第二章放大电路分析基础

1、第三章 放大电路实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。第二讲 共射极放大电路§1、放大电路的组成原理1放大电路的组成的原则是：为保证三极管工作在放大区，发射结必须正向偏置；集电结必须反向运用。电路中应保证输入信号能加至三极管的发射结，以控制三极管的电流。同时，也要保证放大了的信号从电路中输

2、出。耦合电容(隔直电容)的作用：使交流信号顺利通过，而无直流联系。实际中，为了方便，采用单电源，如下左图。习惯画法如下右图。2、直流通路和交流通路直流通路：电容视为开路，电感视为短路交流通路：电容和电感作为电抗元件处理，一般电容按短路处理，电感按开路处理。直流电源因为其两端的电压固定不变，内阻视为零，故在画交流通路时也按短路处理。放大电路的分析也包含两部分直流分析：又称为静态分析，用于求出电路的直流工作状态，即基极直流电流IB；集电极直流电流IC；集电极与发射极间的直流电压UCE。交流分析：又称为动态分析，用来求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。§2 放大电路的直流工作状态放大电器

3、核心器件是具有放大能力的三极管，而三极管要保证在放大区，其e结应正向偏置，c结应反向偏置，即要求对三极管设置正常的直流工作状态， 直流工作点，又称静态工作点，简称Q点。一、解析法确定静态工作点根据放大电路的直流通路，可以估算出该放大电路的静态工作点。求静态工作点就是求IB IC UCE1. 求IB由于三极管导通时，UBE变化很小，可视为常数。一般地硅管 UBE0.60.8V 取0.7V锗管 UBE0.10.3V 取0.2V当UCC、Rb已知，可求出IBQ2. 求IC3. 求UCE二、图解法确定静态工作点三极管电流、电压关系可用其输入特性曲线和输出特性曲线表示。我们可以在特性曲线上，直接用作图的

4、方法来确定静态工作点。图解法求Q点的步骤：1. 在输出特性曲线所在坐标中，按直流负载线方程,作出直流负载线。2. 由基极回路求出IBQ3. 找出这一条输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点的电流、电压即为所求。【例】如下图电路，已知Rb=280k，Rc=3k，Ucc=12V，三极管的输出特性曲线也如下图所示，试用图解法确定静态工作点。解：首先写出直流负载方程，并做出直流负载线uCE=UCCiCRciC=0，uCE=UCC=12V，得M点；uCE=0，iC=UCC/Rc=12/3=4mA，得N点；连接MN，即得直流负载线。直流负载线与iB=IBQ=40A这一条特性曲线的交点，即为Q点，

5、从图上可得ICQ=2mA，UCEQ=6V。三、电路参数对静态工作点的影响在后面我们将看到静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数Rb、Rc、UCC对静态工作点的影响，为调试电路给出理论指导。1. Rb对Q点的影响RbIBQ工作点沿直流负载线下移RbIBQ工作点沿直流负载线上移2. RC对Q点的影响RC的变化，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。RCN点上升直流负载线变陡工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线右移RCN点下降直流负载线变平坦工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线左移3. UCC对Q点的影响UCC的变化不仅影响IBQ，还影响直流负载线，因此，U

6、CC对Q点的影响较复杂。UCCIBQMN直流负载线平行上移工作点向右上方移动UCCIBQMN直流负载线平行下移工作点向左下方移动实际调试中，主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点，而很少通过改变UCC来改变工作点。§3 放大电路的动态分析我们讨论当输入端加入信号ui时，电路的工作情况。由于加进了输入信号，输入电流iB不会静止不动，而是变化的。这样三极管的工作状态将来回移动，故又将加进输入交流信号时的状态称为动态。一、图解法分析动态特性通过图解法，我们将画出对应输入波形时的输出电流和输出电压的波形。由于交流信号的加入，此时应按交流通路来考虑。交流负载。在信号的作用下。三极管的工作状态的移

7、动不再沿直流负载线，而是按交流负载线移动。因此，分析交流信号前。应先画出交流负载线。1. 画交流负载线交流负载线具有如下两个特点交流负载线必通过Q点，因为当输入信号ui的瞬时值为零时，如忽略电容C1和C2的影响，则电路状态和静态相同。交流负载线的斜率由决定。因此，按上述特点，可做出交流负载线，即通过Q点，作一条的直线，就是交流负载线。具体作法如下：首先作一条的辅助线(此线有无数条)，然后过Q点作一条平行于辅助线的直线即为交流负载线。由于，所以，故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。交流负载线的另外一种作法：交流负载线也可以通过求出交流负载线在uCE坐标的截距，再与Q点相连即可得到。设截距点为，

8、则有：推导过程如下：例：如下图所示电路，做出交流负载线。已知Rb=280k，Re=3k，UCC=12V，RL=3k。解：首先做出直流负载线，求出Q点。做出交流负载线的辅助线取U=6V可得I=4mA，连接这两点即为交流负载线的辅助线。过Q点做辅助线的平行线，即为交流负载线。也可以用：做出交流负载线。2. 画输入输出的交流波形图设电路使则：从图28可读出相应的数据，画出波形，数据如下表所示t0/23/22iB/uA4060402040IC/mA23212UCE/V64.567.56ic、ib、ube三者同相，uce与它们的相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的，这是共发射极放大电路的特征之一。

9、二、放大电路的非线性失真作为对放大电路的要求，应使输出电压尽可能的大，但它受到三极管非线性的限制，当信号过大或工作点选择不合适，输出电压波形将产生失真。这些失真是由于三极管的非线性(特性曲线的非线性)引起的失真，所以称为非线性失真。1. 由三极管特性曲线非线性引起的失真非线性失真。输入特性曲线弯曲引起的失真。输出曲线簇上疏下密引起的失真。输出曲线簇上密下疏引起的失真。输出曲线弯曲也引起失真。2. 工作点不合适引起的失真截止失真和饱和失真。截止失真当工作点设置过低(IB过小)，在输入信号的负半周，三极管的工作状态进入截止区。因而引起iB、iC、uCE的波形失真，称为截止失真。对于NPN型共e极放

10、大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。对于PNP型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。饱和失真当工作点设置过高(IB过大)，在输入信号的正半周，三极管的工作状态进入饱和区。因而引起iC、uCE的波形失真，称为饱和失真。对于NPN型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。对于PNP型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。3最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰峰Up-p)由于存在截止失真和饱和失真，放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰峰Up-p) 最大不失真输出电压：当直流工作状态

11、已定的前提下，逐渐增大输入信号，三极管尚未进入截止或饱和时，输出所能获得的最大不失真电压。如ui增大首先进入饱和区，则最大不失真输出电压受饱和区限制，则如ui增大首先进入截止区，则最大不失真输出电压受截止区限制，则最大不失真输出电压值，选取其中小的一个。三、微变等效电路微变等电路法的基本思想是：当输入信号变化的范围很小时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的。即在一个很小的范围内，输入特性输出特性均可近似地看作是一段直线。给三极管建立一个小信号的线性模型。这就是微变等效电路。利用微变等效电路，可以将含三极管的放大电路，转化为我们熟悉的线性电路，然后，就可利用电路分析的有关方法

12、求解。1. 三极管的h参数微变等效电路三极管处于共发射极状态时，输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示。输入特性： 输出特性： 式中代表各电量的总瞬时值，为直流分量和交流瞬时值之和，即：，用全微分形式表示，则有 令 则：前已指出，而代表其变化量，故，同理有当输入为正弦量并用有效值表示时，则有根据上两式可以画出共e极时的三极管的微变等效电路。2. h参数的意义和求法(hybrid)三极管输出交流短路时输入电阻。 三极管输入交流开路时电压反馈系数 三极管输出交流短路时的电流放大系数 三极管输入开路时的输出导纳由于的影响，一般这个影响很小，可忽略不计。、式可简化为令，并用有效值代替各变化量

13、，可得三极管的简化等效电路。   求 四、三种基本组态放大电路的分析放大电路的性能指标电压放大倍数Au电压放大倍数，是衡量放大电路的电压放大能力的指标。它定义为输出电压的幅值或有效值与输入电压幅值或有效值之比，有时也称为增益。有时亦定义源电压放大倍数Aus，它表示输出电压与信号源电压幅值或有效值之比。显然，当信号源内阻Rs=0时，Aus=Au，Aus就是考虑了信号源内阻Rs影响时的电压放大倍数。电流放大倍数Ai电流放大倍数定义为输出电流与输出电流幅值或有效值之比。功率放大倍数Ap功率放大倍数定义为输出功率与输入功率之比输入电阻ri放大电路由信号源提供输入

14、信号，当放大电路与信号源相连，就要从信号源索取电流。索电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度。所以定义输入电阻来衡量放大电路对信号源的影响。电压放大时，希望输入电阻要高，进行电流放大时，又希望输入电阻要低；有的时候又要求阻抗匹配，希望输入电阻为某一特殊的数值。输出电阻ro输出电阻是从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为输出电阻ro。输出电阻高低表明了放大器所能带动负载的能力。Ro越小，表明带负载能力越强。由微变等效电路求输出电阻的方法，一般是将输入信号源Us短路（电流源开路），注意应保留信号源内阻。然后在输出端外接电源U2，并计算出该电压源供给的电流I2，则输出电阻由下式算出。实验测ro

15、方法：    1. 共e极放大电路根据共发射极放大电路画出微变等效电路，画微变等效电路时，把C1、C2和直流电源Ucc视为短路。三极管用微变等效电路代替。电压放大倍数式中从输入回路得电流放大倍数输入电阻当时，输出电阻由于当Uo=0时，Ib=0，从而受控源Ib=0，因此可直接得出ro=Rc注意：因ro常用来考虑带负载RL的能力，所以求ro时不应含RL，应将其断开。源电压放大倍数 3. 共c极放大电路电路如下图所示，信号从基极输入，射极输出，故又称为射极输出器，等效电路如下图所示。注意共集电极的理解，不能当共发射极。电压放大倍数式中通常，所以Au&

16、lt;1且Au1。即共集电极放大电路的电压放大倍数小于1而接近于1，且输入电压的输出电压同相位，故又称为射极跟随器。电流放大倍数Ai输入电阻ri共c极放大电路输入电阻高，这是共c极电路的特点之一。输出电阻ro按输出电阻的计算办法，信号源Us短路，在输出端加入U2，求出电流I2，则有：其等效电路如图。可得式中ro是一个很小的值。输出电阻小，这是共c极电路的又一特点。4. 共b极放大电路 共b极电路是从发射极输入信号，从集电极输出信号。电路和等效电路如下：注意共基极的理解，是交流信号共基极。电压放大倍数Au定义： 式子与共发射极相同，但输出与输入同相。输入电阻ri 与共e极放大电路相比，其输入电阻

17、减小输出电阻ro当Us=0时，Ib=0，Ib=0，故 ro=Rc §4 静态工作点的稳定及其偏置电路一、温度对晶体管的影响ICBOICEO输出特性曲线上移。UBEIB输出特性曲线间距增大可见，IC二、电流反馈式偏置电路我们知道，工作点的变化集中在集电极电流Ic的变化。因此，工作点稳定的具体表现就是Ic的稳定。为了克服Ic的漂移，可将集电极电流或电压变化量的一部分反过来馈送到输入回路，影响基极电流Ib的大小，以补偿IC的变化，这就是反馈法稳定工作点。反馈法中常用的电路有电流反馈式偏置电路、电压反馈式偏置电路和混合反馈式偏置电路三种，其中最常用的是电流反馈式偏置电路，电路如上图

18、原理：ICUEUBEIBIC电路上要满足要保持基极电位UB恒定，使它与IB无关UCC=(IR+IB)RB2+IRRB1IR>>IB说明UB与晶体管无关，不随温度而改变。由于IE=UE/Re，所以要稳定工作点，应使UE恒定，不受UBE的影响，因此要求满足条件UB>>UBE具备上述条件，就可以认为工作点与三极管参数无关，达到稳定工作点的目的。同时，当选用不同值的三极管时，工作点也近似不变，有利于调试和生产。稳定工作点的过程可表示如下：IEIEReUBEIE实际公式中应满足如下关系IR(510)IB (硅管可以更小)UB(510)UBE对于硅管，UB=35V；锗管，UB=13

19、V。三、静态工作点的计算1近似算法2应用戴维宁定理可以更精确地计算基极回路等效为直流工作点的计算四、动态分析首先画出微变等效电路图，和原来的电路相比只是多了一个电阻，只对输入电阻有影响。其它不变。电压放大倍数输入电阻输出电阻五、举例例1：如图 UCC=24V，Rb1=20k，Rb2=60k，Re=1.8k，Rc=3.3k，=50， UBE=0.7V，求其静态工作点解： 例2：如图(a)、(b)为两个放大电路。已知三极管的参数均为=50，=200，UBEQ=0.7V，电路的其它参数如图所示。分别求出两个放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。如果三极管的值均增大一倍，分析两个电路的Q点各将发生什

20、么变化。三极管的值均增加一倍，两个放大电路的电压放大倍数如何变化。解：求Au，ri和ro图(a)是共发射极基本放大电路，图(b)是具有电流负反馈的工作点稳定电路。它们的微变等效电路分别如下图所示。为求出动态特性参数，首先得求出它们的静态工作点。放大电路(a)的静态工作点：放大电路(b)的静态工作点：放大电路(a)的动态特性参数：放大电路(b)的动态特性参数：变为100时，两个电路的工作点将发生什么变化。(a) IBQ不变(b)其它都没有变变为100时，两个放大电路的电压放大倍数如何变化(a) (b)  §5 多级放大电路一、多级放大电路的组成多级放大电路方框图如下所示。对输

21、入级的要求，与信号源的性质有关，例如，当输入信号源为高阻电压源时，则要求输入级也必须有高的输入电阻(例如用共集电极放大电路)，以减少信号在内阻上的损失。如果输入信号为电流源，为了充分利用信号电流，则要求输入级有较低的输入电阻(例如用共基极放大电路)。中间级的主要任务是电压放大，多级放大电路的放大倍数，主要取决于中间级，它本身就可能由几级放大电路组成。输出级主要是推动负载。当负载仅需较大的电压时，则要求输出具有大的电压动态范围。更多场合下，输出级推动扬声器、电机等执行部件，需要输出足够大的功率，常称为功率放大电路。二、多级放大电路的耦合方式1阻容耦合通过电阻、电容将前级输出接至下级输入。从图上看

22、实际上只接入了一个电容，但考虑到输入电阻，则每个电容都与电阻相连，故称这种连接为阻容耦合。阻容耦合的优点：由于前后级是通过电容相连的，所以各级的静态工作点是相互独立的，不互相影响，这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。而且只要电容选的足够大，就可以使得前级输出的信号在一定的频率范围内，几乎不衰减地传到下一级。所以阻容耦合方式在分立元件组成的放大电路中得到广泛的应用。阻容耦合的缺点：不适用传送缓慢变化的信号。更不能传送直流信号；另外，大容量的电容在集成电路中难以制造，所以，阻容耦合在线性集成电路中无法采用。2直接耦合为了避免电容对缓慢信号带来的不良影响，去掉耦合电容，将前级输出直接连到

23、下一级，我们称之为直接耦合。但这又出现了新问题。第二级发射结正向电压仅有0.7V左右，所以限制了第一级管子的集电极电压，使其处于饱和状态附近，限制了输出电压。如果选择过大，将会使V2管的基极电流增大，可使V2管进入饱和，甚至烧毁V2管的发射结。解决办法：在V2管的发射极接入电阻Re2，提高了V2管的基极电位UB2，从而保证第一级集电极可以有较高的静态电位，而不致于进入饱和区。但是，Re2的接入，将使第二级的电压放大倍数大降低。(加旁路电容因频率低作用不大，如果频率较高就采用阻容耦合方式)用稳压管VDz代替电阻Re2，由于稳压管的动态电阻很小，这样可使第二级的放大倍数损失较小，解决了前一电路物缺

24、陷。但V2集电极电压变化范围变小，限制了输出电压的幅度。如果是多于二级的放大电路，还会带来电平上移问题。(如果Uz=5.3V，则UB2=5.3+0.7=6V，为保证V2管工作在放大区，且也要求具有较大的动态范围，即要求UCE2较大，设UCE2=5伏，则UC2=UE2=Uz=5+5.3V=10.3V。若有第三级，则UC3=UCE3+UE3=UCE3+UB3-0.7=UCE3+UC2-0.7=5+10.3-0.7=14.6V如此下去，使得基极、集电极电位逐级上升，最终由于UCC的限制而无法实现。)前一级的集电极经过稳压管接至下一级基极，这样既降低了UB2，又和致使放大倍数下降太多。但稳压管噪声大。第二级采用PNP管，由于PNP管的集电极电位比基极电位低，可使各级获得合适的工作点。在集成电路中经常采用这种电路形式。但输入电压为0时，输出电压