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第四章 基本放大电路基础引言 半导体三极管的主要用途之一是利用其放大作用组成各种放大电路。在日常生活和生产时间中，往往要对微弱的电信号进行放大，以便控制和推动较大功率的负载。例如，日常所用的收音机和电视机，需要将天线接收到的微弱电信号放大到一定程度，使扬声器发出声音，或使电视屏幕显示出图像。又如，在某些自动控制系统中，需要将控制信号放大到一定的输出功率来驱动电磁铁、电动机、液压机构等执行部件。此外，许多检测仪表利用传感器将温度、压力、流量、液位、转速等非电量转换成微弱的电信号，再通过放大去驱动显示仪表显示被测量的小，或者用来驱动执行机构，以实现自动控制。可见，放大电路的用途十分广泛。本章主要立足于分立元件电路，介绍放大电路的一般结构、工作原理、分析方法以及主要性能指标的定义及估算。最后结合实例，初步介绍放大电路的工程应用。第一节放大电路概述1.1放大电路的概念*“放大”输入一个较小的信号时，在输出端可得到一个不失真的较大的信号的过程称为放大。放大电路就是能实现这一过程的电路。放大的实质: 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。 *放大电路要解决的根本问题是：放大、不失真，这样，放大电路的组成原则即可确定。电源设置必须保证三极管处于放大工作状态；输入信号能够顺利加到放大管上；输出信号尽可能多地加到负载上；没有输入信号时，放大管有一个合适的静态工作点。（没有输入信号时，电源设置必须保证放大管处于放大工作状态有一个合适的静态工作点）准备工作：三极管有三个电极，适用于双端口网络中时，任意一个极都可以作为输入回路与输出回路的公共端，另为两个极可作为输入端和输出端，则基本放大电路有三种形式：共射、共集、共基。BJT的三种组态共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;1.2放大电路的主要性能指标。1.2.1放大倍数放大倍数（也称增益）是表示放大能力的一项重要指标。常用的有以下两种。 电压放大倍数Au Au=U0 / Ui电压放大倍数表示放大电路放大信号电压的能力，式中U0和Ui分别表示输出电压和输入电压。电流放大倍数AiAi=I0 / Ii电流放大倍数表示放大电路放大信号电流的能力，式中I0和Ii分别表示输出电流和输入电流。1.2.2输入电阻Ri 当输入信号电压加到放大电路的输入端时，在其输入端产生一个相应的电流，从输入端往里看进去有一个等效的电阻。这个等效电阻就是放大电路的输入电阻。定义为外加正弦输入电压有效值与相应的输入电流有效值之比。Ri=Ui / Ii 它是衡量放大电路对信号源影响程度的一个指标。其值越大，放大电路从信号源索取的电流就越小。1.2.3输出电阻R0 在放大电路的输入端加入信号，如果改变接在输出端的负载电阻，则输出电压也会随着改变，从输出端看进去有一个等效的内有电阻R0。输出电阻是描述放大电路负载能力的一项技术指标。通常放大电路的输出电阻越小越好。R0越小，说明放大电路的带负载能力越强。1.2.4最大输出功率Pom和效率Pom是指输出信号基本不失真的情况下能输出的最大功率。= Pom / Ps100%Ps为直流电源提供的功率。1.2.5最大输出幅度Uom或（Iom） 表示在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够提供给负载的最大输出电压（或最大输出电流）。第二节 基本放大电路的工作原理2.1电路构成及各元件的作用2.1.1放大电路的构成（以共射电路为例）图及动画参见ppt整个回路分为输入回路和输出回路两部分。A0端为放大电路的输入端，用来接收待放大的信号。B0端为输出端，用来输出放大后的信号。图中“”表示公共端，也称为“地”，并非真正接大地，而是表示接机壳或底板。电流的参考方向如图中的箭头所示。2.1.2放大电路中各元件的作用T是NPN型三极管，具有电流放大作用，担负放大任务。 不是能量放大，以微弱的信号去控制功率较大的负载。放大的实质是以弱控强。 集电极直流电源UCCUCC的正极通过Rc接三极管的集电极，负极接三极管的发射极。其作用是使发射结获得正向偏置，集电结获得反向偏置，为三极管创造放大条件。UCC一般为几伏至几十伏。 基极直流电源UBBUBB的作用是使发射结处于正向偏置，提供基极偏置电流。 集电极负载电阻RC作用是将IC的变化转化为电压的变化，以实现电压放大功能。另一方面，电源UCC可通过RC加到三极管上，使三极管获得正常的工作电压，所以RC也起直流负载的作用。RC的阻值一般为几千欧到几十千欧。 基极偏置电阻Rb作用是翔三极管的基极提供合适的偏置电流，并使发射结获得必须的正向偏置电压。改变的大小可使三极管获得合适的静态工作点，的阻值一般取几十千欧到几百千欧。耦合电容C1和C2C1的作用是隔断放大电路与信号源之间的直流联系，同时让交流信号顺利加到输入电极上；C2的作用是隔断放大电路与负载之间的直流联系，同时让输出交流信号顺利加到负载上。负载电阻RLRL是放大电路的外接负载，它可以是耳机、扬声器或其它执行机构，也可以是后级放大器的输入电阻。2.1.3简化电路及习惯画法图见ppt。在实际电路中，基极回路不必使用单独的电源，而是通过基极偏置电阻Rb直接取自集电极电源来获得基极直流电压，使电路变得较为简单。Ucc和Ubb全用一个电源Ucc代替。此外，在画电路图时，往往省略电源的图形符号，而用其电位的极性和数值来表示。如+Ucc表示该点接电源的正极，而参考零电位接电源的负极。2.2.放大电路中电流、电压的符号及波形。2.2.1电路中电流、电压的符号规定放大电路中既有直流又有交流，是交直流共存的电路。直流（又称偏置）为放大建立条件，交流是需要放大的信号。 规定：在分析放大电路时，常以公共端作为电路的零电位参考点，称之为接“地”端，电路中各点的电压都是指相对于“地”端的电位差。电压规定为上“+”下“-”，与规定相反，冠以“-”号； 电流规定为流入端口为正；流出端口为负。电量符号规定为：直流电量：大写字母、大写脚标；交流电量：小写字母、小写脚标；瞬时电量：小写字母、大写脚标；有效值：大写字母、小写脚标。表 放大电路中的电流、电压符号名称总电流或总电压直流量（静态值）交流量基本关系式瞬时值有效值基极电流iBIBibIbiB = IB + ib集电极电流iCICicIciC = IC + ic基射电压uBEUBEubeUbeuBE = UBE + ube集射电压uCEUCEuceUceuCE = UCE + uce 2.2.2电路中电流、电压的波形（图见ppt中“简单工作原理”） 当无信号输入时，电路中只存在直流电流和直流电压，此时放大电路的工作状态称为静态。当交流信号电压ui通过耦合电容C1加到放大电路的基极和发射极之间时，即在基极直流电压UBE的基础上叠加了一个交流电压ui，使得基极发射极之间的总电压变为uBE = UBE + ui。由于，所以随变化，对进行控制，因此有可见，集电极总电流也是静态的集电极电流和交变的信号电流的叠加。同样，集电极总电压也是由静态电压和交流电压叠加而成。由电压关系式可知，当增大时，反而减小；，当减小时，反而增大，所以的波形是在直流上叠加了一个与变化方向相反的交流电压。由上分析可知放大电路工作在动态时，、和都是由直流分量和交流分量组成，其波形也是由两种分量合成的结果。在共发射极电路中，输入信号电压，基极信号电流和集电极信号电流相位相同。而输出电压与输入信号正好相反，这在放大电路中称之为“反相”。如果参数选择恰当，的幅值就远远大于的幅值，即将直流电能转化为交流电能输出。这就是常说的放大作用。2.3放大电路中的直流通路与交流通路（图见ppt）2.3.1直流通路 直流通路是指放大电路中直流分量通过的路径。计算放大电路的工作点时用直流通路。画直流通路时，电容视为开路，电感视为短路，其他不变。2.3.2交流通路交流通路是指放大电路中交流电流通过的路径。计算放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻时用交流通路。由于容抗小的电容以及内阻小的直流电源，其交流压降小，可以看作短路。第三节放大电路的分析3.1放大电路的静态工作点（估算法和图解分析法）静态：放大电路无信号输入（ui= 0）时的工作状态。 静态分析：确定放大电路的静态值。 静态工作点Q：IB、IC、UCE?（静态工作点是指三极管的静态电流、静态电压的值）。 分析方法：估算法、图解法。 分析对象：各极电压电流的直流分量。 所用电路：放大电路的直流通路。 设置Q点的目的： (1)使放大电路的放大信号不失真； (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。 3.1.2 用估算法确定静态值3.1.3 用图解法确定静态值 用作图的方法确定静态值 优点： 能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。 步骤： 1. 用估算法确定IB。2.由输出特性确定IC和 UCC 放大电路是由线性部分和非线性部分两部分串联在一起构成的整体回路。直流负载线与三极管的一条输出特性的交点Q，才能同时满足左右两边电路特性的工作点，它反映了管子的直流工作状态，由Q点可方便地从图上找出相应的UCE和ICQ值。必须指出，由于三极管的输出特性表现为一组曲线，对应于不同的静态基极电流IBQ，静态工作点的位置不同，所对应的UCE、ICQ值也不相同。3.2动态工作情况分析 当放大电路加入输入信号后，电路中的电压、电流均在静态值的基础上作相应的变化，通常把放大电路有输入信号时的工作状态称为动态。3.2.1交流通路 (见ppt)共射极放大电路交流通路icvce+-3.2.2交流负载线交流负载线确定方法（1） 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为1/RL。（2） RL RLRC，是交流负载电阻。（3） 交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。（4） 交流负载线与直流负载线相交，通过Q点。3.3.3交流工作状态的图解分析通过动态图解分析，可得出如下结论：（1） vi vBE iB iCvCE |-vo|；（2） vo与vi相位相反；（3） 可以测量出放大电路的电压放大倍数；（4） 可以确定最大不失真输出幅度。3.3.4波形的失真由图解法可以清楚的看出，当放大电路的输入信号较大时，静态工作点若设置的不合理将使得工作范围超出三极管特性曲线的线性区，输出信号发生了失真。这种失真通常叫做非线性失真，非线性失真又可分为饱和失真和截止失真 。饱和失真-由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。 截止失真-由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。3.3.5电路参数对静态工作点的影响（书P41）Rb的影响，静态工作点沿直流负载线下移；反之，静态工作点沿直流负载线上移；Rc的影响增加，直流负载变平坦；减小，直流负载变陡。Ucc的影响增加时，直流负载线平行右移；减小时，直流负载线平行左移；第四节 微变等效电路分析法（小信号模型）意义：由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。思路：当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。4.1三极管的简化微变等效电路vBEvCEiBcebiCBJT双口网络叫三极管的输入电阻，它是从三极管的输入端（B、E端）看进去的交流等效电阻。的大小与静态工作点的位置有关。：三极管的基区体电阻，对于低频小功率管，通常取300.4.2共射放大电路的简化微变等效电路步骤：（1） 画出放大电路的交流通路。 在放大电路中，耦合电容C1和C2的电容量比较大，其交流容抗很小可忽略它的交流压降，故用短路线取代；直流电源内阻很小也可以忽略不计，对交流分量直流电源可视为短路。如图（b）所示。（2） 画放大电路的微变等效电路。用三极管的微变等效电路取代交流通路中的三极管，如图（c）所示。设输入信号为正弦波，图中的电流、电压用相量来表示。4.3放大电路（共射放大电路的简化微变等效电路）的主要性能指标4.3.1电压放大倍数，为输出电压， 为输入电压由图可知，又因为：所以：如果放大电路不带负载，则电压放大倍数为负值，表示输出电压与输入电压的相位相反。4.3.2输入电阻放大电路的输入电阻是从输入端看进去的等效电阻。如图（书P44 图2-14）所示，如果把一个内阻为的信号源加到放大电路的输入端时，放大电路的输入电阻就相当于信号源的负载电阻。的大小反映了放大电路对信号源的影响程度，愈大，放大电路从信号源吸取的电流愈小，即对信号的影响越小。，在共射极放大电路中，通常，因此有4.3.2输出电阻 等效电源的内阻就是放大电路的输出电阻。 加压求阻法求输出电阻，见书P45， 的大小反映了放大电路受负载影响的程度，愈小，当负载变化时，放大电路的输出电压变化也愈小，因而放大电路带负载的能力愈强。共射放大单路的输出电阻并不小（约有几千欧），这说明共射放大电路带负载能力不强。例题，见书P45，例2-2第五节 静态工作点稳定电路放大电路静态工作点设置的不合适，是引起非线性失真的主要原因之一。实践证明，放大电路即使有了合适的静态工作点，在外部因素的影响下，例如温度变化、电源电压的波动等，将引起静态工作点的偏移，由此同样会产生非线性失真，严重时放大电路不能正常工作。在外部因素中，对静态工作点影响最大的是温度变化，如何克服温度变化的影响，稳定静态工作点则是本节所要讨论的问题。5.1 温度对静态工作点的影响 晶体管是一个温度敏感器件，当温度变化时，其特性参数（、ICBO、VBE）的变化比较显著，实验表明：温度每升高1，约增大0.1左右，VBE 减小（22.5）mV，温度每升高10，ICBO 约增加一倍。晶体管参数随温度的变化，必然导致放大电路静态工作点发生漂移，这种漂移称为温漂。以基本放大电路为例，当温度t升高、VBE、其静态电流IB、则IC；可见，无论是VBE的减小，还是、ICBO的增大，都使IC增大，从而使Q点向饱和区移动。见图（书P46 图2-16）。静态工作点的移动，将影响放大电路的放大性能，为此，必须设法稳定静态工作点。稳定静态工作点的方法经常采用分压式偏置电路。详细过程见ppt，动画参考（http:/4/NCourse/dg2/jxsk/）5.2分压式偏置电路5.2.1电路的组成分压式偏置电路如图2.4.1（a）所示。其中：Rb1和Rb2是基极偏置电阻。C1是耦合电容，将输入信号vi耦合到三极管的基极。C2是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻RL上。Rc是集电极负载电阻。图2.4.1 分压式偏置电路及其微变等效电路Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容，它为交流信号提供通道，避免了Re对输入信号的衰减。Ce的电容量一般为几十微法到几百微法。5.2.2稳定静态工作点原理(1)设流过基极偏置电阻的电流IRIB，因此可以认为基极电位VB只取决于分压电阻、，VB与三极管参数无关，不受温度影响。(2)静态工作点的稳定是由VB和Re共同作用实现，稳定过程如下：设温度升高ICIEVBEIBIC 其中：ICIE是由电流方程 IE IBIC得出，IEVBE是由电压方程VBE VBIERe得出，IBIC是由 IC IB得出。由上述分析不难得出，Re越大稳定性越好。但事物总是具有两面性，Re太大其功率损耗也大，同时VE也会增加很多，使VCE减小导致三极管工作范围变窄。因此Re不宜取得太大。在小电流工作状态下，Re值为几百欧到几千欧；大电流工作时，Re为几欧到几十欧。详细过程见ppt，动画参考（http:/4/NCourse/dg2/jxsk/）5.2.3静态分析直流通路如下图，可以得出：基极电位 集电极电流 基极电流 集射极电压 5.2.4动态分析放大倍数 ，其中 RE的接入虽然给稳定静态工作点带来了好处，但却使放大倍数明显下降。将如果在RE两端并联电容CE，此时RE对放大电路的放大倍数没有影响。输入电阻和输出电阻 输入电阻，其中，通常较大，若不考虑的影响，上式表明，接入RE后，输入电阻提高了很多。如果在RE两端并联电容CE，则输入电阻，对放大电路的输入电阻没有影响。 输出电阻。没有影响如果在RE两端并联电容CE，此时RE对放大电路的动态特性没有影响。例题2-3 P485.3集电极-基极偏置电路（见书P49）下图为集电极-基极偏置电路，它是利用电压负反馈作用来稳定静态工作点的，称为电压负反馈偏置电路。稳定静态工作点原理当温度上升时，由于三极管参数的影响，使ICQ增大，集电极负载电阻Rc上的电压降随之增大，导致VCEQ减小，IBQ减小，促使ICQ减小，这样就牵制了ICQ的增大，从而使ICQ基本不随温度变化，稳定了静态工作点。这种调节过程称为直流电压负反馈。集电极-基极偏置电路不适合Rc值很小的放大电路。5