《电工电子技术》(谷立新)教学课件第10章

第10章根本放大电路2021/10/10星期日1本章学习要点放大电路根底知识放大电路的分析射极输出器场效应管放大电路多级放大电路差动放大电路功率放大电路本章小结2021/10/10星期日210.1放大电路根底知识10.1.1共射极根本放大电路的组成如右图所示为典型的共射极放大电路。电路中各元件的作用如下。

三极管VT：它是放大电路的核心，是能量转换控制器件，起电流放大作用，即ΔiC＝βΔiB。

集电极电源电压UCC：除为输出信号提供能量外，它还保证集电结处于反向偏置，以使三极管起到放大作用。UCC一般为几伏到几十伏。2021/10/10星期日3基极偏置电阻RB：它和电源UCC一起给基极提供一个适宜的基极电流IB，并保证发射结处于正向偏置，使三极管工作在放大区。集电极负载电阻RC：它一方面提供直流通路，使UCC对三极管的集电极反向偏置；另一方面将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。耦合电容C1和C2：它们的作用是“隔直流、通交流〞，即把信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的直流隔开，而保证交流信号畅通无阻。耦合电容一般采用电解电容。使用时，应注意它的极性与加在它两端的工作电压极性相一致。负载电阻RL：是放大电路的负载。2021/10/10星期日410.1.2放大电路中电压、电流

符号的规定〔1〕直流分量用IB、IC、UBE、UCE等表示；〔2〕交流分量的瞬时值用ib、ic、ube、uce等表示；〔3〕交流分量的有效值用Ib、Ic、Ube、Uce等表示；〔4〕总量〔即直流分量和交流分量的叠加〕用iB、iC、uBE、uCE等表示。2021/10/10星期日510.2放大电路的分析放大电路的分析要从静态和动态两个方面来进行。静态是指放大电路没有交流输入信号〔ui＝0〕时的直流工作状态。此时，放大电路中的电流和电压称为静态值。静态分析的目的是要确定放大电路的静态工作点值：IB、IC、UCE，看三极管是否处在其伏安特性曲线的适宜位置。动态是指放大电路在有输入信号〔ui≠0〕时的工作状态。此时，放大电路中的电流和电压都含有直流分量和交流分量。动态分析的目的是要确定放大器对信号的电压放大倍数Au，并分析放大器的输入电阻ri和输出电阻ro等。2021/10/10星期日610.2.1静态分析直流通路是指静态电流流经的通路。画直流通路时，电容视为开路；电感视为短路；信号源视为短路，但保存其内阻。如右图所示为电路的直流通路。静态分析可用直流通路进行分析。静态时，三极管基极电流IB、集电极电流IC和集—射间电压UCE等直流成分可用IBQ、ICQ和UCEQ表示，它们在三极管特性曲线上可确定一个点，称为静态工作点，用Q表示。显然，静态工作点是由直流通路决定的。2021/10/10星期日71．静态工作点的近似估算由直流通路可求得静态值IBQ为：三极管工作于放大状态时，发射结正偏，此时UBE基本不变，硅管约为0.7V，锗管约为0.3V，所以，UBE一般比UCC小得多，上式可写为：根据三极管的电流放大能力可得2021/10/10星期日8【例10-1】在以下图所示电路中，UCC＝12V，RC＝4kΩ，RB＝300kΩ，β＝，试求放大电路的静态值。【解】根据直流通路可得2021/10/10星期日92．静态工作点的图解分析法利用三极管的输入、输出特性曲线，通过作图的方法对放大电路的性能指标进行分析的方法称为图解法。在静态分析中，图解分析法主要用来确定静态工作点Q。在输入特性曲线上确定Q点。由直流通路求出静态电流IBQ，在输入特性曲线上找到与IBQ对应的点即为输入回路中的Q点，如以下图所示。2021/10/10星期日10在输出特性曲线上确定Q点。在输出特性曲线上画出由方程UCEQ＝UCC－ICQRC所决定的直线，该直线由直流通路得出，且与集电极负载电阻有关，所以称为直流负载线。直流负载线与三极管输出特性曲线〔IB＝IBQ〕的交点即为输出回路中的Q点，如以下图所示。由右图可知，IBQ的值不同，静态工作点在负载线上的位置也就不同。三极管的工作状态要求不同，需要的静态工作点也不同，可通过改变IBQ的大小来实现。因此，IBQ通常称为偏置电流。产生偏流的电路称为偏置电路。其路径为UCC→RB→发射结→地。通常可通过改变RB的阻值来调整IBQ的大小。2021/10/10星期日113．静态工作点的稳定前面所讲的放大电路中，RB一经选定后，IB也就固定不变。这种电路称为固定偏置放大电路，它不能稳定静态工作点。为克服此缺点，常采用分压式偏置放大电路来稳定静态工作点，如以下图所示。2021/10/10星期日12由直流通路可得一般IBQ很小，若使I2＞＞IBQ，则基极的电位为：由上式可知，VB与三极管的参数无关，不受温度影响。2021/10/10星期日13此外若使VB＞＞UBE，则由上式可知，IC也与三极管的参数无关，不受温度影响。因此，只要满足I2＞＞IBQ和VB＞＞UBE两个条件，VB和IC就与三极管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，静态工作点就能基本稳定。对硅管而言，估算时，一般可选取I2＝（5～10）IBQ和VB＝（5～10）UBE。2021/10/10星期日1410.2.2动态分析1．动态过程的图解分析法如以下图所示为交流放大电路有信号输入时的图解分析。2021/10/10星期日15由上图所示可以得出以下几点。①交流信号的传输情况：ui〔即ube〕→ib→ic→uo〔即uce〕②电压和电流都含有直流分量和交流分量，即uBE＝UBE＋ube，iB＝IB＋ibiC＝IC＋ic，uCE＝UCE＋uce由于电容C2的隔直作用，uCE的直流分量UCE不能到达输出端，因此，只有交流分量uce能通过C2构成输出电压uo。③输入电压ui和输出电压uo相位相反，即电路具有倒相作用；同时，输出电压uo比输入电压ui大得多，说明电路具有电压放大能力。2021/10/10星期日16非线性失真一般包括截止失真和饱和失真。〔1〕截止失真如右图所示，假设静态工作点设置过低，那么集电极电流ICQ太小，接近截止区。此时，在输入电压ui的负半周，三极管进入截止区工作，不能正常放大，表现为iC的负半周和输出电压uo的正半周顶部被削平，产生失真。这种由于三极管进入截止区工作而引起的失真称为截止失真。通过减小RB，增大IBQ，可将静态工作点适当上移，以消除截止失真。2021/10/10星期日17〔2〕饱和失真如以下图所示，假设静态工作点设置过高，那么集电极电流ICQ太大，接近饱和区。此时，在输入电压ui的正半周，三极管进入饱和区工作，不能正常放大，表现为iC的正半周和输出电压uo的负半周顶部被削平，产生失真。这种由于三极管进入饱和区工作而引起的失真称为饱和失真。通过增大RB，减小IBQ，可将静态工作点适当下移，以消除饱和失真。2021/10/10星期日182．微变等效电路分析法放大电路的微变等效电路是把非线性元件三极管线性化，等效为一个线性元件，从而把以三极管为核心组成的放大电路等效为线性电路，这样，可用求解线性电路的方法来分析计算三极管放大电路。线性化的条件是三极管必须工作在小信号微变量情况下，即三极管必须工作在特性曲线上一个较小的范围内，才能把静态工作点附近小范围内的曲线看成直线。因此，微变等效电路法仅适用于输入信号是低频小信号的情况。2021/10/10星期日19〔1〕三极管的微变等效电路如下图所示三极管的输入特性曲线是非线性的。当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的曲线可视为直线。当UCE为常数时，ΔUBE和ΔIB的比值用rbe表示，即rbe称为三极管的输入电阻，它表明了三极管的交流输入特性。在小信号情况下，它是常数，一般为几百欧到几千欧，是对交流而言的一个动态等效电阻。因此，三极管的基极和发射极之间可用rbe等效代替。低频小功率三极管的输入电阻常用下式估算：2021/10/10星期日20如下图所示为三极管的输出特性曲线。在放大区，其特性曲线为一组近似与横轴平行的直线。当UCE为常数时，ΔIC和ΔIB的比值为电流放大系数β，即在小信号下，β为一常数。因此，三极管的输出端可用一等效电流源代替，因其电流ic受电流ib控制，故此电流源为受控源，用菱形符号表示。2021/10/10星期日21如以下图所示为三极管的微变等效电路。2021/10/10星期日22〔2〕放大电路的微变等效电路在分析电路时，一般用交流通路来研究放大电路的动态性能。交流通路是指交流电流流经的通路。画交流通路时，耦合电容视为短路，直流电源忽略其内阻也可视为短路。如左图所示为图10-1所示电路的交流通路。由三极管的微变等效电路和放大电路的交流通路即可得出放大电路的微变等效电路，如右图所示。2021/10/10星期日23〔3〕微变等效电路分析①电压放大倍数Au

放大电路的电压放大倍数是指输出电压与输入电压的比值，即由上图所示可知故当放大电路开路（未接RL）时，有2021/10/10星期日24【例10-2】在图10-1所示电路中，UCC＝12V，RC＝4kΩ，RB＝300kΩ，β＝，RL＝4kΩ，试求电压放大倍数Au。【解】在例10-1中已求出IC＝1.5mA≈IE于是2021/10/10星期日25②放大电路的输入电阻ri

放大电路的输入电阻ri是从放大电路的输入端看进去的等效电阻，其为输入电压与输入电流的比值，即于是③放大电路的输出电阻ro放大电路的输出电阻ro是从放大电路的输出端看进去的等效电阻。实际求取时，将微变等效电路中的输入信号源短路（ui＝0），输出端负载开路，此时，ib＝0，ic＝βib＝0，电流源相当于开路，故2021/10/10星期日2610.3射极输出器共集电极放大电路的原理图如以下图所示。在此电路中，交流信号从基极输入，从发射极输出，故又称为射极输出器。2021/10/10星期日2710.3.1静态分析如右图所示为射极输出器的直流通路，由此电路可得到2021/10/10星期日2810.3.2动态分析射极输出器的交流微变等效电路如以下图所示，据此可分析其动态性能指标。2021/10/10星期日291．电压放大倍数由上图电路可得因rbe＜＜（1＋β）RL′，故，两者幅度相近，相位相同，|Au|小于1且接近于1。2．输入电阻射极输出器的输入电阻为：射极输出器的输入电阻比较大，可达几十千欧到几百千欧。2021/10/10星期日303．输出电阻射极输出器的输出电阻为射极输出器的输出电阻很小，一般只有几欧到几十欧。综上所述，射极输出器具有以下特点：①电压放大倍数小于1且接近于1，输出与输入同相，具有电压跟随作用；②输入电阻大，有利于减小放大器对信号电流的索取；③输出电阻小，具有较强的带负载能力；④具有电流放大和功率放大作用。2021/10/10星期日3110.4场效应管放大电路如下图所示为场效应管分压式偏置共源极放大电路，其电路结构与三极管共射极放大电路类似。静态时，电阻RG中无电流通过，栅源电压为：2021/10/10星期日32如右图所示为共源极放大电路的交流通路。有信号输入时，输出电压为：上式中放大电路的电压放大倍数为：2021/10/10星期日33放大电路的输入电阻为：场效应管的输入电阻rgs很高，并联后可略去。由上式可知，在分压点和栅极之间接入一高电阻RG，可提高放大电路的输入电阻。放大电路的输出电阻为：2021/10/10星期日34如以下图所示为源极输出器放大电路。它和三极管的射极输出器一样，具有电压放大倍数小于但近于1，输入电阻高和输出电阻低等特点。2021/10/10星期日3510.5多级放大电路10.5.1多级放大电路的组成如以下图所示为多级放大电路的组成框图。

输入级主要完成与信号源的衔接并对信号进行放大。为使输入信号尽量不受信号源内阻的影响，输入级应具有较高的输入电阻，通常采用高输入电阻的放大电路，如射极输出器等。

中间级用于将微弱的输入电压放大到足够的幅度，进行电压放大。

输出级用于对信号进行功率放大，以满足输出负载所需要的功率，并实现和负载的匹配。2021/10/10星期日3610.5.2多级放大电路的耦合方式1．直接耦合直接耦合是指各级放大电路之间通过导线直接相连的连接方式。如以下图所示为直接耦合两级放大电路，前级的输出端直接与后级的输入端相连。直接耦合的多级放大电路具有良好的频率特性，既能放大交流信号，也能放大直流信号及缓慢变化的信号。同时，电路中没有大容量的电容，易于实现集成，因此，实际使用的集成放大电路一般都采用直接耦合方式。2021/10/10星期日37但直接耦合电路中存在两个问题：①级与级之间的直接相连导致静态工作点之间相互影响，不利于电路的设计、调试和维修。抑制措施主要有两点：抬高后级发射极电位、用PNP和NPN管配合实现电平移动。②直接耦合电路中存在零点漂移现象。零点漂移现象是指输入电压为零时，输出电压偏离零值变化的现象。产生零点漂移现象的主要原因是三极管的参数随温度的变化而变化，从而引起各级静态工作点发生变动，因此，零点漂移又称为温度漂移。直接耦合电路中，第一级的漂移对输出的影响最大，所以，零点漂移的抑制着重在第一级。2021/10/10星期日382．阻容耦合阻容耦合是指各级放大电路之间通过电容和电阻相连的连接方式。如以下图所示为阻容耦合两级放大电路。2021/10/10星期日39由于阻容耦合方式每级之间有电容将直流隔开，因此，每级的直流通道是独立的，即每级的静态工作点不会相互影响，计算静态工作点可以每级分别计算，有利于放大器的设计、调试和维修。阻容耦合的输出温度漂移较小，具有体积小、重量轻等优点，在分立元件电路中应用较多。但阻容耦合的低频特性较差，不适合放大直流及缓慢变化的信号，只能传递具有一定频率的交流信号，且它包含有电容元件，不便于做成集成电路。2021/10/10星期日403．变压器耦合变压器耦合是指各级放大电路之间通过变压器耦合传递信号的方式。如以下图所示为变压器耦合放大电路。2021/10/10星期日41由于变压器具有隔直流、通交流的特性，所以，变压器耦合放大电路各级的静态工作点相互独立，有利于放大器的设计、调试和维修。变压器耦合可以实现电压、电流和阻抗的变换，容易获得较大的输出功率，且输出温度漂移较小。但它的低频特性也较差，不适合放大直流及缓慢变化的信号，只能传递具有一定频率的交流信号，而且由于其电路体积和重量较大，不便于做成集成电路。2021/10/10星期日4210.5.3多级放大电路的分析多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即多级放大电路的输入电阻ri等于从第一级放大电路的输入端所看到的等效电阻，也就是第一级的输入电阻，即多级放大器的输出电阻ro等于从最后一级放大电路的负载两端（不含负载）所看到的等效电阻，也就是最后一级的输出电阻，即2021/10/10星期日4310.5.4放大倍数的分贝表示法当多级放大电路级数较多时，电压放大倍数的计算和表示都很不方便。在实际工程中，电压放大倍数常用分贝（dB）表示，称为增益，即用增益表示多级放大电路的总电压放大倍数时，总增益应为各级增益之和，即采用分贝表示法的好处是它能从分贝的数值上直观表示出放大电路对信号增益的增加或衰减，给计算和使用带来很多方便。2021/10/10星期日4410.6差动放大电路10.6.1概述差动放大电路是由对称的两个根本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的，如以下图所示。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。差动放大电路一般有两个输入端〔三极管的基极〕和两个输出端〔三极管的集电极〕。假设信号同时从两个输入端参加，称为双端输入；假设信号仅从一个输入端参加，称为单端输入。假设信号同时从两个输出端输出称为双端输出；假设信号仅从一个输出端输出称为单端输出。2021/10/10星期日4510.6.2差动放大电路的分析1．静态分析放大电路处于静态时，输入信号为零。由于电路对称，IB1＝IB2＝IB，IC1＝IC2＝IC，UCE1＝UCE2＝UCE，则基极电流为：当电源电压或温度变化时，两管的集电极电流和电位同时发生变化，输出电压Uo＝UCE1－UCE2＝0。因此，尽管各管的零点漂移仍存在，但输出电压为零，整个放大电路的零点漂移得到抑制。2021/10/10星期日462．动态分析当有信号输入时，对称差动放大电路可以分为差模输入和共模输入两种情况进行分析。其中，放大器两端分别输入大小相等、极性相反的信号〔即ui1＝－ui2〕时称为差模输入；放大器两端分别输入大小相等、极性相同的信号〔即ui1＝ui2〕时称为共模输入。〔1〕差模输入差模输入方式中，两个输入端之间的电压差称为差模输入电压，即2021/10/10星期日47设ui1使VT1管产生的集电极电流增量为iC1，ui2使VT2管产生的集电极电流增量为iC2。在差模输入放大电路中，iC1和iC2大小相等，极性相反，即iC1＝－iC2，因此，两管的集电极电流分别为：两管的集电极电压分别为：所以，两管集电极之间的差模输出电压为：2021/10/10星期日48差动放大电路的差模电压放大倍数Aud是指双端差模输出电压uod与双端差模输入电压uid之比，即可见，差动放大电路的差模电压放大倍数Aud与单管放大电路的电压放大倍数Aud1相等，即两输入端之间的差模输入电阻为：两输出端之间的差模输出电阻为：2021/10/10星期日49〔2〕共模输入在共模输入信号的作用下，对于完全对称的差动放大电路来说，两管的集电极电位变化相同，因而输出电压等于零，所以，差动放大电路对共模信号没有放大能力，即放大倍数Auc为零。实际中，差动放大电路很难做到完全对称，对共模分量仍有一定的放大能力。而共模分量往往是干扰、噪声和温漂等无用信号，差模分量才是有用的，所以，为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入了共模抑制比KCMRR，即2021/10/10星期日5010.7功率放大电路10.7.1功率放大电路概述1．功率放大电路应满足的要求〔1〕应有足够大的输出功率。为了获得较大的输出功率，往往要求三极管工作在极限状态，但使用时，要考虑到三极管的极限参数PCM、ICM和U〔BR〕CEO。〔2〕效率要尽可能的高。〔3〕非线性失真要小。〔4〕功率放大管要采取散热等保护措施。2021/10/10星期日512．功率放大电路的分类按三极管导通状态的不同，功率放大电路的工作状态可分为甲类、乙类和甲乙类三种，如以下图所示。甲类工作状态的静态工作点位于放大区，其静态功耗大，效率低，但失真较小；乙类工作状态的静态工作点位于截止区，其静态功耗接近于零，效率高，但存在严重的失真；甲乙类工作状态的静态工作点接近截止区，它的失真现象较乙类轻，并且静态功耗小，效率高。2021/10/10星期日5210.7.2互补对称功率放大电路1．无输出电容的互补对称功率放大电路如以下图所示OCL电路中，正负电源的绝对值相同，VT1管和VT2管是参数特性对称一致的NPN和PNP管，它们的基极连在一起作为输入端，发射极连在一起直接接负载RL。2021/10/10星期日53〔1〕工作原理①静态分析静态时，由于两管的基极都未加偏置电压，因此，两管都不导通，两管电流为零，管子工作在截止区，属于乙类工作状态。发射极电位为零，负载上无电流。②动态分析设输入信号为正弦电压ui，当输入信号位于正半周时，VT1管发射结正偏导通，VT2管发射结反偏截止，有电流iC1经VT1管流向负载，在负载RL上获得正半周输出电压uo。当输入信号位于负半周时，VT1管发射结反偏截止，VT2管发射结正偏导通，有电流iC2经负载流向VT2管，在负载RL上获得负半周输出电压uo。可见，在ui的整个周期内，VT1管和VT2管轮流导通，从而在RL上得到完整的输出电压uo，所以，此电路称为互补对称功率放大电路。2021/10/10星期日54在此电路中，当输入信号小于三极管的开启电压时会产生交越失真，如左图所示。为消除交越失真，可给三极管稍加一点偏置，如右图所示。2021/10/10星期日55〔2〕性能参数计算①最大输出功率输出功率为：上式中，Uom为输出电压uo的峰值。理想条件下，负载获得最大输出电压时，其峰值接近电源电压＋UCC，所以，负载获得的最大输出功率Pom为：2021/10/10星期日56②电源功率直流电源提供的功率为半个正弦波的平均功率，信号越大，电流越大，电源功率也越大。电源功率PV为③效率效率η为：当电路输出最大功率时，功率放大电路的效率达到最大，ηm＝π/4＝78.5%。2021/10/10星期日57④管耗电源输入的直流功率有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗PT。显然PT有一最大值，当Uom＝0.64UCC时，PTm为：对一只三极管，有2021/10/10星期日582．无输出变压器的互补对称功率放大电路