放大器的基本工作原理

1、2021/3/10讲解：XX1 2021/3/10讲解：XX2 放大器放大器 放大器是放大电信号的装置，其基本任务是将微 弱信号不失真地放大到所需的值，即用较小的信号去 控制较大的信号。 器件电子管、晶体管、集成电路 用途放大电压、电流、功率信号 信号大信号、小信号 耦合方式直接、阻容、变压器、光电 频率直流、低频、高频、视频 放大器放大器 类型类型 晶体管 电压 小信号 低频 阻容 2021/3/10讲解：XX3 Voltage Gain i O u U U A 衡量放大器放大微弱信号的能力 i O i I I A Current Gain Ii Ui + - Io Uo + - i O i

2、 O u U U U U dBAlg20)( i O P P P A Power Gain RS US + - - 信号源 RL 负载 AMP 2021/3/10讲解：XX4 衡量放大器对输入信号的衰减程度，其大小应从 信号有效地传输来确定 i i i I U R 传输电压信号要求传输电压信号要求RiRsRs Source Voltage Gain is i u s O us RR R A U U A Ri RL RS US + - - Ii Ui + - AMP Io Uo + - Ri 2021/3/10讲解：XX5 衡量放大器对带负载的能力，其大小应从 信号有效地传输来确定 O O O

3、I U R 当负载变化时，当负载变化时，UoUo基本不变，则要求基本不变，则要求RoRo小小 RL RS US + - - Ii Ui + - Io Uo + - AMP + - - RO O U RoRo的计算方法与电路分析一致的计算方法与电路分析一致 RO 2021/3/10讲解：XX6 晶体管输入、输出特性的 非线性产生非线性失真， uBE iB Q Amplitude Phase 其大小与工作点位置、信 号大小有关 Au f 0 2021/3/10讲解：XX7 + Uo Rs C1 UBB Rb UCC Rc C2 Us + - + - - + - + - RL Ui + - + -

4、uBE uCE iC iB 分析 各元件的作用 Ui=0，晶体管各极电流、电压为直流 值，放大器处于静态(直流)工作。 t uCEQ UCEQ t iB IBQ t uBE UBEQ t iC ICQ 加入输入信号Ui后，晶体管各极电流、 电压随信号而变，放大器处于动态(交 流)工作。 + + 2021/3/10讲解：XX8 + Uo Rs C1 UBB Rb UCC Rc C2 Us + - + - - + - + - RL Ui + - + - uBE uCE iC iB v晶体必须工作管在放大区 v信号能输入 v信号能输出 v波形基本不失真 C1 + - RL Rb Rs Us +Ucc

5、 C2 Rc Ui - + + - Uo 2021/3/10讲解：XX9 - + - + UBEQ UCEQ IBQ ICQ b CC b BEQCC BQ R U R UU I BQCQ II RcIUU CQCCCEQ Re)1(R UU I b BEQCC BQ BQCQ II Re)Rc(IUU CQCCCEQ Rc Rb +Ucc (1)(1) + - + UBEQ UCEQ IBQ ICQ Rc Rb +Ucc Re IEQ (2)(2) 2021/3/10讲解：XX10 2bb1 b2 BQ RR R UccU CQ BEQBQ EQ I Re UU I Re)Rc(IUU CQ

6、CCCEQ Rb2 + - + UBEQ UCEQ IBQ ICQ Rc Rb1 +Ucc Re IEQ (3)(3) I1 BQ1 II + - + UBEQ UCEQ ICQ Rc +Ucc Re IEQ (4)(4) -UEE CQ BEQEE EQ I Re UU I Re)Rc(I)UU(U CQEECCCEQ 2021/3/10讲解：XX11 若基极接地或负电压，则偏置电流I IBQBQ=0=0，管子截止，此时 U UCEQCEQ=U=UCC CC 。 若Rb=60KRb=60K，则I IBQBQ=200uA=200uA，I ICQCQ=8mA=8mA，U UCEQCEQ=-12V

7、=-12V，这是不可能这是不可能 的。此时的。此时放大器工作在饱和状态， U UCEQCEQ= = U UCE(CE(satsat) )，I ICQCQ=I=IBQ BQ 不再成立。 已知：已知：U UBE(BE(onon) )=0.7V=0.7V，=40=40，U UCCCC=12V=12V， R Rb b=240K=240K， Rc=3KRc=3K。求静态。求静态 工作点工作点Q Q 。 A50 K240 V7 . 012 IBQ 解：解： V63212UCEQ mA2II BQCQ 最大I ICQMCQM为Ucc-UUcc-UCE(CE(satsat) )/RC/RC， 放大器工作在放大

8、放大器工作在放大 区。区。 CQM BQ I I - + - + UBEQ UCEQ IBQ ICQ Rc Rb +Ucc Discussion Discussion 2021/3/10讲解：XX12 -Ucc Rb + - + UBEQ UCEQ IBQ ICQ IEQ Re 已知：已知：U UBE(BE(onon) )=0.7V=0.7V，=50=50，-U-UCCCC=-20V=-20V， R Rb b=200K=200K， Re=4KRe=4K。求静态工。求静态工 作点作点Q Q。 A50 450200 7 . 020 IBQ 解：解： V1045 . 220UCEQ mA5 . 2I

9、I BQCQ CONCLUSION 管子截止时：管子截止时：UCEQ=UCC 饱和时：饱和时：UCEQ=UCES 0 2021/3/10讲解：XX13 Us Rs iC + Uo C1 UBB Rb UCC Rc + - + - - + - + - RL Ui + - + - uBE uCE iB C2 + + Uce + Uo Rs Us Rb Rc - + - - RL Ui + - Ube Ic Ib 2021/3/10讲解：XX14 Ui Uo Ui Uo Ui Ui Uo (a) Ui Uo (b) 图(a)和图(b)的直流通路相同 2021/3/10讲解：XX15 +Ucc DC

10、Pass +Ucc + - Us + - Uo AC Pass Us + - + - Uo 2021/3/10讲解：XX16 图解分析法：形象、直观，但难以准确定量分 析，用来分析非线性失真。 等效电路法：等效电路法：对器件建模进行电路分析，运算 简便，结果误差小，仅适用于交 流小信号工作状态。 静态工作 动态工作 求静态点Q(直流通路直流通路) 求Au Ri Ro(交流通路交流通路) 估算法 图解法 等效电路法等效电路法 2021/3/10讲解：XX17 一一. Graphical Analysis Rs Us + Uo Rb UCC Rc C2 - + - RL + - + - uBE u

11、CE iC iB C1 UBB + - + - + - Ui 根据I IBQ BQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。 用估算法求出基极电流I IBQ BQ（假设为40A 40A） Analysis Step 2021/3/10讲解：XX18 求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。直流负载线 与输出特性曲线上IB=40A的交点就是静态工作点Q， 由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ 和UCEQ 。 根据集电极电流i iC C与集、射间电压u uCE CE的 关系式uCE=UCCiCRC可画出一条直线，该直线在纵轴 上的截距为UCC/RC ，在横轴上的截距为UCC 。 Rs Us + U

12、o Rb UCC Rc C2 - + - RL + - + - uBE uCE iC iB C1 UBB + - + - + - Ui 作直流负载线。 2021/3/10讲解：XX19 IB=0 0 uCE/V 20A 40A 60A 80A iC/mA 由由uCE=UCCiCRC所决定的直流负载线所决定的直流负载线 IB=40A的输的输 出特性曲线出特性曲线 过过Q点作水平点作水平 线，在纵轴上线，在纵轴上 的截距即为的截距即为ICQ 过过Q点作垂线，点作垂线， 在横轴上的截在横轴上的截 距即为距即为UCEQ Ucc Ucc/Rc UcEQ IcQ 两者的交点两者的交点Q就是静态工作点就是静

13、态工作点 Q DC Load Line 2021/3/10讲解：XX20 v 由输出特性曲线和交流负载线求iC C和uBEBE v 根据静态分析方法，求出静态工作点Q Q v 画放大器交流通路 v 根据ui i在输入特性上求uBE和iB B v 根据 在输出特性中画交流负载线 Lcce RIU L R Analysis Step + - + Uo Rs Rb Rc Us + - + - RL Ui + - Ube Uce Ic Ib 2021/3/10讲解：XX21 - + Uo Rs Rb Rc Us + - + - RL Ui + - + - Ube Uce Ic Ib Lcce RIU

14、IB=0 0 uCE/V 20A 40A 60A 80A iC/mA Ucc Ucc/Rc UcEQ IcQ Q AC Load Line 交流负载线 2021/3/10讲解：XX22 tt t ic(mA) ICQ IB=0 0 20 A 40 A 60 A 80 A ic(mA) uCE(V) Q UCEQ IBQ UBEQ Q1 Q2 Q 2021/3/10讲解：XX23 IB=0 0 uCE/V 20A 40A 60A 80A iC/mA Ucc Ucc/Rc UcEQ IcQ Q UCES RCRC 负载线斜率增小 Q Q点沿I IBQBQ=40uA=40uA曲线平移达Q Q3 3

15、R Rb b I IBQ BQ Q Q点沿负载线上移 R Rb b I IBQ BQ Q Q点沿负载线下移 RCRC 负载线斜率增大 Q Q点沿I IBQBQ=40uA=40uA曲线平移达Q Q4 4 Q1 R Rb b Q2 R Rb b Q3 RCRC Q4 RCRC 极限点Q Q1 1 进入饱和状态 极限点Q Q2 2 进入截止状态 2021/3/10讲解：XX24 (a) 饱和失真 0 uCE iC Q ICQ iC t 0 t Q Q uCE UCEQ 0 UCEQ ICQ Saturation 2021/3/10讲解：XX25 (b) 截止失真 0 uCE iC Q ICQ iC

16、t 0 t Q Q UCEQ 0 uCE UCEQ ICQ Cutoff 2021/3/10讲解：XX26 放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量 和交流分量两部分组成。 由于C C2 2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE 中的交流分量，且与输入电压ui反相。 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有 效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载线越陡， 使Uom减小，电压放大倍数下降。 静态工作点Q Q设置得不合适，会产生非线性失真。 即Q Q点选得偏高，易产生饱和失真；Q Q点选得偏低，易 产生截止失真。 2021/3/10讲解：XX27 非线性元件晶体管在工作

17、点附近的微小 范围内，可等效成一个线性电路，此时放大电路可用线性电路 的分析方法来分析。 二二. Small-Signal Equivalent Circuit Analysis Analysis Step 用估算法计算静态工作点Q，并求出rbe 画出交流通路 晶体管用交流小信号等效电路代替 用电路分析法计算Au、Ri、Ro 2021/3/10讲解：XX28 + Uo Rs Rb Rc Us + - + - - RL Ui + - + - Ube Uce Ic Ib L R b rbe e c e b I Ic Ib + - - Ube 26 )1(300 EQ be I mV r e c b

18、 I rbe b e Rs Rb Us + - - + Ui L R + Uo Rc - RL IbIc 2021/3/10讲解：XX29 计算Au、Ri、Ro be L beb Lb beb Lo r R rI RI rI RI U U A c i u e c b I rbe b e Rs Rb Us + - - + Ui L R + Uo Rc - RL IbIc RiRo RL=RC/RL beB /rR I U R i i i 计算Ro的方法是：信号源短路， 负载RL断开，在输出端加电压U， 求出由U产生的电流I，则，则 Co RR 2021/3/10讲解：XX30 FEATURES

19、2021/3/10讲解：XX31 Example 1 已知：Ucc=12V，Rs=1k，Rb=300k，Rc=3k，RL=3k， =50。 试求：1.RL接入和断开两种情况下电路的电压增益AuAu； 2.输入电阻Ri和输出电阻Ro； 3.输出端开路时的源电压增益AusAus 。 C1 + - RL Rb Rs Us +Ucc C2 Rc Ui - + + - Uo 解：先求静态工作点Q A40 R U R UU I b CC b BEQCC BQ mA2II BQCQ V6RcIUU CQCCCEQ 2021/3/10讲解：XX32 再计算rbe 再求三极管的动态输入电阻 963 )mA(2

20、mV)(26 )501(300 )mA( mV)(26 )1(300 EQ be I r 1.RL接入时的电压放大倍数 78 963. 0 33 33 50 be L r R Au RL断开时的电压放大倍数 156 963. 0 350 be C r R Au 2.输入电阻 96. 0963. 0/300/ beB rRRi k 输出电阻 3 Co RR k 3. 4 .76)156( 96. 01 96. 0 oo u is i is i s us A RR R U U U U U U A 78 2021/3/10讲解：XX33 已知：UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3

21、k，=50 RE=2kRL=3k。试估算静态工作点，并求电压增益、 输入电阻和输出电阻。 Rs us + + ui RL + uo +UCC RC C1 C2 V RB1 RB2 RE CE + + + 解：解：1.用估算法计算静态工作点 V75. 3)23(65. 112 )( A33mA 50 65. 1 mA65. 1 2 7 . 04 V412 1020 10 ECCQCCCEQ CQ BQ E BEQB EQ CC B2B1 B2 B RRIUU I I R UU II U RR R U CQ Example 2 2021/3/10讲解：XX34 68 1 . 1 33 33 50

22、k1 . 11100 65. 1 26 )501(300 26 )1(300 be L EQ be r R A I r u 3.求输入电阻和输出电阻 k3 k994. 01 . 1/10/20/ o beB2B1 C i RR rRRR 2021/3/10讲解：XX35 2b 2bb1 CC BQ R RR U U CQ BEQBQ EQ I Re UU I ReIUU CQCCCEQ Re ICQ + + Rb1 IBQ UCEQ UBEQ +Ucc Rb2 Rs Us + + Ui RL + Uo +Ucc C1 C2 Rb1 Re Rb2 2021/3/10讲解：XX36 LbLeo R

23、I )1(RIU 1.Au 二二. AC Analysis Lbe L i o u R)1(r R)1( U U A Lbbeb obebi RI )1(rI UrIU Rs Us + + Ui RL + Uo +Ucc C1 C2 Rb1 Re Rb2 s U rbe bIi + o U + i U b I + Rs Rb1 Re RL c eIbIe Ic Rb2 LCL R/RR 2021/3/10讲解：XX37 R)1(r/R I U R Lbeb i i i 2. 输入电阻输入电阻Ri Ri Ro rbe s U bIi + o U + i U b I + Rs Rb1 Re RL

24、c eIbIe Ic Rb2 Rb Lbe i b i b b i i R)1(r U R U I R U I L R 2021/3/10讲解：XX38 sbesbee bb1 Rr U Rr U R U IIII 1 Rr /R I U R sbe eo rbe 3. 输出电阻输出电阻Ro bI + U b I Rs Rb1 Re c eIb I1 Ic Rb2 S R Ro 2021/3/10讲解：XX39 CC AMP 2021/3/10讲解：XX40 己知：己知：U UCC CC=12V =12V，R Rb b=200k=200k，R Re e=2k=2k，R RL L=3k=3k，R

25、 RS S=100=100， =50=50。 试求：1.估算静态工作点； 2.电压增益 AuAu； 3.输入电阻 RiRi； 4.输出电阻 RoRo。 A40 2)501(200 7 . 012 R)1(R UU I eb BEQCC BQ 解：解：1.用估算法计算静态工作点 mA24050II BQCQ V82212ReIUU CQCCCEQ Example 1 Rs Us + + Ui RL + Uo +Ucc C1 C2 Rb Re 2021/3/10讲解：XX41 950 I mV26 )1(300r EQ be 98. 0 2 . 15195. 0 2 . 151 R)1(r R)1

26、( A Lbe L u K2 . 1R/RR LeL 2. Au 3. Ri K4 .47)2 . 15195. 0/(200R)1(r/RR Lbebi 4. Ro 5 .20 51 1 . 095. 0 /2 1 Rr /RR sbe eo K1 . 01 . 0/200R/RR SbS 2021/3/10讲解：XX42 己知：己知：U UCC CC=12V =12V，R Rb b=100k=100k，R Rb1 b1=40k =40k，R Rb2 b2=80k =80k，R Re e=3.6k=3.6k， R RL L=3.6k=3.6k，R RS S=100=100，U UBE(BE(

27、onon) )=0.8V=0.8V， =50=50。试求： 解：解：1.用估算法计算静态工作点 Example 2 Rs Us + + Ui RL + Uo +Ucc C1 C2 Rb1 Re Rb Rb2 1.估算静态工作点； 2.电压增益 AuAu； 3.输入电阻 RiRi； 4.输出电阻 RoRo。 V8 8040 8012 UBQ mA2 6 . 3 8 . 08 ICQ V8 . 46 . 3212UCEQ 2021/3/10讲解：XX43 99. 0 8 . 15195. 0 8 . 151 Au 2. Au、 Ri、 Ro K5 .53)8 . 15195. 0/(7 .126R

28、i 5 .20 51 1 . 095. 0 /6 . 3Ro 950rbe K8 . 1RL K1 . 0RS s U rbe bIi + o U + i U b I + Rs Rb1 Re RL c eIbIe Ic Rb2 Ri Ro L R Rb 2021/3/10讲解：XX44 2b 2bb1 CC BQ R RR U U CQ BEQBQ EQ I Re UU I Re)Rc(IUU CQCCCEQ Rs Us RL + Uo C1 C2 Rb1 Re Rb2 +Ucc Rc + Cb Re + + Rb1 IBQ UCEQ UBEQ +Ucc Rb2 ICQ Rc 2021/3/1

29、0讲解：XX45 LbLCo RIRIU 二二. AC Analysis be L i o u r R U U A bebi rIU rbe s U b Ii + o U + i U b I + Rs Re Rc RL ce Ib Ie Ic L R RiRo 1 r /R I U R be e i i i Co RR 2021/3/10讲解：XX46 CB AMP 2021/3/10讲解：XX47 3.5 FET Amplifier RgRs Rd +UDD +UDSQ UGSQ + IDQ SDGS RIU 2 )off(GS GS DSSD U U 1II ID UGS 0 Q IDQ

30、UGSQ )RR(IUU SdDQDDDSQ 2021/3/10讲解：XX48 Rg1 Rg2 Rs Rd +UDD + UDSQ UGSQ + IDQ 2 )off(GS GS DSSD U U 1II SDGGS RIUU 2g1g 2g DDG RR R UU ID UGS 0 Q IDQ UGSQUG )RR(IUU SdDQDDDSQ 2. Voltage Divider Biasing 2021/3/10讲解：XX49 二二. FET Amplifier 1.1. 静态分析静态分析 Rg1 +UDD C1 + Rg2Rs Rd Rg C2 Cs Ui + Uo RL Common-Source Amplifier 根据分压式偏置电路求静态工作点根据分压式偏置电路求静态工作点 202