第2章 放大電路基礎20111202

第二章放大電路基礎

國家級精品課程《模擬電子技術基礎教程》編寫組第二章放大電路基礎

2.1

放大器的概念與技術指標

2.2

共射放大電路

2.3

共基和共集放大電路

2.4

場效應管放大電路

2.5多級放大電路2.6

放大電路的頻率響應

2.7

例題2.1

放大器的概念與技術指標

2.1.1放大器的概念

放大電路的核心元件:是雙極型三極管和場效應管。放大的對象:是變化量。放大作用:是小能量對大能量的控制作用。放大的本質:是實現能量的控制。2.1.1

放大器的主要技術指標放大電路結構框圖一.放大倍數1.電壓放大倍數2.電流放大倍數二.最大輸出幅度三.非線性失真系數沒有明顯失真的情況下，放大電路能夠提供給負載的最大輸出電壓（或最大輸出電流）。等分別表示輸出信號中基波、二次諧波、三次諧波等的有效值。四．輸入電阻五.輸出電阻從放大電路的輸入端看進去的等效電阻稱為放大電路的輸入電阻。從放大電路的輸出端看進去的交流等效電阻六.通頻帶通常將放大倍數在高頻和低頻段分別下降至中頻段放大倍數的時所包括的頻率范圍，定義為放大電路的通頻帶BW。2.2共射放大電路2.2.1共射放大電路的組成及工作原理一.放大電路中各元件的作用：

T是放大電路的核心，VCC提供輸出信號能量，RC將iC的變化量轉化為uCE的變化量，RB和VBB提供發(fā)射結偏置電壓UBE和靜態(tài)基極電流IB。定性分析:在輸入端加一微小電壓，將依次產生一下過程：適當選擇參數，可使uCE可比ui大得多，從而實現放大作用。二.放大電路的工作原理

：

工作波形:

1.三極管必須工作在放大區(qū)，原理電路缺點:放大電路組成原則：3.iC能夠轉化為uCE,并傳送到放大電路的輸出端。2.ui

能夠傳送到三極管的基極回路,產生相應的iB1.需要兩路直流電源,既不方便也不經濟2.輸入、輸出電壓不共地。共射放大電路的改進電路：

C1、C2

是隔直或耦合電容，RL是放大電路的負載電阻，省去了基極直流電源VBB。2.2.2放大電路的分析方法一、直流通路與交流通路1.直流通路用于放大電路的靜態(tài)分析。電容相當于開路電感相當于短路在直流通路中:2.交流通路用于放大電路的動態(tài)分析。電容和理想電壓源相當于短路電感和理想電流源相當于開路在交流通路中:二、靜態(tài)工作點的近似估算靜態(tài)工作點:

外加輸入信號為零時,三極管的

IBQ,ICQ,UBEQ,UCEQ

在輸入輸出特性曲線上對應一個點Q點。

一般UBEQ可近似認為：硅管

(0.6~0.8)V鍺管

(0.1~0.3)V靜態(tài)分析(估算靜態(tài)工作點)討論對象是直流成分。估算方法:直流通路

三.圖解法圖解法即可分析靜態(tài),也可分析動態(tài)。過程一般是先靜態(tài)后動態(tài)。1.圖解法分析靜態(tài)任務:用作圖法確定靜態(tài)工作點,求出IBQ,

ICQ和UCEQ。一般用近似估算法求IBQ和UBEQ。直流輸出回路的等效電路直流負載線和靜態(tài)工作點的求法直流負載線方程直流負載線與特性曲線iB=IBQ的交點即Q點2.圖解法分析動態(tài)動態(tài)分析(估算動態(tài)技術指標)討論對象是交流成分。交流輸出回路的等效電路交流負載線：過靜態(tài)工作點Q

，作一條斜率為-1/（RC//RL）的直線。

放大電路動態(tài)工作情況：用圖解法求放大電路的放大倍數：假設IBQ附近有一個變化量ΔiB

，在輸入特性上找到相應的ΔuBE

，在輸出特性的交流負載線上找到相應的ΔiC和ΔuCE。則電壓放大倍數：結論：由右圖可知：單管共射放大電路中，1.交直流并存，2.有電壓放大作用，3.有倒相作用。圖解法的步驟:（一）畫輸出回路的直流負載線，（二）估算IBQ，確定Q

點，得到ICQ和UCEQ，（三）畫交流負載線，（四）求電壓放大倍數。

3.圖解法分析非線性失真

當Q點過低時，輸入信號的負半周進入截止區(qū)---截止失真

當Q點過高時，輸入信號的負半周進入飽和區(qū)---飽和失真

4.圖解法分析電路參數對靜態(tài)工作點的影響

增大基極電阻時，使Q點沿直流負載線向右下方移動，靠近截止區(qū)。增大直流電源時，直流負載線將右平移，Q點移向右上方。

增大集電極電阻時，直流負載線的斜率將減小，Q點向右側移動。增大三極管的電流放大系數Q點沿直流負載線向左上方移動。四.微變等效電路法適用條件：微小交流工作信號，三極管工作在線性區(qū)。解決問題：處理三極管的非線性問題。等效：從線性電路的三個引出端看進去，其電壓、電流的變化關系和原來的三極管一樣。1.用簡化的微變等效電路計算單管共射放大電路的電壓放大倍數和輸入、輸出電阻電壓放大倍數為輸入電阻輸出電阻2.等效電路法的步驟確定放大電路的靜態(tài)工作點Q，(3)畫出放大電路的微變等效電路，(2)求出Q點處的β和rbe

，(4)列出電路方程求解和。、

3.有射極電阻的共射放大電路電壓放大倍數：該放大電路與基本共射放大電路相比較：電壓放大倍數減小了輸入電阻提高了輸出電阻沒有變化輸入電阻：輸出電阻：小結

圖解法優(yōu)點:1.即能分析靜態(tài),也能分析動態(tài)工作情況；

2.直觀形象；

3.適合分析具有特殊輸入/輸出特性的管子；

4.適合分析工作在大信號狀態(tài)下的放大電路。缺點:1.特性曲線存在誤差；

2.作圖麻煩,易帶來誤差；

3.無法分析復雜電路和高頻小工作信號。微變等效電路法優(yōu)點:1.簡單方便；

2.適用于分析任何基本工作在線性范圍的簡單或復雜的電路。缺點:1.只能解決交流分量的計算問題；

2.不能分析非線性失真；

3.不能分析最大輸出幅度。2.2.3放大電路的工作點穩(wěn)定問題一.溫度的變化對三極管的工作點的影響

TUBEQICBOβICQ溫度升高,靜態(tài)工作點移近飽和區(qū)，使輸出波形產生飽和失真。可見：二.分壓式工作點穩(wěn)定電路

基極靜態(tài)工作點電位基本不變

TUBEQIBQICQ

UEQICQ由以上分析可知：該電路是通過發(fā)射極電流的負反饋作用，牽制集電極電流的變化。也稱為電流負反饋式工作點穩(wěn)定電路。Re愈大,電路的溫度穩(wěn)定性愈好，但將影響輸出電壓幅度。Rb2和Rb2值的選用：一般取i1=(5~10)iB

,

且uBQ=(5~10)UBEQ

1.靜態(tài)分析從估算入手

靜態(tài)發(fā)射極電流為靜態(tài)基極電流為靜態(tài)電壓為:

2.動態(tài)分析，電壓放大倍數與基本共射放大電路相同輸入電阻為輸出電阻為2.3共基和共集放大電路放大電路的三種基本組態(tài)：共射、共集和共基2.3.1共基放大電路一.靜態(tài)分析二.動態(tài)分析

l.電流放大倍數，

可見共基極放大電路沒有電流放大作用

2.電壓放大倍數

3.輸入電阻

4.輸出電阻可見：電壓放大倍數與共射放大電路的電壓放大倍數大小相等,輸出電壓與輸入電壓相位相同。2.3.2共集放大電路一.靜態(tài)分析，二.動態(tài)分析

l.電流放大倍數

2.電壓放大倍數

3.輸入電阻

4.輸出電阻1.共集電極放大電路的電流放大倍數大于l，2.但電壓放大倍數恒小于l，而接近于1，3.輸出電壓與輸入電壓同相。可見：2.3.3三種組態(tài)三極管放大電路的比較①共發(fā)射極放大電路同時具有較大的電壓放大倍數和電流放大倍數，輸入電阻和輸出電阻值比較適中。所以，常用在對輸入電阻和輸出電阻沒有特殊要求的地方。對于三種基本放大電路的主要特點分析如下：②共基極組態(tài)電路的特點在于它具有很低的輸入電阻，使三極管結電容對高頻放大電路的影響不顯著，因而頻率響應得到很大改善，所以這種接法常常用于寬頻帶放大器中。③共集電極組態(tài)電路的特點是電壓跟隨，，而且輸入電阻很高、輸出電阻很低，所以常被用作多級放大電路的輸入級、輸出級或作為隔離用的中間級。2.4場效應管放大電路場效應管和雙極型三極管都是組成模擬電路的核心元件

FET與BJT的不同之處有：（1）通常認為BJT是一種電流控制器件,而FET則是一種電壓控制器件.（2）BJT的共射輸入電阻比較低，FET的共源輸入電阻很高。

（3）FET的跨導相對比較小（4）

FET具有噪聲小、受外界溫度及輻射的影響小2.4.1場效應管放大電路的靜態(tài)分析一.自給偏壓自給偏壓電路適用于耗盡型的FET靜態(tài)工作點、，求得的Q點應滿足否則求得的Q點沒有實際意義

二．分壓式偏置分壓式偏置電路既適用于增強型FET，也適用于耗盡型FET靜態(tài)工作點2.4.2場效應管基本放大電路的交流分析一.共源放大電路跨導：電壓放大倍數輸入電阻為輸出電阻

可見：共源極放大電路，具有電壓放大能力，與的相位相反，輸入電阻很高，輸出電阻較高。

二.共漏放大電路電壓放大倍數為輸入電阻：輸出電阻：可見：共漏極放大電路，沒有電壓放大能力，與的相位相同，輸入電阻很高，輸出電阻低。三.共柵放大電路

電壓放大倍數輸入電阻輸出電阻可見，共柵極放大電路具有電壓放大能力，與相位相同，輸入電阻低，輸出電阻較高。2.5多級放大電路由多個基本放大電路級聯組成的電路稱為多級放大電路2.5.1

級間耦合方式一．阻容耦合優(yōu)點:

各級Q

點相互獨立,便于分析、設計和調試。缺點:

不易放大低頻信號，不易集成。二.變壓器耦合

優(yōu)點：通過變壓器的“變比”，能實現阻抗變換，各級靜態(tài)工作點相互獨立。缺點：不易放大低頻信號，體積大、重量重、費用高，無法集成。

三.直接耦合優(yōu)點:

可放大交流和直流信號;便于集成。缺點:

各級Q點相互影響;零點漂移較嚴重。2.5.2多級放大電路的分析一.電壓放大倍數多級放大電路總的電壓放大倍數，等于組成它的各級基本放大電路放大倍數的乘積。注意：第n級的輸入電阻作為前一級放大電路的負載二.輸入電阻三.輸出電阻輸入電阻等于第一級放大電路的輸入電阻

輸出電阻等于輸出級的輸出電阻2.6放大電路的頻率響應2.6.1頻率響應概述放大電路的頻率響應：當放大電路輸入不同頻率的正弦波信號時，電路的放大倍數將隨著頻率改變而變化。一.幅頻特性和相頻特性由于電抗性元件的作用，使正弦波信號通過放大電路時，不僅信號的幅度得到放大，而且還將產生一個相位移。此時，電壓放大倍數可表示如下：其中：為幅頻特性為相頻特性

二.上限頻率、下限頻率和通頻帶fL

：稱為下限頻率fH：稱為上限頻率BW

：稱為通頻帶Aum

：稱為中頻電壓放大倍數三.頻率失真1.幅頻失真由于放大電路對不同諧波成分的放大倍數的幅值不同，導致uo的波形產生的失真。2.相頻失真由于不同諧波通過放大電路后產生的相位移不同，造成uo波形產生的失真2.6.2高通電路和低通電路一.高通電路電壓傳輸函數為幅頻特性相頻特性其中下限頻率：幅頻特性的波特圖

相頻特性的波特圖

二.低通電路電壓傳輸函數為幅頻特性相頻特性其中上限頻率：幅頻特性的波特圖

相頻特性的波特圖

2.6.3三極管頻率參數及高頻小信號模型一.三極管的頻率參數電流放大系數是頻率的函數

在中頻時，一般認為三極管的β基本上是一個常數。當頻率升高時，由于存在極間電容，三極管的電流放大作用將被削弱。幅頻特性相頻特性

共射截止頻率：

的對數幅頻特性下降了-3對應的頻率特征頻率：的對數幅頻特性下降到0對應的頻率

類似地，共基電流放大系數也是頻率的函數。

共基截止頻率：的對數幅頻特性下降了-3對應的頻率

共射截止頻率和共基截止頻率的關系二.三極管的高頻小信號模型一種考慮三極管極間電容的等效電路結構示意圖為發(fā)射結等效電容

為集電結等效電容混合П型等效電路

受控電流源為跨導混合型等效電路的參數計算:2.6.4共射放大電路的頻率響應一.混合型等效電路單向化密勒定理

將分別等效到輸入和輸出回路中混合型等效電路的單向化模型

二．共射放大電路頻率響應共射放大電路混合型等效電路

1.中頻段

由圖可得則中頻電壓放大倍數為2.低頻段

電容與輸入電阻構成一個RC高通電路

下限截止頻率：3.高頻段

高頻等效電路

簡化電路

由圖可得高頻電壓放大倍數為高頻段的上限頻率為

四.頻率響應完整波特圖

綜合中頻、低頻和高頻時的電壓放大倍數的表達式,全頻率段的電壓放大倍數的表達式為:全頻率段的波特圖

增益-帶寬積:是指中頻電壓放大倍數與通頻帶的乘積一般地，當選定三極管以后，和值即被確定，于是增益-帶寬積也就確定了。此時，若將電壓放大倍數提高若干倍，則通頻帶也將相應地變窄差不多同樣的倍數。增益-帶寬積為常數2.6.5共基和共集放大電路的高頻響應一.共基放大電路的高頻響應高頻小信號等效電路

交流通路進一步等效

對于回路有：對于回路有：中頻增益有：共基極放大電路的高頻電壓放大倍數為三極管的輸入電阻很小，故很高又由于很小,所以也很高。因此，共基極放大電路具有較好的高頻響應特性。二．共集放大電路的高頻響應電阻和電容跨接在輸入端和輸出端之間，則它們將產生密勒效應。因共集極電路在一定頻率范圍內，電壓放大倍數，因而密勒效應很小。所以，共集電極電路的高頻響應也是很好的。

2.6.6多級放大電路的頻率特性一．多級放大電路的幅頻特性和相頻特性已知多級放大電路總的電壓放大倍數是各個放大級電壓放大倍數的乘積。對數幅頻特性為總的相位移為兩個幅頻特性和相頻特性完全相同的單級放大電路串聯組成一個兩級放大電路。對數幅頻特性和相頻特性二.多級放大電路的上限頻率和下限頻率n個放大級的上、下限頻率2.7例題；

，例2.7.1

電路如圖所示，設,要求：⑴計算靜態(tài)工作點；⑵畫出微變等效電路，計算輸入電阻和輸出電阻⑶若，，求解：

⑴

⑵微變等效電路如圖

⑶返回例2.7.2在圖示的共集放大電路（為基極自舉電路）中，已知三極管的，電容對交流信號可視為短路。試畫出該電路的交流通路，求輸入電阻和輸出電阻解：

交流通路如圖

輸入電阻：輸出電阻：返回例2.7.3如圖所示的自偏壓電路，設晶體管為N溝道耗盡型MOS管，其參數為：，，，，。試計算該電路的靜態(tài)工作點。，,，在飽和區(qū)的漏極電流與柵源電壓應滿足關系式

解：

解上述方程組，可得第一組解在飽和區(qū)，有放大功能，是合理的。而第二組解中，，FET截止，是不合理的由此：返回例2.7.4多級放大電路如圖所示，已知三極管的參數為，。試計算總電壓放大倍數。（1）求靜態(tài)工作點解：

第一級放大電路：，，第二級放大電路：（2）求電壓放大倍數先計算三極管的輸入電阻：電壓放大倍數為返回例2.7.5電路如圖所示。已知，，，，，。試計算該電路接入與不接入由組成的共集放大電路兩種情況下的電壓放大倍數（都接入負載），