所有分类放大电路基础

所有分类放大电路基础第1页/共75页工作频率的高、低；功率：大、中、小；材料：硅、锗7.1半导体三极管BJT半导体三极管，也叫晶体三极管。

工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，还被称为双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor,简称BJT）。一、三极管的分类：特殊用途：光敏、磁敏结构：NPN型和PNP型第2页/共75页二、三极管的结构三极管制造工艺特点发射区掺杂重，杂质浓度高；集电区面积最大，掺杂轻，杂质浓度较低。基区很薄，且杂质浓度低；这种内部结构可以保证晶体管具有电流放大作用，在使用时，发射极和集电极一般不能互换。第3页/共75页IB有微小变化时，IC即有较大变化二、BJT的电流分配与放大作用（以NPN管为例）三极管工作的外部条件放大工作状态：发射结正偏，集电结反偏CBEVCCRCRBIBIEIC三极管具有电流放大作用+--+电流控制电流源β——电流控制系数、电流放大倍数用EBW演示第4页/共75页三.BJT的特性曲线（硅、NPN、共发射极接法）(一)输入特性曲线死区电压硅0.5V，锗0.1VIB与UBE间的关系曲线为确保三极管工作在放大状态UBE/V0.70.50102030405060IB/μAUCE≥1V导通后特性很陡硅：0.7V

锗：0.3V必须：UCE≥1V（集电结反偏）导通电压基本是定值共发射极接法UCE≥1V-++-UBEIB第5页/共75页IBIEIC+-+-BECUBBRCRBUCC第6页/共75页(二)输出特性曲线IB为定值时，UCE和IC间的关系曲线。IB=0μAIB=10μAIB=20μAIB=30μAIB=40μAIB=50μAIB=60μAIC/mAUCE/V426800.51.01.52.02.53.012101.截止区2.放大区3.饱和区IB≤0以下区域截止区IC≈0特性的“平坦”区域IC基本与UCE无关IC只受控于IBUCE≤1以左区域IB

失去对IC的控制IC随UCE增大而增大放大区β=0.5×1000/10≈50饱和区第7页/共75页四．三极管的主要参数及其温度影响（一）三极管的主要参数电流放大系数β最大允许电流ICM极间反向电流ICBO:指发射极开路时，集电极－基极间的反向饱和电流。

ICEO:指基极开路时，集电极－发射极之间的穿透电流ICBO开路ICEO开路△IB△ICIC超过某一数值ICM后，β值将明显下降第8页/共75页四．三极管的主要参数及其温度影响（一）三极管的主要参数反向击穿电压集电极最大允许耗散功率PCMPCM与三极管的工作温度和散热条件有关，三极管不能超温使用。在使用中集电极的平均功耗不得超过PCM

集电极开路时，发射结的反向击穿电压U(BR)EBO发射极开路时，集电结的反向击穿电压U(BR)CBO基极开路时，集一射极之间的反向击穿电压U(BR)CEOPC=ICUCE≤PCM第9页/共75页一.放大电路的概念

放大功能——通过电能转换把微弱的电信号增强到所要求的电压、电流或功率值。放大电路概述1.放大倍数（增益）——表示放大器的放大能力（1）电压放大倍数定义为:AU=uo/ui（2）电流放大倍数定义为:AI=io/ii

二.放大电路的主要性能指标第10页/共75页2.输入电阻Ri——从放大电路输入端看进去的等效电阻Ri=ui/ii一般来说，Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时，Ri越大，ui就越接近uS。第11页/共75页3.输出电阻Ro

输出电阻是表明放大电路带负载能力的，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。从放大电路输出端看进去的等效电阻(戴维南定理)5、最大输出幅度UOM（或IOM）：

输出波形没有明显失真情况下，放大电路能提供给负载的最大输出电压（或电流）。4.最大输出功率POM—在输出信号基本不失真的情况下能输出的最大功率。第12页/共75页一、电路构成及各元件的作用§8.2基本放大电路的工作原理（一）放大电路的构成++RBUCCUiUoRCRLC2TC1T:放大电路中的核心元件Ucc:直流电源,提供能源主要是将集电极电流的变化转换成电压的变化。（二）放大电路中各元件的作用RB：基极偏置电阻它的作用是向三极管的基极提供合适的偏置电流，并使发射结获得必须的正向偏置电压。Rc:集电极负载电阻C1和C2：耦合电容一般用电解电容，连接时电容的正极接高电位，负极接低电位。C1：将交流信号耦合到放大器，C2：放大的交流信号耦合到负载共射极放大电路第13页/共75页静态——无信号输入时，电路中只存在直流电流和直流电压。二、放大电路中电流、电压的符号及波形（一）电路中电流、电压的符号规定

名称

总电流或总电压

直流量（静态值）

交流量基本关系式瞬时值有效值基极电流iBIBibIbiB＝IB＋ib集电极电流iCICicIctC＝Ic＋ic基—射电压uBEUBEubeUbeuBE＝UBE＋ube集—射电压uCEUCEuceUceuCE＝UCE＋uce第14页/共75页++RBUCCRCC2TC1uiuoicibuceubet0uit0ubet0ibt0ict0ucet0u0UCCUCC/RC（二）电路中电流、电压的波形ibube0icuce0静态工作点直流负载线第15页/共75页（3）若参数选择恰当，将有uo幅值>ui幅值，即放大作用。动画演示（1）放大电路工作在动态时，电流、电压既有直流分量也有交流分量。由以上分析可知：(2)在共发射极电路中，输入信号电压ui，基极信号电流ib和集电极信号电流ic相位相同。而输出电压uo与输入信号ui相位相反，这在放大电路中称之为“反相”。t0uit0ubet0ibt0ict0ucet0u0第16页/共75页（二）交流通路—放大电路中交流电流通过的路径。（容抗小的电容、内阻小的直流电源，视为短路）三、放大电路中的直流通路与交流通路（一）直流通路—放大电路中直流分量通过的路径。（画直流通路时，电容视为开路，电感视为短路，其他不变）+C2+C1uiuoibuceubeRBRLTRCRLiCRBRCTUCC直流通路交流通路第17页/共75页IBQUCC/RCicuce0+C2+C1RL直流通路RBRCTUCCibube0UBEQUCCUCEQIBQICQ

图解分析法一.静态工作情况分析QQ直流负载线UBEQ=0.7V（Si管)ICQIBQUCEQ静态工作点的估算：UBEQ静态工作点直流负载线静态工作点第18页/共75页例：用估算法计算静态工作点。已知：UCC=12V，RC=4K，Rb=300K，=37.5解：请注意电路中IBQ和ICQ的数量级+C2+C1RLRBRCTUCC求：IBQ、ICQ、UCEQ。第19页/共75页二、动态工作情况分析动态—放大电路有输入信号时的工作状态。（一）不带负载时的动态分析IBQUBEQIBQICQQ+C2+C1RBRCTUCCUCEQUCC/RCUCC0icuceib0ubeibt0ubet0ucet0ict0第20页/共75页（二）带负载时的动态分析输出端接入负载RL：+C2+C1RLRBRCTUCC不影响静态、影响动态！IBQICQUCEQUCC/RCUCC0icuceucet0交流负载线uiuoibuceubeRBTRCRLiC交流通路RL’=RC//RLUCEQ+ICQ

RL’交流负载线，比直流负载线“陡”同样的iC,uCE减小。直流负载线斜率为1/RL’演示第21页/共75页三、静态工作点与波形失真的关系IBQUBEQIBQICQUCEQUCC/RCUCC0icuceib0ubeibt0ubet0ucet0ict0饱和失真饱和失真静态工作点太高(IBQ、ICQ太大)，使三极管“进入”饱和区，输出波形失真——饱和失真。饱和区第22页/共75页三、静态工作点与波形失真的关系IBQUBEQIBQICQUCEQUCC/RCUCC0icuceib0ubeibt0ubet0ucet0ict0截止失真截止失真静态工作点太高(IBQ、ICQ太小)，使三极管“进入”截止区，输出波形失真——截止失真。截止区截止失真截止失真，不象饱和失真那样明显，这是因为输入特性曲线是“逐渐”弯曲的。截止失真和饱和失真统称“非线性失真”第23页/共75页四、电路参数对静态工作点的影响（一）Rb的影响，改变IBQ（二）Rc的影响，改变直流负载线的斜率UCC/RCUCC0icuceQUCC/RCUCC0icuceQ第24页/共75页四、电路参数对静态工作点的影响（一）Rb的影响，改变IBQ（二）Rc的影响，改变直流负载线的斜率（三）UCC的影响，直流负载线平移UCC/RCUCC0icuceQ第25页/共75页IEQ:mA,rbe:Ω一、静态工作点的估算二、微变等效电路与动态分析（一）三极管的简化微变等效电路§8.3微变等效电路分析法1、三极管输入回路等效电路ib0ube微变：在工作点附近，信号变化很小，“基本上可以看作”是线性的。△IC△UBE△IB△UCETBCErbe△UBE△IBBE第26页/共75页0icuce2、三极管输出回路的等效电路△IC△UBE△IB△UCETBCErbe△UBE△IBBE在工作点附近，IC基本与UCE无关，只受IB控制——电流控制电流源C△IC△UCEβ△IB微变等效模型第27页/共75页（二）动态分析1、共射放大电路的简化微变等效电路+C2+C1RLRBRCTUCC在交流通道的基础上将三极管的符号换成三极管的微变微变等效电路即可uouiuiuoioRBrbeibBECicβibRCRLii2、电压放大倍数的计算：负载电阻越小，放大倍数越小。RL’=RC//RL负载电阻开路(放大器空载)时第28页/共75页uiuoioRBrbeibBECicβibRCRLiiRi3、输入电阻的计算：输入电阻越大，从信号源取的电流越小，一般希望较大的输入电阻。4、输出电阻的计算：Ro输出电阻的就是“戴维南定理”中的等效电阻令ui=0，则ib=0，ic=0注意：输出电阻不包括ＲＬ！第29页/共75页uiuoioRBrbeibBECicβibRCRLiiRiRo第30页/共75页静态工作点↑温度↑IC↑

二、静态工作点稳定电路1.温度变化对静态工作点的影响输入特性左移，IBQ

↑↑ICEO↑0icuceUCC/RCUCC+C2+C1RLRBRCTUCCuoui因为是“固定”的，这个电路称为固定偏置放大电路第31页/共75页2.分压式偏置稳定电路+C2+C1Rb2Rb1RCUCCuouiI1I2RLTRe（一）电路的工作原理因为IBQ很小所以当UB>>UBEQ时可见IC与三极管的参数“无关”，也就与温度无关——稳定了静态工作点。TUBEICICIEUEIB由输入特性曲线对于硅管：I1＝（5～10）IBQ

UBQ＝（3～5）V

对于锗管：I1＝（10～20）IBQ

UBQ＝（1～3）V

第32页/共75页（二）静态工作点的近似估算:电容开路,画出直流通道+C2+C1Rb2Rb1RCUCCuouiI1I2RLTRe无意义，它随温度变化而变化第33页/共75页+C2+C1Rb2Rb1RCUCCuouiRLTRe（三）电压放大倍数的估算微变等效电路uiuoioRCiirbeibBECicβibReRb2Rb1RLie由于接入了Re,静态工作点稳定了,但放大倍数(绝对值)减小了第34页/共75页（四）输入电阻和输出电阻的估算R’iRoRi输入电阻输出电阻uiuoioRCiirbeibBECicβibReRb2Rb1RLie输出电阻的就是“戴维南定理”中的等效电阻令ui=0，则ib=0，ic=0X第35页/共75页+C2+C1Rb2Rb1RCUCCuouiCe+RLTReReuiuoioRCiirbeibBECicβibRb2Rb1RLie电路中接入发射极旁路电容Ce微变等效电路输入电阻输出电阻RoRi电压放大倍数电路中接入发射极旁路电容Ce,不影响静态工作点的稳定。演示第36页/共75页7.4多级放大电路

一、放大电路的耦合方式1.多级放大电路的组成信号源多级放大电路输入级

多级放大电路组成的方框图中间级输出级

负载前置级功放级放大器的输入信号太小,一级放大能力太小。？第37页/共75页多级放大电路各级间的连接方式称为耦合。耦合方式可分为阻容耦合、直接耦合和变压器耦合等。

第38页/共75页2.阻容耦合

阻容耦合放大电路阻容耦合不适合于传递变化缓慢的信号，更不能传递直流信号第39页/共75页

直接耦合放大电路3.直接耦合可以放大和传递交流信号，也可以放大和传递变化缓慢的信号或者是直流信号，且便于集成各级静态工作点互相制约、互相影响第40页/共75页零点漂移——输入信号为零时，输出电压偏离零点。 零点漂移严重时，有用信号完全被漂移电压淹没，使放大器无法正常工作。产生原因——晶体管参数随温度变化、电源电压波动等。直接耦合放大电路中，抑制零点漂移最有效的方法——采用差动式放大电路。直接耦合放大电路的特殊问题—零点漂移第41页/共75页4.变压器耦合

变压器耦合放大电路第42页/共75页输入电阻输出电阻（一）输入电阻和输出电阻二.多级放大电路的分析方法第43页/共75页

前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗

后级的输入阻抗是前级的负载注意：在算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载,比较方便！（二）电压放大倍数第44页/共75页增益的单位常用“分贝”(dB)。功率增益电压增益电流增益增益采用分贝表示的最大优点在于它可以将多级放大电路放大倍数的相乘关系转化为对数的相加关系，这样计算和使用都很方便。第45页/共75页例：已知两管的β＝50，UBE＝0.6V⑷试求输入电阻Ri及输出电阻Ro。⑴试估算电路的静态工作点；⑵画出电路的微变等效电路；⑶试求各级电压放大倍数Au1、Au2及总的电压放大倍数Au

；解：UCEQ2＝UCC－IEQ2Re2＝12－2.4×2.4≈6.24VIEQ2＝（1＋β）IBQ2＝51×47≈2.4mA⑴第46页/共75页⑵微变等效电路⑶Au1、Au2及Au

⑷Ri、Ro第47页/共75页7.5.1功率放大电路概述7.5功率放大电路

能够向负载提供足够大的信号功率的放大电路称为功率放大电路或功率放大器。一.功率放大器的特点一个放大器常常由电压放大器和功率放大器组成。第48页/共75页1．输出功率大在规定的非线性失真范围内，能向负载提供尽可能大的输出信号功率。2．非线性失真小由于功率放大电路工作于大信号状态，其非线性失真要比工作于小信号下的电压放大器严重得多。所以功率放大器要考虑使非线性失真限制在负载所容许的范围内。3．效率高功率转换效率是指负载得到的有用信号功率PO与电源提供的直流电源功率PS之比。4.功放管散热和保护问题

功放效率的高低是功率放大电路中一个不容忽视的问题。效率低，不仅意味着能量的浪费，更为严重的是，将导致器件工作温度的增加。引起电路工作的稳定性变差。第49页/共75页2.功率放大器的分类功率放大器可分为甲类、乙类和互补对称的甲乙类功率放大电路3种。甲类：将静态工作点设在负载线的中点。缺点：静态电流IC大，因而消耗的功率大、效率低。效率最高不超过50%，一般为30%。乙类：将静态工作点设在IC=0处放大。缺点：静态功耗降止最小值。效率最高达78.5%,一般达70%。非线性失真严重。甲乙类：使用两个不同类型的晶体管轮流工作，一个工作在信号的正半周，另一个工作在信号的负半周，并在输出端得到一个完整的正弦波输出电压。第50页/共75页二、OCL电路—无输出电容直接耦合的功放电路(一)电路组成(二)分析计算互补输出:NPN/PNPVT1、VT2均工作在射极输出器状态ui正半周，VT1导通，

ui负半周，VT2导通1.输出功率可获得最大的输出功率当:uot0第51页/共75页3.集电极的耗散功率(管耗)PT

2.电源供给功率(最大平均)PE

设输入信号的为正弦波,角频率为ωiEωt0

三极管的集电极平均电流π2π

最大集电极的耗散功率PTM

令PT的一阶导数=0PT的最大值为ic2ic1ic1第52页/共75页3.集电极的耗散功率(管耗)PT

2.电源供给功率(最大平均)PE

最大集电极的耗散功率PTM

三极管的选择4.效率η

1.输出功率PO

第53页/共75页当输入信号ui的绝对值小低于0.7V时，VT1和VT2都截止，iC1和iC2基本为零，负载RL上无电流通过，这种现象称为交越失真。交越失真第54页/共75页

单电源供电容量较大的输出耦合电容C三.OTL电路（无输出变压器的互补对称功率放大电路）电容上电压C容量很大,其电压基本保持不变。静态时：电容器C起负电源的作用R4、VD1、VD2用来使三极管VT2、VT3建立一个偏置电压，以减小交越失真

前置放大级由Rb1、Rb2、VT1和R3等组成

Rb1——稳定静态工作点第55页/共75页OTL电路中每个管子的工作电压不是UCC，而是UCC／2（输出电压最大值只能达到约UCC／2）

OCL电路中每个管子的工作电压是UCC第56页/共75页四、BTL电路优点：用两组对称互补电路组成（“H”型电路、或桥式功放）双电源供电时，输出功率是OCL的4倍、OCL的16倍。单电源供电时，输出功率与OCL相同、是OCL的4倍。并避免了电容对信号频率特性的影响，可使用单电源，也可以使用双电源。电源利用率（幅值、时间）高OCL电路电源利用率“在时间上”只有50%，在幅度上是100%。OTL电路电源利用率“在时间上”只有50%，在幅度上也是50%。第57页/共75页一、放大电路中的干扰及其抑制方法二、功率管的并联和散热问题功率管的并联应用—输出功率加倍散热—加装铝散热片3.4放大电路工程应用技术第58页/共75页一、反馈的基本概念反馈——输出电压或电流（一部分或全部），通过一定的电路（反馈网络）引回到输入。§7.6放大电路中的负反馈放大器A反馈网络FXiXoXdXf第59页/共75页二、反馈的分类（一）正反馈与负反馈负反馈——反馈信号原输入信号的作用相反正反馈——反馈信号原输入信号的作用相同直流反馈——反馈有直流量分量（二）直流反馈与交流反馈交流反馈——反馈有交流量分量（三）电压反馈和电流反馈电压反馈—反馈信号取自输出电压，即反馈信号与输出电压成正比。电流反馈—反馈信号取自输出电流，即反馈信号与输出电流成正比。（四）串联反馈和并联反馈并联反馈—反馈信号与原输入信号以电流形式相叠加，即二者并联。串联反馈—反馈信号与原输入信号以电压形式相叠加，即二者串联。第60页/共75页负反馈放大器的四种类型（组态）

电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈第61页/共75页(一)方框图：开环增益基本放大电路A反馈网络F+–反馈系数：闭环增益输出信号输入信号反馈信号净输入信号三.反馈的一般表示法负反馈放大器（二）反馈的基本关系式第62页/共75页

负反馈对放大电路性能的影响

一、增益降低（只讨论中频区）

物理意义：放大器A反馈网络FXiXoXdXf负反馈并不改变基本放大器的增益，只是减小了净输入从而使输出减小+-最终使闭环增益减小

演示第63页/共75页二、提高增益的稳定性对变量A求导数两边同除以Af

负反馈，（１＋AF）＞１，所以

闭环增益的相对变化量，比开环相对变化量小即增益的稳定性提高了第64页/共75页

三、减小非线性失真

演示输出信号产生非线性失真无负反馈有负反馈时物理意义负反馈产生了“予失真”信号负反馈并不能克服基本放大器的非线性失真“歪打正着”(不同点?)负反馈只能改善由放大电路本身所引起的非线性失真。对于输入信号中已存在的由其它原因引起的非线性失真，负反馈不能改善。同理，负反馈对于在反馈环内的干扰和噪声有抑制能力，但对输入信号中的干扰和噪声无能为力。

只能减小,不能消除第65页/共75页四.展宽频带有负反馈时放大器的通频带：fbwf=fHf－fLffHf即：Amf×fbwf=Am×fbw020lg|A|（dB）F（Hz）AmfLfHfLffHfAmf放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。

无反馈时放大器的通频带：fbw=fH－fLfH可以证明：fbwf=(1+AF)fbw放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。第66页/共75页无反馈时：

有负反馈时：

(1)串联负反馈使输入电阻增