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第2章 基本放大电路模拟电子技术最基本的应用是对电信号进行放大。本章将从共发射极放大电路入手，讨论放大电路的基本概念、基本组成及基本工作原理，内容涉及静态工作点的选择、失真原因的分析、放大倍数的计算、级间耦合方式及放大电路的频率特性等。共基极放大电路、共集电极放大电路及场效应管放大电路，都属于最基本的放大电路，本章将专门予以分析。最后介绍几个有特色的实用放大电路。2.1 基本放大电路的组成及工作原理2.1.1 放大电路的概念与类型1放大的概念图2.1 扩音机放大电信号示意图几乎所有的人都见过扩音机。开大会时，话筒将讲话人的声波转换成微弱的电信号，电信号经扩音机放大后驱动扬声器发音，从而使全场都能听到讲话人的声音。这就是放大电路应用的典型例子，其示意图如图2.1所示。在生产实践和科学研究中需要对微弱的电信号进行放大，以便观察、测量或利用。所谓放大，从表面上看是将电信号由小变大，实质上放大的过程是实现能量转换的过程。由于在电子电路中输入的信号往往很小，它所提供的能量不能直接推动负载工作，因此需要另外提供一种直流能量，由能量较小的输入信号去控制这个直流能量，使直流能量转换成大信号能量输出，以推动负载工作。这种小能量对大能量的控制作用称为放大。2放大电路的类型放大电路的种类很多，且有不同的分类方法。通常有以下常见类型： 按工作频率分类有直流放大电路、低频放大电路及高频放大电路。 按器件分类有三极管放大电路、场效应管放大电路、电子管放大电路及集成放大电路。 按电路结构分类有共发射极放大电路、共基极放大电路、共集电极放大电路、共源极放大电路、共漏极放大电路及共栅极放大电路。 按放大对象分类有电压放大电路、电流放大电路及功率放大电路。 按静态工作点分类有甲类放大电路、乙类放大电路、甲乙类放大电路及丙类放大电路。 按通频带分类有宽带放大电路和窄带放大电路。3放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标有电压放大倍数、功率放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、非线性失真、最大不失真输出电压及效率等。2.1.2 共发射极放大电路的组成1电路基本组成图2.2 共发射极基本放大电路三极管对信号实现放大时，有共发射极、共集电极和共基极三种接法，这三种接法分别以发射极、集电极及基极作为输入回路和输出回路的交流公共端。由于共发射极接法应用最广，本节以共发射极接法的放大电路为例，讨论放大电路的组成及工作原理。共发射极基本放大电路如图2.2所示。电路中各元件的作用如下：(1)集电极电源UCC其作用是为整个电路提供能源，保证三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。在画图时，往往省略电源的电路符号，只标出电源电压的文字符号。(2)基极偏置电阻Rb其作用是为基极提供合适的直流电流，这个直流电流又称静态电流或偏置电流。(3)集电极电阻Rc其作用是将集电极信号电流的变化转换成信号电压的变化。(4)输入耦合电容C1其作用是隔直流、通交流，即将输入信号加到放大管的基极，但隔断基极的直流偏置。(5)输出耦合电容C2其作用是隔直流、通交流，即将输出信号加到负载RL，但隔断集电极的直流。“”为接地符号，是电路中的零参考电位。2电压、电流的方向及符号规定(1)电压、电流正方向的规定为了便于分析，规定电压都以输入、输出回路的公共端为负，其他各点为正；电流方向以三极管各电极电流的实际方向为正方向(如图2.2标注)。(2)电压、电流符号的规定在放大电路中，有直流分量、交流分量、瞬时值、有效值及峰值等概念，其符号表示如下： 直流分量，用大写字母和大写下标表示。如IB表示基极的直流电流。 交流分量，用小写字母和小写下标表示。如ib表示基极的交流电流。 瞬时值，是直流分量和交流分量之和，即交流叠加在直流上，用小写字母和大写下标表示。如iB表示基极电流总的瞬时值，其数值为iB=IB+ib。 交流有效值，用大写字母和小写下标表示。如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值。 交流峰值，用交流有效值符号再增加小写m下标表示。如Ibm表示基极交流电流峰值。2.1.3 交流信号放大原理1放大电路的静态工作状态输入信号为零(ui=0)时放大电路的工作状态称为静态，也就是放大电路的直流工作状态。由图2.2可清楚地看到，在放大电路中，既有直流电源，又有交流信号源，因此电路中交、直流并存。分析一个放大电路，首先要分析放大电路的直流工作状态，即求出放大电路各处的直流电压和直流电流的数值，以便判断放大电路是否工作于放大区，这是放大电路放大交流信号的前提和基础。分析放大电路的直流工作状态，首先要画出放大电路的直流通路。所谓直流通路，是指当输入信号ui=0时，在直流电源UCC的作用下，直流电流所流过的路径。在画直流通路时，电路中的电容开路，电感短路。图2.2所对应的直流通路如图2.3(a)所示。图2.3 基本放大电路的静态工作状态在图2.3(a)电路中，当UCC、Rc和Rb确定以后，UBE、IB、UCE及IC也就随之确定了。具体计算如下：IB= (2.1)IC=b IB (2.2)UCE =UCC-ICRc (2.3)对应于这三个数值，可在三极管的输入特性曲线和输出特性曲线上各确定一个固定不动的点“Q”，分别如图2.3(b)、(c)所示，我们把这个“Q”点就称为放大电路的静态工作点。为了便于说明此时的电压和电流值是对应于工作点“Q”的静态参数，静态电压与静态电流常分别记作UBEQ、IBQ、UCEQ和ICQ。放大电路直流状态的确定归结为静态工作点的选择，静态工作点应选在三极管特性的放大区，而且应远离三极管特性的截止区与饱和区。2交流信号放大原理交流放大状态又称为动态，它是指放大电路输入信号不为零时的工作状态。当放大电路中加入正弦交流信号ui时，电路中各电极的电压、电流都是在直流量的基础上发生变化，即瞬时电压和瞬时电流都是由直流量和交流量叠加而成的，其波形如图2.4所示。在图2.4中，输入信号ui通过耦合电容传送到三极管的基极与发射极之间，使得基极与发射极之间的电压为图2.4 基本放大电路的动态情况 uBE =UBEQ+ui (2.4)当ui变化时，便引起uBE随之变化，相应的基极电流也在原来IBQ的基础上叠加了因ui变化产生的变化量ib。这时，基极的总电流则为直流和交流的叠加，即 iB=IBQ+ib (2.5)经三极管放大后，可得 iC = b iB=b IBQ+b ib=ICQ+ic (2.6) uCE =UCC-iCRc=UCC-(ICQ+ic)Rc=UCEQ-icRc=UCEQ+uce (2.7)由式(2.7)可以看出，电压uCE由两部分组成，一部分为静态电压UCEQ=UCC-ICQRc，另一部分为交流动态电压uce=-icRc，其中静态电压被C2隔断，交流电压经C2耦合到输出端，得 uo=uce=-icRc (2.8)式中“-”表示uo与ui反相，即共发射极放大电路的uo与ui的相位相反。通过对上述放大过程的分析和波形的观察，可以得到如下几个重要结论： 在没有信号输入时，放大电路处于静态，三极管各电极有着恒定的静态电流值IBQ与ICQ和静态电压值UBEQ与UCEQ，如图2.4(b)中的虚线所示。 当加入变化的输入信号后，放大电路处于动态，三极管各电极的电流、电压瞬时值是在静态电流和电压的基础上，分别叠加了随输入信号ui变化的交流分量ib、ic及uce，其总瞬时值的方向或极性保持原来直流量的方向与极性，大小随着ui的变化而变化。 输出电压uo和输出电流ic的变化规律和输入信号电压ui的一致，且uo比ui幅度大得多，这就完成了对交流信号的不失真放大。 当输入信号电压为正弦波的正半周时，iB在IB的基础上作正弦波规律增大，iC在IC基础上作正弦波规律增大，uCE在UCE基础上作正弦波规律减小。当输入信号电压为正弦波的负半周时，iB在IB的基础上作正弦波规律减小，iC在IC基础上作正弦波规律减小，uCE在UCE基础上作正弦波规律增大。总之，uo和ui是同频率的正弦量，但相位差180，即共发射极放大电路对于输入信号具有“反相”作用。3放大电路的交流通路所谓交流通路，是指在输入信号ui的作用下，只有交流电流所流过的路径。画交流通路时，若耦合电容容量足够大，容抗近似为零，则耦合电容对交流视为短路；若电源UCC是理想电源(内阻近似为零)，则交流电流流过电源时，电源两端没有交流电压产生，所以电源对交流也视为短路。这样，图2.2所示电路的交流通路如图2.5所示。根据输入信号ui的极性，可画出各交流电流的流动方向。图2.5 交流通路与交流电流2.1.4 放大电路的失真现象分析若输出信号波形的形状与输入信号波形的形状不一样，则称失真，即失去输入信号的真面目。1截止失真三极管动态范围进入截止区而引起的失真称截止失真。在图2.6(a)波形中，若IBQ足够大，即IBQIbm，则ib波形就不会产生失真。在图2.6(b)波形中，若IBQ不够大，使IBQIbm (b)IBQUcem，如图2.7(a)所示。当UCEQUcem时，将产生饱和失真，如图2.7(b)所示。这是因为在输入信号正半周，iC电流增大，uCE电压减小，当uCE减至1V以下时，三极管便进入了饱和区域，三极管失去了放大能力，虽然iB再增大，但iC不再增大，uCE也最小减至0V，uCE波形的负峰被削顶，导致uo的负峰也被削顶而失真。图2.7 饱和失真示意图由以上分析可知，产生饱和失真的原因是放大管的静态管压降UCEQ偏小，当输入信号使瞬时管压降进一步减小时，放大管工作状态将进入饱和区域，导致波形失真。消除饱和失真的办法是增大UCEQ电压，根据UCEQ = UCC-ICQRc，也就是减少ICQ电流或减小Rc电阻的阻值。总之，设置合适的静态工作点十分重要，即Rb和Rc电阻的阻值若选择不当，就会引起截止失真或饱和失真发生。另外，需要说明的是，即使静态工作点合适，若输入信号幅度过大，则也会导致截止失真和饱和失真同时发生。还需要说明的是，即使放大电路的静态工作点选择为最佳，但因三极管的放大区为近似线性放大区，所以非线性失真是必然的，只不过是此非线性失真可忽略不计罢了。2.1.5 交流等效电路与放大倍数1三极管的微变等效电路若三极管静态工作点正常，则当输入交流信号为微小变化信号时，三极管的电压和电流近似为线性变化。因此，在放大微变输入信号时，三极管可等效为一个线性元件，如图2.8所示。(1)三极管基极与发射极间的等效三极管的基极和发射极输入端等效为一个交流输入电阻rbe。rbe的含义如图2.9所示，它是输入特性曲线工作点Q附近的电压微小变化量与电流微小变化量之比。由于三极管输入特性曲线的非线性，因此rbe与Q点有关。Q点在特性曲线上的位置越高，rbe值就越小。求Q点的rbe值时，先在图2.9中通过Q点对特性曲线作切线，切线与电压轴的夹角用q 表示，则Q点的rbe电阻可写成rbe=cotq (2.9)三极管的rbe值也可以用下列公式计算：rbe=300W+(1+b) (2.10) 图2.8 三极管微变等效电路 图2.9 rbe含义示意图式中，300W为基区体电阻，(1+b)为发射结电阻。从式(2.10)可知，rbe是一个非线性电阻，与静态电流IEQ有关。IEQ越大，rbe值越小。(2)三极管集电极与发射极间的等效当三极管工作在放大区时，iC仅受iB控制，而与uCE基本无关，即实现了三极管的受控恒流特性，即iC=b iB。所以，三极管集电极与发射极输出端等效为一个受控电流源与内阻rce并联是非常合理的。如果三极管放大区的输出特性曲线平行于横轴，则表明三极管的受控恒流特性理想化，即rce为无穷大。通常rce值很大，在等效电路中可忽略不计。图2.10 放大电路的微变等效电路2放大电路的微变等效电路如果将图2.5所示交流通路中的三极管用微变等效电路代换，则得到图2.10所示的放大电路的微变等效电路。这样，虽然三极管是一个非线性元件，但在一定条件(微变信号、静态工作点正常)下，由三极管组成的放大电路就转化为一个线性电路，这样可方便于分析计算。3放大倍数的计算(1)放大倍数的定义放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，它是指输出信号与输入信号之比，也叫增益。通常有电压放大倍数Au、电流放大倍数Ai和功率放大倍数Ap之分，它们分别定义为 Au= (2.11) Ai= (2.12) Ap= (2.13)式中，uo、ui、io和ii分别是输入和输出信号的交流量，其含义如图2.11所示。Po= uoio是输出功率，Pi= uiii为输入功率。图2.11 uo、ui、io和ii含义示意图(2)放大倍数的计算对于小信号放大电路，重点考虑电压放大倍数，电流放大倍数和功率放大倍数往往不是设计的主要指标。求电压放大倍数时，先画出交流等效电路。对于图2.10所示的交流等效电路，其电压放大倍数计算如下：由于输出总的负载电阻是RL与Rc并联，用=Rc/RL表示，则有载电压放大倍数Au计算为uo=-ic=-b ib (2.14)ui = ib rbe (2.15)Au=-b (2.16)式中，“-”表示输入信号与输出信号相位相反。若不接负载RL，即RL，则空载时电压放大倍数为uo=-icRC=-b ib Rc (2.17)=-b (2.18)图2.12显然，空载电压放大倍数大于有载电压放大倍数Au。例2.1 放大电路如图2.12所示，其中三极管为硅管。 计算静态工作点。 当RL=6.8kW 时，计算电压放大倍数。 如果偏置电阻Rb由510kW 减至240kW，则三极管的工作状态如何变化？解 静态工作点的计算：IBQ=40mA ICQ= b IBQ= 450.04mA=1.8mAUCEQ=UCC-ICQRc=20V-1.8mA6.8kW7.8V 电压放大倍数的计算： IEQICQ=1.8mArbe=300W+(1+b)=300+46=960W=Rc/RL=6.8kW/6.8kW=3.4kWAu=-b=-45-160 计算当Rb由510kW 减至240kW 时的静态工作点：IBQ=80mA ICQ=b IBQ= 450.08mA=3.6mA UCEQ=UCC-ICQRc=20V-3.6mA6.8kW4.48V由于UCEQ不可能为负值，因而此时有误。因为Rb由510kW 减至240kW 后，三极管电流增大，三极管已进入饱和状态，ICQ=bIBQ式子不成立，ICQUCC/Rc=2.9mA。复习思考题2.1.1 什么是放大电路的静态工作点？什么样的静态工作点为最佳？2.1.2 在分析放大电路时，如何画直流通路和交流通路？2.1.3 产生截止失真与饱和失真的原因是什么？如何避免？2.1.4 如何提高图2.2所示电路的电压放大倍数？2.2 放大电路的偏置方式2.2.1 温度对三极管特性的影响由于半导体材料的热敏性，三极管的参数几乎都与温度有关，放大电路如果不解决温度稳定性问题，将不能使电路实用化。因此，了解温度对三极管参数的影响是十分必要的。(1)温度对UBE的影响在IB相同的条件下，输入特性曲线随温度的升高而左移，使UBE减小。温度每升高1，UBE就减小22.5mV。(2)温度对ICBO的影响因为温度升高，本征激发产生的载流子浓度增大，所以ICBO增加，导致ICEO增长。温度每升高10，ICBO和ICEO就约增大1倍。(3)温度对b 的影响温度升高，载流子运动加剧，载流子在基区渡越的时间缩短，从而在基区复合的数目减少，而被集电区收集的数目增多，使得b 值增加。温度每升高1，b 值就增加0.5%1%。上一节介绍的共发射极基本放大电路称为固定偏置式放大电路。固定偏置式电路其结构简单，但静态工作点稳定性差，主要是受温度影响很大。根据式(2.1)和式(2.2)，并考虑三极管的穿透电流ICEO，有所以当UCC和Rb一定时，ICQ与三极管的参数b、UBE及ICEO有关。当温度升高时，b 值增大，ICEO增大，UBE减少，这都会引起ICQ增大，导致静态工作点不稳定。所以，应采取措施，以限制因温度变化而引起的三极管静态工作点的变化。2.2.2 分压式偏置放大电路1电路结构分压式偏置放大电路如图2.13所示，与固定偏置式电路不同的是：基极直流偏置电位UB是由Rb1和Rb2对UCC分压来取得的，故称这种电路为分压式偏置电路；同时，电路中增加了发射极电阻Re，用来稳定电路的静态工作点；另外，在Re两端并联了一只电容Ce，称为射极旁路电容，它使Re两端的交流电压为零，即发射极交流对地短路。2静态工作点的估算分压式偏置放大电路的直流通路如图2.14所示。 图2.13 分压式偏置放大电路 图2.14 分压式偏置放大电路的直流通路当三极管工作在放大区时，IBQ很小，当满足IBQ I1时，UBQ由Rb1和Rb2对UCC分压决定，于是有UBQUCC (2.19)ICQIEQ= (2.20)IBQ= (2.21)UCEQUCC-ICQ(Rc+Re) (2.22)从公式(2.20)来看，ICQ与UCC、Rb1、Rb2及Re有关，与三极管的b 等参数无关。这表明电路的静态工作点稳定，基本上不受温度T变化的影响。静态工作点的稳定也可以这样说明：由于基极电压UBQ固定，假如当温度增加时，由于三极管的b 及穿透电流增大，引起三极管电流增大，则电流在Re上的电压降UEQ增大；再由于UBEQ=UBQ-UEQ，导致UBEQ减少，即三极管电流减少。这一过程又称为直流负反馈。过程表示如下：若Tb或ICEOICQIEQUEQUBEQICQIBQ3交流等效电路与放大倍数的计算图2.13所示电路的交流等效电路如图2.15所示。图2.15 分压式偏置放大电路的交流等效电路其电压放大倍数计算如下：Au=- (2.23)式中，=Rc/RL。若不接负载RL，即=Rc，则电压放大倍数为=- (2.24)由以上计算公式可知，分压式偏置放大电路的放大倍数计算公式与固定偏置放大电路的相同。4电路参数及其选择原则(1)电路参数对放大性能的影响Rb1称为上偏置电阻。Rb1的阻值越大，放大管静态电流就越小，而静态电流过小易使放大产生截止失真。Rb1的阻值太小，放大管静态电流就过大，而静态电流过大将引起放大管管压降UCEQ太小，则易产生饱和失真。Rb2称为下偏置电阻。Rb2的阻值对放大管静态电流的影响与Rb1的刚好相反。Re称为发射极直流负反馈电阻。Re的阻值大，则直流负反馈效果好，静态工作点稳定，但Re太大会引起放大管静态电流太小，放大易产生截止失真。反之，Re的阻值小，则放大管静态电流大，静态电流过大将引起放大管管压降UCEQ太小，易产生饱和失真；同时Re的阻值太小使直流负反馈效果差，静态工作点稳定性差。Rc称为集电极负载电阻。Rc的阻值大，则电压放大倍数高，但Rc的阻值太大使放大管管压降UCEQ减小，易产生饱和失真。反之，Rc的阻值小，则电压放大倍数低，它可使放大管管压降UCEQ增大，不易产生饱和失真。C1和C2称为耦合电容。C1和C2的容量选择视信号频率而定。对于低频信号放大，一般采用电解电容。C1和C2其容量若不够大，则会产生交流信号压降，即信号损失大。但C1和C2容量太大也没有必要，因为容量大的电容器其体积也大。Ce称为发射极旁路电容。Ce的容量选择也视信号频率而定。对于低频信号放大，一般采用电解电容，且一般容量选得比C1及C2的更大一些。Ce的容量若不够大，则Re两端会产生交流信号电压，Re两端的信号电压抵消了输入信号电压，使加到放大管b极和e极之间的信号电压减小，电压放大倍数将明显减小，这称为交流负反馈。(2)电路参数选择原则1)电源UCC的选择电源电压大小的选择视信号大小而定。信号幅度小，电源电压可选小些，以提高效率；信号幅度大，电源电压应选大些，以确保放大不产生非线性失真。对于小信号放大电路，电源电压通常选为12V以下。2)Rb1和Rb2的选择 Rb1和Rb2串联总阻值的选择，应保证图2.14所示电路满足IBQ I1，I1I2，从而保证UBQUCC。若Rb1和Rb2串联总阻值太小，则虽然IBQ 时，AuAum，0，180当 时，A