《模擬電子技術(shù)》ch2 電壓放大器

模塊2電壓放大器2.1放大器的基本組成及主要性能指標(biāo)2.2放大電路的組成及工作原理2.3

放大電路的分析方法2.4

放大器的三種基本組態(tài)2.5

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.1放大器的基本組成及主要性能指標(biāo)2.1.1三極管放大電路的組成原則

1.放大元件iC=iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。2.輸入回路將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電流。3.輸出回路將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的集電極電壓，經(jīng)電容濾波只輸出交流信號(hào)。2.1.2電壓電流表示方法IB/UB大寫(xiě)字母、大寫(xiě)下標(biāo)，表示直流量。iB/uB小寫(xiě)字母、大寫(xiě)下標(biāo)，表示全量。iB/uB小寫(xiě)字母、小寫(xiě)下標(biāo)，表示交流分量。uBub全量交流分量tUB直流分量2.1.3放大電路的性能指標(biāo)一、電壓放大倍數(shù)AuUi

和Uo

分別是輸入和輸出電壓的有效值。二、輸入電阻ri放大電路一定要有前級(jí)（信號(hào)源）為其提供信號(hào)，那么就要從信號(hào)源取電流。輸入電阻是衡量放大電路從其前級(jí)取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，從其前級(jí)取得的電流越小，對(duì)前級(jí)的影響越小。AuIi~USUi三、輸出電阻roAu~US放大電路對(duì)其負(fù)載而言，相當(dāng)于信號(hào)源，我們可以將它等效為戴維南等效電路，這個(gè)戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。~roUS'如何確定電路的輸出電阻ro

？步驟：1.所有的電源置零(將獨(dú)立源置零，保留受控源)。2.加壓求流法。UI方法一：計(jì)算。方法二：測(cè)量。Uo1.測(cè)量開(kāi)路電壓。~roUs'2.測(cè)量接入負(fù)載后的輸出電壓。~roUs'RLUo'步驟：3.計(jì)算。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(xiàn)2.2放大電路的組成及工作原理2.2.1

單管共射放大電路的組成放大的實(shí)質(zhì)：用較小的信號(hào)去控制較大的信號(hào)。Rb+VCCVBBRCC1C2T放大元件iC=iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。uiuo輸入輸出參考點(diǎn)RL2.2.2基本共射放大電路的工作原理使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)IB和UBE。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL基極電源與基極電阻集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL共射放大電路集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL耦合電容：電解電容，有極性，大小為10F~50F作用：隔直通交隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時(shí)能使信號(hào)順利輸入輸出。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL++uiuo單電源供電可以省去Rb+VCCVBBRCC1C2TRL共發(fā)射極放大電路的實(shí)用電路2.3

放大電路的分析方法靜態(tài)是指無(wú)交流信號(hào)輸入時(shí)，電路中的電流、電壓都不變的狀態(tài)，靜態(tài)時(shí)三極管各極電流和電壓值稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)值IBQ、ICQ和UCEQ。直流通路：耦合電容可視為開(kāi)路。2.3.1等效電路法1.放大電路的靜態(tài)分析（1）估算IB（UBE

0.7V)Rb+VCCRCIBUBERb稱(chēng)為偏置電阻，IB稱(chēng)為偏置電流。（2）估算UCE、ICRb+VCCRCICUCEIC=IB例：用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。已知：VCC=12V，RC=4K，Rb=300K，=37.5。解：請(qǐng)注意電路中IB和IC的數(shù)量級(jí)UBE

0.7VRb+VCCRC(IB,UBE)和(IC,UCE)分別對(duì)應(yīng)于輸入輸出特性曲線(xiàn)上的一個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)。IBUBEQIBUBEQUCEICICUCEIB為什么要設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)？

放大電路建立正確的靜態(tài)工作點(diǎn)，是為了使三極管工作在線(xiàn)性區(qū)，以保證信號(hào)不失真。動(dòng)態(tài)是指放大電路在接入交流信號(hào)后，電路中的各處電流、電壓的變化情況，動(dòng)態(tài)分析是為了了解放大信號(hào)的傳輸過(guò)程和波形變化。結(jié)論在動(dòng)態(tài)工作時(shí),放大電路中的各處電流、電壓都是在靜態(tài)(直流)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)正弦交流分量。電路中同時(shí)存在直流分量和交流分量，這是放大電路的特點(diǎn)。2.放大電路的動(dòng)態(tài)分析

-++VT123URBIRBBBECCCCb（+12V）IUVCE符號(hào)說(shuō)明ωtUCEωtωtωtωtωtURCURCiB(e)管壓降的波形(d)RC上壓降的波形(c)集電極電流波形uCEuceuRCurcICiciCibIB000000000000ωtωtωtωtωtωtωt(b)基極電流波形ui0(a)輸入信號(hào)電壓波形0uoωt(f)輸出信號(hào)電壓波形交流通路：（ui單獨(dú)作用下的電路）。由于電容C1、C2足夠大，容抗近似為零（相當(dāng)于短路），直流電源UCC去掉（短接）。用微變等效法分析放大電路基本思路把非線(xiàn)性元件晶體管所組成的放大電路等效成一個(gè)線(xiàn)性電路，就是放大電路的微變等效電路，然后用線(xiàn)性電路的分析方法來(lái)分析，這種方法稱(chēng)為微變等效電路分析法。等效的條件是晶體管在小信號(hào)（微變量）情況下工作。這樣就能在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，用直線(xiàn)段近似地代替晶體管的特性曲線(xiàn)。（1）三極管的微變等效電路輸入特性曲線(xiàn)在Q點(diǎn)附近的微小范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線(xiàn)性的。當(dāng)uBE有一微小變化ΔUBE時(shí)，基極電流變化ΔIB，兩者的比值稱(chēng)為三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻，用rbe表示，即：微變等效電路法輸出特性曲線(xiàn)在放大區(qū)域內(nèi)可認(rèn)為呈水平線(xiàn)，集電極電流的微小變化ΔIC僅與基極電流的微小變化ΔIB有關(guān)，而與電壓uCE無(wú)關(guān)，故集電極和發(fā)射極之間可等效為一個(gè)受ib控制的電流源，即：（2）放大電路的微變等效電路++－+uoCeReRb1VC2C1RLRcRb2+ui－RsΒibRb1uo+－ieicibRcRb2RL+us－riui－+RcRbrs－+bcicrbeibuoRLro放大電路的微變等效電路①電壓放大倍數(shù)式中RL'=RC//RL。當(dāng)RL=∞（開(kāi)路）時(shí)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)②輸入電阻Ri輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號(hào)源吸取電流（輸入電流）的大小。為了減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號(hào)源內(nèi)阻Rs的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在幾百歐到幾千歐，一般認(rèn)為是較低的，并不理想。③輸出電阻對(duì)于負(fù)載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負(fù)載電阻RL的變化對(duì)輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負(fù)載能力越強(qiáng)，因此總希望Ro越小越好。上式中Ro在幾千歐到幾十千歐，一般認(rèn)為是較大的，也不理想。（1）用估算法求出基極電流IBQ（如40μA）。（2）根據(jù)IBQ在輸出特性曲線(xiàn)中找到對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。（3）作直流負(fù)載線(xiàn)。根據(jù)集電極電流IC與集、射間電壓UCE的關(guān)系式UCE=UCC－ICRC可畫(huà)出一條直線(xiàn)，該直線(xiàn)在縱軸上的截距為UCC/RC，在橫軸上的截距為UCC，其斜率為－1/RC

，只與集電極負(fù)載電阻RC有關(guān)，稱(chēng)為直流負(fù)載線(xiàn)。（4）求靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并確定UCEQ、ICQ的值。晶體管的ICQ和UCEQ既要滿(mǎn)足IB=40μA的輸出特性曲線(xiàn)，又要滿(mǎn)足直流負(fù)載線(xiàn)，因而晶體管必然工作在它們的交點(diǎn)Q，該點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)。由靜態(tài)工作點(diǎn)Q便可在坐標(biāo)上查得靜態(tài)值ICQ和UCEQ。1.靜態(tài)圖解法2.3.2圖解法

IB=40μA的輸出特性曲線(xiàn)由UCE=UCC－ICRC所決定的直流負(fù)載線(xiàn)兩者的交點(diǎn)Q就是靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)Q點(diǎn)作水平線(xiàn)，在縱軸上的截距即為ICQ過(guò)Q點(diǎn)作垂線(xiàn)，在橫軸上的截距即為ICQ圖解步驟：（1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點(diǎn)Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負(fù)載線(xiàn)。（4）由輸出特性曲線(xiàn)和交流負(fù)載線(xiàn)求iC和uCE。2.動(dòng)態(tài)圖解法從圖解分析過(guò)程，可得出如下幾個(gè)重要結(jié)論：（1）放大器中的各個(gè)量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量?jī)刹糠纸M成。（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔開(kāi)，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓ui反相。（3）放大器的電壓放大倍數(shù)可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負(fù)載電阻RL越小，交流負(fù)載電阻RL'也越小，交流負(fù)載線(xiàn)就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數(shù)下降。（4）靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置得不合適，會(huì)對(duì)放大電路的性能造成影響。若Q點(diǎn)偏高，當(dāng)ib按正弦規(guī)律變化時(shí)，Q'進(jìn)入飽和區(qū)，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓uo（即uce）的負(fù)半周出現(xiàn)平頂畸變，稱(chēng)為飽和失真；若Q點(diǎn)偏低，則Q"進(jìn)入截止區(qū)，輸出電壓uo的正半周出現(xiàn)平頂畸變，稱(chēng)為截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱(chēng)為非線(xiàn)性失真。非線(xiàn)性失真

2.4放大器的三種基本組態(tài)三極管放大電路有三種形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器為例講解工作原理溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響溫度升高UBE減小ICBO增大β增大IC增大2.4.1共射放大器（靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定電路）Q變T變IC變UBICEO變溫度對(duì)UBE的影響iBuBE25oC50oCTUBE曲線(xiàn)左移IBIC溫度對(duì)值及ICEO的影響T、ICEOICiCuCEQQ′總的效果是：溫度上升時(shí)，輸出特性曲線(xiàn)上移，造成Q點(diǎn)上移。總之：TIC常采用分壓偏置電路來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。電路見(jiàn)下頁(yè)。為此，需要改進(jìn)偏置電路，當(dāng)溫度升高時(shí),能夠自動(dòng)減少I(mǎi)B，IBIC，從而抑制Q點(diǎn)的變化。保持Q點(diǎn)基本穩(wěn)定。條件：I2>>IB，則與溫度基本無(wú)關(guān)。調(diào)節(jié)過(guò)程：靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路直流通道及靜態(tài)工作點(diǎn)估算IB=IC/UCE=VCC-ICRC-IEReICIE=UE/Re

=（UB-UBE）/Re

UBE0.7V

+VCCRb1RCRb2ReICIEIBUCE電容開(kāi)路,畫(huà)出直流通道電容短路,直流電源短路，畫(huà)出交流通道交流通道及微變等效電路Rb1+ECRCC1C2Rb2CERERLuiuoBEC交流通道Rb1RCRb2RLuiuoBECibiciii2i1微變等效電路rbeRCRLRb1Rb2BECI1I2微變等效電路及電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的計(jì)算Ri=

Rb1//Rb2//rbeRo=

RCrbeRCRLRb1Rb2BECI1I2RL=RC//RL電容CE的作用：例：圖示電路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)（2）求電壓放大倍數(shù)（3）求輸入電阻和輸出電阻Rb+VCCC1C2ReRLuiuo2.4.2共集電極放大器靜態(tài)分析直流通道及靜態(tài)工作點(diǎn)分析：VCC=IBRb+UBE+IERe

=IBRb+UBE+(1+

）IBReRb+VCCReIBIEUBEUCEIC=IB動(dòng)態(tài)分析交流通路及微變等效電路RB+ECC1C2RERLuiuo交流通路及微變等效電路rbeReRLEBCRbReRLuiuoBCE=LbbebLbRI)1(rIRI)1(￠b++￠b+···電壓放大倍數(shù)rbeRERLRLIeuA=UoUi1、所以2、輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱(chēng)電壓跟隨器，或者射極跟隨器。討論輸出電壓與輸入電壓近似相等，電壓未被放大，但是電流放大了，即輸出功率被放大了。Au輸入電阻rbeReRLIRBRi=Ui

Ibrbe+(1+)RL=Ri=UiIi=Rb//[rbe+(1+)RL]RiRi輸出電阻用加壓求流法求輸出電阻。rbeRERsro置0保留RsrbeRe輸出電阻ro=Re//rbe1+當(dāng)RS=0時(shí)（加電壓求流法）ro=Re//rbe1+當(dāng)RS=0時(shí)rob++=1Rr//RsbeE射極輸出器的特點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)=1，輸入阻抗高，輸出阻抗小。[例]在射極輸出器中

已知UCC=12V，

RB=240kΩ，

RE=3kΩ，

RL=6kΩ，

RS=150Ω，

β=50。RSuS+－RLiCiBTC2C1++RBRE+UCC+－uO（1）靜態(tài)工作點(diǎn)IB=————————=—————————=0.029mAUCC－UBE12－7RB+（1+β）RE240+（1+50）×3IE=（1+β）IB=（1+50）×0.029=1.48mAUCE=UCC－REIE=12－3×1.48=7.56VRSuS+－RLiCiBTC2C1++RBRE+UCC+－uO（2）Au、ri

和r0ri=RB//［rbe+（1+β）R'L

］=240//［1.2+

（1+50）（2//6）

］=72.17kΩrO=————=——————=26.47Ωrbe

+RS1+β1200+1501+50...UO

RSRERLeb

cIb

Ie

.IC

rberir'iUS

.Ii

.βIb

RB+－+－...Uo

.=1.20kΩrbe

=300+（1+50）×——261.48例：圖示電路，已知UCC=12V，RB=200kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，RS=100Ω，β=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)2.4.3共基放大器如圖（a）所示電路，信號(hào)由發(fā)射極輸入，由集電極輸出，從其交流通路(b)所示，輸入與輸出回路的公共端為基極，所以稱(chēng)為“共基極放大電路”。

圖2-21共基極放大電路

共基極放大電路的微變等效電路如圖所示圖

共基極放大電路的微變等效電路對(duì)共基極放大電路進(jìn)行分析，可知共基極放大電路無(wú)電流放大作用，但電壓放大倍數(shù)較大，所以仍有功率放大作用；輸出電壓和輸入