第2章模擬電路放大電路

第二章放大電路分析基礎2.1放大電路工作原理2.2放大電路的靜態(tài)分析2.4靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路2.3放大電路的動態(tài)分析2.5多級放大電路及其級間耦合方式1本章要求：1.理解單管放大電路的工作原理,共發(fā)射極、共集電極放大電路的性能特點；掌握靜態(tài)工作點的估算方法和放大電路的微變等效電路分析法；了解放大電路輸入、輸出電阻和多級放大的概念及工作原理；2放大的概念:放大是將微弱的變化信號放大成較大的信號。放大的實質(zhì):用小能量的信號通過三極管的電流控制作用，將放大電路中直流電源的能量轉(zhuǎn)化成交流輸出，驅(qū)動負載。

對放大電路的基本要求：1.要有足夠的放大倍數(shù)(電壓、電流、功率)。2.盡可能小的波形失真。其它技術指標:輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等。本章主要討論電壓放大電路。32.1放大電路工作原理1.共發(fā)射極基本放大電路組成共發(fā)射極基本電路UCCRSesRBUBBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE42.基本放大電路各元件作用晶體管T--放大元件,iC=iB。要保證集電結反偏,發(fā)射結正偏,使晶體管工作在放大區(qū)?；鶚O電源UBB與基極電阻RB--使發(fā)射結處于正偏，并提供大小適當?shù)幕鶚O電流。共發(fā)射極基本電路UCCRSesRBUBBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE5集電極電源UCC--為電路提供能量。并保證集電結反偏。集電極電阻RC--將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。耦合電容C1、C2--隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時使信號順利輸入、輸出。信號源共發(fā)射極基本電路UCCRSesRBUBBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE負載2.基本放大電路各元件作用6單電源供電的共發(fā)射極基本電路共發(fā)射極基本電路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEUCCRSesRBUBBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE73.直流通路和交流通路為分析方便，按信號路徑分為直流通路和交流通路。直流通路：無信號輸入時直流電流的通路，用來計算靜態(tài)工作點。交流通路：有輸入信號時交流分量的通路，用來計算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動態(tài)參數(shù)。8+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE共發(fā)射極放大電路的直流通路直流通路直流通路用來計算靜態(tài)工作點Q(IB、IC、UCE)對直流信號電容C可看作開路（即將電容斷開）斷開斷開+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE9RBRCuiuORLRSes++–+––XC0，C可看作短路。忽略電源的內(nèi)阻，電源的端電壓恒定，直流電源對交流可看作短路。交流通路用來計算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動態(tài)參數(shù)。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE短路短路對地短路共發(fā)射極放大電路的交流通路（有交流輸入）104.共射放大電路的電壓放大作用UBEIBICUCE無輸入信號(ui

=0)時uo=0uBE=UBEuCE=UCEuBEtOiBtOiCtOuCEtO+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE靜態(tài)11ICUCEOIBUBEO結論：(1)無輸入信號電壓時，三極管各電極都是恒定的電壓和電流:IB、UBE和IC、UCE。

(IB、UBE)

和(IC、UCE)分別對應于輸入、輸出特性曲線上的一個點，稱為靜態(tài)工作點。QIBUBEQUCEIC12UBEIB無輸入信號(ui

=0)時:uo=0uBE=UBEuCE=UCE？有輸入信號(ui

≠0)時uCE=UCC－iC

RCuo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uoICui+–+UCCRBRCC1C2T++uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO動態(tài)13結論：(2)加上輸入信號電壓后，各電極電流和電壓的大小均發(fā)生了變化，都在直流量的基礎上疊加了一個交流量，但方向始終不變。+集電極電流直流分量交流分量動態(tài)分析iCtOiCtICOiCticO靜態(tài)分析14結論：(3)若參數(shù)選取得當，輸出電壓可比輸入電壓大，即電路具有電壓放大作用。(4)輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180°，即共發(fā)射極電路具有反相作用。uitOuotO152.2放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)：放大電路無信號輸入（ui

=0）時的工作狀態(tài)。分析方法：估算法、圖解法。分析對象：各極電壓電流的直流分量。所用電路：放大電路的直流通路。設置Q點的目的：

(1)

使放大電路的放大信號不失真；(2)使放大電路工作在較佳的工作狀態(tài)，靜態(tài)是動態(tài)的基礎?！o態(tài)工作點Q：IB、IC、UCE

。靜態(tài)分析：確定放大電路有合適的靜態(tài)值。162.2.1解析法確定靜態(tài)值---估算法1.直流通路估算IB根據(jù)電流放大作用2.由直流通路估算UCE、IC當UBE<<UCC時，由KVL:UCC=IBRB+

UBE由KVL:UCC=ICRC+

UCE所以UCE=UCC–

ICRC+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB17例1：用估算法計算靜態(tài)工作點。已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：注意：電路中IB

和IC

的數(shù)量級不同。+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB18例2：用估算法計算圖示電路的靜態(tài)工作點。當電路不同時，計算靜態(tài)值的方法也不同。由KVL可得出由KVL可得：IE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB192.2.2用圖解法確定靜態(tài)值用作圖的方法確定靜態(tài)值步驟：

1.用估算法確定IB，優(yōu)點：

能直觀地分析和了解靜態(tài)值的變化對放大電路的影響。2.由輸出特性確定IC

和UCCuCE

=UCC–iCRC直流負載線方程+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB20uCE/ViC/mAO直流負載線斜率ICQUCEQUCC直流負載線Q由IB確定的那條輸出特性與直流負載線的交點就是Q點uCE

=UCC–iCRC21例1：如圖所示電路,已知Rb=280kΩ,Rc=3kΩ,UCC=12V,三極管的輸出特性曲線如圖(b)所示,試用圖解法確定靜態(tài)工作點。22+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB由輸入回路,計算IBQ解:23寫出直流負載方程,并作出直流負載線:從圖上查出IBQ=40μA,ICQ=2mA,UCEQ=6V。4312,0mARcUiuCCCCE====,12VUuCCCE==,0iC=設：242.2.3電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響1.Rb對Q點的影響2.Rc對Q點的影響3.UCC對Q點的影響uBE=UCC－IBRb252.3放大電路的動態(tài)分析動態(tài)：放大電路有信號輸入時的工作狀態(tài)。分析方法：微變等效電路法，圖解法。所用電路：放大電路的交流通路。動態(tài)分析:計算電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。分析對象：各極電壓和電流的交流分量。目的：找出Au、ri、ro與電路參數(shù)的關系，為設計打基礎。261.交流負載線的作法首先直流工作點iC/mANOQ交流負載線MuCE/VDUUCEQUCCUCCDI直流負載線′交流通路Uo＋－sRsRbRc＋RL－交流負載交流負載線過Q點作平行線2.3.1圖解法分析動態(tài)特性27交流負載線具有如下兩個特點:(1)交流負載線必通過靜態(tài)工作點,因為當輸入信號ui的瞬時值為零時,如忽略電容C1和C2的影響,則電路狀態(tài)和靜態(tài)時相同。(2)另一特點是交流負載線的斜率由表示。(3）由于,故一般情況下交流負載線比直流負載線陡。282.圖解分析QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQiCQ1Q2ibuiuoRL=由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大電路的電壓放大倍數(shù)。輸出端波形輸入端波形293.非線性失真如果Q設置不合適，晶體管進入截止區(qū)或飽和區(qū)工作，將造成非線性失真。若Q設置過高晶體管進入飽和區(qū)工作，造成飽和失真。Q2uO適當減小基極電流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ130若Q設置過低晶體管進入截止區(qū)工作，造成截止失真。適當增加基極電流可消除失真。uiuOtiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE如果Q設置合適，信號幅值過大也可產(chǎn)生失真，減小信號幅值可消除失真。313.3.2放大電路的非線性失真1.由三極管特性曲線非線性引起的失真iBIBOQuiib(a)因輸入特性彎曲引起的失真uBEiCicICQQUCEQuceUCCuCEOIBQib(b)

輸出曲線簇上疏下密引起的失真iCICQicQOUCEQuceUCCuCEibIBQ(c)輸出曲線簇上密下疏引起的失真322.工作點不合適引起的失真靜態(tài)工作點不合適產(chǎn)生的非線性失真QQ交流負載線iCtOiCiBuCEuCEt交流負載線iCiCiBOtuCEuCEO(a)截止失真(b)飽和失真tICQiCOOuCEUCEQICQiCuCEUCEQO33最大不失真輸出電壓ICQRLO246810121416UCEQiC/mA32BICQ直流負載線20mAiB＝120mA交流負載線DA0mAuCE/VQCUces最大不失真輸出波形失真輸出波形40mA60mA80mA100mA′Ucem=UCEQ-Uces最大不失真輸出電壓幅值Uom或峰-峰值Up-p。取其中的最小值34關于圖解法分析動態(tài)特性的步驟歸納如下:(1)首先作出直流負載線,求出靜態(tài)工作點Q。(2)作出交流負載線。根據(jù)要求從交流負載線可畫出輸出電流、電壓波形,或求出最大不失真輸出電壓值。352.3.3微變等效電路法

微變等效電路：把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。即把非線性的晶體管線性化，等效為一個線性元件。線性化的條件：晶體管在小信號（微變量）情況下工作。因此，在靜態(tài)工作點附近小范圍內(nèi)的特性曲線可用直線近似代替。微變等效電路法：利用放大電路的微變等效電路分析計算放大電路電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。36當信號很小時，在靜態(tài)工作點附近的輸入特性在小范圍內(nèi)可近似線性化。1.晶體管的微變等效電路UBEIB對于小功率三極管：rbe一般為幾百歐到幾千歐。2.3.3微變等效電路法(1)輸入回路Q輸入特性晶體管的輸入電阻晶體管的輸入回路(B、E之間)可用rbe等效代替，即由rbe來確定ube和ib之間的關系。IBUBEO37(2)輸出回路rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不計。晶體管的輸出電阻輸出特性輸出特性在線性工作區(qū)是一組近似等距的平行直線。晶體管的電流放大系數(shù)晶體管的輸出回路(C、E之間)可用一受控電流源ic=ib等效代替，即由來確定ic和ib之間的關系。一般在20～200之間，在手冊中常用hfe表示。ICUCEQO38ibicicBCEibib晶體三極管微變等效電路ube+-uce+-ube+-uce+-晶體管的微變等效電路rbeBEC晶體管的B、E之間可用rbe等效代替。晶體管的C、E之間可用一受控電流源ic=ib等效代替。392.共發(fā)射極放大電路的微變等效電路將交流通路中的晶體管用微變等效電路代替。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSii交流通路微變等效電路RBRCuiuORL++--RSeS+-ibicBCEii+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–iCiBiE40分析時一般輸入為正弦交流信號，所以等效電路中的電壓與電流可用相量表示。微變等效電路微變等效電路的變量用相量表示ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSiirbeRBRCRLEBC+-+-+-RS413.電壓放大倍數(shù)的計算當放大電路輸出端開路(未接RL)時因rbe與IE有關，故放大倍數(shù)與靜態(tài)IE有關。負載電阻愈小，放大倍數(shù)愈小。負號表示輸出電壓與輸入相反。rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共發(fā)射極放大電路424.放大電路輸入電阻的計算放大電路對信號源(或?qū)η凹壏糯箅娐?來說，是一個負載，可用一個電阻來等效代替。這個電阻是信號源的負載電阻,也就是放大電路的輸入電阻。定義：輸入電阻是對交流信號而言的，是動態(tài)電阻。輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)。電路的輸入電阻愈大，從信號源取得的電流愈小，因此，輸入電阻越大越好。放大電路信號源+-+-43共e放大電路輸入電阻的計算rirbeRBRCRLEBC+-+-+-RS445.放大電路輸出電阻的計算放大電路對負載(或?qū)蠹壏糯箅娐?來說，是一個信號源，可以將它進行戴維寧等效，等效電源的內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻。定義：輸出電阻是動態(tài)電阻，與負載無關。輸出電阻是表明放大電路帶負載能力的參數(shù)。電路的輸出電阻愈小，負載變化時輸出電壓的變化愈小，因此一般總是希望得到較小的輸出電阻。RSRL+_Au放大電路+_+_RLro+_45rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共射極放大電路特點：

1.放大倍數(shù)高；2.輸入電阻低；3.輸出電阻高。求ro的步驟：(1)斷開負載RL(3)外加電壓(4)求外加(2)令或共e放大電路輸入電阻的計算46源電壓放大倍數(shù)rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共發(fā)射極放大電路472.3.4共c放大電路----射極輸出器因?qū)涣餍盘柖?，集電極是輸入與輸出回路的公共端，所以是共集電極放大電路。因從發(fā)射極輸出，所以稱射極輸出器。RB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++us+–RS48求Q點：1.靜態(tài)分析直流通路+UCCRBRE+–UCE+–UBEIEIBICRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++us+–RS492.動態(tài)分析電壓放大倍數(shù)

電壓放大倍數(shù)Au1且輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。微變等效電路rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE50

輸入電阻

射極輸出器的輸入電阻高，對前級有利。ri與負載有關rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE51輸出電阻

射極輸出器的輸出電阻很小，帶負載能力強。rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE52共集電極放大電路(射極輸出器)的特點：1.電壓放大倍數(shù)小于1，約等于1;2.輸入電阻高；3.輸出電阻低；4.輸出與輸入同相。53射極輸出器的應用主要利用它具有輸入電阻高和輸出電阻低的特點。1.因輸入電阻高，它常被用在多級放大電路的第一級，可以提高輸入電阻，減輕信號源負擔。2.因輸出電阻低，它常被用在多級放大電路的末級，可以降低輸出電阻，提高帶負載能力。3.利用ri大、ro小以及Au1的特點，也可將射極輸出器放在放大電路的兩級之間，起到阻抗匹配作用，這一級射極輸出器稱為緩沖級或中間隔離級。54例1:.在圖示放大電路中，已知UCC=12V,RE=2kΩ,

RB=200kΩ，RL=2kΩ，晶體管β=60，UBE=0.6V,信號源內(nèi)阻RS=100Ω，試求:(1)

靜態(tài)工作點IB、IE及UCE；(2)畫出微變等效電路；(3)

Au、ri和ro。RB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++es+–RS55解:(1)由直流通路求靜態(tài)工作點。直流通路+UCCRBRE+–UCE+–UBEIEIBIC56(2)由微變等效電路求Au、ri、

ro。微變等效電路rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE572.3.5

放大電路的頻率特性

阻容耦合放大電路由于存在級間耦合電容、發(fā)射極旁路電容及三極管的結電容等，它們的容抗隨頻率變化，故當信號頻率不同時，放大電路的輸出電壓相對于輸入電壓的幅值和相位都將發(fā)生變化。頻率特性幅頻特性：電壓放大倍數(shù)的模|Au|與頻率f的關系相頻特性：輸出電壓相對于輸入電壓的相位移與頻率f的關系58通頻帶f|Au

|0.707|Auo|fLfH|Auo|幅頻特性下限截止頻率上限截止頻率耦合、旁路電容造成。三極管結電容、

造成f–270°–180°–90°相頻特性OBW592.4靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路合理設置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的先決條件。但是放大電路的靜態(tài)工作點常因外界條件的變化而發(fā)生變動。前述的固定偏置放大電路，簡單、容易調(diào)整，但在溫度變化、三極管老化、電源電壓波動等外部因素的影響下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。602.4.1溫度變化對靜態(tài)工作點的影響在固定偏置放大電路中，當溫度升高時，UBE、、ICBO

。

上式表明，當UCC和RB一定時，IC與UBE、以及ICEO有關，而這三個參數(shù)隨溫度而變化。溫度升高時，

IC將增加，使Q點沿負載線上移。61iCuCEQ溫度升高時，輸出特性曲線上移Q′固定偏置電路的工作點Q點是不穩(wěn)定的，為此需要改進偏置電路。當溫度升高使IC

增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點的變化，保持Q點基本穩(wěn)定。結論：

當溫度升高時，

IC將增加，使Q點沿負載線上移，容易使晶體管T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞三極管。O622.4.2分壓式偏置電路1.穩(wěn)定Q點的原理

基極電位基本恒定，不隨溫度變化。VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–631.穩(wěn)定Q點的原理VB集電極電流基本恒定，不隨溫度變化。RB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–64從Q點穩(wěn)定的角度來看似乎I2、VB越大越好。但I2越大，RB1、RB2必須取得較小，將增加損耗，降低輸入電阻。而VB過高必使VE也增高，在UCC一定時，勢必使UCE減小，從而減小放大電路輸出電壓的動態(tài)范圍。在估算時一般選?。篒2=(5~10)IB，VB=(5~10)UBE，RB1、RB2的阻值一般為幾十千歐。參數(shù)的選擇VEVBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–65Q點穩(wěn)定的過程VEVBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–TUBEIBICVEICVB固定

RE：溫度補償電阻

對直流：RE越大,穩(wěn)定Q點效果越好；

對交流：RE越大,交流損失越大,為避免交流損失加旁路電容CE。662.靜態(tài)工作點的計算估算法:VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–673.動態(tài)分析對交流：旁路電容CE

將RE

短路，RE不起作用，Au，ri，ro與固定偏置電路相同。如果去掉CE，Au，ri，ro？旁路電容RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–68RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–去掉CE后的微變等效電路短路對地短路如果去掉CE，Au，ri，ro

?rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSRE69無旁路電容CE有旁路電容CEAu減小分壓式偏置電路ri提高ro不變70RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–對信號源電壓的放大倍數(shù)？信號源考慮信號源內(nèi)阻RS時71例1:在圖示放大電路中，已知UCC=12V,RC=6kΩ,RE1=300Ω，RE2=2.7kΩ，RB1=60kΩ，RB2=20kΩ

RL=6kΩ，晶體管β=50，UBE=0.6V,試求:(1)靜態(tài)工作點IB、IC及

UCE；(2)畫出微變等效電路；(3)輸入電阻ri、ro及Au。RB1RCC1C2RB2CERE1RL++++UCCuiuo++––RE272解:(1)由直流通路求靜態(tài)工作點。直流通路RB1RCRB2RE1+UCCRE2+–UCEIEIBICVB73(2)由微變等效電路求Au、ri、

ro。RS微變等效電路rbeRBRCRLEBC+-+-+-RE1742.5多級放大電路信號源與放大電路之間、兩級放大電路之間、放大器與負載之間的連接方式。常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合。動態(tài):傳送信號減少壓降損失靜態(tài)：保證各級有合適的Q點波形不失真多級放大電路的框圖對耦合電路的要求第二級

推動級

輸入級輸出級輸入輸出1.多級放大電路的耦合方式75阻容耦合阻容耦合放大電路76直接耦合：將前級的輸出端直接接后級的輸入端?？捎脕矸糯缶徛兓男盘柣蛑绷髁孔兓男盘?。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2––++RE2直接耦合放大電路77(2)零點漂移零點漂移：指輸入信號電壓為零時，輸出電壓發(fā)生緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象。uotO產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓波動、電路元件參數(shù)的變化。直接耦合存在的兩個問題：(1)前后級靜態(tài)工作點相互影響78變壓器耦合變壓器耦合放大電路Ui＋1V1＋＋＋UCCV2RLRb3Rb2RbC11Re1Ce4Rb4Cb2Re2Ce＋·792.阻容耦合放大電路及其指標計算第一級第二級負載信號源兩級之間通過耦合電容

C2與下級輸入電阻連接RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+++++–RS+–RC2C3