×10/(2×4) = −175

理想尾电流源固定总电流。在本题的匹配、小信号简化模型中,共模输入不改变两侧电流,因此 Ac≈0:

Δuo = Aduid + Acuic
≈ −175×10 mV = −1.75 V

−1.75 V 是相对原静态输出的变化量,不自动等于输出节点的总电压。总输出还要加上原来的 UOQ。输入是直流小变化,也可以用微变模型;“交流等效”这个习惯说法并不意味着只能代正弦波。

精度边界:10 mV 的差模输入是课本按线性模型估算的数值。要追求更高精度,需要考虑差分对的非线性电流分配,而不是把线性结果当成任意幅度都精确成立。

必会:先求共模与差模,再按正确输出端口求增益,最后区分 Δuo 与总电压。

3.7 场效应管差分对:差模分解的方法没有变

选学题。两只场效应管匹配,尾电流源理想;gm=10 mS,两侧漏极电阻 Rd=20 kΩ。输出定义为左侧漏极电压减右侧漏极电压。

3.7纯差模微变模型,两侧受控漏极电流变化分别为正delta和负delta,输出是左漏极电位减右漏极电位。 3.7 差模微变模型20 kΩ20 kΩ+ uo −+δ−δδ = gm·uid/2

差模输入使公共源极点成为交流虚地,因此两管栅源电压增量分别为 ±uid/2。每侧电流变化由跨导给出:

Δid1 = gmuid/2
Δid2 = −gmuid/2
uo = −Rd(Δid1−Δid2)
Ad = −gmRd = −10×20 = −200

图中没有跨接输入端的外部偏置电阻,理想栅极又不取电流,所以本题 Ri≈∞。与 3.2(d) 不同:那里存在从输入端通向地的偏置电阻,不能写成无穷大。

对应关系:三极管常出现 β/rbe,场效应管出现 gm;差模分解与单双端输出的处理方式相同。

3.8 五只三极管不等于五级:先找信号路线

这题最值得训练的是拆图。T1、T2 组成差分输入级;T3 及其偏置电阻提供尾电流;T4 是带发射极电阻 R5 的 PNP 共射级;T5 是共集输出级。信号路线只有三级,T3 不另算一级。

3.8信号分为差分单端输出、PNP共射、共集三级,T3单独提供尾电流偏置。 T1、T2:差分输入从 T2 集电极输出 +T4:PNP 共射发射极保留 R5 −T5:共集输出输出端接 R7 +R2 ∥ Ri2R6 ∥ Ri3T3 与 R1、R3、R4:尾部偏置

沿用辅导书的低频简化:忽略晶体管输出电阻,尾部近似恒流,输入差分对按近似对称处理。先从最后一级往前算输入电阻:

Ri3 = rbe5+(β5+1)R7
Ri2 = rbe4+(β4+1)R5

末级加载中间级,故 T4 集电极负载为 R6∥Ri3;中间级又加载输入级,故差分输出侧集电极负载为 R2∥Ri2。

逐级判断符号,再写式子

输入定义是 T1 基极减 T2 基极,但第一级从 T2 集电极输出。ui 增大时,T1 电流增加、T2 电流减少,T2 集电极电位上升,所以第一级为正。T4 共射反相,T5 共集同相,最终总增益为负。

Au1 ≈ +β1(R2∥Ri2)/(rbe1+rbe2)
Au2 = −β4(R6∥Ri3)/[rbe4+(β4+1)R5]
Au3 = (β5+1)R7/[rbe5+(β5+1)R7]
Au = Au1Au2Au3

辅导书第一级公式写 β1,这是按输入对近似匹配处理的结果。不能据此断言任意 β1、β2 不匹配时都能照用;失配明显或尾部不够恒流时,要对公共发射极节点重新列方程。本题课堂解答采用前述近似即可。

Ri ≈ rbe1+rbe2
Ro = R7 ∥ [(rbe5+R6)/(β5+1)]

求最后的 Ro 时,T5 基极看到中间级的输出电阻 R6,再通过射极跟随器折算。不要把 Ri2 填到这里:输入电阻和输出电阻是从不同端口看进去的量。

必会:先分偏置与信号,再从后往前找负载、从前往后乘增益。把答案展开成一整行并不会更高明,保留 Ri2、Ri3 反而方便核对。

3.9 最大摆幅与故障:元件坏了,要重新判断工作状态

电路由共射驱动级和互补输出级组成,正常电压增益为 −100,电源为 ±12 V,题设输出管饱和压降幅值为 1 V,输入为正弦波。以下按题目给出的摆幅限制估算,默认驱动与负载没有提前造成更小的限制。

3.9共射驱动加互补输出,R3位于正电源与二极管偏置链上方。输出电压相对地,输入参考端位于负电源。 +12 VR2R3T2T3uoRLD1D2T1R1+ ui−−12 V

第一问:峰值先算出来,再换成有效值

Uop,max ≈ 12−1 = 11 V
Uo,rms,max = 11/√2 ≈ 7.78 V
Ui,rms,max = 7.78/100 ≈ 77.8 mV

不能把 11 V 直接除以 100 后,仍把结果叫输入“有效值”。正弦峰值与有效值之间差一个 √2。若输入有效值只有 10 mV,则正常输出有效值为 1 V,且波形与输入反相。

R3 开路:原来的 −100 倍已经失去适用条件

R3 是上方偏置支路的电阻,不是“某个可有可无的交流负载”。它开路后,上管的正常驱动消失,T1 与下方 PNP 管 T3 形成异常的复合通路。原来的基极偏置仍在,静态工作点可能严重偏移。

按辅导书的分析,负载较大时,驱动管 T1 可能进入饱和,输出被拉到接近负电源一侧:

uo ≈ −12 + UCES1 + UEB3,约为 −11 V 的直流电平

这里约 −11 V 是特定故障工作状态下的估算,不是所有负载下唯一的精确答案。若负载较小,两管也可能仍在放大区,却流过很大的电流,造成功耗过大。题目没有给足所有参数,不能把故障后的输出继续机械写成“1 V 有效值”。

R3 短路:上管基极直接被拉到正电源

基极电位约为 +12 V,经发射结钳位,输出趋向:

uo ≈ 12−UBE2 ≈ +11.3 V(直流钳位估算)

这是故障后的直流工作状态估算,与正常小信号增益和正常摆幅估算属于不同模型。解题时先写“偏置改变,原增益不再适用”,再说明新的导通路径,比只报一个数字重要。

必会:峰值/有效值换算;故障后重画电路、重判状态。功耗问题在这里有直接用途:解释为什么“还能导通”不等于“还能正常放大”。

3.10—3.11 选运放:把要求对到最关键的指标

这两题不需要重推电路。它们训练你从需求中抓出主矛盾。课本给出的分类是教学上的优先选择,实际器件往往同时具有几类特征。

3.10 的需求优先类型判断理由
一般低频放大通用型(①)没有额外苛刻条件,普通指标即可满足
宽频带高速型(③)关注带宽和转换速率
1 μV 以下微弱信号高精度型(⑦)失调、漂移等误差可能比信号本身还大
信号源内阻 100 kΩ高阻型(②)减少输入加载及偏置电流产生的压降
负载需要 5 A大功率型(⑥)输出电流与功耗能力是主要限制
输出幅值要求 ±80 V高压型(⑤)电源和输出摆幅必须足够
题设宇航仪器的功耗要求低功耗型(④)在给定选项中突出能耗预算

最后一项是课本的分类答案,不意味着实际宇航器件只看功耗;真实选型还涉及可靠性、环境等要求。考试按题设给出的优先条件作答,不把这个标签背成万能规则。

3.11 不用把整张参数表背下来,只抓识别证据

表中器件类型最有区分力的证据
A1通用型各项指标较常规,没有某一项特别突出
A2高精度型UIO=0.01 mV,失调小;共模抑制比高
A3高阻型rid=1000 MΩ,输入电流很小
A4高速型SR=65 V/μs,单位增益带宽较大

掌握标准:每个选择能补一句“因为哪个指标”。光背 ①③⑦②⑥⑤④,换一种题面就容易错。

3.12 多路电流源:T3 帮忙供应基极电流

电源 +15 V,R=136 kΩ,各管 UBE≈0.7 V。T0、T1、T2 共用基极电位且特性相同,因而三者的 IC、IB 分别相等。额外的 T3 是射极跟随器,它给三只管的基极供电流。

3.12基极电流补偿的两处电流分配,电阻电流分成IC0和IB3,T3发射极电流再分成三个相等的基极电流。 +15 V136 kΩT3IB3IC0T0 集电极3IBIB0IB1IB2三份基极电流由 T3 发射极供应

先找电阻下端电位:这里经过两个发射结

电阻下端接 T3 基极;T3 发射极再连接下方三管的基极。相对于地,这个电阻下端约为 0.7+0.7=1.4 V:

IR = (15−0.7−0.7)/136 kΩ = 100 μA

不要只减一个 0.7 V。数清串过几个正向发射结,是直流读图题的重要得分点。

再列两处 KCL,不把参考电流直接当输出

T3 的发射极供给三个基极,所以 IE3=3IB,它自己的基极电流仅为这总量的 1/(β+1)。电阻电流只需供应 T0 的集电极电流和这一小份 IB3:

IB3 = 3IB/(β+1) = 3IC/[β(β+1)]
IR = IC + IB3
IC1 = IC2 = [β(β+1)/(β(β+1)+3)] IR
当 β(β+1)≫3 时,IC1≈IC2≈100 μA

普通镜像源中,基极电流直接从参考电流中扣;这里通过 T3 的电流放大,参考支路承担的误差更小。引入这只管的原因就是这个,不需要为了说明它而重讲全部载流子过程。

必会:两次 0.7 V、三份基极电流、T3 再除 β+1。公式不必整条死记,能从两个节点推出即可。

3.13 有源负载:两只管的动态电阻要并联

选学题。输入管 T1 为共源,T2、T3 构成镜像负载。题目特意给出 rds1、rds2,这次不能沿用“忽略所有输出电阻”的近似。

3.13输出微变模型,gmui受控电流源与rds1和rds2并联,三者下端均为交流地。 3.13 输出端微变模型uogmuirds1rds2

两条电源线在交流中都是地。从输出节点看,rds1 和 rds2 都接向交流地,所以并联。输入升高使下管向下吸取更多电流,输出节点电位下降:

Δid1 = gmΔui
Δuo = −gmΔui(rds1∥rds2)
Au = −gm(rds1∥rds2)

镜像负载的优点在于动态电阻很大;但输入管自身的输出电阻也有限,会限制总负载。这里不能写 −gmrds2 而把下管的通路丢掉。

3.14 镜像负载如何把两侧信号合到一个输出

选学题。上方两管是匹配的 P 沟道差分输入对,下方两管组成镜像负载,输出取右侧。结果与“只取普通差分对一侧的电阻电压”不同:镜像会把另一侧电流变化也送到这个输出节点。

3.14右侧输出节点,P沟道输入使T2流入电流增加delta,镜像使T4流出电流减少delta,净注入增加2delta。 当 ui1−ui2 增大T2:流入增加 δuo ↑T4:流出减少 δ净注入 +2δ

设 uid=ui1−ui2 为小的正变化。P 沟道输入管左侧电流减少 δ,右侧电流增加 δ;左侧的减少又通过镜像,使右侧向下抽取的电流减少 δ。输出节点同时“多流入 δ”和“少流出 δ”,合起来就是 2δ。

δ = gmuid/2
Δi注入输出 = δ−(−δ) = 2δ = gmuid
Δuo = gmuid(rds2∥rds4)
Au = +gm(rds2∥rds4)

本题为正号,必须与 P 沟道输入、镜像位置、取输出的一侧一起判断。把它改成 N 沟道输入或换输出端,不能保证仍然同号。

关键:镜像负载不仅提供大动态电阻,还能把两侧差模电流贡献合并到单端输出;因此不能机械补一个“单端一定除以 2”。

3.15 共射—共基:既保护超 β 输入管,又改善频率特性

输入差分对 T1、T2 是超 β 管,集电极分别接到上方 T3、T4 的发射极。上管基极由偏置支路保持较稳定的电位。这就是每侧的共射—共基组合。

3.15抽出左侧共射共基支路,T1集电极接T3发射极,T3基极偏置比T1发射极高约1.4伏。 共射—共基:左侧支路T1T3RC+VCCVC1 = VE1+0.7 Vui1VB3VE1VB3 = VE1 + 1.4 V

依照题目选项,答案依次为 C、C、B、A。更重要的是每个选择的理由:

  1. 共射—共基。下管从基极输入,信号电流进入上管发射极,上管从集电极输出。
  2. 展宽频带。共基输入端阻抗低,使下管集电极的交流电压变化较小,减轻跨接输入与输出的结电容造成的影响。第四章会用米勒效应把这句话算清楚。
  3. 超 β 管增强放大能力。较大的 β 有利于用小输入电流控制电流变化;它不意味着耐压更高。
  4. 下管静态管压降约 0.7 V。偏置的两个二极管给出约 1.4 V,上方晶体管发射结再减去约 0.7 V。
VB3−VE1 ≈ UD1+UD2 ≈ 1.4 V
UCE1 = VE3−VE1 ≈ 1.4−UBE3 ≈ 0.7 V

另一侧同理。把输入管管压降限制在较小范围,是电路安排出来的;不能倒过来说超 β 管本来就耐高压。

3.16 用电流相减作为输入:这次放大倍数有单位

T1、T2 构成简单镜像电流源;iI2 输入到参考端,iI1 输入到 T2 集电极与 T3 基极的公共节点。题设 β≫2,先忽略镜像的基极电流误差。

3.16镜像电流相减。iI1流入T2集电极和T3基极节点;iI2进入T1的二极管连接镜像参考端,T3共射输出。 +VCCRCT3uoiI1iC2T2T1iI2
iC2 ≈ iC1 ≈ iI2
iB3 = iI1−iC2 ≈ iI1−iI2

节点处一股输入电流流进来,一部分被镜像支路抽走,剩下的才进入 T3 基极。你在图上画箭头,就是为了明确这个“剩下的”应该相减。

Δuo = −β3RCΔiB3
Aui = Δuo/Δ(iI1−iI2) ≈ −β3RC

这是电流输入、电压输出的跨阻增益,单位 V/A,也就是 Ω。写成 −100 kΩ 是合理的;写成“放大了十万倍电压”则把输入输出量搞错了。

iI1 单独增大,使 T3 电流增加、输出降低,所以它是反相输入;iI2 增大,使镜像抽走更多电流、T3 基极电流减少、输出升高,所以它是同相输入。以上是围绕合适 Q 点的小变化,不能让总基极电流变成物理上不可能的状态后仍照套。

必会:镜像关系、节点电流相减、共射负号、增益单位。β≫2 的条件用于允许忽略参考支路供应的两份基极电流。

3.17 交越失真与过流保护:两套元件解决两件事

两个电路都用互补输出管。先把“零点附近导通不连续”和“负载电流过大”分开,它们不是同一种故障,也不是由同一组元件负责。

(a):D1、D2 负责静态偏置,D3、D4 负责过流分流

D1、D2 在上下管基极之间建立适当电压,使输出管在静态微导通,减轻零点附近两管同时截止的交越失真。输出管发射极串联的 R 则把负载电流转换成电压。

3.17a只展开正半周保护,D1提供偏置,D3从偏置中点接输出节点,输出管发射极串联采样R。 (a) 正半周:二极管限流T2+VCC驱动D1D3RuoRL负半周由 D4 保护下管

只看正半周,上管 T2 导通。D3 两端的电压近似为:

uD3 = uBE2 + ioR − uD1
若 uBE2≈uD1,则 uD3≈ioR

电流正常时,ioR 较小,D3 截止;过流时,采样压降增大到使 D3 导通,它分走驱动电流,限制上管继续增加输出。负半周由 D4 保护下管 T3。不同版本解答若把这里的下管写成 T4,应按原图的器件编号核对。

(b):用晶体管感知采样压降

T4、T5 的二极管接法提供静态偏置;R2 是采样电阻;T6、T7 是保护管。看正半周,T6 的基极与发射极跨在上方采样电阻两端:

3.17b只展开正半周保护,T6基极接采样电阻上端、发射极接输出端、集电极接T2基极以分流驱动。 (b) 正半周:晶体管限流T2+VCCR2T6uoRLT6 的 uBE 约等于采样压降
uBE6≈ioR2
Ilim≈UBE,on/R2

例如按 0.6 V 开始明显导通估算,若采样电阻为 0.3 Ω,则限流开始发生的量级约 2 A。这个数值是教学估算,实际阈值随器件与温度变化,并非理想的硬开关。

T6 导通后从上管基极节点分走电流。保护动作的方向必须是“电流越大,驱动越弱”,否则就不是过流保护。负半周由 T7 完成对应动作。

必会:指出哪组负责偏置、哪组采样、哪组分流,再用一条 u≈iR 说明保护如何启动。

3.18 高精度运放读图:沿一条输入变化追到底

题图很复杂,但只问输入极性和几个局部的作用。先把输入对、镜像负载、跟随级、共射级和互补输出级分开。下面是原图的信号路线重绘,偏置电流源另列在文字中。

3.18:ui1 上升时的信号路线 3.18:ui1 上升时的信号路线差分对+镜像负载右侧节点上升T5:PNP 跟随T6 基极上升T6:PNP 共射集电极输出下降T7、T8 复合跟随;T9 跟随后续驱动电位下降T10、T11 互补输出uo 下降仅展开信号路线,偏置支路另述

输入极性:令 uI1 增大,另一输入不变

先看差模作用。T1 电流增加,T2 电流减少。镜像管 T3、T4 把左侧增加的电流变化送到右侧,因此右侧输出节点更容易上升。这个节点接 T5 基极。

T5 是 PNP 射极跟随关系,发射极电位随基极上升;它驱动 T6 基极。T6 是 PNP 共射,基极上升使集电极电流减小,在电流源 I3 的加载下,其集电极输出节点下降。

后面的 T7、T8 构成复合跟随级;T9 从发射极输出,也是跟随关系;最后互补输出仍跟随。因此后面不再额外反相,最终 uo 下降。

uI1 增大 → uo 减小:uI1 是反相输入
uI2 增大 → uo 增大:uI2 是同相输入

这里容易错把 T9 当成共射。要看输出从哪里取:原图由它的发射极去驱动末级,所以它不再反相。

其余三问:用“直流任务+交流任务”回答

  • T3、T4:组成镜像电流源,作为输入差分对的有源负载;同时把两侧差模电流变化合到单端输出,避免普通单侧电阻输出只利用一半变化的限制。
  • I3:给 T6 设置静态电流;交流上提供很大的动态负载电阻,提高这一共射级的电压放大能力。
  • D2、D3:给互补输出级提供适当静态偏置,使输出管微导通,减轻交越失真。

掌握标准:能按节点电位变化复述一次输入极性的判断,并说清三组器件的功能。没有必要把整张图每根导线的位置背下来。

3.19 真实运放内部图:先认结构,再认辅助支路

5G28 题图同时出现结型场效应管和双极型三极管,因此属于 Bi-FET 混合结构。注意“单极型管”是场效应管这一类器件的称呼,并不等于它只能用单电源。

3.19:Bi-FET 的三级信号结构 3.19:Bi-FET 的三级信号结构T2、T3:场效应管差分输入高输入电阻,单端输出T7、T8:复合共射主要电压放大T10、T11:互补输出驱动负载,低输出电阻R7、R9:采样限流;C:补偿

信号放大部分共三级

  1. 第一级:T2、T3 组成双端输入、单端输出的差分放大级。场效应管输入有利于获得高输入电阻、小输入电流。
  2. 第二级:T7、T8 构成复合共射放大级,承担较大的电压放大。把两管作为组合看;不能因其中一只局部呈跟随连接就把整个组合判为共集。
  3. 第三级:T10、T11 构成互补输出级,改善带负载能力。

其余器件参与偏置、电流源、有源负载、调零或保护,不是每增加一只管就增加一级放大。

R7、R9 为什么只有 50 Ω,还需要专门问

它们串在上下输出管发射极路径中,对负载电流采样。采样压降与 D3、D4 配合,在过流时分流驱动,限制输出电流。读法与上一题的二极管保护相同。

补偿电容 C 不是“高频时把信号都旁路掉”

C 用来调整运放的频率响应,避免引入负反馈后因高频附加相移造成自激。它往往以牺牲一定速度来换取稳定性。第四章先学习增益与相位怎样随频率变化,第五章再解释负反馈为什么会在某些频率变成促使振荡的作用。

必会:Bi-FET 的含义、三级信号结构、采样限流、频率补偿的目的。现在能定位 C 并解释它服务于稳定性即可,不要求提前背后面章节的全部补偿公式。

第三章收束:把每种题型归到一套动作

遇到什么题第一步完成标准
多级增益、电阻先分信号级与偏置支路后级加载前级,端口、符号、单位都对应
差分计算先静态,再分差模与共模会画半电路,正确处理单双端及发射极电阻
镜像电流源先沿发射结找参考电阻压降列出基极电流去向,知道何时可近似相等
输出级与故障认偏置、输出通路和采样支路分清正常增益、摆幅、故障直流电位
复杂运放读图沿一个输入的微小变化逐级追踪判输入极性,说明局部器件功能
指标与选型明确需求限制在哪个物理量用参数作理由,避免只背型号分类

本页已覆盖纸面章末习题 3.1—3.19。正文已按 3.1—3.7 补全主要推导,并附 3 个正文例题、19 道节末思考题和 5 道章末自测;数字资源全文与辅导书全部拓展例题不计入完成范围。场效应管题也给出分析,但保留“选学”标识,方便按老师进度安排。

下一章接第四章:先用一个 RC 电路讲清“频率变了,为什么增益和相位会变”,再进入三极管高频模型、米勒效应和多级带宽。

来源与使用范围

正文补全依据用户提供的《模拟电子技术基础》第六版印刷第 117—161 页,例题、思考题与自测对照第 123—164 页,并结合配套辅导书第 90—96 页难点释疑及第 114—117 页自测解答;习题 3.1—3.19 对照教材印刷第 164—170 页及配套《学习辅导与习题解答》第六版相关解答校核。3.4—3.19 对照教材第 166—170 页、辅导书第 121—129 页逐题校核。

本文采用独立讲解与矢量重绘;自设数值例题均已明确标注。正文按教材顺序独立讲解,保留必要推导、工作区检查与近似条件;纸面章末习题已逐题覆盖,另附数字资源和拓展题不在这一完成声明中。网站仅发布讲义,不提供所用教材 PDF 的公开副本。

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