第二章放大电路的基本原理

1、第二章 放大电路的基本原理主要内容1、放大的概念2、单管共发射极放大电路的组成及工作原理3、放大电路的主要技术指标及基本分析方法4、工作点的稳定问题5、放大电路的三种基本组态6、场效应管放大电路7、多级放大电路例如，从收音机天线接收到的信号，或者从传例如，从收音机天线接收到的信号，或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏数量感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏数量级，必须经过放大才能驱动嗽叭发出声音，级，必须经过放大才能驱动嗽叭发出声音，或者驱动动指示设备和执行机构，便于进行或者驱动动指示设备和执行机构，便于进行观察、记录和控制。观察、记录和控制。 放大电路的作用：放大电路的作用：放大是指在输

2、入信号的作用下，利用有源器件(核心器件是三极管)的控制，将直流电源提供的部分能量转换为与输入信号成比例的输出信号。它的功能是将微弱的电信号进行放大，以满足人们的实际需要。放大的本质是实现能量的控制。放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。2.1 2.1 放大的概念放大的概念2.2单管共发射极放大电路单管共发射极放大电路2.2.1单管共发射极放大电路的组成单管共发射极放大电路的组成单管共发射极放大电路的原理图如下单管共发射极放大电路的原理图如下: : 电路中各元件的功能VT：起放大作用,是该电路的核心元件.VCC：集电极直流电源，为输出信号提供能量。Rc：集电极负载电阻，将电流的

3、变化转换为集电极电压的变化，然后传送到放大电路的输出端。VBB：基极直流电源；Rb：基极电阻VBB和Rb的作用： （1）为三极管的发射结提供正向偏置电压（2）共同决定了当不加输入电压时三极管基极回路的电流，这个电流称为静态基流。2.2.2 单管共射极放大电路的工作原理单管共射极放大电路的工作原理一、工作原理： 假设在放大电路的输入加上一个微小的输入电压变化量 ，则三极管基极与发射极之间的电压也将随之发生变化 ，因三极管的发射结处于正向偏置状态，故当发射结电压发生变化时，将引起基极电流产生相应的变化 ，由于三极管工作在放大区，具有电流放大作用，于是引起集电极电流发生的变化 。这个集电极电流的变化

4、量流过集电极负载电阻Rc,使集电极电压也发生相应的变化 。iuBEuBiCiCEu即:ocCCECBBEiuRiuiiuu二、组成放大电路时必须遵循几个原则原则：、外加直流电源必须使三极管工作在放大区，即：发射结正偏，集电结反偏。、交流输入信号必须输到三极管的基极产生、输出回路中集电极电流的变化量能够转化为集电极电压的变化量，并输出。BiBCiiCEu三、原理电路存在两个缺点：、有两个直流电源，既不方便也不经济；、放大电路的输入电压与输出电压不共地，下面对原来的电路加以改进。电路如下：(b)简化画法(a)完整画法2.3放大电路的主要技术指标放大电路技术指标测试示意图一、放大倍数1、电压放大倍数

5、： 2、电流放大倍数：工程上常用分贝来表示放大倍数称为增益电压增益：电流增益：二、最大输出幅度 Uom 输出波形没有明显失真时提供给负载的最大输出电压。三、非线性失真系数D所有的谐波总量与基波成分之比，即iouUUAioiIIA12322UUUD|lg20)(AAuudB|lg20)(AAiidB四、输入电阻Ri 输入电阻大小等于外加正弦输入电压与相应的输入电流之比,即 通常希望放大电路的输入电阻愈大愈好。五、输出电阻RO 当输入端信号短路，输出端负载开路时，外加一个正弦输出电压 ，得到相应的输出电流 ，二者之比即是输出电阻，iiiIUROUOI.0sULRoooIURLoooRUUR1AuB

6、WAum0即和六、通频带BW七、最大输出功率与效率VomPP2.4放大电路的基本分析方法基本分析方法1、静态分析：估算法、图解法2、动态分析：微变等效电路法、图解法2.4.1直流通路与交流通路 直流通路：只考虑直流信号的分电路。 交流通路：只考虑交流信号的分电路。画图规则画图规则:1、在直流通路中，电容相当于开路，电感相当于短路.2、在交流通路中，电容和直流电源相当于短路，电感相当于开路. 下面以单管共射放大电路为例,它的直流通路和交流通路分别如图所示。 2.4.2静态工作点的近似估算上例：CCQCCCEQRIVUbBEQCCBQRUVIBEQUBEQU=（0.10.3）V 锗管 硅管 =（0

7、.60.8）VCEOBQCQIII一、分析静态任务：用作图的方法确定Q点参数。1. 估算 、 2. 用图解法确定 、方法是：在输出特性曲线上作一直线，即直流负载线，其方程式为：CEQUBQIBEQU 2.4.3图解法CQI该直线与估算的 有一个交点，即为Q点BQI图形如下：二、分析动态作法：1、通过Q点作斜率为：K= 的直线，即为交流负载线。如下所示： )/ (1LCLLRRRR其中3、在输入特性上找到与 相应的BiBEu4、求电压放大倍数：BECEiouuuuAu2、在Q点附近找出 、 、 BiCiCEutQ000.7t6040200uBE/ViB / AuBE/ViBUBE（1）输入回路例

8、：假设在输入端加上一个小的正弦信号，则其输入回路和输出回路的曲线如下所示：由上面图形可以直接读出由上面图形可以直接读出 、BEuCEu912t0IiC / mA0IB = 4 0 A2060804Q260uCE/ViC / mA0tuCE/VUCEQ（2）输出回路BECEiouuuuAu则u uo o = = u uceceO Oi iC Ct tO OO OQ Q t tu uCECE/V/Vu uCECE/V/Vi iC C / mA/ mAI ICQCQU UCEQCEQu uo o顶部失真顶部失真静态工作点过低静态工作点过低 截止失真截止失真三、图解法的应用1、分析非线性失真，如下所示

9、：2、估算最大输出幅度O Oi iB B = 0 = 0Q Qu uCECE/V/Vi iC C / mA/ mAA AC CB BD DE E交流负载线交流负载线22omDECDU Q Q 尽量设尽量设AB AB 的中点。则的中点。则 AQAQ = = QBQB，CDCD = = DEDEomU3、分析电路参数对Q点的影响 （a a） 改变改变 R Rc c，保持，保持 R Rb b， V VCC CC ， 不变；不变；O OI IB Bi iC Cu uCECE Q Q1 1Q Q2 221CCRRRc增大，易产生饱和失真 (b) (b) 改变改变 ，保持保持 R Rb b，R Rc c

10、，V VCCCC 不变；不变；O OI IB Bi iC Cu uCECE Q Q2 2Q Q1 121增大，易产生饱和失真 12bbRR（c c） 改变改变 R Rb b，保持，保持V VCC CC ，R Rc c ， 不变；不变；O OI IB Bi iC Cu uCECE Q Q1 1Rb增大，易产生截止失真Q Q2 2 12CCCCVVO OI IB Bi iC Cu uCECE Q Q1 1（d d） 改变改变 V VCCCC，保持，保持 R Rb b，R Rc c ， 不变；不变；Q Q2 2Vcc增大，直流负载线平行右移，其动态工作范围增大，但三极管的静态功耗也增大 2.4.4微

11、变等效电路法iBuBE从输入回路看,信号在Q点附近小范围内近似线性。 iBbbeBBEbeiuiur对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。1、三极管的等效电路图2.4.10(a)对于小功率三极管：)mA()mV(26)1 ()(300EbeIr从输出回路看：)(bBcCCiIiIibcii即 输出端相当于一个受输出端相当于一个受i ib b 控制的电流源。控制的电流源。3、三极管的简化h参数等效电路三极管的简化 h 参数等效电路cbe + uBE + uCE iC iBebcrbe iB+ uBE + uCE iC iB 4、下面以单管共射电路为例来求：Au、Ri、RO单管共射放大电

12、路的等效电路单管共射放大电路的等效电路(a)电路图(b)等效电路beLio rRUUAu 所所以以bLco IRIU bebirIU)/(LcLRRR /ibebRrRocRR4.微变等效电路法的应用例：C1RcR Rb b+V+VCCCCC2R RL L+VT+ + iUOUR Re erbe bcRcRLRboUbIcIbI +ReeIe+iU接有发射极电阻的放大电路根据微变等效电路列方程ibb eeeUI rI Rbe)1( II 其其中中LbLCO RIRIU(a)(a)(b)(b) bebeiii/)1(RRrIUR ebeLiO)1(RrRUUAu eLRRAu 若满足若满足(1

13、+ (1 + ) ) R Re e r rbe be 则则coRR 输入电阻：输出电阻： 2.5 2.5 静态工作点的稳定静态工作点的稳定 2.5.1 2.5.1温度对静态工作点的影响温度对静态工作点的影响一、温度对UBE的影响 其效应是温度升高使输出特性向左移 bBEQCCBQRUVICBBEIIUT5050C Ci iB Bu uBEBE2525C CU UBEBE 的温度系数约为的温度系数约为 2 mV/2 mV/ C C，即温度每升高，即温度每升高 1 1 C C，U UBEBE 约下降约下降 2 mV 2 mV 。可表示为：。可表示为：CmvTUBE/)5 . 28 . 1 (三、温

14、度对的影响温度每升高 1C， 值约增加 0.5% - 1 %， 温度系数分散性较大。温度每升高 10C ，ICBO 大致将增加一倍，说明 ICBO 将随温度按指数规律上升.二、温度对二、温度对I ICBOCBO的影响的影响CCBOIITCITICBO是基区和集电区的少子形成的：ICBO（T）=ICBO（T0）2CTT100 2.5.2静态工作点稳定电路静态工作点稳定电路 一、电路组成：C1RcRb2+VCCC2RL+ +CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB分压式工作点稳定电路分压式工作点稳定电路T ICQ IEQ UEQ UBEQ (= UBQ UEQ) IBQ ICQ Re：射极直

15、流负反馈电阻Ce：交流旁路电容，在交流通路中， Ce将Re短路，Re对交流不起作用。如果去掉Ce ，放大倍数减小。二、静态与动态分析1、静态分析I1I2IBRb1+VCCRCTRb2Re直流通路直流通路eBeBEBECRVRUVIICBIICCb2b1b1BQVRRRU )(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU 2、动态分析微变等效电路如下：beLurRArbeRCRLoUiUiIbIcIbIRb微变等效电路微变等效电路bebebirrRR|CoRR ebBEQCCBQ)1(RRUVI 2.6.1 射极输出器(共集电极电路)R Rb b+ +V VCCCCR Re e直流通道

16、2.6 2.6 放大电路的三种基本组态放大电路的三种基本组态C C1 1R Rb b+V+VCCCCC C2 2R RL L+ +R Re e+ + +R RS S+ + sUoU1、静态工作点BQCQIIeCQCCeEQCCCEQRIVRIVU 2、动态参数 )1 (1beioiIIIIA oeebe2(1)UI RI Rib bee eb beb e(1)U IrIR IrIR ebeeio)1 ()1 (RrRUUAuLee/RRR ebe.e.iii)1 ()3(RrIRIrIIURiebeb1)1()()4(sbebboooRrIIrRIURbeSrbeiUbIReRLRboUcIb

17、IiI微变等效电路微变等效电路R Rb b+V+VCCCCC C1 1C C2 2R Re eR RL Lu ui iu uo o例：已知射极输出器的参数如下：Rb=570k，Re=5.6k，RL=5.6k，=100，VCC=12V1、求Au 、 Ri和Ro 。2、设：RS=1 k， 求：Aus 、 Ri和Ro3、RL=1k时，求Au ebBEQCCBQRRUVI)1 (mA01. 1)1 (BQEQII解: 1、k8 . 201. 126101200(mA)26(mV)(1)(200EQbeIrrbeiUbIReRLRboUcIbIiI微变等效电路微变等效电路LbeLuR)(rRA11）（)

18、1 (/LbebiRrRR190k1/SbeeoRrRR99. 08 . 21018 . 28 . 2101 28LbeLuR)(rRA11）（2、uSiiusARrrA98509901190190.)1 (/LbebiRrRR 190k1/SbeeoRrRR 383、 967. 0) 1/6 . 5(1018 . 2) 1/6 . 5(101 2.6.2 2.6.2共基极放大电路共基极放大电路共基极放大电路的常见形式(b)(b)C C1 1C C2 2OUV VCCCCR Rb2b2R Rb1b1+ + + + + +_ _ _R Re eC Cb bR RL LiUR Rc c(a)(1)

19、静态分析（直流通路与静态工作点稳定电路完全相同）(2)动态分析 共基极组态放大电路的交流通路如图2.4.6(a)和微变等效电路(b)图所示:(a)交流通路ecioIIIIAibeLbebLbiorRrIRIUUAu 电流放大倍数：电流放大倍数：电压放大倍数：电压放大倍数：1)1 (bebbebiiirIrIIURRo = Rc / rcb Rc输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻(b) 大(数值同共射电路，但同相)小(小于、近于 1 )大(十几 一几百) 小 大(几十 一百以上) 大(几十 一百以上)电路组态性能共 射 组 态共 集 组 态共 基 组 态C1C2OUVCCRb2Rb1+_ReCbR

20、LiUC1Rb+VCCC2RL+Re+iUOUC1Rb+VCCC2RL+iUOURciAuA )1( beLrR ebee)1()1(RrR beLrR 2.6.32.6.3三种基本级态的比较三种基本级态的比较 频率响应(几百千欧 几兆欧)(几欧 几十欧)(几十千欧几百千欧)rce(几欧 几十欧)(几十千欧以上)(几百欧几千欧) rbe组态性能共 射 组 态共 集 组 态共 基 组 态iRoR 1sbeRrce)1(r 1berebe)1(Rr 差较好好2.6.32.6.3三种基本级态的比较三种基本级态的比较2.72.7场效应管放大电路场效应管放大电路1、是电压控制元件； 2、栅极几乎不取电流

21、，输入电阻非常高；3、是单极型器件，噪声小，受外界温度及辐射影响小，存在零温度系数工作点；4、制造工艺简单，有利于大规模集成； 5、存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止烙铁漏电击穿管子；6、跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。2.7.1场效应管的特点2.7.22.7.2共源极放大电路共源极放大电路共源极放大电路原理电路VDD+uO iDVT+ u uI IVGGRGSDGRD与三极管对应关系：b G , e S , c D 为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：TGSDSTGS UuuUu 下图为 N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。(UT：开启电压)

22、一、静态分析一、静态分析两种方法： 近似估算法;图解法当 uI = 0 时：UGSQ = VGG又2TGSDOD)1( UuIi(当 uGS UT) (IDO 为 uGS = 2UT 时的iD值。)2TGSQDODQ)1( UUIIDDQDDDSQRIVU 则1、近似估算法2 2、 图解法图解法VDDDDDRVIDQUDSQQ利用式 uDS = VDD - iDRD 画出直流负载线。由图可得静态时的 IDQ、UDSQ 。dSDSgsmd1UrUgI 场效应管的微变等效电路+gsUgsmUgdsUdIDSrGDSDDOTTGSTDOGSDm2)1(2ddiIUUuUIuig DQDOTm2IIU

23、g 在Q点附近有：图中：二、动态分析二、动态分析1、微变等效电路mgDSGSDDS1Uiru 场效应管的跨导(毫西门子 mS) )。 场效应管漏源之间等效电阻。2、共源极放大电路的动态性能微变等效电路如图所示将 rDS 开路，则igsUU共源极放大电路的微变等效电路而odDmgsDUI Rg U R 所以DmioRgUUAu R Ro o = = R RD D对于MOS 管输入电阻高达 109 以上。- -D D+ + +- -gsUgsmUgoUdIDRG GS SR RG G+ +- -iU2.7.32.7.3分压分压自偏压式共源放大电路自偏压式共源放大电路+ VT+RGSDGRDR2VD

24、D+RLRSR1C1CSC2+iUoU电路组成该图优点：1、只用了一路直流电源2、输入电压与输出电压共地一、静态分析一、静态分析1 1、近似估算法、近似估算法 2TGSQDODQSDQDD211GSQ)1(UUIIRIVRRRUUDSQ = VDD IDQ(RD + RS)输入回路：输出回路：2、图解法、图解法SDDD211SDGQGSRiVRRRRiUu 作法：（1）在转移特性曲线中，作一直线：该直线与曲线的交点即为点。（）在漏极特性曲线中，作一直线：uDS = VDD iD(RD + RS)GSGSQuU该直线与的交点即为点SDDDRRV UDSQ3 uDS/ViD/mA012152 V1

25、05uGS4.5V4V3.5V UGSQ3 VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQSGQRUUGQ用图解法分析电路的 Q 点二、动态分析二、动态分析微变等效电路：D+gsUgSmUgoUDRGSdIiULR+GR1R2R由图可知：由图可知：odDmgsDUI Rg U R DDL/RRR omDiuUAg RU iG12oD(/) RRRRRR2.7.42.7.4共漏极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路又称源极输出器、源极跟随器图 2.7.10源极输出器电路如图所示：+VT+SDGR2VDD+RLRSR1C1C2+iUOURG静态分析与“分压-自偏压式共源电路”类似

26、。动态分析动态分析:微变等效电路微变等效电路D+ gSUgsmUgoUSRGSiULR+GR1R2RomgssssL/Ug U RRRR 由图可得：gssmogsiURgUUU)1 ( omSimS1uUg RAUg RoomgsSUIg URRi = RG + ( R1 / R2 )oomomoSS1()UIg UgURR则ooSommS11/1URRIggR所以gsoUU 因为2.82.8多级放大电路多级放大电路2.8.12.8.1多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式三种耦合方式： 1、阻容耦合2、直接耦合3、变压器耦合一、阻容耦合阻容耦合放大电路C C1 1R RC1C1R Rb

27、1b1+V+VCCCCC C2 2R RL L+ +VTVT1 1+ + iUoU+ +R Rc2c2R Rb2b2C C3 3VTVT2 2+ +第一级第二级优点：优点：(1) 静态工作点相互独立；(2) 选择足够大电容，可以做到前一级输出信号几乎不衰减地加到后一级输入端，使信号得到充分利用。缺点：缺点： (1) 不适合传送缓慢变化的信号；(2) 无法实现线性集成电路。二、直接耦合R Rc1c1R Rb1b1+V+VCCCC+VTVT1 1+ + iUOUR Rc2c2R Rb2b2VTVT2 2两个单管放大电路简单的直接耦合前级后级优点：(1) 交、直流信号均可放大；(2) 便于集成化。(1)各级静态工作点互相影响，基极和集电极电位会随着级数增加而上升；(2)零点漂移。缺点：1、 解决合适静态工作点的几种办法改进电路:该电路中接入 Re2，保证第一级集电