6. 大信号放大

# 高增益放大器

高增益放大器用于放大微弱信号，使其幅值足以被后续电路处理。

# 反相跨导放大器

高增益放大器通常采用反相跨导放大器。它通过有源负载实现高增益。但其缺点是在连接重负载时，增益会降低。

# 放大器级联与缓冲

为了获得更高的增益，可采用级联的方式。单向网络（即信号只从前一级流向后一级）的总传递函数等于各级分传递函数的乘积。因此，通过级联多个反相跨导放大器，可以获得极高的增益，例如 741 放大器就采用了这种设计。

为了隔离负载对放大器的影响，可在反相跨导放大器后添加电压缓冲器。

# 运算放大器通用结构

运算放大器通常采用三级结构，级与级之间采用直接耦合方式，以实现对直流信号的放大。这种结构能够实现大的输入阻抗、小的输出阻抗和高增益。

差分输入级：通常采用差分输入跨导放大器。它具有有源负载，可提供高电压增益和大的输入阻抗。
中间放大级：常采用有源负载跨导放大器，提供进一步的高电压增益。
输出缓冲级：提供负载驱动能力，具有小的输出阻抗和大的电流驱动能力。

通常不增加更多级。原因是寄生电容会导致相移，形成正反馈，从而使电路不稳定。可通过增加耦合电容来缓解这一问题。

# 差分放大器

差分放大器能有效地抑制共模噪声，是许多模拟电路的基础。

# 差模与共模信号

差分放大器的输入信号可以分解为差模信号 $v_{id}$ 和共模信号 $v_{ic}$ 。

$v_{ip}=v_{ic}+0.5v_{id}$

$v_{in}=v_{ic}-0.5v_{id}$

# 共模抑制比（CMRR）

衡量差分放大器抑制共模信号能力的指标是共模抑制比（CMRR）。

$CMRR=20\lg|\frac{A_{dd}}{A_{dc}}|$

其中， $A_{dd}$ 是差模电压增益， $A_{dc}$ 是共模电压增益。

# MOS 差分对

大信号输入输出转移特性：当差模信号幅度超过差模输入范围时，MOS 差分对（或 BJT 差分对）会变成单刀双掷开关。
输入范围：包括共模输入范围和差模输入范围。
交流小信号分析：分析其对小信号的放大作用。
单端转双端：可通过电流镜实现，其原理和交流小信号分析都需单独研究。

注：需分析寄生电容效应（可参考 B2-27 习题）。

# 大信号放大器

大信号放大器的主要目的是实现能支持大信号的低功耗电压缓冲器。它主要分为 A 类、B 类和 AB 类。

# A 类放大

A 类放大器在整个信号周期内都保持导通，因此不存在交越失真，但效率较低。

特点：无失真，但效率最高仅为 25%（若用大电感代替晶体管恒流源，效率可达 50%）。
信号限制：
$|V_{cc}|>v_{in},\ |V_{ee}|>v_{in},\ v_{in}<I_QR_L$
效率计算：
$\eta=\frac{v_{in}^2/2R_L}{(V_{cc}+V_{ee})I_{Q}}<25\%$
功耗：信号幅度增大时，功耗也会随之增加。

# B 类放大

B 类放大器通常采用推挽结构，两个晶体管分别放大信号的正半周期和负半周期，因此没有静态功耗，效率高但存在交越失真。

特点：无静态功耗，理论效率可达 78.5%，但失真明显。
效率计算：
$\eta=\frac{\overline{v_{in}^2}/R}{\overline{|v_{in}|}\cdot V_{CC}/2R+\overline{|v_{in}|}\cdot V_{EE}/2R}<\frac{\pi}4=78.5\%$

# AB 类放大

AB 类放大器是 B 类放大器的改进。通过在晶体管基极上施加小的偏置电压，使其在小信号时保持轻微导通，从而消除了 B 类放大器的交越失真。

特点：无失真，静态功耗低，效率介于 A 类与 B 类放大之间。
工作原理： $I_{push}\cdot I_{pull}=C$ ， $I_Q=I_{push}-I_{pull}$ 。

# 调谐窄带放大器

调谐窄带放大器用于选择性地放大特定频率范围内的信号。

带宽：其带宽 $\Delta f$ 由中心频率 $f_0$ 和品质因数 $Q$ 决定。
$\Delta f=f_0/Q$