第六讲-非线性放大电路
放大器的非线性
非线性
电路非线性
输出与输入信号之比为一个变量，即输出与输入 之间的关系不是一条具有固定斜率的直线； 小信号增益随输入信号电平的变化而变化。
放大器的非线性
当输入为正弦信号时，由于放大器的非线性，输 出波形不是一个理想的正弦信号，产生了失真， 这种由于放大器参数的非线性所引起的失真称为 非线性失真。 非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分， 所以又称为谐波失真。
非线性的度量方法（1）
泰勒级数系数表示法
对所关心范围内输入输出特性用泰勒展开来近 似：
y( t ) 1 x( t ) 2 x 2 ( t ) 3 x 3 ( t )
对于小的x，y(t)≈α1x，表明α1是x≈0附近 的小信号增益； α2，α3等即为非线性的系数； 非线性的大小即为确定上式中的α1，α2等系数。
MOS管作为其电阻。
VG R Vo Vi C
Vi C
A
选择VG的电压使MOS管工作在线性区，因 此根据萨氏方程有：
id K N (VGS VDS Vth )VDS 2
+ -
+ -
A
Vo
MOS管作为电阻的非线性
对上式进行泰勒展开得：
id K N (VGS 1 2 Vth )(VD VS ) K N (VD VS2 ) 2
A2 Vm A 4(VGS Vth )
可以看出MOS放大器的非线性失真是由于 输出电流与输入电压的平方关系所引起的。 当Vm很小时，二次谐波可以忽略。
放大器传输特性引起的非线性
带电阻负载的共源放大器的传输特性如图所示。
Vo VDD
Vth
运放的非线性应用原理
运放的非线性应用原理1. 引言运放（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种广泛应用于电子电路中的集成电路器件。
除了典型的线性应用，运放还可以应用于非线性电路中，实现多种有趣而实用的功能。
本文将介绍运放的非线性应用原理，并使用列点的方式进行阐述。
2. 非线性应用原理以下列出了几种常见的运放非线性应用原理：•比较器（Comparator）：通过利用运放的放大特性和比较特性，将输入信号和参考电压进行比较，并输出高或低电平的信号。
比较器常用于判断信号的高低电平或超过阈值等特定条件。
在计算机数字电路中，比较器也用于二进制数据的比较与处理。
•正弦波产生器（Oscillator）：利用运放的正反馈特性，实现自激振荡电路，产生稳定的正弦波信号。
正弦波产生器常应用于音频设备、信号发生器以及通信设备中。
•多谐振荡器（Multivibrator）：通过运放的放大特性和正反馈特性，构建多谐波振荡电路。
多谐振荡器可产生方波、矩形波和锯齿波等多种波形信号。
在电子乐器、通信设备和数字电路中，多谐振荡器有广泛的应用。
•限幅器（Clamper）：通过限制输入信号的幅值，实现对信号的限制和修正。
限幅器多用于音频设备和通信设备中，用于保护后续电路不受高幅值的输入信号的干扰。
•焊接控制器（Soldering Iron Temperature Controller）：运放非线性应用在温控领域中也有应用。
焊接控制器可通过运放的非线性运算功能，实现对焊接烙铁温度的精确控制。
在焊接电子元件时，可根据焊接环境和元件要求来控制烙铁的温度。
3. 非线性应用实例分析将以限幅器为例，对非线性应用原理进行实例分析：3.1 限幅器原理限幅器的原理是通过控制开关电路的导通和断开来限制输入信号的幅值。
输入信号超过设定的上下限幅值时，运放会切断输出信号。
以下为限幅器的工作原理：1.以一个正弦波信号作为输入信号。
2.设置上下限幅电压值。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真The document was prepared on January 2, 2021放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一.本章先从非线性的定义入手,确定量化非线性的一个度量标准,然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性,并介绍一些线性化的技术.概述非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量,体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线,或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化.放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时,由于放大器管子的非线性,使输出波形不是一个理想的正弦信号,输出波形产生了失真,这种由于放大器管子参数的非线性所引起的失真称为非线性失真.由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分,所以又称为谐波失真.非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα 对于小的x ,y t≈α1x ,表明α1是x ≈0附近的小信号增益,而α2,α3等即为非线性的系数,所以确定式中的α1,α2等系数就可确定.2 总谐波失真THD 度量法：即输入信号为一个正弦信号,测量其输出端的谐波成分,对谐波成分求和,并以基频分量进行归一化来表示,称为“总谐波失真”THD .把xt=Acosωt 代入式中,则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα由上式可看出,高阶项产生了高次谐波,分别称为偶次与奇次谐波,且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方.例如考虑一个三阶非线性系统,其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线即直线的最大偏差来度量非线性.在所关心的电压范围0 V i,max 内,画一条通过实际特性曲线二个端点的直线,该直线就为理想的输入/输出特性曲线,求出它与实际的特性曲线间的最大偏差ΔV ,并对最大输出摆幅V o,max 归一化.即在如图所示.V图 非线性的确定单级放大器的非线性1 由于管子特性引起的非线性以共源放大器为例来说明单级放大器的非线性,如图所示是带电阻负载的共源放大器.V S +v sVo图 共源放大器图中V S 为M 1管的直流工作点,即栅源电压,而v s 则为输入的交流小信号,假定输入的交流小信号为：t cos V v m s ω= 则根据饱和萨氏方程可得其漏极电流为： 2)cos (t V V V K I m th GS N D ω+-=上式中I D0为直流输出,所以在输出端的交流信号可表示为：+++-=)]2cos(1[21cos )(22t V K t V V V K I m N m th GS N d ωω输出信号的基波与二次谐波的幅度之比为：)(42th GS mV V V A A -=ωω 由上式可以看出MOS 放大器的非线性失真是由于输出电流与输入电压的平方关系引起的,当V m 很小时,二次谐波可以忽略.2 由放大器传输特性引起的非线性带电阻负载的共源放大器的传输特性如图所示.V图 带电阻负载的共源放大器的传输特性由上图可以看出,放大器的非线性失真与输入信号大小、直流工作点偏置点有关.一般放大器的最大输出幅度是指无失真的输出.所以当偏置点不同时同一放大器的输出幅度是不同的.由于V o ＝V DD －I D R ,而放大器的电压增益为：A v =－g m R ,所以当电源电压为常数时,随着电阻R 值的增大,放大器的增益增加,但输出幅度的动态范围减小.差分电路的非线性对于差分电路,由于输入与输出间表现出一种“奇对称”的关系,即f －x=－fx ,所以对式的泰勒展开式进行简化,应只有奇次项,所有的偶次项系数为零,即输入为差分信号时差分放大器不存在偶次谐波,从而减少了非线性.V图 相同电压增益的单端放大器与差分放大器对于如图所示的差分放大器,其小信号电压增益为：)(2 R V V K R g A th GS N m v -=≈ 与共源放大器一样,假设输入信号为V m cosωt .则有：21D D o I I I -= 21GS GS id V V V -=根据饱和萨氏方程有：22221)(4 2idth GS id N id NS idN D D V V V V K V K I V K I I --=-=-从式可以看出,只有当N S id K I V /2≤时,I D1、I D2才有意义,而当V id 较小时,△I D ＝I D1－I D2和V id 才是线性的.所以一般认为在满足N S id K I V /±≤时,差分放大器是线性的.如果|V id |<<V GS －V th ,则将式中的根号下的式子展开得：)(8cos cos )(2 )(81)(2)(41)(2233222221⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---≈---=-th GS m m th GS N th GS idth GS id N th GS idth GS di N D D V V t V t V V V K V V V V V V K V V V V V V K I I ωω 利用三角函数的性质cos 3ωt=3cosωt+cos3ωt/4对式进行进一步的简化,有：)(32)3cos(cos )(323232321th GS m m th GS m m m D D V V t V g t V V V V g I I --⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-ωω 由上式可以看出：差分放大器的非线性失真只包含有奇次谐波,而无偶次谐波分量,且当])(32[323th GS m m V V V V ->>时,其三次谐波分量与基次谐波分量的比值为： )(32/22th GS m V V V -.与式相比可发现：在提供相同的电压增益与输出摆幅的情况下,差动电路呈现的失真要比共源放大的失真要小得多.电路中器件引起的非线性前面介绍的者是假定无源组件为线性,但实际上,特别是在集成电路中,无源组件也都是非线性的.这里主要介绍电容以及用MOS 管作电阻的非线性. 1 电容的非线性电容的非线性主要体现在开关电容电路中,电容器对电压的依赖关系可能会引入相当大的非线性.如图所示的电容结构,则是一个非线性电容.图 一种非线性电容结构对于图中的电容,由于其电容值的大小与PX 二点的电压值即电容两端的电压有关,通常此电容可表示为：)1(2210 +++=V V C C αα 为了考虑电容非线性的影响,分析如图a 所示的开关电容电路.CV oV i0a b图 a 非线性电容的开关电容电路 b 输出曲线假设图中放大器输入电容C 1上有一初始电压为V i0,而输出电容C 2的初始电压为零,且C 1是一非线性电容,并假设C 1/C 2＝K 电路的死循环增益,C 1＝KC 01＋α1V ,则电容C 1上获得的电荷为：201000100112)1( 00i i V V V KC V KC dV V KC dV C Q i i αα+=+==⎰⎰而在放大模式终止时,电容C 2上的电荷为：2100222o o V V C V C dV C Q oα+==⎰而根据电荷守恒定理,Q 1＝Q 2,所以可令式与式相等,则可求得：)211(10120211i i o V K V K V ααα+++-=上式中平方根项下的后两项通常远小于1,因此可以对平方根项展开,有：20102)1(i i o V K K KV V α-+≈从上式可以看出输出电压V o 的非线性是由第二项产生的.2 MOS 管作为电阻的非线性如图所示,为一个有源滤波器,其中使用MOS 管作为其电阻,V VGV oV V o图 用MOS 管作为电阻的有源滤波器选择V G 的电压使MOS 管工作在线性区,因此根据萨氏方程有： DS DSth GS N d V )2V V V (K i --= 对上式进行泰勒展开得：+----=)(21))((22S D N S D th GS N d V V K V V V V K i 式中V D －V S ＝V DS ,则其等效电阻为：++--==)(21)(S D N th GS N DS d V V K V V K V i R 上式中第一项为线性电阻,第二项为非线性电阻,使滤波器电路产生非线性,所以用简单管子工作在非饱和区作电阻时使电路产生非线性,当V D ＋V S 很小时,非线性可以忽略.克服非线性的技术 原理在模拟电路中改善和克服非线性失真的方法基本上都是采用负反馈.其基本的工作原理如下：考虑放大器的非线性失真时,输出信号可以表示为：h v di v o v DA v A v 00+=式中D 为谐波失真系数,v h 为输入端的谐波信号.则一个反馈系统可用图表示.Dv图 反馈系统的对非线性的影响的原理框图由上图可得到：of v f v F v ⋅= f sf di v v v -= di v h v of v A Dv A v 00+=把式、代入式h v sf v v v of Dv A v A F A v 000)1(+=+即：vv hv vv sf v of F A Dv A F A v A v 000011+++=上式说明,非线性失真减小是用降低系统增益换来的,反馈放大器输入信号幅度与无反馈时相同,则负反馈放大器的输出信号缩小了1＋A v0F v 倍.为了便于比较,应将输出信号中的基波幅度调到与无反馈时相同,则有： s v v sf v F A v )1(0+= 把式代入到式中可得到：vv hv s v of F A Dv A v A v 0001++=由上式可以看出负反馈作用使放大器输出信号中的谐波成分减小了,若以D F表示,则有： vv F F A DD 01+=上式说明负反馈放大器非线性失真比无反馈放大器减小了1＋A v0F v 倍.上述情况也可以从放大器的传输特性曲线来理解.假定一个放大器一般放大器的开环传输特性曲线失真可以用分段线性近似,如图所示.图 传输特性曲线失真的分段线性近似表示法当v s ≤V s1时,放大器开环增益为A 1；当V s1＜v s ≤V s2时,放大器开环增益为A 2；当v s ＞V s2时,放大器开环增益为A 3.实际为传输特性的斜率,从此可以看出A 3为零,由于放大器随着输入信号的变化放大器增益的不一致,使输出波形将有失真.当放大器加反馈后该放大器闭环时的增益分别为假定反馈系数都为F v vvo v v F A A A 10111+=vvo v v F A A A 20221+=当反馈深度足够时,则有：A v1=1/F v ,A v2=1/F v ,A V3=0因为A 3＝0.由上述关系画出闭环放大器传输特性如图中虚线所示,可以看出放大器的增益降低了,但线性范围扩展了,只有当v s >V s2时输出信号被限幅,才会失真.所以负反馈放大器在输出信号中非线性失真减小,反馈越深,负反馈放大器线性工作范围越大缓冲器最大：它是全反馈,非线性失真也越小,当放大器进入饱和区后,输出波形限幅.当放大器输入信号本身包含有谐波成分时,负反馈是无法将这种谐波成分减小的,只有加滤波器.改善放大器非线性失真的实际电路1 共源放大器线性电阻源级负反馈如图a所示,这是一个串联负反馈电路,且反馈系数为F＝R S.VoViIa b图a带电阻负反馈的共源级 b不同反馈时的漏电流与Vi的关系负反馈减小了晶体管栅源之间施加的信号的摆幅,因此使得输入－输出特性具有更好的线性.忽略体效应,共源级的等效跨导为：1Smmm RggG+=当g m R S>>1时,则G m接近于1/R S,这是一个与输入无关的值.由图b可以发现R S越大,则ID越稳定.该电路的电压增益为：G m R,由于R S与R都是线性化的,因此A v也是线性的.并且该电路的线性范围直接取决于g m R S,g m R S越大则线性范围越大.例对于一个偏置电流为I0的共源级放大电路如图所示,其输入电压摆幅使漏电流由变化到.则MOS管的跨导发生变化,引起电路的非线性失真,计算以下三种情况下小信号电压增益的变化a R S＝0,b g m R S＝2的负反馈,c g m R S＝4,其中g m是I D＝I1时的跨导.解：假定M1工作于饱和区,则有DmIg∝.则：a当R S＝0时,即不存在负反馈时,有：4.06.0,,=lmhmggb 当g m R S＝2时,由式可得：4.06.00.89)6.021()4.021(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=SmmSmmlmhmRggRggGGc 同理,当g m R S ＝4时有：4.06.00.86 )6.041()4.041(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=S m m S m m lm h m R g g R g g G G由式与式可知：当g m R S ＝2时,线性度提高了11%；而当g m R S ＝4时,线性度提高了14%.2 差分放大器的线性负载共源放大器线性电阻源级负反馈,可直接应用到差分放大器中形成差分放大器的线性负载负反馈.如图a 、b 所示.a b图 差分对中使用的源级负反馈 a 一个电阻 b 两个电阻图a 、b 中的差分输入的半电路相同,如同图a 所示.因此其负反馈的作用也与带线性电阻负反馈的共源放大器的效果一样.在图a 中, V GS 抬高了I S R S /2电压值比不带反馈的放大器,而当V id ＝0时,电阻上通过I S /2的电流,因而提高反馈深度以提高线性范围与输出压摆之间是一矛盾的关系,另外,失调与噪声都存在负反馈作用,所以对失调与噪声都有改善.而图b 中,仅用一个电阻,且电阻2R S 上无电流流过,因此失调与噪声不存在负反馈作用,所以容易产生较大的失调和噪声.在MOS 差分运算放大器中,要求R S 能很精确,但是由于工艺原因,其电阻值存在着很大误差,所以一般在制造中采用工作在很深三极管区的MOS 管作为电阻,此时的电阻呈线性特征,当V DS 很小时有：R on3=1/2K N V GS -V th .如图所示.图 通过工作在深线性区的MOSFET 实现负反馈的差分对然而,当输入摆幅较大时,不能保证M 3处于深线性区,因此它的导通电阻将会增大,从而引入了非线性.当图中的电阻R S 用两个工作于深线性区的NMOS 管来实现时,就构成了如图所示的电路.图 用两个工作在线性区的MOSFET 负反馈的差分对当V id ＝0时,M 3与M 4都处在深线性区.假设V id 为负值,即V G1＜V G2,由于V D4＝V G4－V GS2,晶体管M 4处在线性区,而M 4则因为其漏极电压大于栅源电压,最终将进入饱和区.因此,即使一个负反馈器件进入饱和区,电路仍能保持相对线性.在设计时,令W/L 1,2≈7W/L 3,4,则可得到较宽的线性范围.但是在图中,当M 3、M 4进入饱和区时,电阻增加,在管子上的压降增大,使电路脱离了线性区.3 改变输入对管的输入特性来克服放大器的非线性强制输入对管始终工作在深的线性区,如图所示,图中运放A 1、A2使得：V A ＝V B ≈V b,且不受输入电平变化的影响,而且要求V b <<V GS1－V th1,因此输入对管M 1、M 2始终工作于深线性区.13V b图 输入器件工作在线性区的差分对该电路的特点为：1 由于M 1、M 2工作于深线性区,故它们的跨导较小,且为：g m1=g m2=2K N1V DS =2K N1V b . 所以这种线性范围的扩大是以增益的降代为代价的.2 因为M 1、M 2的工作状态与V i 的共模电平有关,所以输入共模电平必须严格控制,并跟踪V b ,以便确定I D1和I D2.3 M 3,M 4与两个辅助放大器在输出端会产生很大的噪声.4 利用器件特性的互补法其思路是将放大器看作由一个电压－电流V/I转换器后面再接一个电流－电压I/V转换器构成.这样在理想情况下,电压－电流转换时的非线性用其后的电流－电压的非线性相互抵消,从而产生线性的放大器.但在实际中,由于存在着各种其它非理想效应都会在电路中产生非线性,从而减小了放大器的线性工作范围.。
第6讲 放大电路的分析方法
得： vCE = VCEQ+ ICQR L
图解分析 法
2.
通过图解分析，可得如下结论： 动态工作情况分析 1. vi vBE iB iC vCE |-vo| 2. vo与vi相位相反； 输入交流信号时的图解分析 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数； 4. 可以确定最大不失真输出幅度。
理想二极管
利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。
2. 晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）
• 在交流通路中可将晶体管看成 为一个二端口网络，输入回路、 输出回路各为一个端口。
u u BE f (iB， CE ) u iC f (iB， CE )
BJT的小信号建模
建立小信号模型的意义
在小信号情况下，对上两式取全微分得
dvBE diC vBE iB
VCE
diB
vBE vCE
IB
dvCE
i C i B
VCE
diB
i C vCE
IB
dvCE
用小信号交流分量表示 vbe= hieib+ hrevce
ic= hfeib+ hoevce
BJT的小 信号建模
解：（1）
IB VCC VBE 12V 40uA Rb 300k
共射极放大电路
I C I B 80 40uA 3.2mA
VCE VCC Rc I C 12V - 2k 3.2mA 5.6V
静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。 V 12V I B CC 120uA I C I B 80 120uA 9.6mA （2）当Rb=100k时， Rb 100k
放大器的非线性
v s = Vm cos ωt
MOS管特性引起的非线性 管特性引起的非线性
根据饱和萨氏方程可计算出该放大器的漏极 电流为： 电流为：
I D = K N (VGS − Vth + Vm cos ωt ) 2
2 = K N (VGS − Vth ) 2 + 2 K N (VGS − Vth )Vm cos ωt + K NVm cos 2 ωt + ⋯⋯
2 = K NVid 4(VGS − Vth ) 2 − Vid
如果|V 假设输入信号为V 如果 id|<<VGS－Vth，假设输入信号为 mcosωt， 则可简化为： 则可简化为：
I D1 − I D 2
3 3 Vm cos( 3ωt ) 3Vm cos ωt − g m = g m Vm − 2 32(VGS − Vth ) 32(VGS − Vth )2
非线性的度量方法（ ） 非线性的度量方法（1）
泰勒级数系数表示法
对所关心范围内输入输出特性用泰勒展开来近 似：
y( t ) = α 1 x( t ) + α 2 x 2 ( t ) + α 3 x 3 ( t ) + ⋯
对于小的x， 对于小的 ，y(t)≈α1x，表明 1是x≈0附近 ，表明α 附近 的小信号增益； 的小信号增益； α2，α3等即为非线性的系数； 等即为非线性的系数； 非线性的大小即为确定上式中的α 等系数。 非线性的大小即为确定上式中的 1，α2等系数。
非线性电路讲解
谢谢
伏安特性可以看成G1、 G2 、G3三个电导并联后 的等效电导的伏安特性 。
G2 =Gb- Ga G3=Gc- Gb
1.3 工作在非线性范围的运算放大器
1.理想运算放大器的饱和特性
uu+ iud i+ _ + ∞ + Usat uo o ud uo
有关系式： i 0 i 0
-Usat
解
u 100i i 3 100 0.01 0.013 1 10 6 V 忽略高次项， u 100 0.01 1
性化引起的误差很小。
当输入信号很小时，把非线性问题线 表明
3.非线性电阻的串联和并联
①非线性电阻的串联
i1
i2
i i1 i2 u u1 u2
把伏安特性分解为三个特性： 当u < U1有： G1u =Gau
G1=Ga
Ga
U1 U2
当U1 <u < U2，有：
i
G1u+G2u =Gbu G1+G2 =Gb
当U2 <u ，有： o Ga U1
Gb
U2
Gc u
G1u+G2u +G3u=Gcu G1+G2 +G3=Gc
解得： G =G 1 a
结论 隧道二极管的
u
u
非线性电阻在某一工作状态 下(如P点)的电压对电流的导数。
注意
①静态电阻与动态电阻都与工作点有关。当P点 位置不同时，R 与 Rd 均变化。 ②对压控型和流控型非线性电阻，伏安特性曲 线的下倾段 Rd 为负，因此，动态电阻具有 “负电阻”性质。
例 一非线性电阻的伏安特性 u 100i i
模拟电子技术实验-集成运算放大器的非线性应用电路
实验: 集成运算放大器的非线性应用电路一、实验目的1.掌握单限比较器、滞回比较器的设计、测量和调试方法。
2.掌握电压比较器应用电路电压传输特性的测试方法。
3.学习集成电压比较器在电路设计中的应用。
二、实验内容CCV+87651234OE IN-IN+CCV-LM311OCBAL/STRB BAL图1 741Aμ和LM311的引脚图1. 电压比较器（SPOC实验、Multisim仿真实验）（1）学习SPOC实验内容，利用Multisim仿真软件，按图2接好电路，电阻R1=R2=10kΩ，电阻R3为5.1kΩ。
由函数信号发生器调出1000Hz，峰峰值为5V，偏移量为0V的正弦交流电压加至iu端。
按表中给定数值改变直流信号源输入电压U R。
利用示波器通道1测量输入iu电压波形，通道2测量输出ou端的矩形波波形如图3所示。
其中稳压管VS选取：“DIODE”→“ZENER”→“1N5233B”iuou图2 电压比较器图3 输出电压波形（2）按表1中给定值调节U R的大小，用示波器观察输出矩形波的变化，测量测量HT和T的数值，并记入表1中。
表1电压比较器的测量0 1000 492.518 0.5 1000 945.454 11000 436.052截图仿真电路图：当U R =1V 时，截取输入i u 和输出o u 的电压波形：2. 反相滞回比较器电路（SPOC 实验、Multisim 仿真实验）1) 学习SPOC 实验内容，利用仿真软件，按图4所示的电路选择电路元件，接好电路。
其中稳压管VS 选取：“DIODE ”→“ZENER ” →“1N5233B ”-++81R iu ou 2R FR 3R 10k Ω10k Ω100k Ω5.1k ΩVS图4 反相滞回比较器仿真电路图截图：2) i u 接频率为1kHz ，峰峰值为2V 的正弦信号，观察并截取输入i u 和输出o u 的波形。
要求示波器的通道1接输入电压波形，通道2接输出电压波形。
第6讲_高频 丙类功率放大器原理和工作状态
11
开放实验：高频功率放大器
本次实验主要研究以甲类谐振功率放大器为推动级， 以丙类谐振功率放大器为末级的混合功率放大器。
第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态
4/2/2024 6:52 PM
12
例题
晶体管高频功率放大器，电源 V 24 V, CC
Ic0 300mA, 电压利用系数 0.95 , VD 0.5 V 输出功率 Po 6 W 。求电源提供的功率 Pdc ，
A
ubemax
•
令 t 0 o
A
:
uubcee
uc min ub ma x
EC UCm U BB U
bm
O
EC uce •Q
（2）作静态工作点 Q：
ucmin
令 t 90 o 由外部方程可得：输出端： uce EC Ucm cost
Q
:
uce
ic
I
EC , Q
uBE U BB gc (U BB U
R较 得P 为 快 多， ，L故即C倍集回 频电器路 极的效谐集率振 电 c极 在较耗2低散ω，功时 且率倍的 PC频比并次正联 数常谐 n工值振 作较于电高基阻 ，波损。状耗态较时大大，
效率较低，故丙类倍频器一般只限于二倍频和三倍频的应用。
第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态
4/2/2024 6:52 PM
1 1 2 0
1 2 1.75 0
查表得知： 66
cos 0.407
1( ) 0.419 0 ( ) 0.239
第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态
4/2/2024 6:52 PM
14
Icm
Ico
0 ( )
300 0.239
放大电路分析方法、图解法分析放大电路
放⼤电路分析⽅法、图解法分析放⼤电路放⼤电路分析⽅法、图解法分析放⼤电路⼀、本⽂介绍的定义⼆、放⼤电路分析⽅法三、图解法⼀、本⽂介绍的定义放⼤电路分析、图解法、微变等效电路法、静态分析、动态分析、直流通路、交流通路、单管共射放⼤电路的直流和交流通路、静态⼯作点、图解法分析静态、直流负载线、交流负载线、电压放⼤倍数公式、交直流并存状态、电压放⼤作⽤、倒相作⽤、⾮线性失真、截⽌失真、饱和失真、最⼤输出幅度、电路参数对静态⼯作点的影响、⼆、放⼤电路分析⽅法放⼤电路分析：放⼤电路主要器件如双极型三极管、场效应管，特性曲线是⾮线性的，对放⼤电路定量分析，需要处理⾮线性问题，常⽤⽅法，图解法和微变等效电路法。
图解法：在放⼤管特性曲线上⽤作图的⽅法对放⼤电路求解。
微变等效电路法：将⾮线性问题转化成线性问题，也就是，在较⼩变化范围内，近似认为特性曲线是线性的，导出放⼤器件等效电路和微变等效参数，利⽤线性电路适⽤的定律定理对放⼤电路求解。
静态分析：讨论对象是直流成分，分析未加输⼊信号时，电路中各处的直流电压、直流电流。
动态分析：讨论对象是交流成分，加上交流输⼊信号，估算动态技术指标，电压放⼤倍数、输⼊电阻、输出电阻、通频带、最⼤输出功率。
直流通路：电容所在路视为开路；电感所在路视为短路。
交流通路：电容容抗为1/(wC)，电容值⾜够⼤，电容所在路视为短路；电感感抗为wL；理想直流电压源Vcc视为短路(因为电压恒定不变)；理想电流源，视为开路(因为电流变化量为0) 。
单管共射放⼤电路的直流和交流通路：如下图，直流通路，将隔直电容开路；交流通路，将隔直电容短路，直流电源Vcc短路。
静态⼯作点：三极管基极回路和集电极回路存在着直流电流和直流电压，这些电流电压在三极管输⼊输出特性曲线上对应⼀个点，称为静态⼯作点，静态⼯作点的基极电流Ibq、基极与发射极之间的电压Ubeq、集电极电流Icq、集电极与发射极电压Uceq。
三、图解法图解法分析静态：⽤作图的⽅法分析放⼤电路静态⼯作点。
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消除方法
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消
除方法
基本放大电路中，放大信号的波形出现失真的原因主要有以下几个：
1. 非线性失真：放大电路中的元件（如晶体管）工作在非线性区域，造成输入信号的不同部分被放大的程度不一样，导致输出信号失真。
2. 饱和失真：当放大电路中的晶体管工作在饱和状态时，无论输入信号有多大，输出信号的幅度都无法继续增大，导致输出信号失真。
3. 频率失真：放大电路对不同频率的信号响应不同，如低频信号被放大得太弱或者高频信号被放大得太强，导致频率失真。
4. 相位失真：放大电路对不同频率的信号的相位延迟不同，导致相位失真。
为消除放大信号的波形失真，可以采取以下方法：
1. 选择合适的放大电路：根据信号的特点选择合适的放大电路，如可以选择线性放大器来避免非线性失真。
2. 使用反馈：通过引入反馈电路，将放大电路的输出与输入进行比较，对输出进行修正，从而减小失真。
3. 频率补偿：在放大电路中加入频率补偿电路，可以调整放大电路对不同频率的响应，减小频率失真。
4. 相位补偿：在放大电路中加入相位补偿电路，可以调整放大电路对不同频率的相位延迟，减小相位失真。
5. 优化电路设计：合理选择元件、优化布局和参数设计等，可以减小失真程度。
总之，通过合适的放大电路选择、引入反馈、补偿电路以及优化电路设计等方法，可以有效消除基本放大电路中放大信号的波形失真。
《模拟电子技术基础》第6章 集成运算放大器
RF R RF [ R1 (R2 // R ')uI1 R2 (R1 // R ')uI2 ] RF R R1 R1 (R2 // R ') R2 R2 (R1 // R ')
RF Rn
( RP R1
uI1
RP R2
uI2 )
当 R1 R2 R Rp Rn
uO
RF R
(uI1
uI2 )
t /ms
-2
0
-2
12 34 5
t /ms
uO /V
uO /V
12345 0 -1
t /ms
12345
0
t /ms
-2
-1
-2
输入方波不完全对称，导致输出偏移，以致饱和。 旁路电阻只对直流信号起作用，对交流信号影响要尽量小。
积分电路应采用失调电压、偏置电流和失调电流较小的运放，并在同相输 入端接入可调平衡电阻；选用泄漏电流小的电容，可以减少积分电容的漏电流 产生的积分误差。
iR
iD
uI R
uO uD
由二极管的伏安特性方程：
uo
iD
ISexp
uD UT
对数运算电路
uO
UTln
iD IS
U T ln
uI RI S
只有uI>0时，此对数函数关系才成立。
6.6 对数和指数运算电路
6.6.2 指数运算电路
将对数运算电路中的二极管VD和电阻R互换，可得指数运算电路。
uP
A
uN
uO
UoM 非线性区
uo
+Uom
uO
O
uId =uP -uN
非线性区 uId
非线性区 0
非线性电路
电路特点：1）器件均工作在非线性状态； 2）器件一般工作在高频段。
0.1
非线性电子线路的作用
一、线性电子电路与非线性电子电路
线性电路：尽量使用器件特性的线性部分。电路基本 是线性的，但存在不希望有的失真。 非线性电路：利用器件特性的非线性特性，完成振荡、 频率变换、放大等功能。
器件特性与使用条件密切相关。
不稳定；
散射传播：400～6000MHz的无线电波；对流层；传播距离 远且稳定。
表1 波 段 中、 长波 波长/m 频率/MHz
> 200 < 1.5
各波段特点 特 点 沿地表 传播 说 明
大地表面是导体 ，一部分电 磁波会损耗掉，频率越高， 损耗越大 电磁波一部分被吸收 ，另一 部分被反射或折射到地面。 频率越高，被吸收的能量越 小，但频率超过一定值 ，电 磁波会穿过电离层 ，不再返 回地面 地球表面是弯曲的 ，所以只 能限制在视线范围内
6.本课程的主要内容
无线通信系统所涉及的各单元电路的组成、工作 原理和性能特点。 无线通信系统组成：发射装置 + 接收装置 + 传输媒体
7．调幅发射机组成
8．调幅接收机
调幅广播接收机的组成
超外差调幅广播接收机的组成
放大器的增益带宽积为一定值，取决于电路参数。
其他通信系统
① 调频无线通信系统 ② 数字通信系统 ③ 软件无线电
短波
10 ~ 200
1.5 ~ 30
靠电离 层反射 传播 沿空间 直线 传播
超短波
< 10
> 30
5.现代通信技术与高频电子线路
现代通信技术发展的趋势：高频、宽带、无线接入等
蓝牙技术（bluetooth)：开放的技术规范；短距离语 音和数据通信，其载频为2.4GHz； 电力载波技术（PWL，用于固定通讯）：应用OFDM（正 交频率调制），Homepnp 规范，传输速率达10Mbps，载波 频率：150kHz〜450kHz，通过电力线的设备即插即用； 数字扩频技术：将所需传送的信号加到一伪随机序列 上再进行传送；传输方式即可有线亦可无线；特点：抗干 扰性强，保密性强。
(最新整理)第6讲放大电路的分析方法wang
RC IB IC
+UCC +
IC IB 3 7 .5 0 .0 4 m A 1 .5 m A U+B–ETU–CE
UC EUC CICRC
121.54V6V
注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同
例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。
+UCC 由KVL可得：
RB
RC IB IC
+
U C CIB R B U B EIE R E
适，晶体管进入截
• 截止失真
止区或饱和区工作， 将造成非线性失真。
Q'
Q设置过低，
t
截止失真是在输入回路首先产生失真！ 消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。
• 饱和失真
若Q设置过高
晶体管进入饱 和区工作，造成 饱和失真。
饱和失真产生于晶体管的输出回路！
消除饱和失真的方法
Rc↓或VCC↑
5. 放大电路输出电阻的计算
放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信
号源，可以将它进行戴维南等效，等效电源的内阻即为放
大电路的输出电阻。
RS
E
+ S_
Au 放大 电路
+
RL _U o
输出电阻是 动态电阻，与 负载无关。
ro
定义：
输 出 电 阻 Ro ：UIoo
E
+
o_
+
RL _U o
输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路
rbe
60
4. 放大电路输入电阻的计算
放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载， 可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也 就是放大电路的输入电阻。
放大器的非线性
v sf = (1 + Av 0 Fv )v s
原理
进一步化简可得到：
Av 0 Dv D h v of = Av 0 v s + 1 + Av 0 Fv
由上式可以看出负反馈作用使放大器输出信 号中的谐波成分减小了，若以DF表示，则 有： D DF = 1 + Av 0 Fv 上式说明负反馈放大器非线性失真比无反馈 放大器减小了（1＋Av0Fv）倍。
单级放大器的非线性
管子特性引起的非线性
以带电阻负载共源放大器为例来说明单级放 大器的非线性，如图所示。 图中VS为M1管的直流 工作点，即栅源电压， 而vs则为输入的交流小 信号 假定输入的交流 信号，假定输入的交流 小信号为：
v s = Vm cos ωt
管子特性引起的非线性
根据饱和萨氏方程可计算出该放大器的漏极 电流为：
一般认为在满足 大器是线性的。 如果|Vid|<<VGS－Vth，则将上式进行 则将上式进行 简化可得：
I D1 − I D 2
3 3 ⎡ ⎤ 3Vm Vm cos(3ωt ) = g m ⎢Vm − cos ωt − g m 2⎥ 2 32 ( V − V ) 32 ( V − V ) GS th GS th ⎣ ⎦
差分电路的非线性
概述
对于差分电路，由于 VDD 输入与输出间表现出 R R 一种“奇对称”的关系， 种 奇对称 的关系， Vo 即f(－x)=－f(x)， M1 M2 所以泰勒展开式进行 Vi 简化，只有奇次项， IS I 即输入为差分信号时 差分放大器不存在偶次谐波 从而减少了非 差分放大器不存在偶次THD）度量法：
输入信号为一个正弦信号，测量其输出端的谐 输入信号为 个正弦信号 测量其输出端的谐 波成分，对谐波成分求和，并以基频分量进行 归一化来表示，称为“总谐波失真”(THD)。 ( ) ωt代入上式中，则有： 把x(t)=Acos
运放的非线性应用 电路知识讲解
滞回电压比较器（9）
例题：R1=10k，R2=10k ，UZ=6V， UR=10V。当 输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。
上下限：
R1 R2 U th1 UZ U R 8V R1 R 2 R1 R 2 R1 R2 U th 2 UZ U R 3V R1 R 2 R1 R 2
解决措施
采用滞回 比较器
干扰引起系 统误动作
反相滞回比较器
ui
R1
结构特点：
运放工作于正反馈状态
比较信号加入反相输入端
UR R2
Δ ∞ + +
u0
分析过程： +UOM 第一步： 由运放非线性工 u = o 作特点，有 -UOM 第二步： 由电路求u+与u(1) 对图示电路，有 u-=ui (2) 用叠加原理求u+
运放工作在非线性状态的条件运放非线性应用的条件与特点2运放工作在非线性状态下的两个特点om为运放为运放输出的正负最大值为运放同相与反相端的输入电流因为对于理想运放有rid所以end注意
模拟信号比较电路
运放非线性应用的条件和分析特点
单限电压比较器 滞回电压比较器
运放非线性应用的条件与特点（1）
+U
运放工作在非线性状态的条件
R1 R2
± UZ
(1) 阈值计算 对图示电路，有 用叠加原理求u+
u-=UR
uo单独作用 ui单独作用
R1 R2 U ( U Z ) ui R1 R2 R1 R2
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
滞回电压比较器（7） U
当uo=-UZ时，
U 1
R3
R
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uO UZ uP UT
当输入电压增大到＋UT，输 出电压由 ＋UZ跃变为-UZ。
滞回比较器电压传输特性
输入电压由大变小：
起初
ui UT
Ui接反相端 uN uP
uO UZ uP UT
当输入电压减小到-UT，输 出电压由 -UZ跃变为＋UZ。
UT1R1R 2R2UREFR1R 1R2UZ UT2R1R 2R2UREFR1R 1R2UZ
2. iP iN 0
uP uN
uP uN
实际的集成运放技术指标均为有限值，理想化 必然带来分析误差，
在一般的工程计算中，这些误差是允许的而 且，随着新型运放的不断出现，性能越来越 接近理理想，误差也就越来越小。
6.1 电压比较器及应用
电压比较器，是对输入信号进行鉴幅 与比较的电路，
电压比较器可将模拟信号转换为二值信号， 即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。 因此，可用电压比较器作为模拟电路和数字 电路的接口电路。
当输入电压增大到＋U（T 3.1v） 输出电压由＋UZ跃变为-UZ。
集成电压比较器
CJ0710电路原理图
工作状态： 电路按电压传输特性工 作
禁止状态： 输出端相当于开路， 处于高阻状态
UOH：3.3v UOL: - 0.4v
一.主要参数 灵敏度：体现比较器对输入信号差别的分辨能力 上升时间：体现比较器进行逻辑判断的速度 输出： 高低电平UOH和 UOL
2.要改变输入电压经过阈值电压时输出电压的 跃变方向，将集成运放的同相和反相输入端外 接电路互换。
分析电压比较器传输特性的方法：
1.确定电压比较器输出值UOH和 UOL。
2.根据电路写出同相端电压uP和反相端电压uN 表达式，令uP=uN,确定阈值电压UT。
3. Ui作用于集成运放的端口决定输出电压的 跃变方向。
电压比较器电路中的集成运放
处于开环状态
引入正反馈
集成运放的开环状态
集成运放引入正反馈
运放的非线性工作区
理想运放工作在非线性区时的电压传输特性
电压比较器的电压传输特性
1.输出电压高电平和低电平的数值UOH和 UOL
2.阈值电压的数值UT 3.当ui变化且经过UT时uo的跃变方向
从UOH到 UOL 从UOL到UOH
有参考电压的滞回比较器及其电压传输特性
1.滞回比较器中引入正反馈，加快了输出电压的 变换速度，从而获得较为理想的电压传输特性。
2.改变参考电压的大小和极性，滞回比较器电 压传输特将产生水平方向移动。
3.改变稳压管的稳定电压，滞回比较器电压传 输特将产生垂直方向移动。
实例分析 一.过零比较器
过零电压比较器仿真分析
➢ 采用非线性元件（如二极管、模拟开关）实现 反馈网络，如精密整流器、峰值检测器和采样保 持电路。
➢ 利用BJT器件可预测的指数特性，实现各种非线 性传递函数，如对数放大器和模拟乘法器。
理想运放的非线性工作区特性
理想运放工作在非线性 区时的电压传输特性
理想运放工作在非线性工作区的两个特点：
1.输出电压UO只可能为： ＋UOM －UOM
第六讲 非线性电路
内容提要
电压比较器及应用 峰值检测器 集成函数发生器 电压—频率转换电路 锁相环及应用
运算放大器电路工作在线性区的条件 ➢ 采用负反馈,使运算放大器工作在线性区 ➢ 用线性元件实现反馈网络
运算放大器电路工作在非线性区
➢ 使用高增益放大器时，采用正反馈，或者没有 任何反馈。电路的双稳态特性具有高度非线性， 是比较器和施密特触发器电路的基础。
二.分类 通用型 高速型 低功耗型 低电压型 高精度型
比较器的应用
电平检测器
电平检测器也称为阈值检测器，它用以监测以电压形式表示的
物理变量和当这个变量上升到大于（或降至）某个规定值时发出信
号。检测器的输出根据应用的要求可用来发出某一特定的动作。如
激活报警器（发光二极管或蜂鸣器）、接通电机或加热器、或向微
处理器发送一个中断信号等。
高 功率
通断控制
设定值
晶体管
电桥
有源基准 二极管
窗口探测器
也称为窗口比较器，它用以指 示何时给定电压落在特定的范围， 即窗口中。在生产线的测试过程中 ，可以用窗口比较器来筛选出那些 不能满足给定容限的电路。
脉宽调制
如果用电压比较器对一个缓慢 变化的信号和一个高频三角波和锯 齿波进行比较，输出就是一个与三 角波或锯齿波具有相同频率的方波
二、 滞回比较器
输入电压由小变大过程中使输出电压 跃变的阈值电压与输入电压由大变小过程 使输出电压 跃变的的阈值电压不同。
滞回比较器电路
u0 UZ
uP
R1 R1 R2
UZ
令 uP uN
解得的ui就是阈值电压
UT
R1 R1 R2
UZ
滞回比较器电压传输特性
输入电压由小变大：
起初
ui UT
Ui接反相端 uN uP
过零电压比较器及其电压传输特性
2.实际的过零比较器 输入级保护
电压比较器输入级的保护电路限流电阻二极管限幅电路 限制集成运放的 差模输入电压
电压比较器输出限幅电路
限流电阻
输出端加稳压管限幅 电路，获得合适的
UOL和UOH
3.一般单限比较器
一般单限比较器电路
一般单限比较器电压传输特性
1.改变参考电压的大小和极性，以及电阻的阻 值，可以改变阈值电压的大小和极性。
PWL电源参数设置
输入输出曲线
正弦信号输入的仿真分析
输入输出结果
二.一般单限比较器
一般单限比较器仿真电路
信号源参数设置
输入输出曲线
UT
R2 R1
UREF
1 2v=0.2v 10
三.滞回比较器
滞回比较器仿真电路
PWL电源参数设置
输入输出结果
UT
R1 R1 R2
UZ
UZUZ1UD
10103
UT
1010103
6.2
3.1v
滞回比较器结果分析
输入电压(红)由大变小： 起初 ui UT（3.1v）
uO UZ （-6.2v）
当输入电压减小到-U（T -3.1v） 输出电压由 -UZ跃变为＋UZ。
滞回比较器结果分析
输入电压(红)由小变大： 起初 ui UT（-3.1v） uO UZ （＋6.2v）
电压比较器的种类
1.单限比较器 2.滞回比较器 3.窗口比较器
输只入有电一压个由阈小值变电大压过程中 使输出电压 跃变的阈值电 压与输入电压由大变小过 程的阈值电压不同 电路有两个阈值电压
电压比较器工作原理 一.单限比较器 1.过零比较器
UT＝0V Ui<0V Uo=UOM
Ui>0V Uo=-UOM