第二章基本放大電路

第二章基本放大電路模擬電子技術(shù)基礎第二章基本放大電路放大的概念和性能指標共射放大電路工作原理放大電路的分析方法

放大電路工作點的穩(wěn)定電路基本共集放大電路基本共基放大電路場效應管及放大電路32.1放大的概念和性能指標2.1.1放大的概念放大的對象：均為變化量，是對變化量（差異）而言；2．放大作用：實質(zhì)上是一種能量的控制和轉(zhuǎn)換；

電源提供能量，晶體管（或場效應管）的作用將電源提供的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d上所需的交流能量。晶體管和場效應管是核心器件，能夠控制能量，稱為有源元件。3．放大的基本特征：功率放大；4．放大的前提：不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義；4一、放大倍數(shù)：輸出量與輸入量之比電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù)信號源信號源內(nèi)阻輸入電壓輸出電壓輸入電流輸出電流任何放大電路均可看成為二端口網(wǎng)絡。2.1.2放大電路的性能指標5二、輸入電阻從輸入端看進去的等效電阻輸入電阻是衡量放大電路從其前級取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，從其前級取得的電流越小，信號電壓損失越小。輸入電壓與輸入電流有效值之比。三、輸出電阻Ro

越小，帶負載的能力越強。

將輸出等效成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻。如何確定電路的輸出電阻Ro

？步驟：1.所有的電源置零(將獨立源置零，保留受控源)。2.加壓求流法。UI方法一：計算。N0方法二：測量。1.測量開路電壓。2.測量接入負載后的輸出電壓。步驟：四、通頻帶fAuAum0.7AumfL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：fbw=fH–fL放大倍數(shù)隨頻率變化曲線五、非線性失真系數(shù)六、最大不失真輸出電壓七、最大輸出功率與效率

輸入信號幅度超過一定值后，輸出電壓將會產(chǎn)生非線性失真。輸出波形中的諧波成分總量與基波成分之比稱為非線性失真系數(shù)D。

定義為當輸入電壓再增大就會使輸出波形產(chǎn)生非線性失真時的輸出電壓。一般以有效值Uom表示。

在輸出信號不失真的情況下，負載上能夠獲得的最大功率Pom與電源消耗的功率Pv的比值。描述電源能量的利用率。用η表示。UA大寫字母、大寫下標，表示直流量。uA小寫字母、大寫下標，表示全量。ua小寫字母、小寫下標，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量符號規(guī)定Ua大寫字母、小寫下標，表示交流有效值。112.2.1共射放大電路的基本組成2.2基本共射放大電路工作原理VBB、Rb：使UBE＞Uon，且有合適的IB。VCC：使UCE≥Uon，同時作為負載的能源。Rc：主要將ΔiC轉(zhuǎn)換成ΔuCE(uo)。動態(tài)信號作用時：12IBQICQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)靜態(tài)工作點2.2.2靜態(tài)工作點一、靜態(tài)工作點輸入電壓ui為零時13(IBQ,UBEQ)

和(ICQ,UCEQ

)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。iBuBEQIBQUBEQiCuCEQUCEQICQ14二、設置靜態(tài)工作點的必要性

輸出電壓必然失真！

設置合適的靜態(tài)工作點，首先要解決失真問題，但Q點幾乎影響著所有的動態(tài)參數(shù)！

為什么放大的對象是動態(tài)信號，卻要晶體管在信號為零時有合適的直流電流和極間電壓？15uitiBtiCtuCEtuotiCuCEiB2.2.3共射放大電路工作原理及波形分析→△uCE（-△iC×Rc）→△uBE→△iB→△iC（b△iB）→

162.2.4放大電路的組成原則一、組成原則1.必須有為放大管提供合適Q點的直流電源。保證晶體管工作在放大區(qū)。2.電阻適當，同電源配合，使放大管有合適Q點。3.輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路。對于晶體管能產(chǎn)生△uBE。

4.當負載接入時，必須保證放大管的輸出回路的動態(tài)電流能夠作用于負載，從而使負載獲得比輸入信號大得多的信號電流或信號電壓。17

直接耦合放大電路問題：1.兩種電源2.信號源與放大電路不“共地”將兩個電源合二為一共地，且要使信號馱載在靜態(tài)之上靜態(tài)時，動態(tài)時，b-e間電壓是uI與Rb1上的電壓之和。二、兩種實用共射放大電路實用電路18

阻容耦合放大電路

耦合電容的容量應足夠大，即對于交流信號近似為短路。其作用是“隔離直流、通過交流”。靜態(tài)時，C1、C2上電壓？動態(tài)時，C1、C2為耦合電容?。璘BEQ－＋UCEQuBE＝ui＋UBEQ，信號馱載在靜態(tài)之上。負載上只有交流信號。19放大電路分析靜態(tài)分析動態(tài)分析估算法圖解法微變等效電路法圖解法計算機仿真2.3放大電路的分析方法202.3.1直流通路和交流通路電容對交、直流的作用不同。如果電容容量足夠大，可以認為它對交流不起作用，即對交流短路。而對直流可以看成開路，這樣交直流所走的通道是不同的。交流通路：只考慮交流信號的分電路，

電容、直流電源短路。直流通路：只考慮直流信號的分電路，

電容開路，電感、交流電源短路（留內(nèi)阻）。*

靜態(tài)工作點按直流通路估算。

分析放大電路時，先靜態(tài)（直流通路），后動態(tài)交流通路）。21例1：對直流信號（只有+VCC）開路開路RB+VCCRCC1C2T直流通道RB+VCCRC阻容耦合共射放大電路的直流和交流通路22（1）根據(jù)直流通道估算IBIBUBERB稱為偏置電阻，IB稱為偏置電流。+VCC直流通道RBRC（2）根據(jù)直流通道估算UCE、IBICUCE

靜態(tài)工作點的估算23如:用估算法計算靜態(tài)工作點。已知：VCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：請注意電路中IB和IC的數(shù)量級。IBUBE+VCC直流通道RBRCICUCE24對交流信號(輸入信號ui)短路短路置零RB+VCCRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路25基本共射放大電路的直流通路和交流通路例2：交流直流

靜態(tài)工作點的估算26實用電路：

靜態(tài)工作點的估算27自測：二、試分析圖所示各電路是否能夠放大正弦交流信號，簡述理由。設圖中所有電容對交流信號均可視為短路。不能能不能28不能不能不能可能不能不能292.1分別改正圖所示各電路中的錯誤，使它們有可能放大正弦波信號。要求保留電路原來的共射接法和耦合方式。將－VCC改為＋VCC在＋VCC

與基極之間加Rb將VBB反接，且在輸入端串聯(lián)一個電阻。在VBB支路加Rb，在－VCC與集電極之間加Rc。302.3.2圖解法分析放大電路RB+VCCRCC1C2Tuoui++--++以阻容耦合放大電路為例進行分析：31VCC/RBVCCUBEQQIBQ-1/RBiBuBE直流負載線一、靜態(tài)工作點（1）由輸入特性曲線和輸入直流負載線求IBQ、UBEQuBE=VCC-iBRB→

直流負載線iBuBE+VCC直流通道RBRCiCuCE32uCE~iC滿足什么關(guān)系iCuCEVCCQ直流負載線

-1/RCIBQ？iBuBE+VCC直流通道RBRCiCuCE（2）由輸出特性曲線和輸出直流負載線，求ICQ、UCEQ。uCE=VCC-iCRc→直流負載線ICQUCEQ33二、動態(tài)分析iBuBEQibtuitiCuCEictibtucet已知?uI-->?iB-->?iC-->?uCE-->Au34RB+VCCRCC1C2Tuoui++--++uiOtiB

OtuCEOtuoOtiC

OtIBQICQUCEQ35在放大電路中，輸出信號應該成比例地放大輸入信號（即線性放大）；如果兩者不成比例，則輸出信號不能反映輸入信號的情況，放大電路產(chǎn)生非線性失真。為了得到盡量大的輸出信號，要把Q設置在交流負載線的中間部分。如果Q設置不合適，信號進入截止區(qū)或飽和區(qū)，造成非線性失真。三、波形非線性失真的分析：36iCuCEuo1.Q點過低，信號進入截止區(qū)放大電路產(chǎn)生截止失真輸出波形輸入波形ib37iCuCE2.Q點過高，信號進入飽和區(qū)放大電路產(chǎn)生飽和失真ib輸入波形uo輸出波形38四.交流負載線交流負載線：有交流輸入信號時，工作點Q的運動軌跡。短路短路置零RB+VCCRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路RLuo39交流負載線定值斜率icuceRBRCRLuiuo

通過輸出特性曲線上過Q點做一條斜率為-1/R’L直線，比直流負載線要陡。40UCEQICQ1.交流負載線的作法：iCuCEVCCQIB過Q點作一條直線，斜率為：的直線交流負載線與橫、縱軸交點：（，0）；（0，）

由直角三角形可直接得出，與橫軸交點距靜態(tài)點為41也可做如下推導：UCEQICQiCuCEVCCQIB交流負載線與橫、縱軸交點：icuceRBRCRLuiuo42UCEQICQ2.確定放大器的最大工作范圍——最大不失真電壓iCuCEVCCQIBUcm1不飽和Ucm2不截止43

放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：1.工作點Q要設置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位；2.要有合適的交流負載線。3.輸入信號的幅度不能太大

對于直接耦合的情況，直流負載線與交流負載線是同一直線；而對于阻容耦合的情況，直流負載線與交流負載線，則只有在空載時是同一直線。?44討論：Q1—Q2：Q2—Q3：Q3—Q4：RC變?。籖b變小或VBB變大；VCC變大；1.在什么參數(shù)、如何變化時Q1→Q2→Q3→Q4？2.從輸出電壓上看，哪個Q點下最易產(chǎn)生截止失真？哪個Q點下最易產(chǎn)生飽和失真？哪個Q點下Uom最大？3.設計放大電路時，應根據(jù)什么選擇VCC？45五、圖解法的適用范圍：特點：直觀形象定量分析誤差大無法反映高頻信號時極間電容的影響。適用：幅值大、頻率不太高的信號分析。462.10在圖所示電路中，設靜態(tài)時ICQ＝2mA，晶體管飽和管壓降UCES＝0.6V。試問：當負載電阻RL＝∞和RL＝3kΩ時電路的最大不失真輸出電壓各為多少伏？

帶載時，當輸入信號增大到一定幅值，電路首先出現(xiàn)截止失真。

解：由于ICQ＝2mA，所以UCEQ＝VCC－ICQRc＝6V?？蛰d:輸入信號增大到一定幅值，電路首先出現(xiàn)飽和失真。故：？在圖示電路中，有無可能在空載時輸出電壓失真，而帶上負載后這種失真消除？472.4電路如圖（a）所示，圖（b）是晶體管的輸出特性，靜態(tài)時UBEQ＝0.7V。利用圖解法分別求出RL＝∞和RL＝3kΩ時的靜態(tài)工作點和最大不失真輸出電壓Uom（有效值）。

解：空載時：IBQ＝20μA，ICQ＝2mA，UCEQ＝6V；最大不失真輸出電壓峰值約為5.3V，有效值約為3.75V。48帶載時：IBQ＝20μA，ICQ＝2mA，UCEQ＝3V；最大不失真輸出電壓峰值約為2.3V，有效值約為1.63V。負載線：1.輸入回路：iBuBE

當信號很小時，將輸入特性在小范圍內(nèi)近似線性,忽略uCE的影響。uBEiB對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻rbe。

近似分析一.共射h參數(shù)模型模型建立：小信號、忽略晶體管的電容效應和非線性。2.3.3微變等效電路法輸入電阻rbe的估算：bceb'rercrbb'晶體管內(nèi)部的簡化模型表示：rbb’—基區(qū)體電阻re—發(fā)射結(jié)正向電阻rc—集電結(jié)反向電阻（IEQ靜態(tài)工作點）rbb':低頻—數(shù)百歐，一般100~300。高頻—幾歐~幾十歐。rbe的量級從幾百歐到幾千歐。對于小功率三極管：2.輸出回路iCuCE(1)輸出端相當于一個受ib控制的電流源。

近似平行(2)考慮uCE對iC的影響，輸出端還要并聯(lián)一個大電阻rce。rce的含義：iCuCE等效電路分析ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。結(jié)論：微變等效電路rbeibibrcerbeibibbce等效cbeic

數(shù)學推導模型建立：?bùce?cùbe根據(jù)晶體管特性：求全微分：h參數(shù)的物理意義：b-e間的動態(tài)電阻內(nèi)反饋系數(shù)電流放大系數(shù)c-e間的電導分清主次，合理近似！什么情況下h12和h22的作用可忽略不計？h21ibib1/h22h11h12uceh參數(shù)簡化模型：1.RL’<<（1/h22）=

(rce)2.反向傳輸系數(shù)很小，h12可以忽略rbeibibbce56二.共射h參數(shù)等效電路分析方法1.首先畫出放大電路的交流通路2.將交流通路中的晶體管用h參數(shù)等效電路代替3.標出等效電路中的電壓電流量，進行動態(tài)分析1.阻容耦合放大電路的動態(tài)分析短路短路RBRCRLuiuo交流通路RB+VCCRCC1C2TRL57uirbeibibiiicuoRBRCRL將交流通道中的三極管用微變等效電路代替:交流通路RBRCRLuiuorbeibibbce58(1)電壓放大倍數(shù)的計算負載電阻越小，放大倍數(shù)越小。rbeRBRCRL若考慮信號源內(nèi)阻RS的影響RS+-59(2)輸入電阻的計算對于為放大電路提供信號的信號源來說，放大電路是負載，這個負載的大小可以用輸入電阻來表示。輸入電阻的定義：是動態(tài)電阻。

電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，從信號源得到的信號衰減越小。rbeRBRCRL60(3)輸出電阻的計算對于負載而言，放大電路相當于信號源，可以將它進行戴維寧等效，戴維寧等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。計算輸出電阻的方法：

將輸入信號源電壓Us短路，即Us=0,保留內(nèi)阻；將負載開路即RL=∞,所有獨立電源置零，保留受控源，加壓求流法。61所以：用加壓求流法求輸出電阻：rbeRBRC0062RB+VCCRCC1C2TRL輸入電阻中不應包含Rs輸出電阻中不應包含RL綜上：rbeRBRCRL2.直接耦合放大電路的動態(tài)分析放大電路的交流微變等效電路642.5在圖P2.5所示電路中，已知晶體管的＝80，rbe＝1kΩ，＝20mV；靜態(tài)時UBEQ＝0.7V，UCEQ＝4V，IBQ＝20μA。判斷下列結(jié)論是否正確。√√√√2.4放大電路的工作點的穩(wěn)定對于前面的電路（固定偏置電路）而言，靜態(tài)工作點由UBE、

和ICEO

決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化，溫度對靜態(tài)工作點的影響主要體現(xiàn)在這一方面。TUBEICEOQ2.4.1靜態(tài)工作點穩(wěn)定的必要性66TIBICT、ICEOICiCuCEQQ′溫度上升時，輸出特性曲線上移，造成Q點上移。放大電路的工作點的穩(wěn)定

固定偏置電路的Q點是不穩(wěn)定的。為此需要改進偏置電路，當溫度升高、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。67RB1+VCCRCC1C2RB2CERERLuiuo2.4.2穩(wěn)定靜態(tài)工作點典型電路——分壓式偏置電路68I1I2IB分壓式偏置電路RB1+VCCRCC1C2RB2CERERLuiuo2.4.2典型電路：一、電路結(jié)構(gòu)與原理：似乎I1越大越好，但是RB1、RB2太小，將增加損耗，降低輸入電阻。因此一般取幾十k。69I1I2IBRB1+VCCRCC1C2RB2CERERLuiuoTUBEIBICUEIC本電路穩(wěn)壓的過程實際是由于加了RE形成了負反饋過程。穩(wěn)定原理：放大電路的工作點的穩(wěn)定70二、Q點計算直流通路I1I2IBRB1+VCCRCRB2RE估算法：；放大電路的工作點的穩(wěn)定71I1I2IBRB1+VCCRCRB2RE戴維寧等效：RB+VCCVBBRCTRE72三、交流性能分析rbeRCRLRBRB1+VCCRCC1C2RB2CERERLuiuo73CE的作用：交流通路中，CE將RE短路，RE對交流不起作用，放大倍數(shù)不受影響。問題：如果去掉CE，放大倍數(shù)怎樣I1I2IBRB1+VCCRCC1C2RB2CERERLuiuo？74去掉CE后的微變等效電路rbeRCRLRERB將RE折算到基極：放大電路的工作點的穩(wěn)定利?弊?752.5放大電路的三種基本接法共射放大電路：iB控制iC,電壓電流均放大共集放大電路：iB控制iE,電流放大共基放大電路：iE控制iC,電壓放大實現(xiàn)功率放大的目標。762.5.1基本共集放大電路（射極輸出器）一、靜態(tài)分析折算RB+VCCC1C2RERLuiuoIBIERB+VCCRE77二、動態(tài)分析RB+VCCC1C2RERLuiuorbeRERLRB微變等效電路781.電壓放大倍數(shù)rbeRERLRB791.所以但是，輸出電流Ie增加了。2.輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。結(jié)論：rbeRERLRB802.輸入電阻輸入電阻較大，作為前一級的負載，對前一級的放大倍數(shù)影響較小。rbeRERLRB813.輸出電阻用加壓求流法求輸出電阻。RorbeRERBRSrbeRERBRS電源置082一般：所以：射極輸出器的輸出電阻很小，帶負載能力強?？偨Y(jié)：輸入阻抗高；輸出阻抗低；電壓增益近似為1；電流增益大83直接耦合共集電路:rbeReRbbce例.84射極輸出器的使用1.將射極輸出器放在電路的首級，可以提高輸入電阻。2.將射極輸出器放在電路的末級，可以降低輸出電阻，提高帶負載能力。3.將射極輸出器放在電路的兩級之間，可以起到電路的匹配作用。85RcReuiuoVCCVBBT++--IEICIB一.靜態(tài)分析2.5.2基本共基放大電路86RcReuiuoVCCVBBT++--二.動態(tài)分析ReRcrbe+-+-ecb87特點：1.共基電路輸入電阻較小，輸出電阻較大，電流增益近似等于1，電壓增益與共射電路相近。2.直流工作點的溫度穩(wěn)定性好。3.共基電路可工作在較高的頻率。88RB+VCCRCC1C2TRLRB1+VCCRCC1C2RB2CERERLuiuoRcReuiuoVCCVBBT++--三種接法的比較：空載情況下：89三種接法的比較：空載情況下

接法共射共集共基

Au大

小于1

大

Aiβ1＋βαRi

中

大

小

Ro

大

小

大頻帶窄中寬902.6場效應管放大電路1.靜態(tài)：適當?shù)撵o態(tài)工作點，使場效應管工作在恒流區(qū)，場效應管的偏置電路相對簡單。2.動態(tài)：能為交流信號提供通路。組成原則：靜態(tài)分析：

估算法、圖解法。動態(tài)分析：

微變等效電路法。分析方法：912.6.1場效應管的微變等效電路GSD跨導漏極輸出電阻uGSiDuDS92從特性曲線求gm和rds：93很大，可忽略。

場效應管的微變等效電路為：gsduGSiDuDSsgdrdsdsU&sgddsU&94對MOS管：對結(jié)型管，同理可求：952.6.2共源放大電路一.基本共源放大電路1.靜態(tài)分析uo+VDDRgdsgRduiVGG+-計算:96圖解:uo+VDDRgdsgRduiVGG+-972.動態(tài)分析uo+VDDRgdsgRduiVGG+-sgdRdRg若Rd=3kΩ，Rg=5kΩ，gm=2mS，則與共射電路比較。98求解電路的Q點和。例1（1）求Q點：UGSQ＝VGG＝3V從轉(zhuǎn)移特性查得：IDQ＝1mA，UDSQ＝VDD－IDQRD＝5V（2）求電壓放大倍數(shù)：99

場效應管偏置電路的關(guān)鍵是如何提供柵源控制電壓UGS

自給偏置電路：適合結(jié)型場效應管和耗盡型MOS管場效應管偏置電路分類:

外加偏置電路：增強型MOS管只能采用外加偏置電路。100為什么加Rg3?其數(shù)值應大些小些？UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=VDD-IDQ(RS+RD)Rg1和Rg2提供一個固定柵壓注：要求UG>US，才能提供一個正偏壓，增強型MOS管才能正常工作。二.分壓式偏置電路Rg1Rg2提供一個正偏柵壓UGuo+VDDRSuiC1Rg2Rg3Rg！RLdsC2gRdCS大電阻（M)，減小Rg1、Rg2對放大電路輸入電