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第2章放大电路基础,放大电路:利用晶体管的电流放大（控制）作用，把微弱的输入信号放大，使直流电源的能量转化为随输入信号变化、具有较大能量的输出信号。放大是一种能量控制作用，是用输入信号的小能量控制输出信号的大能量。放大电路实质上是一种能量控制装置。放大电路是电子设备的核心电路。,本章主要问题：（1）放大电路如何实现输入信号的不失真放大？（2）电路的结构、参数的设置对放大电路的性能有何影响？（3）如何估算一个放大电路的性能指标？,2.1共射放大电路知识点（1）共射电路的结构特点及工作状态的分析。（2）两种偏置电路的静态工作点估算。（3）共射电路的性能特点及其参数的估算。技能点（1）掌握放大电路静态工作点的测试、调试方法。（2）掌握估算放大电路性能参数的实验方法。,晶体管有三个电极，在电路的应用中可以有三种不同的连接方式（或称三种组态），即分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端，从而构成共发射极、共集电极和共基极三种接法的放大电路，如图2-1所示（以NPN管为例）。a)共发射极电路b)共集电极电路c)共基极电路图2-1放大电路中晶体管的三种连接方法,三种接法的共同点：输入信号都能改变发射结压降，从而以基极电流的变化控制集电极电流，实现晶体管的电流放大（控制）作用。在构成放大电路时，集电极不能作为输入端，基极不能作为输出端。,2.1.1电路结构,图2-2基本共射放大电路,图中的接地符号“”（直流电源的负极）是电路中的0电位。输入信号ui、基极、发射极形成输入回路；负载RL（输出信号uo）、集电极、发射极形成输出回路。发射极是输入、输出回路的公共端，即共射极放大电路。Rb:基极偏置电阻，为晶体管提供适当的静态基极电流；Rc:集电极负载电阻，将集电极的电流变化转换为集电极的电压变化。,2.1.2放大电路工作状态的分析1、静态分析（1）静态工作点输入信号为0（即ui=0）时的工作状态称为静态。静态时，电路中的各个电压、电流均为稳定值。根据直流信号在电路中流通的路径可画出放大电路的直流通路，如图2-3a所示。,直流通路图2-3基本放大电路的静态,晶体管的静态参数IBQ、UBEQ以及ICQ、UCEQ称为该放大电路的静态工作点，简称Q点（这两对数值分别确定了晶体管输入、输出特性曲线上的一点Q），如图2-3b所示。,a)直流通路b)静态工作点Q图2-3基本放大电路的静态,（2）静态工作点的估算根据直流通路(图2-3a)，则有,IBQ=(UCC-UBEQ)/Rb,其中UBEQ为发射结正向压降，一般硅管取值为0.7V，锗管取值为0.3V。,IBQUCC/Rb,UCEQ=UCCICQRC,ICQ=IBQ,若UCCUBEQ时，则有,2、动态分析电路输入交流信号（即ui0）时的工作状态称为动态。ui通过输入耦合电容C1叠加在静态的UBEQ上，使发射结正向压降随输入信号而变，其瞬时值为uBE=UBEQui；uBE的变化引起基极电流的变化，基极电流的瞬时值为iB=IBQib；由于晶体管处于放大状态，则集电极电流的瞬时值为iC=iB=ICQic；管压降（c、e极之间的电压）uCE的瞬时值为uCE=UCCiCRc=UCCRc（ICQic）=UCCICQRCiCRC=UCEQicRc=UCEQuce。,显然，电路中各电量的瞬时值由交、直流叠加而成。管压降uCE中的交流分量uce通过输出耦合电容C2成为放大电路的输出信号uo，即有uo=uce=icRc。上式表明，只要选取适当的Rc，就可使uo的幅度远大于ui，从而实现电压放大。,图2-4放大电路动态时的各点波形,uBE=UBEQui,iB=IBQib,iC=iB=ICQic,uCE=UCEQicRc=UCEQuce,uo=uce=icRc,放大电路的输出信号,共射放大电路动态时：1）放大电路中交、直流分量并存，直流分量保持不变，电路放大的是交流分量。2）基极电流的小变化控制了集电极电流的大变化（倍），并通过集电极电阻Rc将其转换为管压降的变化，从而得到放大的输出信号，实现电压放大的功能。3）输出电压信号与输入信号频率相同，相位相反（相位差为180），即共射放大电路对输入信号具有“反相”作用，故共射放大电路又称为反相器。,2.1.3静态工作点与波形失真在电路调试中常观测到的几种输出波形如图2-5所示。,a)正常波形b)饱和失真c)截止失真d)限幅失真图2-5放大电路的输出波形,1、饱和失真（底部失真）当基极偏置电阻过小（静态工作点过高）时，在输入信号的正半周，容易使得晶体管的UCEIBQ时，UBQ基本稳定，且有：,2、分压式偏置电路,UBQUCCRb2/(Rb1+Rb2)ICQIEQ=(UBQ-UBEQ)/ReIBQ=ICQ/UCEQ=UCCICQ（RcRe）,可见：基极电位UBQ仅由分压电阻决定，不随温度变化，与晶体管参数无关，在电路的工作过程中保持基本不变；ICQ也不受温度、晶体管参数（如值）变化的影响，能够保持稳定。,（3）Q点的稳定当温度T上升（或值增大）使ICQ（IEQ）增大时，发射极电阻Re上的压降UEQ（UEQ=IEQRe）也将增大，因基极电位UBQ保持恒定，故UEQ的增大使UBEQ（UBEQ=UBQUEQ）减小，引起IBQ减小，使ICQ相应减小，稳定了ICQ，从而稳定了静态工作点。故分压式偏置电路通常又称为静态工作点稳定电路。,2、分压式偏置电路,例2.2图2-6中，已知Ucc=12V，Rc=2k，Re=1.3k，Rb1=50k，Rb2=20k，晶体管=50，UBEQ=0.7V。1）试估算放大电路的静态工作点；2）若更换晶体管，=100，电路的工作状态有何变化？解：1）根据式（2-4）（2-7），得,（4）分压式偏置电路的特点：1）估算静态工作点的顺序：UBQICQUCEQ（IBQ）。2）集电极电流仅由偏置电阻决定，与晶体管参数无关，因而静态工作点稳定。3）基极电流随值而变，对静态工作点无影响。,2、分压式偏置电路,总结：分压式偏置电路具有稳定的静态工作点，即使在温度变化、更换晶体管等原因引起值发生变化时，电路的工作状态仍然保持基本稳定。这一特性为电路设计、调试提供了极大的方便，有效地降低了应用电路制作和维护的成本。分压式偏置电路在实际中得到了广泛的应用。,2、分压式偏置电路,2.1.5共发射极放大电路性能指标的估算一个实用的共发射极放大电路（简称共射电路）如图2-7a所示。在Re两端并联发射极电容Ce，使得发射极交流接地，避免了交流信号在Re上的损耗（衰减）。为了分析放大电路的动态工作情况，估算放大电路的性能指标，首先要按交流信号在电路中流通的路径画出交流通路。其中，放大电路中的耦合电容、旁路电容对交流信号都视为短路；直流电源内阻很小（相当于一个极大的电容），对交流信号也视为短路。,a)电路b)交流通路图2-7实用的共射放大电路,1、晶体管的微变等效模型（1）晶体管的输入特性曲线上：选择合适的静态工作点Q，而且输入的是很小（微变）的信号，则可将Q点附近的一小段曲线视为直线，晶体管b、e极之间就可用一个等效电阻rbe来表示，即晶体管的输入电阻：rbe=ubeib。（2）输出特性曲线上：Q点附近是一组与横轴平行的直线，晶体管的c、e极间可等效为一个受控电流源，输出电流ic=ib。因晶体管的输出电阻rce极大（恒流特性），故可将其看作理想电流源。,由此可见，非线性的晶体管在一定条件下可等效为一个线性的电路模型，如图2-8所示。,a)晶体管电路b)等效的电路模型图2.8晶体管微变等效模型,输入电阻rbe：一个动态电阻（其值随IEQ而变），计算rbe时，可以用ICQ代替IEQ。晶体管工作在小电流（如ICQ=12mA）时，rbe约为1k。,2、放大电路的微变等效电路(如图2-9，其中：Rb=Rb1/Rb2),图2-9共射放大电路的微变等效电路,a)电路b)交流通路图2-7实用的共射放大电路,3、共射放大电路基本动态参数的估算（1）电压放大倍数Au-放大电路对电压信号的放大能力Au=uo/ui,按图可得uo=ic(RC/RL)=ib(RC/RL)=ibRL,ui=ibrbe,故：Au=uo/ui=ib(RC/RL)/ibrbe=RL/rbe,式中的“”表示输出信号与输入信号的相位相反。,Au=uo/ui=ib(RC/RL)/ibrbe=RL/rbe若电路输出端不接负载，即RL=，则RL=RC/RL=RC，故空载电压放大倍数为Au=RC/rbe（2-11）显然，放大电路接上负载后电压放大倍数减小。,若忽略Rb的分流影响，则iiib，io=ic，故共射电路的电流放大倍数Ai=io/ii=ic/ib=,放大电路与信号源、负载之间的关系框图如图2-10所示，其中us为信号源源电压，rs为信号源内阻，uo为输出端的开路电压，RL为负载电阻。,图2-10放大电路的方框图,（2）输入电阻ri,ui=,us（2-12）,（2）输入电阻ri,ri：从放大电路的输入端看进去的交流等效电阻，与信号源无关，不包括信号源内阻rs。,ri越大，放大电路从信号源索取的电流就越小，放大电路对信号源的影响也就越小。通常希望ri尽可能大一些。,从图2-9可看出，共射电路的输入电阻为：ri=Rb/rbe其中：Rb=Rb1/Rb2当Rbrbe时，有：ri=Rb/rberbe（2-13）,图2-9共射放大电路的微变等效电路,（3）输出电阻roro：从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻，ro与负载无关，不包括负载电阻RL。,图2-10放大电路的方框图,若rorbe，所以有：Au1。从相位上看，Au为正值，表明uo与ui同相，即有uoui，故uo具有跟随ui的作用，该电路又称为射极跟随器。,在图2-12中，若忽略Rb的分流影响，则iiib，io=ie，由此可得共集放大电路电流放大倍数Ai=1（2-20）即射极输出器的电流放大倍数较大，故具有较大的功率放大作用。,图2-12共集放大电路的微变等效电路,（2）ri和ro。由图2-12可得（过程略）ri=Rb/rbe（1）RL（2-21）roRe/rbe/（1）(2-22)式（2-21）表明：射极输出器的输入电阻很大，是共射放大电路的几十倍甚至上百倍；式（2-22）则表明，射极输出器的输出电阻很小，通常约为几欧姆至几十欧姆。,3、射极输出器的特点及应用（1）输入电阻很高，用作输入级，可以减少对信号源的衰减，有利于信号的传输。（2）输出电阻很低，具有较强的带负载能力，用做输出级，使输出电压更加稳定。（3）电压放大倍数约为1，常用做中间隔离级。在两级之间起缓冲作用。,2.2.2共基极放大电路共基极放大电路如图2-13a所示，直流通路采用的是分压偏置式，C1、C2为耦合电容，交流信号经C1从发射极输入，从集电极经C2输出，Cb为基极旁路电容，使基极交流接地，故称为共基极放大器。微变等效电路如图2.13b所示。,a)电路b)微变等效电路图2.13共基极放大电路,根据微变等效电路，同样分析，可得共基极放大电路的动态参数：Au=RL/rbe（RL=Rc/RL）（2-23）riRe/rbe/（1）(2-24)roRc(2-25),b)微变等效电路,性能特点及应用：（1）共基电路的输入电流为ie，输出电流为ic，ic略小于ie，输出电流恒定，虽然无电流放大作用，但仍有较大的电压放大及功率放大作用。（2）共基电路的输入电阻较小，故具有通频带宽、稳定性好的特点，多用于高频和宽频带电路中，在声像及通信技术中应用广泛。,2.2.3三种基本放大电路的性能比较上述的三种组态放大电路是组成放大电路的基本形式，其它电路均是在此基础上发展而成。三种基本组态放大电路的比较见表2-1.,表2-1三种基本组态放大电路的比较,思考题（1）为什么称共集电极放大电路为射极输出器？（2）共集电极放大电路没有电压放大作用，还能用于功率放大吗？（3）在三种组态放大电路中，哪种组态最适用于电压放大，为什么？,2.3场效应晶体管放大电路,场效应管通过栅源电压控制漏极电流，因此和BJT一样可以实现能量的控制，构成放大电路。由于栅源之间的电阻可达到1071012，所以常作为高输入阻抗放大器的输入级。,知识点场效应管放大电路的结构和性能特点。技能点掌握场效应管放大电路的应用场合。,根据输入、输出回路公共端选择不同，场效应管放大电路可分为共源、共漏和共栅三种组态。与晶体管放大电路相似，场效应管放大电路也必须设置合适的静态工作点。场效应管是电压控制元件，因而需要在栅、源极之间偏置适当的静态电压UGSQ。常用的偏置电路有自偏压、分压式偏置两种。本节简单介绍分压式偏置共源放大电路。,1、电路组成及直流偏置Rg1、Rg2：分压偏置电阻，其使栅极获得适当的偏置电压；栅极电阻Rg3：用于提高放大电路的输入电阻。偏置电路同时为栅极提供静电泄放回路，防止管子的栅极因静电击穿而损坏。,图2-14分压偏置式共源放大电路,+UDD,静态工作点:栅源电压UGSQ、漏极电流IDQ、漏源电压UDSQ,+UDD,A,代入,解出IDQ,UGSQ,注意要去掉增根，方法如下：将得出的两个ID值分别代入UGS表达式中求UGS，其中使沟道全夹断的UGS是不合理的，应该剔除。,利用栅极不取电流（IG=0）的特点，先求栅极的电位UGQ。,利用IDQ=ISQ，求源极的电位USQ.,求出栅源电压的表达式：,计算UDSQ。,2.FET放大电路的动态分析方法-微变等效电路法,若研究的对象是交流量，且信号的变化范围较小，则可以将放大电路中的FET用其小信号等效模型代替，将电路线性化，然后用线性电路理论解题。,输入回路：场效应管基本没有栅流，输入电阻极高，故栅、源之间可看作开路；输出回路：id=gmugs，可等效为受控电流源。,FET放大电路的动态分析方法-微变等效电路法,FET的低频小信号模型：,漏极输出电阻，很大，常可忽略,低频跨导：,图2-15共源放大电路的微变等效电路,图2-14分压偏置式共源放大电路,+UDD,（1）电压增益：,3、估算动态指标：,（2）电流增益：,提高电压增益最有效的方法是增大漏极静态电流以增大gm,*与共射放大电路相似，共源放大电路同时具有电压放大和电流放大作用，输出电压与输入电压相位相反。,（3）输入电阻：,（4）输出电阻：,3、估算动态指标：,取值较大,思考题：（1）场效应管放大电路需要设置静态偏流吗？为什么？（2）为什么场效应管放大电路常用于放大电路的输入级？,2.4多级放大电路知识点多级电路的耦合方式及其性能特点。技能点能够选择正确的耦合方式。,2.4.1多级放大电路的组成一个多级放大电路可分为输入级、中间级和输出级三部分，如图2-16虚线框所示。其中的中间级主要是进行电压放大，通常由若干级共射电路组成，以获得足够高的电压信号。,图2-16多级放大电路的结构框图,2.4.2级间耦合方式在多级放大电路中，级与级之间的连接方式称为耦合方式。级间的耦合必须保证各级电路均有合适的静态工作点，以及信号能够在级间顺利传输。阻容耦合：级与级之间通过电容连接的方式称为阻容耦合方式。特点：各级电路的静态工作点相互独立，互不影响，便于电路设计、调试。但不能放大直流与变化缓慢的信号，不适用于集成电路。,图2-17两级阻容耦合放大电路,直接耦合：级与级之间直接用导线连接起来的方式称为直接耦合。特点：既可以放大交流信号，也可以放大直流和变化非常缓慢的信号；电路简单，便于集成（集成电路中的耦合方式）。但存在各级静态工作点相互牵制及零点漂移等问题。,图2-18直接耦合放大电路,变压器耦合：级与级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦合。特点：各级电路的静态工作点相互独立，互不影响；容易实现阻抗变换，可获得较大的输出功率。但不能传送直流和变化缓慢的信号，频率特性差，体积大，成本高，也不适用于集成电路。,图2-19变压器耦合放大电路,2.4.3多级放大电路的性能指标估算在多级放大电路中，提高每级电路的输入电阻以及降低每级电路的输出电阻，对提高整个多级电路的放大能力有重要的作用。1、电压放大倍数多级放大电路将输入信号依次逐级放大，总的电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积，即n级放大电路总的电压放大倍数为Au=Au1Au2Au3Aun（2-32）计算时，将后级电路的输入电阻作为前级电路的负载。,2、输入电阻与翰出电阻多级放大电路的输入电阻即为输入级的输入电阻、输出电阻就是输出级的输出电阻。即ri=ri1（2-33）ro=ron（2-34）,思考题：（1）多级放大电路由哪几部分组成？（2）多级放大电路有哪几种耦合方式？各有何特点？,2.5功率放大电路知识点（1）功放器的性能特点及类型。（2）OCL、OTL电路的结构和工作原理。（3）TDA2030A、LM386的典型应用电路。技能点（1）掌握互补对称功放电路的调试方法。（2）掌握TDA2030A、LM386典型应用电路的组装、调试方法。,2.5.1功率放大器的概念1、功率放大器的特点（1）输出功率要大因输入的电压信号幅度已足够高，故功放器的主要作用是电流放大，以输出足够的电流。其输出功率Po为输出电压有效值Uo与输出电流有效值Io的乘积。Po=UoIo（2-35）,（2）效率要高功放将电源的直流功率转换为输出的交流功率，电源供给的直流功率PDC为电源电压UCC与电源提供的平均电流Io的乘积。PDC=UCCIo（2-36）功放的效率则为负载得到的交流功率Po与电源功率PDC之比。=Po/PDC（2-37）,（3）失真要小因输出信号幅度较大，使功放管往往工作在饱和状态或截止状态的边沿，输出信号总会存在一定程度的失真，功放器必须将失真减小到最低限度。,2、功率放大器的分类根据功放管静态工作点设置的不同，放大器可分为甲类、乙类和甲乙类三种。1）甲类放大器:工作点设置在放大区的中间，在输入信号的整个周期内功放管均导通;输出信号失真较小，但有较大的静态电流ICQ，管耗过大，效率低（理想值为50%）。前面所介绍的电压放大电路均属甲类放大器。,2、功率放大器的分类根据功放管静态工作点设置的不同，放大器可分为甲类、乙类和甲乙类三种。1）甲类放大器:工作点设置在放大区的中间，在输入信号的整个周期内功放管均导通，输出信号失真较小，但有较大的静态电流ICQ，管耗过大，效率低（理想值为50%）。前面所介绍的电压放大电路均属甲类放大器。2）乙类放大器:工作点设置在截止区，功放管的静态电流ICQ=0，效率高（理想值为78.5%），但只能对半个周期的输入信号进行放大，两管推挽工作时还存在交越失真。3）甲乙类放大器:工作点设在放大区但接近截止区，功放管静态时处于微导通状态，ICQ很小。两管推挽工作可消除交越失真，效率也较高，目前应用较广泛。,2、功率放大器的分类根据功放管静态工作点设置的不同，放大器可分为甲类、乙类和甲乙类三种。1）甲类放大器:工作点设置在放大区的中间，在输入信号的整个周期内功放管均导通，输出信号失真较小，但有较大的静态电流ICQ，管耗过大，效率低（理想值为50%）。前面所介绍的电压放大电路均属甲类放大器。2）乙类放大器:工作点设置在截止区，功放管的静态电流ICQ=0，效率高（理想值为78.5%），但只能对半个周期的输入信号进行放大，两管推挽工作时还存在交越失真。3）甲乙类放大器:工作点设在放大区但接近截止区，功放管静态时处于微导通状态，ICQ很小。两管推挽工作可消除交越失真，效率也较高，目前应用较广泛。,2.5.2互补对称功率放大器1、双电源互补对称功率放大器（OCL电路）（1）电路组成及工作原理VT1为NPN型管，VT2为PNP型管，两管参数对称，均接成射极输出器形式，它们分别工作在输入信号的正半周和负半周。由于正、负电源对称，静态时输出端电压uo=0。,电路b)工作波形图2-20双电源乙类互补对称功率放大器,当输入信号为正半周时，ui0，功放管VT1导通，VT2截止，VT1管的集电极电流icl经Ucc自上而下流过负载（如图中实线箭头所示），在RL上形成正半周输出电压，uo0。当输入信号为负半周时，ui0，功放管VT2导通，VT1截止，VT2管的集电极电流ic2经UCC自下而上流过负载（如图中虚线箭头所示），在RL上形成负半周输出电压，uo0。显然，在输入信号ui的一个周期内，VT1、VT2轮流导通，ic1和ic2流过负载的方向相反，从而形成完整的输出波形。两个功放管交替工作，分别放大正、负半周的输入信号，相当于一个“推”、一个“挽”，互相补充，故这类电路又称为互补对称推挽电路。,（2）交越失真及其消除如图2-20b所示,输出波形在正、负半周的交界处发生了失真，这是由于功放管的发射结存在一段死区，当输入信号还不足以克服死区电压时，功放管VT1、VT2不能有效导通，致使此时的输出电压uo=0，因而在对应于输入信号正、负半周的交界处输出波形产生失真，这种失真称为交越失真。,克服交越失真的方法是给两个功放管偏置适当的静态电流，如图2-21所示电路:利用R2、VD1、VD2的直流压降作为VT1、VT2的静态偏置电压，两管在静态（ui=0）时均处于微导通状态，工作在甲乙类状态，使得在输入信号的整个周期内总有管子有效导通，维持输出信号的连续性，从而消除了交越失真。,图2-21甲乙类互补对称功率放大器,在功放电路的输出端与负载之间接入一个大电容C，即可采用单电源供电。这种电路简称OTL电路，如图2-22所示。工作原理：在输入信号的正半周，VT1导通，VT2截止，电源Ucc经VT1使负载RL得到输出信号的正半周，并同时对电容C充电（将电能存在电容中）；在输入信号负半周时，VT1截止，VT2导通，电容C（此时相当于一个负电源）通过导通的VT2对负载RL放电，使负载上得到输出信号的负半周，因而在负载RL上得到一个完整的信号波形。,图2-22单电源互补对称功率放大器,2、单电源互补对称功率放大器（OTL电路）,需要指出的是，在互补对称功率放大器中，为了减少输出信号的失真，要求配对的NPN和PNP两类大功率管的参数必须完全对称，这在实际中是很难实现的。因此，实用的大功率互补电路，常采用复合管的接法来实现互补对称，并称之为准互补对称功率放大器，如图2-23所示。其中的VT3、VT