放大电路的基本原理课件

放大电路的基本原理2.1放大的概念

将小信号转换为大信号。例：声音——麦克风——放大——扬声器放大电路的本质是对能量进行控制，用小能量去控制大的能量，并且输入与输出信号的变化形式相同。三极管：基极电流对集电极电流有控制作用。场效应管：栅极电压对漏极电压有控制作用。因此，三极管和场效应管可以组成放大电路。三极管放大电路可以分为共射极、共基极，共集电极三种基本接法。场效应管放大电路可以分为共源极、共栅极，共漏极三种基本接法。

2.2单管共射放大电路2.2.1单管共射放大电路的结构输入交流信号△Uin和输出交流信号△Uout的公共端口是发射极，因此称共射放大电路。电路中直流电压VBB提供基极偏置，使BE结正向偏置。直流电压VCC提供集电极所需的反向偏置电压。电路中电阻RB和RC必须合理取值，使三极管工作在放大区（线性区）。2.2.2单管共射放大电路的工作原理分析问题的关键：交流信号的变化是叠加在直流电位上的。问题的理解和分析可以分为先“直流”再“交流”两个步骤。定性分析：1）首先不考虑交流输入信号的影响，求直流工作点。2）再考虑叠加交流输入信号时的变化。3）求交流的变化量。放大的过程的理解：输入信号△Uin

基极电流变化△ib集电极电流变化△iC

输出电压变化△Uout

以上的原理性电路在实际应用中存在两个缺点：

1、需要两路直流电源。

2、输入与输出的交流信号之间不共地。改进的单管共射放大电路：

1、由VCC共同提供基极和集电极的直流偏置。

2、利用电容“隔直通交”的特性来传输交流信号，而不使直流偏置受到输入交流信号的影响。RL是负载电阻，可以是需要驱动的元件，也可以是下一级的输入电阻。2.3放大电路的技术指标US和RS：输入（非理想）电压源。Ri：放大器输入电阻。Ui：输入电压ii：输入电流。RO和UO’：放大器输出（非理想）电压源。RO：放大器输出电阻。UO：输出电压。iO：输出电流。RL：负载电阻一、（电压）放大倍数输出电压与输入电压的比值:Auu=Uo/Ui

放大倍数不仅包括了输入输出电压的幅值，还应该包括输入输出电压的相位关系，因此应该是一个复数，但是在中低频段，可以将其视为一个实数处理。二、输入电阻从放大器输入端看进去所呈现的电阻：Ri=Ui/ii

三、输出电阻从放大器输出端看进去所呈现的电阻，也就是输出电压源（非理想）的等效内阻。输出电阻的测量和计算：将负载开路。输入端口短路，相当于输入电压Ui=0，因而输出电压源中Uo’=0。在输出端口上外加一个理想电压源Uop，测量此时输出端口的电流iop，利用Ro=Uop/iop，即可以计算出输出电阻Ro。

和电压放大倍数相似输入和输出电阻本身也应该包含电压电流之间相位关系，因此也应该是一个复数，分别称为“输入阻抗”和“输出阻抗”，但是在中低频段，同样可以将其视为一个实数处理。补充：放大电路的其它三种结构

以上描述的放大电路输入输出量都考虑的是电压，因此叫“电压放大器”，或称“电压控制电压”源。从输入输出量是电压还是电流上来考虑，放大电路还可以分为以下三种：互阻放大器（电流控制电压源）：输入量是电流ii

，输出量是电压Uo

，放大倍数：Aui=Uo/ii

，具有电阻的量纲。电流放大器（电流控制电流源）：放大倍数：Aii=io/ii，无量纲。互导放大器（电压控制电流源）：放大倍数：Aiu=io/Ui，具有电导的量纲（西门子）。

这四种放大器并无本质的区别，因为非理想的电压源和电流源之间可以相互等效。在电路中采用不同的放大形式，可以简化电路分析。不同形式的放大器设计中：对于电压输入的放大器，输入电阻高为好。对于电流输入的放大器，输入电阻低为好。对于电压输出的放大器，输出电阻低为好。对于电流输出的放大器，输出电阻高为好。四、最大输出幅度：在输出电压（或电流）信号无明显失真的情况下，负载上所能获得的最大电压（或电流)。设计良好的电路，最大输出电压（峰—峰值）应该尽量利用电源电压。这为电路设计时选取静态工作点提供了一个准则。五、非线性失真：由于放大电路中元件的非线性，引起输出信号波形的畸变。

六、最大输出功率Pom和效率h：输出无明显失真时，放大电路能向负载提供的功率。效率=最大输出功率/直流电源所消耗的功率。

七、通频带：由于电路中存在电抗性元件（电容或电感），因此放大倍数将随频率而变化。即便是电路设计中没有有意引入电容或电感，但是也会存在寄生的电容和电感，例如：导线的寄生电感，pn结电容等，影响放大器的频率特性。定义：放大倍数下降到中频段放大倍数的的频率范围常用分贝（db）来表示放大倍数，称为增益。20×

logAu2.4放大电路的基本分析方法一、图解法利用晶体管的输入输出特性曲线，通过作图法来求解电路的静态工作点以及电路的放大倍数等参数。该方法可以帮助理解放大过程。二、微变等效电路法：在小信号输入时，忽略电路中放大元件的非线性，将其作为线性元件来处理，从而求解出电路的各种参数。该方法不能求解静态工作点，必须先求解静态工作点。求解过程：

先静态（直流），后动态（交流）2.4.1直流通路和交流通路。

在放大电路中通常是同时存在有直流分量和交流分量，其中直流分量设定静态工作点，交流分量为被放大的信号。利用电容“隔直通交”的特性：直流通路：将所有的电容视为“开路”。交流通路：将所有的电容视为“短路”。

重点：任何直流电压源（VCC），都相当于一个无穷大的电容，因此对交流通路而言，所有直流电压源都是“交流地”。另外，在电路中任何电位不随外加交流信号变化的节点，在交流分析中同样可以视为“交流地”。2.4.2静态工作点的近似估算利用直流通路分析基极、集电极回路的电流电压，这相当于输入信号为零时的电路状态分析。此时，基极、集电极的电流电压对应于集体管特性曲线上的一个点，即静态工作点（Q点）。IBQ：基极电流ICQ：集电极电流UBEQ:基极—发射极电压UCEQ：集电极—发射极电压估算要点：

1）基极—发射极之间是一个正向的PN结，因此：

UBEQ

=0.6～0.8V

2）三极管工作在线性区，因此：

ICQ=b×IBQ2.4.3图解法利用作图的方法来确定静态工作点和动态变化。

1、确定静态工作点（1）基极—发射极回路电流电压方程（1）

（2）

该方程组是一个超越方程，无法直接求解，可以用作图法求解，交点就是静态工作点Q。其中曲线（2）可以直接用测量的方法得到。

实际电路设计中，三极管的输入（基极）特性曲线不容易准确测量，因此一般假设UBEQ≈0.6～0.8V，直接近似估算IBQ。（2）集电极——发射极回路电流电压方程（3）

（4）

其中曲线（3）称“直流负载线”，斜率为–1/RC，曲线（4）是三极管的输出特性曲线，只能够通过测量得到，若交点在线性放大区内，则有：ICQ=b×IBQ。“直流负载线”通过两个特殊点:2、动态分析首先画出交流通路图：

交流通路图只反映料交流信号的变化：交流信号的变化是“叠加”在直流电位上的，即交流信号变化的“原点”就是直流静态工作点。（1）基极—发射极回路电流电压变化输入交流电压信号DUin直接加在be结上，导致基极电流Dib的变化，此时电流电压的变化是在Q点附近沿输入特性曲线来回运动。虽然输入特性曲线是非线性的，但是在Q点附近的一个小范围内可以将其视为线性变化。（2）集电极—发射极回路电流电压变化

和直流通路不同，交流通路中集电极和发射极回路中并联了电阻RC和负载电阻RL，电流电压方程为：（5）上式为交流负载方程，相应的曲线称“交流负载线”。交流负载线的作图法：在输出特性曲线上以Q点为原点，画一条斜率为：的直线。

当基极电流DiB变化时，引起集电极电流DiC的变化,此时集电极电流电压的变化是在Q点附近沿“交流负载线”来回运动，相应地产生集电极交流输出电压信号DiC。3、小结：利用图解法理解放大过程输入的交流信号引起基极电流的变化

基极的电流变化引起集电极电流的变化

集电极电流通过交流负载电阻（RC//RL)形成集电极的电压输出。交流信号的变化是“叠加”在直流工作点上的。思考题：求直接耦合电路的静态工作点，并与电容耦合电路相比较4、图解法的应用（1）非线性失真：（静态工作点的设置）截止失真：静态工作点设置太低（或静态基极电流太小），在输入信号的负半周，三极管进入截止区（基极电流为零），输出信号波形出现失真。截止失真发生在输出信号的“顶部”，输出不可能大于电源电压VCC。饱和失真：静态工作点设置太低靠近饱和区，在输入信号的正半周，三极管进入饱和区（基极电流失去对集电极电流的控制能力），输出信号波形出现失真。饱和失真发生在输出信号的“底部”，输出不能小于0伏。（2）、两种失真的判别和最大输出幅度的估计：1)

求出静态工作点。2)画出交流负载线。3)近似认为UCE<0.6V时，三极管进入饱和区。如果A1<A2，则Q点更靠近饱和区，容易发生饱和失真。如果A1>A2，则Q点更靠近截止区，容易发生饱和失真。

输出信号的不失真最大输出幅度（峰—峰值）取决于A1、A2两者中的最小值：2.4.4微变等效电路法图解法可以帮助理解电路的放大过程，但并不适用于具体的计算，实际电路设计分析中最为广泛的方法是微变等效电路法。

利用微变等效电路法，不仅可以计算出电路的放大倍数，还可以计算出电路的输入电阻、输出电阻等参数。

基本思想：当确定了电路的静态工作点后，当输入小的交流信号时，三极管的电流电压围绕作静态工作点变化，在一个小的范围内，可以将三极管的非线性忽略，从而将三极管视为一个线性元件来处理，将放大电路转换为线性电路。分析过程：1）、利用直流通路确定Q点，计算出三极管的等效参数。

2）、画出等效电路的交流通路

3）、列方程并计算1、简化的三极管h参数微变等效电路。这是三极管最简单和最基本的一种等效电路。（1）输入特性的等效：当Q点确定时，在Q点附近的一个小范围内，输入特性曲线可以视为线性，从而可以定义出一个BE结之间的等效交流电阻：rbe的近似估算：基极电流与BE结电压的关系为：将上式微分可得：

其中IB和IC分别用静态工作点的基极电流IBEQ或集电极电流ICEQ代入，就可以求得交流输入时的等效电阻rbe。

实际的三极管基极本身还有一定的电阻（记为rbb，通常取为300欧姆)，由基区电阻和引线电阻等组成，因此电路分析中：

假设静态工作点设置在线性放大区，集电极电流与UCE无关，因此集电极电流可以看成是一个“恒流源”；另一方面，集电极电流受基极电流的控制，有：（2）输出特性的等效：因此集电极的输出特性可以等效为一个“受控电流源”。

（3）根据以上的分析，工作在线性放大区的三极管电流电压在Q点附近变化时可以等效为：补充：实际三极管的集电极电压不仅受基极电流控制，并且与集电极电压有关，若考虑这一效应，可以在恒流源两端并联一只电阻rce：（4）微变等效电路的分析步骤：

1）估算静态工作点（求IBEQ或ICEQ），计算rbe。

2）画出三极管的h等效电路，再画出其余部分交流通路。

3）列出方程求解放大倍数，输入输出电阻等。2、用微变等效电路分析单管共射放大电路。1）估算静态工作点，计算rbe（略）。2）画出三极管的h等效电路，再画出其余部分交流通路。3）列出方程求解放大倍数，输入输出电阻等。解方程求得放大倍数：输入电阻：输出电阻（RL开路，输入信号短路，从输出端口看进去的等效电阻）：例题：带有射极电阻（镇流电阻）的单管共射放大器1）估算静态工作点。可求得静态基极电流：2）画出交流通路等效电路图。3）例方程计算。例题：进一步考虑上例中CE极间等效电阻rce的影响。1）估算静态工作点。（同上例）2）画出交流通路等效电路图。3）例方程计算。输出电阻的计算：设输入信号为零（输入端短路），将负载开路，在输出端口上加入一信号源，测量此时输出端口的电流电压关系。2.5静态工作点的稳定问题简单的单管共射放大器存在的问题：温度变化，更换三极管等都会引起b值得变化，相应地引起静态工作点的变化。解决方法：（1）用电阻(RB1,RB2)分压来确定基极静态工作点电位，使不受外界条件的影响。（2）用射极电阻(RE)来确定静态工作电流，使不受b值变化的影响。静态工作点的稳定过程：UBQ：基极静态电位

从反馈的角度：RE在直流通路中引入了一个电流串联负反馈，因此称此电路为电流负反馈式工作点稳定电路。电容C3称“旁路电容”，作用是使RE交流短路，即电阻RE不对交流通路产生影响。一、静态分析（1）基极静态电位UBQ

假设基极电流IBQ很小，不影响电阻RB1、RB2的分压点，则：（2）发射极电流IEQ和集电极电流ICQ

发射极电流和电阻RE上的电流相同:集电极电流为：（3）基极静态电流：

从以上分析中可以看到，电路中发射极电流IEQ与晶体管无关，仅取决于外部电阻回路，当晶体管的b值增大事，电路会自动减小基极电流IBQ，使静态工作点稳定。（4）进一步可以求得集电极电压：二、动态分析由于引入了“旁路电容”，因此电阻RE对交流信号不起作用，电路的结构和简单的单管共射放大器相同：输入电阻：输出电阻：放大倍数：2.6放大电路的三种基本组态

基本的共射组态的特点：即可以实现电压放大，又可以实现电流放大。2.6.1共集电极放大电路（射极输出器，射极跟随器）

结构：输入和输出信号的公共端口为“地”，对交流信号而言，集电极短接在“交流地”（VCC）上，因此交流输入和输出信号的公共端是集电极，故名共集电极放大电路。输出端点在发射极上，故又名“射极输出器”。一、静态工作点：电流方程：求解可得：请思考此式的物理意义。二、交流分析（1）放大倍数和输入电阻。由于电阻RE和RL并联，设：列方程：求解可得：基极到地之间的等效输入电阻为：总输入电阻为：电压放大倍数为：电流放大倍数：（请思考此式的物理意义）（2）输出电阻列方程:求解可得输出电阻：（请思考此式的物理意义）射极输出器的特点：（1）没有电压增强的能力，但是有电流放大的能力。同相放大。（2）基极的输入电阻很高（不考虑偏置电阻），输出电阻很低，因此负载能力强，适用于做输入或输出的缓冲器（阻抗变换器）。2.6.2共基极放大电路

电路结构：信号由发射极输入，集电极输出，公共端口为地。基极电位“固定”，相当于“交流地”，故称共基极放大电路。实际电路中，基极电位由电阻RB1和RB2的分压决定，大电容Cb称“蓄能电容”，相当于一个电压源，提供放大时基极所需要的瞬态电流。一、静态工作点的分析和电流负反馈式工作点稳定电路相同，具体分析略。二、交流分析输入电阻：电压放大倍数：电流放大倍数：输出电阻：共基极放大电路的特点：（1）有电压放大作用，但是无电流放大作用。（2）输入电阻低，可以用作电流输入型放大器。输出电阻高（不考虑负载电阻RC），可以当作电流源输出使用。（3）CE极间无耦合电容，频率特性好，常用作高频放大器。2.7场效应管放大电路。

MOSFET的端口与BJT的端口相对应，电路结构相似，原理的理解相似。

MOSFET与BJT的重要特性差别：

BJT是电流控制电流型器件，用b值衡量电流控制电流的能力。

MOSFET是电压控制电流型器件，用跨导gm衡量电压控制电流的能力。2.7.1场效应管的特点（1）栅输入电阻高，栅极几乎无电流通过。（2）场效应管是单极器件，BJT是双极器件。（3）MOSFET的工艺简单，易于集成。（4）MOSFET的栅容易被静电击穿，使用和焊接时必须加以注意。MOSFET的导电特性：在恒流区：在可变电阻区：其中：MOSFET的跨导：MOSFET的跨导不是一个常数，与静态工作点相关。2.7.2MOSFET的微变等效电路（在恒流区内）（1）栅极和源、漏极之间的输入电阻很高，可以视为开路。（2）在一个确定的直流偏置点下，当电流电压围绕偏置点在一个小范围内变化（交流小信号变化）时，跨导gm可以近似地看成一个常数。（3）源-漏之间的电流不受源-漏之间电压的影响，可以看成一个电流源，该电流源的变化受栅极电压的控制。MOSFET的微变等效电路2.7.2分压、自偏压式共源放大电路（对应共射放大电路）MOS放大电路的分析:

（1）根据直流通路求解静态工作点，确定跨导gm。（2）根据交流通路画出微变等效电路，求解其它参数。一、静态分析（1）栅极静态偏置电位：（2）求解源漏电流：

解上两方程，可得源漏静态电流，进一步求得跨导。

小注：如果MOS管的宽长比很大（k值很大），也可以近似地认为UGSQ≈VTH，并有：该近似可以避免求解二元方程，简化计算。二、动态分析：（1）利用交流通路画出微变等效电路图。列方程：（2）求解方程可得：放大倍数：输入电阻：输出电阻：2.7.4共漏放大器（源极跟随器、源极输出器，对应射极跟随器）一、直流分析：同共源放大器（略)二、交流分析（1）电压放大倍数和输入电阻。列方程：（2）求解可得：当时，Au≈1输入电阻：（3）求解输出电阻：列方程：求解可得输出电阻：请考虑此式的物理意义补充：共栅极放大器（对应于共基极放大器）信号由源极输入，漏极输出，栅极电位不变，在交流分析中是“交流地”。输入电阻：输出电阻：放大倍数：2.8多级放大电路

单管组成的简单放大器，电压放大倍数有限，并且难以达到总体的技术指标（输入输出电阻，放大倍数，输出功率等），因此必须采用多级放大电路。多级放大电路之间信号的传输称“耦合”。常见的耦合方法有：电容耦合，直接耦合，变压器耦合2.8.1电容耦合各个放大级之间用电容连接，利用电容“隔直通交”的特性来传递交流信号。特点：1、各级电路之间的静态工作点相互独立，计算分析和设计方便。

2、只能传输交流信号，无法放大直流和缓变的低频信号。

3、耦合电容的容量较大，无法应用于集成电路。2.8.2直接耦合去除掉耦合电容，将上一级的输出端直接连接到下一级的输入端。优点：交直流信号都可以放大，并且便于集成化设计，是在各种放大电路中使用最为广泛的一种耦合方式。缺点：各个放大级之间存在直流通路，静态工作点之间相互影响，分析较为复杂，有时需要列联立方程组来求解静态工作点。问题分析：两个单管共射放大器的直接耦合，其中T2管的BE结压降也就是T1管的静态集电极电位，仅0.7V左右，这时T1管的静态工作点已经接近饱和区，因此无法实现正常的全波放大。

当输入电压上升时，T1管进入饱和区，