高教-模拟电子技术课程(第二章)

第二章

放大电路分析模拟电子技术2.1放大电路的主要技术指标2.2放大电路工作原理2.3放大电路的分析方法1.电压放大倍数Au放大器输出端的开路电压Uo与放大器净输入端电压Ui的比值2.1放大电路的主要技术指标3.电流放大倍数Ai放大器输出短路电流Io与放大器的输入电流Ii的比值uiuoAusiiioAuAi+_UsRs2.源电压放大倍数

Aus放大器输入端输出端US=Ui

＋RsIi信号源放大器输出开路端电压Uo与放大器的信号源电压Us的比值4.输入电阻ri放大电路由信号源US为其提供信号，输入电阻是衡量放大电路从信号源（或前级放大电路）获取信号电流大小的参数。它表明了放大电路对信号源的影响。ri

越大越好（理想ri

＝∞）若信号源电压US一定，输入电阻ri

越大，输入电流Ii就越小，净输入电压Ui

就越接近US=Ui

＋RsIi，信号源的电流Is负担就越小iiiIUr=~USRsriAuriiIiU输出端开路Is将输入端短接，从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为放大器的输出电阻。

5a.输出电阻ro~roAuUiroAuUi＝0UoIoAu~USroRsUiUi＝0不考虑信号源内阻Rs将信号源Us短接，从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为有信号源接入的放大器输出电阻ros。5b.输出电阻rosAu~USrosUiUs＝0信号源Us短接oIoUosr=考虑信号源内阻Rs~roAuUirosAuUiUoIoRs输出电阻的意义~roUs'RLUo'当U’s一定，负载RL变化时，输出电压U’o会发生变化。当RL值变小（负载增大）时，输出电压U’o会降低。我们将这种变化程度表示为放大器的带负载能力。所谓带负载能力强，是指当负载变化时，其放大器输出电压U’o基本保持不变。（理想情况ro=0)

输出电阻ro的大小表明了放大电路带负载能力的弱强，输出电阻越小，放大电路带负载能力越强。放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为一个信号源电路，这个等效电路的内阻就是输出电阻ro

。

即总希望ro

越小越好（理想情况ro=0)6.

通频带

fbw放大器频率特性ffHfLAum0.707AumffHfLφ-180o-90o-135o-225o-270o频带宽度：

fbw＝fH

－fL幅频特性曲线相频特性曲线下限截止频率：fL上限截止频率：fH当Aum随频率f

的变化降为时对应截止频率（在波特图中对应20lg|Aum|坐标的下降3dB(分贝)）当Φ随频率f

的变化偏移45o角时对应截止频率当Φ由0随频率f

的增加而减小45o角时对应下限截止频率fL当Φ随频率f

的继续增加而减小45o角时对应上限截止频率fH2.2放大电路工作原理

基本概念直流和交流通路静态和动态工作点直流和交流负载线饱和和截止失真放大倍数输入电阻输出电阻

分析计算方面

直流静态工作点的计算（图解法和解析法）放大电路指标计算（图解法和微变等效电路法）非线性失真的类型判断和消除办法（图解法)

2.1.1放大电路的组成电子学中提到的信号放大是指将幅值微弱变化的信号放大到可以测量和利用的程度，其实质是能量的转换。即由一个能量很小的输入信号通过晶体管电流放大作用来控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。晶体管具有电流放大的特性，因此可用来组成放大电路。晶体管放大电路有三种形式共射放大电路共基放大电路共集放大电路以共射放大器为例讲解工作原理为保证三极管工作在放大区，就必须要集电结反偏，发射结正偏。共射极直流偏置－提供合适的静态工作点Q：IB、IC和UCE

共射极基本放大电路ui输入uo输出RbUCCUBBRLC1C2TRcusRs1.放大条件becRb+UCCUBBRcC1C2T基极电源UBB与基极电阻Rb作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。集电极电源UCC作用：为电路提供能量，并保证集电结反偏。集电极电阻Rc

作用：将变化的电流转变为变化的电压。2.各元件作用三极管作用：电流放大IBICRb+UCCUBBRcC1C2T耦合电容：通常是电解电容，有极性大小为10F~50F作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使变化信号顺利地输入输出++Rb+UCCUBBRcC1C2T++单电源供电电路双电源供电电路共射极基本放大电路的改进不妨调UBB=Ucc，Rb

＝Rb’

保持

Ib不变等效连接两点IbIc+UCCRcC1C2TRb’IcIb2.2.2放大原理放大电路中各点的电压或电流可看作是直流分量和交流分量累加的结果ui=0ui=Vsint静态动态2.3放大电路的分析方法2.3.1放大电路的静态分析2.3.2放大电路的动态分析2.3.3静态工作点的稳定电路2.3.4共集电极和共基极放大电路2.3.5三种基本放大电路的特点和用途2.3.6多级放大电路2.3.7放大电路的频率特性简介放大电路分析方法静态分析动态分析解析法（估算法）图解法微变等效电路法图解法放大电路分析方法混合信号的不同分量可以分别在不同的通道分析直流分析分析放大电路的直流工作状态，即基极直流电流、集电极直流电流和集射极直流电压。又称静态分析交流分析

分析放大电路的动态性能指标，即电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。又称动态分析2.3.1放大电路的静态分析直流通路

只考虑直流信号的分电路

由于电容对交、直流的作用不同（“隔直传交”）。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流相当于短路；而对直流可视为开路。这样，交、直流信号各自的通路是不同的。交流通路

只考虑交流信号的分电路电容视为开路电感视为短路电容视为短路电感视为开路电压源视为短路1.直流通路例：求该电路的直流通路直流通路Rb+UCCRc开路开路Rb+UCCRcC1C2TRLRSUS短路短路Rb+UCCRcC1C2TRbRcRLuiuo交流通道RL例：求该电路的交流通路Rb、Rc翻叠接地ui对地短接2.解析法估算静态工作点电路处于静态时，三极管各极的电压、电流在特性曲线上可对应找到一点，称为静态工作点，又称为Q点。用IBQ、ICQ

和UCEQ表示ui=0时ICQRb+UCCRcC1C2TIBQUCEQICUCEQUCEQICQIBQUCCICMICQUCEQ直流通道Rb+UCCRcIBQ

采用该方法，必须已知三极管的值求静态工作点：UCEQICQRb+UCCRcIBQ例一：解：已知:UCC=12V，Rc=4k，=50，Rb=300k，求该电路静态工作点静态工作点静态工作点在输入和输出特性曲线上的图示IBUBEQIBQUBEQ1ICUCEQUCEQICQ23IBQUCCICM输入特性曲线输出特性曲线直流负载线3.图解法估算静态工作点IB（uA)UBEQIC（mA)UCEuCE怎么变化？假设uBE有一微小的变化ibtictuitic与ib、ui同相ibt12345UCCUCC

/RCucetuce与ui反相!

直流通道中,电流iC

、电压uCE与电阻Rc

的关系曲线称为直流负载线。它反映了静态工作点Q移动的规律。直流通道Rb+UCCRciBiCuCE

满足以下方程式uCE

=UCC－iC

Rc

直线的斜率由Rc决定4.电路参数对静态工作点的影响uce相位如何？

uce与ui反相！uCE的变化沿一条直线进行，称为直流负载线。其斜率为－1/RcuCE

=UCC－iC

RcRb

、Rc和

UCC的变化对Q点（及负载线）的影响？iCuCEQUCCUCC/RcIBQUCEQICQibt1ict2ucet32.3.1图解法在动态分析中的应用2.3.2微变等效电路法在动态分析中的应用2.3放大电路的动态分析1.交流通路交流通道RbRcRLuouiicuce

交流负载线

交流通道中uce

与ic

的关系曲线称为交流负载线，它是交流信号输入时工作点的运动轨迹

相交于原静态工作点Q

满足以下方程式uce=-ic(Rc

//RL)=-icR’LR‘L=

Rc∥RL

称为交流负载电阻R’L交流通道RbRcRLuouiicuce2.图解法（求交流负载线）

在输出特性上做直流负载线，得到Q点

过Q点做一条斜率为-1/RL

的直线，就得到交流负载线R’L(任取△V，求△I=△V/RL，连△I作辅助线，平移交Q点）交流通道RbRcRLuouiicuceQiCuCEU’CC=UCEQ+ICEQR’L交流负载线，斜率－1/R’LuCE=U’CC–iCR’LUCEQICQ图解法（求交流负载线）U’CCUCCUCC/RC

R’L＝RC//RLibIBQR’L带负载RL后,放大倍数降低（uo输出范围变小）tuo取：uCE

/

iC=R’L作一过Q点的斜线在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真，即截止失真和饱和失真。放大电路的非线性失真iCuCEuo可输出的最大不失真信号ibQ不失真波形UCCUCC/RC空载RL＝调节Rb

使得UCEQ≈1/2UCCuCE

=UCC－iC

Rc=Ucc

－

ib

RciB（uA)UBEQiC

（mA)UCEuBE正弦，由于三极管输入特性的非线性引起的Ib

,ic和uCE失真ibtictuitic与ib、ui同相ibt12345UCCUCC

/RCucet三极管输入特性的非线性引起的失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真称为截止失真。对于NPN管共射极放大电路，输出电压uo（电流ic

）表现为顶（底）部失真1。截止失真波形iCuCE

输出波形uoQIB＝0t截止失真时静态工作点Q：IB≈0,IC≈0,UCE≈UCCuo输入波形ibt1ict23静态工作点不合适产生的非线性失真UCC/RCUCCiCuCE由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真称为饱和失真。对于NPN管共射极放大电路，输出电压uo（电流ic）表现为底（顶）部失真2。饱和失真波形Q饱和失真时静态工作点Q：IB≈UCC/RB,IC≈UCC/RC,UCE≈0.3vic2uo输出波形3ib输入波形1UCC/RBUCCiCuCEQ交流负载线ibUCEQ:静态工作值Uces:饱和电压值U’CC截止电压值最大不失真电压的确定输入过大将发生线性失真！IB=03.解析法建立小信号模型

针对放大电路的输入信号电压很小，可以把晶体管的特性曲线在小范围内近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。小信号模型的引出三极管的输入输出特性曲线如下：△uBE△uCE△iBceb△iCrbe=iBuBEQIBQUBEQ输入特性曲线△iB△uBEQ点附近线性化△uBE△iBiB=f(uBE)

uCE=const输入特性：iC=f(uCE)

iB=const输出特性：iC△iCuCEQUCEQICQIBQUCCiCM输出特性曲线直流负载线△iB△iC＝

△iB△uCE1）简化的三极管微变等效电路

ibicuceibubeuT

ucerberceuBEuCEiBcebiC

IbIcUceIbUbeuT

UcerberceUT很小，一般为10-310-4，可短接rce很大，约为100k，可开路Ube=rbeIbIc=Ib于是得到三极管简化等效电路及模型三极管微变等效电路的简化Ube=rbeIbIc=IbuBEuCEiBcebiC三极管模型其微变电路等效简化模型三极管微变等效简化电路模型一般用公式估算rbe

rbe=rbb’+(1+

)re其中对于低频小功率管基区体电阻rbb’≈200～300

一般取rbb’为300

而

(T=常温)

则

)mA()mV(26)1(300EQbeIrb++W»2)rbe

的近似公式Rb+UCCRcC1C2TRLibibicrbeRbRcRLuiuobceRbRcRLuiuobce3）放大器的微变电路等效变换1、做出交流通路2、将三极管用微变等效电路代替4）共射极放大电路动态参数的计算（1a）电压放大倍数的计算rbeRbRc（空载RL＝时）负号表示：共射极放大器的输出电压Uo与输入电压Ui相位相反ebc(1b)电压放大倍数的计算(带负载RL

时)特点：负载电阻值RL越小（负载越大），Au放大倍数越小RLrbeRbRc(2)电流放大倍数Ii=IRb+IbIb（Rb>>rbe

),Io=Ic

,为三极管的电流放大倍数共射极放大电路的指标计算（3）输入电阻的计算rbeRbRcRLri(Rb>>rbe

)共射极放大电路的指标计算（4）输出电阻的计算（负载电阻RL断开）因r0是放大器的输出电阻（与负载电阻RL无关），其大小反映了放大器带负载的能力，因此求r0时不考虑负载RL，应将其断开rbeRbRcro开路用加压求流法求输出电阻：（输入端无信号源接入）（电流源IC为0等效两端断开）（4’）输出电阻的计算（考虑信号源内阻Rs）信号源Us置0RS和Rb并联，用R’S代替rbeRbRs输入端有信号源接入：共射极放大电路的指标计算（输入端有信号源接入）RsrbeRbRc开路ro＝RcroRc为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，半导体器件受温度影响比较大。UBEICEOTQIC2.3.3静态工作点稳定电路1、温度对静态工作点的影响主要体现在以下3方面：IBICBO输入特性左移2、静态工作点稳定电路分压偏置电路工作原理特点：基极电位UB固定I=IR+IB原因IRIBI

IRUB由基极电阻Rb1

Rb2分压UCC而决定uoRb1+UCCRcC1C2Rb2CeReRLui射极直流负反馈电阻交流旁路电容基极偏置电阻IIRIBUBICIERe作用：形成负反馈过程TUBEICUEIBIC偏置电路静态工作点算法算法一（估算法）：uoRb1+UCCRcC1C2Rb2CeReRLuiIIRIBUBICIEUBE分压偏置电路uoRb1+UCCRcC1C2Rb2CeReRLui射极直流负反馈电阻交流旁路电容uoRb1RcRLuiRb2交流通路Ce的作用：交流通路中，Ce将Re短路，Re对交流不起作用，放大倍数不受影响。偏置电路动态分析uoRb1RcRLuiRb2交流通路偏置电路动态分析rbeRcRLR'B微变等效电路IeuoRb1+UCCRcC1C2Rb2CeRe2RLuiIIRIBUBICIEUBEusRsrorirbeRcRLR'B微变等效电路IeRe12.3.4共集电极和共基极放大电路1）共集电极放大电路静态分析Rb+UCCC1C2ReRLuiuo1.共集电极（C）放大电路2）共集电极放大电路动态分析Rb+UCCC1C2ReRLuiuoRbReRLuiuocebrbeReRbRLcbe共集电极放大电路指标参数计算（1）电压放大倍数的计算rbeRERbRLR’L因为共集极电路电压放大倍数略小于1，且输入输出电压同相，故称射极跟随器（电压跟随器）通常:故（略小）（2）电流放大倍数的计算rbeRERbRL共集电极放大器的电流放大倍数为三极管电流放大倍数的负值共集电极放大电路指标参数计算（3）输入电阻的计算rbeRERb射极跟随器的输入电阻较大，当作为前一级负载时，对前一级放大倍数的影响较小共集电极放大电路指标参数计算（3’）输入电阻的计算(若考虑负载电阻RL）rbeRLRb射极跟随器的输入电阻较大，当作为前一级负载时，对前一级放大倍数的影响较小riRE共集电极放大电路指标参数计算（4）输出电阻的计算rorbeReRb输入端短接rbeReRb共集电极放大电路指标参数计算输入端无信号源接入：为计算方便，将原Ib的方向反向rbeRero射极跟随器的输出电阻ro很小，带负载能力强一般：Ib共集电极放大电路指标参数计算（4’）输出电阻的计算（考虑信号源内阻Rs）rorbeReRbRsRS和Rb并联，用R’S代替rbeReRbRs共集电极放大电路指标参数计算输入端有信号源接入：信号源Us置0为计算方便，将原Ib的方向反向rbeReR’sro射极跟随器的输出电阻ro很小，带负载能力强一般：Ib共集电极放大电路指标参数计算共集电极放大电路的应用特点1.放在多级放大电路的输入级，可以提高输入电阻。2.放在多级放大电路的输出级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。3.放在多级放大电路的中间级，可以隔离前后级之间的影响（Au1，输入输出同相）。共集极放大电路是一个具有高输入阻抗、低输出电阻、电压增益近似为1的同相放大电路2.共基极(b)放大电路1）共基极放大电路静态分析2）共基极放大电路动态分析共基极放大电路的指标参数计算(1)电压放大倍数的计算共基极放大电路的指标参数计算(2)输入电阻的计算共基极放大电路的指标参数计算(3)输出电阻ro的计算则Ic＝0，受控电流源开路，输出电阻：共基极放大器的电流放大倍数约为－1（略小）,故又称电流跟随器(反相）(4)电流放大倍数Ii－Ie

，（Re>>rbe）

IoIc

,2.3.6三种基本放大电路的特点与用途电压增益：大1小大输入电阻：大中小输出电阻：大小大2.3.6多级放大电路输入级信号源

负载中间级输出级输入级：减少对信号源的影响中间级：实现电压放大

输出级：驱动负载1.阻容耦合各级工作点之间互相独立，调整Q时互不影响由于电容的存在，无法放大变化缓慢的信号或直流信号2.5.1多级放大电路的耦合方式(利用电容器“隔直传交”特性）2.直接耦合各级工作点之间互相影响，调整困难不仅能放大交流信号，也能放大直流信号存在“零点漂移”现象（当输入Ui为0时,输出Uo不为0）便于集成制造多级放大电路的耦合方式3.变压器耦合工作点互相独立，便于调整只能放大交流信号能进行阻抗匹配成本高，体积重.不便于集成制造多级放大电路的耦合方式4.多级放大电路的指标参数计算1、电压放大倍数的计算多级放大电路的电压放大倍数Au等于各级电压放大倍数Aui的乘积在计算各级放大倍数时，通常是将后一级的输入电阻Rin当作本级的负载电阻RL(n-1)考虑。2、输入电阻和输出电阻的计算多级放大电路的输入电阻是从第一级看进去的输入电阻多级放大电路的输出电阻是从最后一级看进去的输出电阻2.7.3多级放大电路的计算前一级的输出电阻可被视为后一级的信号源内阻例三级放大电路求静态工作点、电压放大倍数、输入和输出电阻。(画微变等效电路）1级：射极输出器；2、3级：带电流反馈的分压式放大电路A1A2A3UiIiUoIoriror2r3I2I3第n级放大器的输入电阻就是第n－1级放大器的负载电阻：如r2＝RL1,r3＝RL2,

微变等效电路

三级放大电路rbe2Rc2Rb22第二级微变等效电路Ie2R‘e2Rb21第三级微变等效电路rbe3Rc3Rb32Ie3Rb31RLri2ri3第一级微变等效电路rbe1Re1Rb1R’e1=Re1//ri2ri2=Rb2//[rbe2+(1+β)R’e2]其中：Rb2=Rb21//Rb22ri3=Rb3//rbe3其中：Rb3=Rb31//Rb32R’c2=Rc2//ri3ri=ri1=Rb1//[rbe1+

(1+β)R’e1]基本概念

分析计算方面

频率特性（幅频和相频特性）的意义三极管的频率参数（上、下限截止频率和通频带）晶体管频率特性（波特图）的绘制多级放大电路频率参数（放大倍数、截止频率）的估算2.3.7放大电路的频率特性简介

放大电路的频率特性是指放大电路对不同频率输入信号的响应特性，是放大器的一个重要性能指标

频率响应频率特性的概念由于三极管本身具有电容效应，在放大电路中也存在耦合电容、旁路电容等元件。这使得放大电路对于不同频率的输入信号，其放大倍数和相位移均不同。容抗XcR2uiuoC结高频段考虑极间电容的影响XcC耦R1uiuo低频段考虑耦合电容的影响1.三极管混合参数型等效电路

耦合电容C1C2：影响放大器的低频特性Rb+UCCRcC1C2T三极管结电容C

C：影响放大器的高频特性集电结电容发射结电容2.共射极放大电路及其混合型等效电路放大电路频率响应分析思路低频段：只考虑（串联）耦合电容影响，其它（并联）电容开路。容抗中频段：所有电容均不考虑，

与微变电路等效高频段：只考虑结电容影响，

其它电容短路等效于低通电路等效于高通电路开路短路相对C’π的时间常数，Cμ的很小，而被忽略不计3.共射极放大电路的频率特性放大电路性能指标共射极(e)放大电路频率特性ffHfLAum0.707AumffHfLφ-180o-90o-135o-225o-270o频带宽度：

fbw＝fH

－fL幅频特性曲线相频特性曲线下限截止频率：fL上限截止频率：fH当Aum随频率f

的变化降为时对应截止频率（在波特图中对应20lg|Aum|坐标的下降3dB(分贝)）当Φ随频率f

的变化偏移45o角时对应截止频率当Φ由0随频率f

的增加而减小45o角时对应下限截止频率fL当Φ随频率f

的继续增加而减小45o角时