单级放大器2. 基础知识.pdf-综合文档

单级放大器是指只使用一级晶体管的放大器电路，它是模拟电路设计中的基础构件之一。单级放大器根据晶体管类型可分为双极型晶体管放大器和场效应晶体管（FET）放大器，根据晶体管的连接方式又可分为共射、共集、共基放大器或者共源、共漏、共栅放大器等。本部分将详细介绍单级放大器相关的基础知识。 直流偏置是确保晶体管放大器正常工作的一个重要环节。通过合适的直流偏置，可以使晶体管工作在放大区，而不是截止区或饱和区。直流偏置常通过分压电路和电流镜电路实现。 分压电路通常由两个电阻串联构成，通过中间节点为晶体管的栅极或基极提供偏置电压。而电流镜电路通过两个晶体管的镜像效应，确保流经负载的电流与参考电流相等或成比例，从而在输出端提供稳定的电流。 单级放大器在放大信号的同时，还能提供阻抗匹配和信号转换。共源放大器具有较高的电压放大倍数，但输出阻抗高；源跟随器（共漏放大器）的电压放大倍数小于1，但具有很低的输出阻抗，可以驱动低阻抗负载，具有很好的阻抗变换能力。 源跟随器的核心是M1漏极作为基准，栅-漏电压作为输入信号，源-漏电压驱动负载。它具有将电压进行缓冲的作用，输入和输出电平得到转换。由于输入电压与输出电压近似相等，因此其电压放大倍数接近1，同时它能有效地驱动小阻抗的负载。 在进行大信号分析时，需要考虑晶体管在导通和截止两种状态下的表现。例如，当输入信号Vin小于晶体管的阈值电压Vth加上饱和电压Vdsat时，晶体管M1是截止的。当Vin增大时，晶体管导通，输出电压Vout接近于Vin减去阈值电压Vth。体效应使得阈值电压随着输出电压的变化而变化，导致放大器的电压增益Av小于1，表现出非线性特性。 小信号分析则关注于晶体管的交流信号处理能力，通过小信号模型和等效电路来分析交流信号通过晶体管时的放大行为。由于晶体管的非线性特性，小信号增益的分析中，也会考虑晶体管跨导gm、沟道长度调制效应等非理想因素，从而得到更接近实际应用的放大倍数。 为了提高增益线性度，可以采取一些技术措施，如使用电流恒定、跨导恒定的方式，或者引入电流偏置源跟随器设计。PMOS源跟随器是使用p型MOSFET来实现与n型MOSFET类似的功能，而消除体效应源跟随器则可以通过各种技术消除晶体管体效应带来的影响。 源跟随器的输入阻抗非常高，因为当输入信号频率较低时，输入电流接近于零，因此输入阻抗可以认为是无限大。输出阻抗则相对较低，它能够实现从高阻抗到低阻抗的转换。源跟随器的戴维南等效电路可以用来分析其在不同负载条件下的工作特性。 直流电平移动和信号摆幅下降也是设计放大器时需要考虑的重要方面。直流电平移动涉及到在保证晶体管始终工作在饱和区的前提下，对直流偏置电平进行适当调整。信号摆幅下降则要求在输出端保证有足够的电压范围来维持信号的完整性和质量。 通过以上这些知识点的分析，可以看出单级放大器在模拟电路设计中的多样性和复杂性，设计者需要充分理解和掌握这些基本原理，才能设计出性能优越、满足实际应用需求的放大电路。