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模拟电子线路,南通职业大学电子工程系:杨碧石,AnalogCircuits,21放大的概念一、什么叫放大电路（放大器）1、放大：将信号的幅度由小增大或扩大幅度，不改变频率（波形形状）完成上述工作的器件（电路）叫放大器（电路）。,第二章放大电路的基本原理,2、放大的本质：实现能量的控制。这种小能量对大能量的控制作用，就是放大作用。我们讨论的放大作用：其放大的对象是变化量。放大电路的核心元件：三极管、场效管。,二、放大电路的分类1、按任务：以增大（扩大）U（I）为目的小信号放大器（电压流）放大器）以增大UI（P）为目的大信号放大器（功率放大器）,2、按输入信号来分：音（低）频率放大器：20HZ200KHZ（语言信号）直流放大器：直流、缓慢变化信号宽频放大器：几十赫兹（HZ）几百MHZ高频（谐振）放大器：高频载波信号、已调波信号,二、放大电路的特点1、研究小信号连续变化的模拟信号。对放大电路最基本要求是将输入的模拟信号按比例地进行线性放大，使放大后的输出信号尽可能和原来输入信号的波形保持一致不产生失真。数字电路：数字信号输入与输出为逻辑关系。,2、三极管放大状态，输出信号必须忠实输入信号，对器件电源等有较高要求。数字电路中三极管工作在截止和饱和状态。3、分析方法模拟：图解法，微变等效电路法。数字：逻辑代数、真值表、卡诺图、状态转换图等。,2.2共射基本放大电路（basiccommonemitteramplifier）由单个三极管构成的放大电路称为基本放大电路。2.2.1共射基本放大电路的原理电路1原理电路,图2.2.1共射基本放大电路原理电路,该放大电路成立的条件是：（1）有正确的直流偏置，即发射结正偏、集电结反偏（接VBB和VCC）；（2）输入信号ui为小信号；（3）输入回路的交流与直流应相互叠加（ui与VBB串联连接）；（4）输出回路应有交流电压输出（接Rc）。,图2.2.1共射基本放大电路原理电路,二、工作原理1、静态分析静态：把uI=0时放大电路的状态。此时分析的电路各量均为直流量有IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ=VCC-ICQRC称静态工作点。2、动态分析动态：把uI不为0时放大电路的状态。此时分析的电路各量是在直流量的基础上再加上交流量。输入端加入一个微小的变化量信号，在输出端得到一个较大的变化量信号，实现放大。,由图2.2.1可以看出，输入回路的外加电压uBE=VBB+ui=VBB+UBE，这就引起发射结两端电压的变化，使发射极电流iE=IE+IE，即在原来IE基础上变化了IE。相应地，集电极电流iC=IC+IC，基极电流iB=IB+IB，分别在原来基础上变化了IC和IB。,在共射电路中，输入电流为基极电流iB，输出电流为集电极电流iC，输出电流变化量IC与输入电流变化量IB的比值称为共发射极交流电流放大系数，用表示，即（2.2.1）显然，和是两个不同的概念。但若在iC变化时基本不变（ICEO一般也认为不变）的条件下，由式（2.1.3）得则,由于发射结正偏，发射结电阻较小，因此输入电压的微小变化UBE就能引起基极电流的较大变化IB；又IC=IB，故相应的集电极电流的变化IC就很大。电路的输出电压UO=ICRc，只要Rc阻值不很小，就能使输出电压UO的幅度比输入电压UBE大得多，且二者波形相同，因此，这个电路就具有电压放大作用。综上所述，共射电路既有电流放大作用，也有电压放大作用，因此它具有功率放大作用。“放大”的本质实际是指功率的放大或能量的放大。,实用放大电路双电源供电电路如图所示的原理电路在实际应用时存在以下几个问题：（1）交流信号源与直流电源共用一个回路，相互影响。（2）信号源经Rb才加到发射极两端，使发射极两端的信号大大减小，导致放大电路的放大性能的下降。,（3）输入交流信号源与直流电源不能共地。（4）输出电压uO中含有直流成分。,为解决上述问题，可将阻容耦合交直流叠加（或分离）电路引入到放大电路中来，如图2.2.2所示。,图2.2.2双电源供电电路,图2.2.1原理电路,由于该放大电路使用了两组电源，所以称为双电源供电电路。C1、C2称为隔直电容或耦合电容。该电路又称为阻容耦合放大电路,图2.2.2双电源供电电路,（a）双电源供电电路（b）单电源供电电路,实用放大电路单电源供电电路,（a）单电源供电电路（b）习惯画法,电压和电流符号的意义（以电流为例）：iB=40+20sint（A）=IB+Ibmsint=IB+ibIB基极的直流电流；IBAV基极电流的平均值；IBM基极电流的最大值；ib基极电流交流分量的瞬时值；Ib基极电流和有效值（均方根值）；iB基极电流总的瞬时值；Ibm基极电流交流IB基极直流电流的变化量；iB基极电流总的变化量；,放大电路中各点电压、电流及其波形,实验2-2-1放大电路静态工作点的测量实验线路：图2.3.3（b）所示单电源供电电路，图中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。,图2.3.3共射基本放大电路,1静态情况,实验2-2-1放大电路静态工作点的测量（1）不接ui，接入VCC=+20V，用万用表测量三极管的静态工作点；（2）测量UBE，并记录：UBE=V；,实验2-2-1放大电路静态工作点的测量（3）调节Rb（RW），观察UBE有无明显变化，并记录：UBE（有/无）明显变化。推论：由可知，此时IB应（有/无）明显变化。（4）调节Rb（RW），使UCE=10V；,实验2-2-1放大电路静态工作点的测量（5）调节Rb（RW），观察UCE有无明显变化，并记录：UCE（有/无）明显变化。推论：由可知，此时IC应（有/无）明显变化。,实验2-2-1放大电路静态工作点的测量思考题：在放大区，IC实际上主要受IB控制还是受UCE控制？此时，三极管的发射结偏，集电结偏，工作在区。,实验2-2-1放大电路静态工作点的测量从实验中可以看出，在放大区，调节Rb（RW）时，UBE_（有/无）明显变化，IB（有/无）明显变化，而IC=IB必然_（有/无）明显变化，因此，UCE=VCCICRc也会有（有/无）明显变化，即调节Rb（RW）（不可以/可以）明显改变放大器的工作点和工作状态。,理论上，静态时ui=0，三极管各极的电压和电流均为直流。VCC通过Rb使三极管的发射极导通，B、E两端的导通压降UBE基本不变（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V），因此有IC=IBUCE=VCCICRc若Rb、VCC不变，则IB不变，因此，该电路称为恒流式偏置电路或固定偏流式电路。,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察实验线路：图2.3.3（b）所示单电源供电电路，图中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。,2动态情况,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察（1）不接ui，接入VCC=+20V，用万用表测量三极管的静态工作点；（2）调节Rb（Rw），使UCE=10V。,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察（3）保持步骤（2），输入端接入ui（fi=1kHZ，Ui=10mV），用示波器（AC输入）同时观察ui、uBE波形，并记录ui、uBE波形；从实验中可以看出，ui与uBE波形幅度大小（基本相同/完全不同）。另外，接入ui后，由于uBE中（含有/不含有）直流分量，即uBE为_（纯交流量/交直流叠加量）。,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察因此，uBE=（UBE+ui或ui）iB=（IB+ib或ib）iC=iB=；(IB+ib)=IB+ib=IC+ic或ib=ic,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察（4）保持步骤（3），用示波器Y2轴输入（DC输入/“交替”显示）观察uCE波形和幅度大小，并记录uCE波形和幅度大小；从实验中可以看出，输出电压的波形与输入电压波形（基本相同/完全不同），输出电压的幅度（远大于/远小于/基本等于）输入电压的幅度，即（实现了/没有实现）信号的不失真放大。,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察从实验中还可以看出，uCE中（含有/不含有）直流分量，即uCE为_（纯交流量/交直流叠加量），因此，uCE=_（UCE+uce或uce）,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察（5）保持步骤（4），改用示波器Y2轴输入观察uo的波形和幅度大小，并记录uo的波形和幅度大小；从实验中可以看出，由于电容C2的隔直流作用，实际的输出电压uo中（含有/不含有）直流成分，即uo=（UCE+uce或uce）,实验2-2-2放大电路动态工作过程的测量与观察（6）保持步骤（5），观察和比较ui与uo的相位关系，并记录：ui与uo的相位关系为（同相/反相）。结论：ui与uo（同相/反相），即共射基本放大电路为（同相/反相）放大电路。实际上，uCE=VCCiCRc=VCC(IC+ic)Rc=(VCCICRc)icRc=UCE+uo即uo=icRc，由此即可看出该放大电路（具有/不具有）倒相作用。,理论上，有uBE=UBE+uiiB=IB+ibiC=iB=(IB+ib)=IB+ib=IC+icuCE=VCCiCRc=VCC(IC+ic)Rc=(VCCICRc)icRc=UCE+uceuo=uce，即uo=icRc,实验2-2-3(仿真)放大电路不正常现象的观察结论：（1）Rc=0时，（有/无）交流电压输出（输出交流被短路）。（2）UBE=0（IB=0）时，（有/无）交流电压输出，此时三极管工作在（放大状态/非放大状态）。,通过上述讨论，可以得出如下结论：（1）共射基本放大电路的放大过程可描述为：,通过上述讨论，可以得出如下结论：（2）放大电路的组成原则：正确的直流偏置；正确的交流通路；交直流相互兼容，互不影响；合适的元器件参数选择。,放大倍数；最大输出幅度；通频带；非线性失真系数；输入电阻；输出电阻；最大输出功率和效率等。放大器的性能指标可以通过测试得到。一般采用正弦信号（纯交流信号）作为标准测试用输入信号。,2.3放大电路的主要性标,图2.3.1放大电路技术指标测试示图,1,2,一放大倍数（增益）输出信号与输入信号的变化量之比。如果信号的频率既不很高又不很低，则放大电路的附加相移可以忽略，于是上述两种放大倍数可用实数来表示，并写成交流瞬时值或幅值之比：电压放大倍数（2.3.1）电流放大倍数（2.3.2）,实验2-3-1放大电路性能指标放大倍数的测量实验线路：图2.3.1（a）所示放大电路。图2.3.1（a）中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。,（1）不接ui，接入VCC=+20V，调节Rb（RW），使UCE=10V。（2）保持步骤（1），输入端接入ui（fi=1kHZ），Ui=10mV）；（3）保持步骤（2），用低频毫伏表分别测量输入电压Ui和输出电压Uo的大小，并记录：Ui=mV，Uo=mV，=。某些情况下还要用到“源电压放大倍数”Aus。Aus定义为输出电压与信号源电压之比：(2.3.3),（4）保持步骤（3），不将ui接入到放大电路输入端，用低频毫伏表测量信号源的开路输出电压大小，求出Aus，并记录Aus=。显然，Aus（大于/小于）Au。一般信号源总是存在一定的内阻，所以放大器的实际输入电压Ui必然小于Us，Aus亦小于Au。此外，有时要用到功率放大倍数(或功率增益)Ap，对于纯阻负载，它等于输出功率Po与输入功率Pi之比：(2.3.4),上述的各比值（即各种放大倍数）仅在输出波形没有明显失真时才有意义，其它指标也是如此。工程上常用分贝(dB)来表示放大倍数的大小，常用的有Au（dB）=20lgAuAi（dB）=20lgAi(2.3.5)Ap（dB）=10lgAp采用分贝表示放大倍数，可使表达简单，例如，Au=1000000，用分贝表示则为Au=120dB。其次，由于人耳对声音的感受与声音功率的对数成正比，因此采用分贝表示可使它与人耳听感受相一致。最后，它可使运算方便，即化乘除为加减，这在多级放大电路计算放大倍数时将得到充分的体现。,二输入电阻Ri,1,2,输入电阻Ri就是向放大电路输入端看进去的等效电阻。即输入电阻Ri：（2.3.6）,输入电阻Ri可以通过测量而得到，如图2.3.2所示为测量输入电阻的电路。调节Rw1，当Ui=0.5Us时，即可得Ri=Rs+Rw1。,实验2-3-2放大电路性能指标输入电阻的测量实验线路：图2.3.2所示放大电路。图2.3.2中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。（1）不接ui，接入VCC=+20V，调节Rb（RW），使UCE=10V。（2）保持步骤（1），不接ui，用低频毫伏表测量信号源的开路输出电压Us大小，并使Us=20mV；（3）保持步骤（2），在输入端串接电位器Rw1，并接入ui，调节Rw1，使Ui=0.5Us；（4）保持步骤（3），断开Rw1，用万用表测出Rw1阻值，求出Ri，并记录Ri=。,由图2.3.2可以看出，Ri相当于信号源的负载，而ii则是放大电路向信号源索取的电流。由该图可知，ii=us/(Rs+Ri)，ii与Ri大小有关，因此Ri大小反映了放大电路对信号的影响程度。显然（2.3.7a）,在Rs一定的条件下，Ri越大，ii就越小（指幅值或有效值，下同），ui就越接近于us，即信号源的电压更多地传输到放大电路的输入端，则放大电路对信号源的影响越小。反之，Ri越小，放大电路对电压源的影响越大。由于大部分信号源都是电压源，因此许多电子设备的输入电阻都很高。在后文中，若不特别指明，则信号源均指电压源而言。由式（2.3.7a）不难得到源电压放大倍数（2.3.7b),粗略地讲，输出电阻Ro就是向放大电路的输出端看进去的等效电阻。根据戴维南定理可知，输出电阻Ro的定义式为：(2.3.8),三输出电阻Ro,1,2,显然，从输出端看放大电路，它相当于一个带内阻的电压源，这个内阻就是放大电路的输出电阻Ro，放大电路的开路输出电压uo就是电压源的源电压。Ro越小，接上负载RL后输出电压下降越小，说明放大电路带负载能力强。因此，输出电阻反映了放大电路带负载能力的强弱。,输出电阻Ro可以通过测量而得到，如图2.3.3所示为测量输出电阻的电路。调节Rw2，当Uo=0.5Uo时，由图可得Ro=Rw2。,实验2-3-3放大电路性能指标输出电阻的测量实验线路：图2.3.3所示放大电路。图2.3.3中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。（1）不接ui，接入VCC=+20V，调节Rb（RW），使UCE=10V。（2）保持步骤（1），接入ui（Ui=10mV），不接Rw1和RL，用低频毫伏表测量放大电路的开路输出电压Uo大小，并记录Uo=_；（3）保持步骤（2），在输出端接入电位器Rw2。调节Rw2，使Uo=0.5Uo；（4）保持步骤（3），断开Rw2，用万用表测出Rw2阻值，求出Ro，并记录Ro=。实验结果表明，Ro值与Rc值（基本接近/相差很大）。,由于放大电路中不可避免地存在电抗元件（如耦合电容或结电容等），因此，当改变输入信号的频率时，放大电路的放大倍数会发生变化，输出波形的相位也会发生变化。,四通频带fbw,1,2,实验2-3-4放大电路性能指标通频带的测量实验线路：图2.3.2所示放大电路。图2.3.2中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。,（1）不接ui，接入VCC=+20V，调节Rb（RW），使UCE=10V。（2）保持步骤（1），不接Rw2和RL；（3）保持步骤（2），接入ui，使Ui=10mV（用低频毫伏表测量）、fi=1kHZ，用低频毫伏表测量此时输出电压Uo的大小，并记录Uo=mV；将此时的输出电压记为U0，电压放大倍数记为Au0，则U0=，Au0=；（4）保持步骤（3），改变输入信号频率fi，并保持Ui=10mV（用低频毫伏表监测），按表中的数据要求进行测量，并将结果填入表中；（5）根据表的结果，求该放大电路的通频带fbw，并记录fbw=fHfL=。,一般情况下，放大电路只适用于放大一个特定频率范围的信号，当信号频率太高或太低时，放大倍数都大幅度下降，如图2.3.4所示。,上限截止频率fH下限截止频率fL通频带或带宽fbwfbw=fHfL（2.3.9）,实验2-3-5放大电路性能指标最大输出电压幅值测量实验线路：图2.3.2所示放大电路。图中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。,五最大输出幅值,（1）不接ui，接入VCC=+20V，调节Rb（RW），使UCE=10V。（2）保持步骤（1），接入ui，使Ui=10mV、fi=1kHZ，用示波器同时观察此时输入、输出电压的波形，并记录输出电压波形有无明显失真；（3）保持步骤（2），改变输入信号幅度，直到输出电压波形出现明显失真；（4）保持步骤（3），改变输入信号幅度，使输出电压波形刚好不出现失真，此时的输出电压振幅值即为最大输出电压幅值Uomax。从示波器中直接读出Uomax的大小，并记录Uomax=；,从该实验中可以看出，要使放大电路的输出信号从失真到不失真，必须（增大/减小）输入信号，也就是说，若放大电路的输出产生了失真，则可能是输入信号（过大/过小）而造成的。严格说来，最大输出幅值是指不失真时放大电路的最大正弦输出信号的幅值。但是，由于放大器件具有非线性的特性，输出波形的非线性失真是不可避免的，因此最大输出幅值是指基本不真或无明显失真时放大电路的最大正弦输出信号的幅值，它包括最大输出电压幅值Uomax和最大输出电流幅值Iomax，常用的是最大输出电压幅值Uomax。,最大输出幅值是输出其本上不失真时的单项（电压或电流）指标，而最大输出功率则是综合性的指标，它表示输出信号其本不失真的情况下放大电路能输出的最大功率,用Pom表示。放大电路把较小功率的输入信号放大为较大功率的输出信号，而输出信号的能量是由直流电源提供的，放大电路只不过是实现了有控制的能量转换。既然是能量的转换，就存在转换效率的问题。效率定义为（2.3.10）式中PV为直流电源消耗的功率。,六最大输出功率Pom和效率,由放大器件特性的非线性引起的失真，就是非线性失真。为了衡量波形的失真程度，引入非线性失真系数DD定义为在某一频率的正弦输入信号作用下，放大电路的输出信号中的谐波总功率（失真分量）与基波功率P1（不失真分量）之比的平方根：（2.3.11）式中I1、I2、I3和U1、U2、U3分别表示输出电流和电压的基波及和各次谐波的有效值。,七非线性失真系数THD,2.4放大电路的基本分析方法放大电路的分析主要有两个方面：1.分析放大电路的直流工作状态（静态分析）计算三极管的偏置电压和电流（UBE、IB、IC和UCE）值；并判断三极管是否工作在放大状态；2.分析放大电路的交流性能指标（动态分析）计算Uomax、Au、Ri、Ro等指标。分析的对象不同，所采用的分析方法和三极管的等效电路模型也不同。,下面仍以图2.4.1所示共射基本放大电路为例进行分析。该电路中，电阻和电容均为线性元件，这部分电路的电压、电流关系的分析和计算仍可采用经典的线性电路的分析和计算方法。,图2.4.1共射基本放大电路,但放大电路中的三极管是非线性器件，要完整地分析整个放大电路，就必须首先了解三极管的iB与uBE、iC与iB以及iC与uCE的关系。,图2.4.1共射基本放大电路,其中iC与iB的关系在放大状态下可表示为iC=iB，因此下面关于三极管特性的分析主要是围绕iB与uBE和iC与uCE的关系进行的。,图2.4.1共射基本放大电路,由于放大电路的一个重要特点是交、直流并存，而静态分析的对象是直流量，动态分析的对象是交流量。把电路在us=0（若信号源内阻为零，则为ui=0）时所形成的电流通路称为直流通路；把电路在只考虑交流信号时所形成的电流通路称为交流通路。显然，静态分析要采用直流通路，而动态分析则要采用交流通路。,2.4.1直流通路和交流通路,由于放大电路中存在电抗性元件（例如电容、电感），它们对直流量和交流量呈现不同的阻抗，因此直流通路和交流通路是不同的。对于直流，相当于频率f=0，则电容的容抗为无穷大，电感的感抗为零。因此在直流通路中，电容可看成开路，电感可看成短路。在交流通路中，大容量的电容因容抗很小可看成短路，电感量大的电感因感抗很大可看成开路，而直流电源因其两端电压恒定不变可看成短路（其电压变化量为零），恒定的电流源可看成开路。,图2.4.2放大电路的直流通路（a）共射基本放大电路（b）直流通路,图2.4.3放大电路的交流通路（a）基本放大电路（b）交流通路,2.4.2静态工作点近似计算法,三极管的发射结导通时，B、E两端的导通压降UBE基本不变（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V），因此有IC=IBUCE=VCCICRc,图2.4.1共射基本放大电路,在三极管的特性曲线上直接用作图的方法来分析放大电路的工作情况，这种分析方法称为特性曲线图解法，简称图解法。图解法既可作静态分析，也可作动态分析。下面以图2.4.2（a）所示电路为例介绍图解法。设图2.4.2（a）中各元件参数值分别为：VCC=12V，Rb=300k，Rc=4k，RL=4k。,图2.4.2放大电路的直流通路（a）共射基本放大电路（b）直流通路,2.4.3图解分析法,1静态分析图2.4.4（a）为静态时共射基本放大电路的直流通路，它以虚线AB为界分成两个部分：AB左边为非线性部分，右边为线性部分。,图2.4.3（a）放大电路的直流通路的分割,由于三极管在输入回路中的作用相当于一个二极管，导通电压UBE近似不变，因此其基极偏流IB可由简单计算求得：,由于IB=40A，因此非线性部分的伏安特性就是对应于iB=IB=40A的那一条输出特性曲线，如图示2.4.3（b）所示。,而线性部分的伏安特性由下列方程所确定：（2.5.1b）上式表示iCuCE为平面内的一条直线（MN）。,直线MN的斜率为（1/Rc），Rc直流负载电阻。直线MN称为直流负载线。Q直流工作点由图2.4.4（b）可得IC1.3mA，UCE=6.5V。另外，已求得静态值IB=40A，可近似认为UBE=0.7V，或由输入特性曲线来确定。,2动态分析对于交流分量，就要采用流通路进行分析。RL=RcRL。RL=2k放大电路的交流负载电阻。根据图2.4.3（b）中ic与uce=uo的标定方向与极性，有uce=icRL而uce=uCEUCE，ic=iCIC，代入上式可得uCEUCE=(iCIC)RL（2.5.2）,uCEUCE=(iCIC)RL（2.5.2）动态时iC与uCE的关系仍为一直线（AB）直线的斜率为（1/RL），由交流负载电阻RL决定。直线通过工作点Q（UCE，IC）AB称为交流负载线,由式uCEUCE=(iCIC)RL可得到交流负载线与两坐标轴的交点：A（UCE+ICRL，0)、B（0，IC+UCE/RL）。按图2.4.3a所给的参数，RL=2k，而由于IC=1.3mA，UCE=6.5V，则UCE+ICRL=9.1V，即A点坐标：（9.1V，0mA）,在输入信号的作用下，iC和uCE都随着iB变化而变化，此时工作点Q将沿着交流负载线（而不是直流负载线）移动，成为动态工作点，所以交流负载线是动态工作点移动的轨迹，它反映了交、直流共存的情况。此外，若负载开路，则RL=Rc，说明交、直流负载线重合。若接上负载，因RLRc，说明交流负载线比直流负载线要陡。,电压和电流的波形,3、图解法的应用(1)静态工作点对波形的影响不产生截止失真条件为：IBIbm不产生饱和失真的条件为：UCEUcem+UCE（sat）,电路参数对静态工作点的影响Rb大，Q点下移靠近截止区，容易产生截止失真。Rb小，Q点上移靠近饱和区，容易产生饱和失真。VCC增大，直流负载线平行右移，动态范围变大,静态管子功耗增大。RC增大，斜率变小，IBQ不变，Q点向饱和区移动。增大，Q点上移。,选择工作点除了考虑不产生失真外，往往采取较为灵活的原则。当输入信号较小时，其非线性失真很小，为了降低电源的能量消耗，可把Q点选得低一些；在大信号输入时，为了减小非线性失真，Q点常选在交流负载线的中点；如果希望放大倍数较大则应选Q处于静态电流较大处。总之，在不产生失真和保证一定的放大倍数的前提下，Q点可选得低一些。,（2）最大输出电压幅值UomaxQ在中点时,将由二者中任何一者决定。当不在中点时,将由二者中较小者决定。Uomax=minUCEUCE（sat），ICRL（2.5.5）,（3）非线行失真NPN：工作点过低，顶部失真截止失真工作点过高，底部失真饱和失真信号过大，两头失真,在低频小信号的条件下：三极管在工作点附近的动态特性可近似看成是线性的；其电压、电流的交流量之间的关系基本上是线性的；此时具有非线性特性的三极管可用一线性电路（即线性双口网络）来代替。称之为小信号等效电路或微变等效电路。整个放大电路可看成一个线性电路；可利用线性电路的分析方法对放大电路进行动态分析，求出它的主要性能指标。这种方法就是小信号等效电路分析法。小信号等效电路法只解决低频小信号交流量的计算问题。,1三极管的小信号等效电路模型在低频小信号的条件下，工作在放大区的三极管可近似看作是线性双口网络。因此，对于交流分量（即正弦小信号）而言，电流、电压的关系近似为线性。在共射接法时，三极管输入电流为ib，输入电压为ube，输出电流为ic，输出电压为uce，如图2.4.9所示。,2.4.4微变等效电路法,（a）（b）图2.4.10折合和简化后的等效电路（a）折合后的等效电路（b）简化的等效电路,rbe=rbb+rbe=rbb+(1+)re,小信号等效电路分析法的主要步骤如下：（1）画出放大电路的小信号等效电路。先画出放大电路的交流通路；再用简化的小信号等效电路来代替其中的三极管；标出电压的极性和电流的方向。（2）用解线性电路的方法求出放大电路的性能指标：Au、ri、ro等。,2放大电路的小信号分析,图2.4.11共射基本放大电路的微变等效电路分析法,下面仍以图2.4.3（a）所示的共射基本放大电路为例进行分析。,图2.4.12共射基本放大电路的微变等效电路分析法,ui=ibrbe，uo=ib(Rc/RL）=RLib，故电压放大倍数式中RL=RCRL，负号表示共射电路的倒相作用。,又由该图得：ui=ii(Rb/rbe)，故输入电阻考虑到Rbrbe，则,输出电阻Ro的求法：令us=0（但保留其内阻Rs）；移去RL（或开路）；在输出端加一信号电压uo，求io，再求Ro。,输出电阻Ro的求法：由于us=0，ib=0，因此ic=ib=0，于是uo=icRc，输出电阻（2.4.11a）若考虑三极管的共射输出电阻rce，由于rceRc，则Ro=Rc/rceRc（2.4.11b）,图2.4.12共射基本放大电路的微变等效电路分析法,结论：,图解法和小信号等效电路法这两种分析方法虽然在形式上是独立的，但实质上它们是互相联系、互相补充的。图解法：全面、直观；既能作静态分析，又能作动态分析；能分析非线性失真的情况。需要精确的三极管特性曲线，非常麻烦，结果不易准确。适用于分析低频大信号时的情况。小信号等效电路法：线性化处理，计算小信号交流指标很方便。不能用于静态分析，不能分析非线性失真的情况。,例2.4.2图2.4.3（a）所示的共射基本放大电路中，若电路参数为：Rb=360k，Rc=4.7k，RL=4.7k，VCC=15V，三极管为硅管，其50，rbb=200，求：（1）静态工作点；（2）电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro；（3）若外接信号源的内阻Rs=300，求源电压放大倍数Aus；（4）最大输出电压幅度Uomax。解：这里根据前面的分析直接引用有关公式进行计算：IBVCC/Rb=15/36040103mA=40AIC=IB=5040A=2mAUCE=VCCICRc=1524.7=5.6（V）,Uomax=minUCEUCE（sat），ICRL=min5.60.1，2(4.7/4.7)=4.7（V）应当指出，以上计算必须是三极管始终工作在放大状态下才成立。,设计和调试放大电路时，为获得较好的性能，必须首先设置一个合适的Q点。共射基本放大电路中，当VCC和Rb确定后，基极偏流IB是“固定”的，其偏置电路实际上是由一个偏置电阻Rb构成的。,2.5工作点稳定的电路,这种偏置电路称为固定偏流电路或恒流式偏置电路。固定偏流电路结构简单，调试方便。但当更换管子或环境温度变化引起三极管参数变化时，电路的工作点（IC、UCE）将发生移动，甚至移到不合适的位置而使放大电路无法正常工作。,本节主要讨论环境温度对工作点的影响以及稳定工作点的偏置电路。工作点不稳定的原因：电源电压的变化；电路参数的变化；管子的老化与更换等；三极管的参数（ICBO、UBE、等）随温度变化（主要原因）。,2.5.1温度对工作点的影响,1温度对三极管参数的影响（1）温度对ICBO的影响温度每升高10，ICBO将增大一倍。在高温场合多选用硅管。，随着温度的高，ICEO也急剧增大。（2）温度对UBE的影响温度每高1，减小2.2mV。（3）温度对的影响温度每升高1，增加0.5%1%。,应当指出，在工业上批量生产电子产品时，由于三极管参数的分散性，同一型号三极管的参数（如）将有较大的不同，因此它的影响和温度变化造成的影响很相似。为了减少调试时间，降低生产成本，希望电路对三极管参数具有较好的适应性，即当管子参数变化时，其静态电流IC基本不变。固定偏流电路不能满足上述的要求。,实验2-5-1变化对静态工作点及输出波形的影响实验线路：图2.4.3（a）所示共射基本放大电路。图中Rb为51k电阻与470k电位器相串联组成，Rc为1k，RL为1k，T为S9018或S9013。,（1）用万用表档分别测量三极管S9018和S9013的值，并记录：1（S9018）=；2（S9013）=；（2）不接ui，接入S9018和VCC=+20V，调节Rb（RW），使UCE=5V；（3）保持步骤（2），输入端接入ui（fi=1kHZ），用示波器同时观察此时输入、输出电压的波形。调节ui（Ui）大小，使输出电压最大且输出电压波形无明显失真；（4）保持步骤（3），不接ui，将实验电路中的三极管S9018改为S9013，测量此时UCE的大小，并记录UCE=V。此时UCE值（已经上升/已经下降/基本不变），也就是说，此时的IC值（已经下降/已经上升/基本不变）。这说明更换后的管子值_（小于/大于/基本等于）更换前的管子值。（5）保持步骤（4），接入ui，观察此时输入、输出电压的波形，并记录：输入电压波形（有/无）明显失真；输出电压波形（有/无）明显失真；,例2.5.1在图2.4.3（a）所示的固定偏流电路中，若VCC=9V，Rb=150k,Rc=2k.三极管的3DG4的UBE=0.7V，UCE(sat)=0.3V，=50。（1）试确定静态工作点；（2）若更换管子，使变为100，其他参数不变，确定此时的静态工作点。,解：（1）,（2）当=100时，IB的计算同上，仍为55A,该电路不可能出现UCE0。实际上，UCE=UCE（sat），三极管已进入饱和区。ICIB,电路的最大集电极电流为处在临界饱和状态时的集电极电流，其值,相应的基极临界饱和电流IB(sat)为由于IB=55A，IBIB（sat），因此管子确工作在饱和区。该电路实际工作点为：IB=55A，UCE=UCE(sat)=0.3V，IC=IC（sat）=4.35mA。,温度升高时对三极管参数的影响，最终都集中在工作点的集电极电流的增大上。所谓的稳定工作点，主要指稳定工作点的电流IC。,一种能自动稳定工作点的偏置电路如图2.5.1所示，该电路称为分压式偏置电路或射极偏置电路。分压式偏置电路是目前应用最广泛的一种偏置电路。,图2.5.1分压式偏置电路,2.5.2静态工作点稳定电路实验2-5-2分压式偏置电路工作点稳定性的观察实验线路：图2.5.1所示放大电路。图中Rb1为5.1k电阻与100k电位器相串联组成，Rb2为10k电阻，Re为1k，Rc为1k，RL为1k，C1为100F，C2为100F，T为S9013。,（1）用万用表档分别测量三极管S9018和S9013的值，并记录：1（S9018）=；2（S9013）=；（2）不接ui，接入S9018和VCC=+20V，调节Rb1（Rw），使UCE=10V；（3）保持步骤（2），输入端接入ui（fi=1kHZ），用示波器同时观察此时输入、输出电压的波形。调节ui（Ui）大小，使输出电压最大且输出电压波形无明显失真；,（4）保持步骤（3），不接ui，将实验电路中的三极管S9018改为S9013，测量此时UCE的大小，并记录UCE=V。此时UCE值（已经上升/已经下降/基本不变），也就是说，此时的IC值（已经下降/已经上升/基本不变）。这说明分压式偏置电路_（具有/不具有）稳定工作点的作用；（5）保持步骤（4），接入ui，观察此时输入、输出电压的波形，并记录：输入电压波形（有/无）明显失真；输出电压波形（有/无）明显失真；,I1IB时，稳定条件:UBUBE(1+)Re(Rb1/Rb2)一般可选取VCC较低时，应取UB=(0.20.3)VCC,2静态工作点,交流小信号等效电路,3动态分析,设Rb=Rb1Rb2，RL=RcRLuo=ibRLui=ibrbe+ieRe=ibrbe+(1+)ReRoRc,由式知，接入Re后使Au大大下降（但Ri显著增大），可在Re两端并联一个大电容Ce（几十至几百F）接入Ce后，对于交流信号而言，Ce相当于短路，Re也被短路了，故称Ce为射极旁路电容。,有Ce时，Q点计算不变，但性能指标变为（令上述各式中的Re=0）：其性能指标与固定偏流电路相同，因此，该电路最为常用。,放大电路中的三极管有三种基本接法，即共发射极、共集电极和共基极。通常把这三种接法称为三种基本组态，分别简称为共射、共集和共基组态。共射电路在前面已作了详细讨论，下面分别讨论共集电路和共基电路。,26放大电路的三种基本组态,图示为共集放大电路，输入信号加在基极和集电极之间，输出信号从发射极取出。集电极是输入、输出回路的公共端，这种电路就是共集电路，由于负载电阻RL接在发射极上，信号从发射极输出，故又称为“射极输出器”。,2.6.1共集电极放大电路,射极输出器的电路比较简单，可以不必要画出它的直流通路。由图直接列出基极回路的方程式如下：,1静态分析,实验2-6-1共集电路的基本性能测量实验线路：所示共集放大电路。图中Rb为51k电阻与470k电位器串联，Re为2k，RL为2k，T为S9013。,2动态分析,（1）不接ui，接入VCC=+20V，调节Rb，使UCE=10V；（2）保持步骤（1），输入端接入ui（fi=1kHZ，Ui=2V）和RL，用示波器同时观察此时输入、输出电压的波形。并记录：ui的波形（有/无）明显失真；uo的波形（有/无）明显失真。结果表明：共集放大电路的不失真输入信号幅度比共射放大电路（大得多/小得多），即共集电路的输入动态范围要比共射电路（大得多/小得多）。,输入信号幅度Uim=V；输信号幅度Uom=V；Au=_，且Au_（1；1；1）；输出信号（电压）与输入信号的相位关系为（同相/反相）。结果表明：共集放大电路为（同相/反相）放大电路，且输出电压（明显大于/基本等于/明显小于）输入电压。（3）保持步骤（2），不接RL，即增大等效负载电阻值，观察输出电压幅度有无明显增大，并记录：；结果表明：共集放大电路（具有/不具有）稳定输出电压的能力。由此可推断出：共集放大电路的输出电阻比共射放大电路（大得多/小得多）。,（4）保持步骤（3），接入ui和RL，并在输入回路中串接1k电阻，观察输出电压幅度有无明显减小，并记录：；由此可推断出：共集放大电路的输入电阻比共射放大电路（大得多/小得多）。结果表明：共集放大电路的输出电阻比共射放大电路_（大得多/小得多）。,小信号交流等效电路,求放大倍数和输入电阻：uoieRL(1+)RLibuoui，即uo与ui幅度相近，相位相同，输出电压跟随输入电压的变化而变化，因此射极输出器又称为射极跟随器。,求输出电阻Ro：,利用输入电阻高和输出电阻低的特点，射极输出器被用作多级放大电路的输入级、输出级和中间级。射极输出器用作中间级时，可以隔离前后级的影响，所以又称为缓冲级，在这里它起着阻抗变换的作用。,共基放大电路如图所示，其中Rc为集电极电阻，Rb1、Rb2为基极分压偏置电阻，基极所接的大电容Cb保证基极对地交流短路。因为基极是输入、输出回路的公共端，因此是共基放大电路。,2.6.2共基电路,1静态分析共基放大电路的直流通路如图所示，它与分压式偏置电路的直流通路完全相同，因此工作点的求法也相同，这里不再重复。,2动态分析实验2-6-2共基电路的基本性能测量实验线路：图示为共基放大电路。图中Rb1为3.3k电阻，Rb2为10k电阻，Re为1k，Rc为1k，RL为1k，T为S9013。,（1）不接ui，接入VCC=+20V，测量并记录UCE=V；（2）保持步骤（1），不接ui，由低频信号发生器输出f=1kHZ、Us=50mV（低频信号发生器输出开路即不接入到电路中时用低频毫伏表测量）的电压信号待用；（3）保持步骤（2），输入端接入ui，用低频毫伏表测量ui的实际幅度Ui，并记录：Ui=mV,结果表明：共基放大电路的实际输入电压信号幅度_（基本等于/明显小于）源电压信号幅度，即共基电路的输入电阻Ri（远大于/接近于/远小于）信号源内阻Rs(=50)，因此可以得知，相对于共射电路，共基电路的输入电阻Ri_（很小/很大）。（4）保持步骤（3），用低频毫伏表测量uo的输出幅度Uo，求出Au，并记录：Uo=V；Au=。结果表明：共基放大电路的Au（远大于/远小于/接近于）共射放大电路，但在信号源源电压幅度Us相同的情况下，共基放大电路的实际输出电压幅度比共射放大电路要（大得多/小得多）。,（5）保持步骤（4），用示波器同时观察输入、输出信号的波形，并记录：输出信号（电压）与输入信号的相位关系为（同相/反相）。结果表明：共基放大电路为（同相/反相）放大电路。,共基放大电路的小信号等效电路如图所示,设RL=RcRLui=ibrbeuo=icRL=RLibAu=（同相放大）Ro=Rc,共基电路的输入电流为ie，输出电流为ic，所以没有电流放大作用。但是，由于共基电路的频率特性好，因此多用于高频和宽频带电路中。,和三极管一样，场效应管也有放大作用，因此可以用它组成各种放大电路。显然，在场效应管放大电路中，场效应管应工作在恒流区。场效应管放大电路有共源、共漏和共栅三种组态，它们分别相当于三极管的共射、共集和共基组态。,2.7场效应管放大电路,与三极管放大电路一样，场效应管放大电路也需要建立合适的静态工作点，以保证管子工作在恒流区；也存在工作点的稳定问题。由于场效应管是电压控制型器件，栅流必须为零，因此需要合适的栅极电压，且栅极电压的极性具有下述特点；耗尽型UGS与UDS的极性相反（其中耗尽型MOS管二者的极性可以相同或UGS可为零），增强型的UGS与UDS的极性相同。,2.7.1场效应管的特点,场效应管特点：1.场效应管是一种电压控制器件。栅源之间的电压变化来控制漏极电流的变化。2.场效应管预置一个偏压3场效应管在正常工作范围内，场效应管的栅极几乎不取电流其输入电流。输入电阻高。4.场效应管为单极型器件，温度稳定性较好。5.场效应管制造工艺简单，有利于大规模集成。6.场效应管的跨导较小，电压放大倍数较低。,2.7.2共源放大电路共源放大电路如图所示。,2.7.2静态分析1.自偏压电路典型的自偏压电路如图所示。静态工作时，耗尽型场效应管在无栅极电源时也有漏极电流ID，当ID流过源极电阻Rs时，在它两端产生电压降US=IDR。由于栅极电流近似为零，栅极电阻Rg上就没有电压降，即栅极直流电位UG0，故有,可见，栅源之间的直流偏压UGS是由场效应管的自身电流ID流过Rs产生的，故称为自偏压电路。C称为源极旁路电容。Rg为栅极电阻，为栅、源极之间提供直流通路，其阻值较大，电路的输入耦合电容C1的容量较小。对于N沟道耗尽型场效应管，自偏压电路将使UGS（off）UGS0和UDSUGSUGS（off），管子就工作在恒流区。,（1）计算法联立求解上二式组成的方程组，可得到ID和UGS。上述二次方程有两个根，即有两组的ID和UGS值，应根据管子工作在恒流区的条件，选出合理的ID和UGS值。又从电路图可得,（2）图解法,由于Rs的电流负反馈作用（其作用与三极管电路中Re相似），因此自偏压电路的工作点较稳定。值得注意的是，由于UGSIDRs0，而UDS0，所以自偏压电路只适用于UGS和UDS极性相反的耗尽型场效应管，而不适用于增强型MOS管和作正栅压运用的耗尽型MOS管。,2分压式自偏压电路自偏压电路的工作点确定后，UGS和ID为定值，源极电阻Rs就基本被确定，选择的范围很小。为了克服上述缺点，可采用如图所示的分压式自偏压电路基础上加接栅极分压电阻Rg1、Rg2而组成的。,图中，漏极电源VDD经Rg1、Rg2分压后的电压，经栅极电阻Rg3作为栅极电压UG，因Rg3上电压降为零，则,当VDD、ID为定值时，只要Rg1、Rg2和Rs取不同值，则UGS可为正值、零值或负值，因此分压式自偏压电路适用于各种类型的场效应管，并且Rs的选择范围扩大了。由于栅流近似为零，所以分压电阻Rg1、Rg2和栅极电阻Rg3可以比较大。如果图中Rs0，则因UG0，这时电路只适用于增强型MOS管了。,例2.7.1若图3.14中场效应管为3DJ2G，其参数为UGS（off）=.7V，IDSS=4mA，其他元件参数均标在图上，试确定其静态工作点。解：把有关参数代入式（3.16），可得方程组,解这个方程组，可得ID（5.63.6）mA，