城市轨道交通电工电子技术及应用课件 模块8 交流放大电路

模块8交流放大电路1.掌握共射级放大电路的结构及个元件的作用2.了解三极管放大电路的微变等效3.掌握三极管放大电路的分析方法4.掌握分压式偏置电路稳定了解工作点的原理5.了解多级放大电路的分类及特点6.掌握反馈的判断和对电路的影响7.掌握功率放大电路的工作原理单元8.1共射极基本放大电路放大器的基本结构可能是某种用电设备，也可能是一级放大器也可能是一级放大电路放大电路的种类分类方法种类应用信号的

大小小信号放大器位于多级放大电路的前级，专门用于小信号的放大大信号放大器位于多级放大电路的后级，如功率放大器，专门用于大信号的放大所放大的信号频率直流放大器专门用于放大直流信号和变化缓慢的信号，集成电路采用的就是直流放大器低频放大器专门用于低频信号的放大高频放大器专门用于高频信号的放大三极管的连接方式共射极放大器最常用的放大器，具有电压和电流放大能力，是唯一能够同时放大电流和电压的放大器共集电极放大器常用放大器，只有电流放大能力，没有电压放大能力，又称为射极输出器或射极跟随器.共基极放大器用于高频放大电路中，只有电压放大能力，没有电流放大能力，很少用元件集约程度分立元件放大器是由单个分立的元器件组成的电子线路集成放大器将电子元器件和连线按照电子线路的连接方法，集中制作在一小块晶片上的电子器件一、共射极基本放大电路的组成1.放大电路组成及各元件的作用输入耦合电容其作用一是隔直流；二是通交流。输出耦合电容其作用一是隔直流；二是通交流。基极偏置电阻其作用为电路提供静态偏流IBQ。集电极电阻其作用将三极管的电流放大作用变换成电压放大作用。直流电源其作用一是为电路提供能源；二是为电路提供工作电压。三极管其作用可以将微小的基极电流转换成较大的集电极电流，它是放大器的核心。二、各元器件的作用2.放大器中电压、电流符号及正方向的规定物理量表示符号直流量用大写字母带大写下标.如：IB、IC、IE、UBE、UCE交流量用小写字母带小写下标.如：ib、ic、ie、ube、uce、ui、uo交直流叠加量用小写字母带大写下标.如：iB、iC、iE、uBE、uCE交流分量的有效值用大写字母带小写下标.如：Ib、Ic、Ie、Ube、Uce电压用“+”、“-”表示,电流用箭头表示。（1）电压、电流符号：（2）电压、电流的正方向：3.静态工作点的设置（1）静态工作点直流通路输入、输出特性曲线上的Q点三极管的IB、IC、UBE和UCE值叫静态值。这些静态值分别在输入、输出特性曲线上对应着一点Q，称为静态工作点，或简称Q点，静态：ui=0用IBQ、ICQ和UCEQ表示。（UBEQ为常数）（2）静态工作点的作用未设静态工作点时ui和iB波形设置静态工作点的目的：使放大器能不失真放大交流信号。Q具有合适静态工作点时ui和iB波形思考：放大电路为什么要设置静态工作点？（1）静态（ui=0）工作情况

共射极基本放大电路静态时电路的工作情况所谓静态指的是放大器在没有交流信号输入（即ui=0）时的工作状态。静态：三、共射极基本放大电路放大原理ui→uBE→iB→iC→uCE→uoiB+-uBEiC+-uCEuiuo+-+-uBE＝UBEQ＋uiiB=IBQ＋ibiC=ICQ+icuCE＝UCEQ＋（－icRC）输出uo＝uce=－icRC

即uCE＝UCEQ＋uce输入ui（2）动态工作情况uCE＝UCC－iCRC=VCC－ICQRC－icRC用示波器观察到的输入输出电压波形只要电路参数能使三极管工作在放大区，且RC足够大，则uo的变化幅度将比ui变化幅度大很多倍。输入电压输出电压（1）输出电压uo的幅度比输入电压ui大，说明放大器实现了电压放大.ui、ib、ic三者频率相同，相位相同，而uo与ui相位相反，这叫做共射极放大器的“反相”作用。从工作波形我们可以看出：（2）动态时，uBE、iB、iC、uCE都是直流分量和交流分量的叠加，波形也是两种分量的合成。（3）虽然动态时各部分电压和电流大小随时间变化，但方向却始终保持和静态时一致，所以静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ是交流放大的基础。不能简单地认为，只要对输入电压进行放大就是放大器。从本质上说，上述电压放大作用是一种能量转换作用，即在很小的输入信号功率控制下，将电源的直流功率转变成较大的输出信号功率。放大器的输出功率必须比输入功率要大，否则不能算是放大器。例如，虽然升压变压器可以增大电压幅度，但由于它的输出功率总比输入功率小，因此就不能称它为放大器。单元8.2放大电路分析放大电路的工作状态分为交流和直流状态，分别称为“动态”和“静态”。静态—输入信号等于0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。动态—输入信号不等于0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。分析方法常用的有计算法、图解法和微变等效电路法。已知电路各元器件的参数，利用公式通过近似计算来分析放大器性能的方法称为近似估算法。（1）近似估算放大器的静态工作点直流通路——所谓直流通路是指直流信号流通的路径。

画法:把电容看作断路

静态工作点直流通路

当放大电路没有输入信号，即ui=0时的工作状态称为静态。静态分析的主要任务是确定放大电路的静态值（直流值）IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。这些静态值的大小反映了静态时放大电路的工作情况，被称作“静态工作点”值。“静态工作点”值关系到放大电路能否正常实现放大及放大质量的好坏，合适的“静态工作点”值是放大电路提供正常放大的必备条件。一、

静态分析(1)直流通路及画法直流通路：是指放大电路中直流电流流过的路径。它是进行“静态工作点”值估算的基础。图

共射极基本放大电路的直流通路(2)静态工作点的估算由图共射极基本放大电路的直流通路，有

则基极电流因硅管的UBEQ为0.7V，锗管为0.3V，一般情况下，UCC＞＞UBEQ，忽略UBEQ时，则有集电极电流集电极发射极电压利用在三极管输入特性和输出特性曲线上绘图的方法，确定静态工作点，解出各静态值。具体步骤：（1）由公式求解出IBQ，静态工作点必定位于静态基极电流IBQ所对应的输出特性曲线上；（2）由集电极输出回路，列直流负载方程式UCE=UCC－ICRC(3)静态工作点的图解法在输出特性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点UCC和UCC/RC，即可画出直流负载线；（3）直流负载线与输出特性曲线上所对应的静态基极电流IBQ相交一点Q，即为静态工作点。于是可得到Q点在X轴上的数值UCEQ，在Y轴上的数值ICQ。如图所示。

一般在放大电路中，均是小信号工作，不会进入饱和区和截止区，只要静态工作点合适，不必考虑失真问题。但在大信号运用时，或工作点设置不正确，会产生失真，为了具体研究三极管工作的动态范围或失真的情况，才需要在输出特性曲线上进行作图。二、动态分析

当放大电路有输入信号，即ui≠0时的工作状态称为动态。动态分析就是分析信号在电路中的传输情况，即分析各个电压、电流随输入信号变化的情况。(1)交流通路及画法

交流信号在放大电路中的传输通道称为交流通路。画交流通路的原则是在信号频率范围内，电路中耦合电容C1、C2的容抗XC很小，可视为短路；直流电源的内阻一般很小，可忽略，视为短路。按此原则画出图7-2电路的交流通路如图7-6所示。图

共射极基本放大电路的交流通路

(2)微变等效电路分析法图

微变等效电路在此处引入晶体管输入电阻的计算公式：则图的微变等效电路如下图所示。图

放大电路等效电路电压放大倍数

输入电阻指从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输出电阻指放大器信号源短路、负载开路，从输出端看进去的等效电阻，定义为

例

如图所示的电路中，若UCC=12V，RB=200kΩ，RC=2kΩ，负载电阻RL=2kΩ，β=50，试用近似估算法求：(1)静态工作点；(2)输入电阻、输出电阻；(3)空载和有载时的电压放大倍数。解：(1)(2)(3)空载时有载时图

工作点对放大波形的影响三、单管放大电路的波形测试

(1)波形的非线性失真饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管特性曲线的饱和区而引起的非线性失真。截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管特性曲线的截止区而引起的非线性失真。(2)放大电路的最大不失真输出幅度

放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位，并且要有合适的交流负载线。单元8.3分压偏置电路及静态工作点的稳定一、温度对静态工作点的影响

半导体器件对温度非常敏感，当温度升高，三极管的电流放大系数β和穿透电流ICEO都会加大；在相同的发射结电压UBE下，基极电流IB也会加大。

一、温度对静态工作点的影响工作点不稳定的主要因素是温度变化思考：怎样才能保证静态工作点不受温度变化的影响？45ºC45°时电路的静态工作点25º时电路的静态工作点20μA40μAQ例：温度升高Q点上移反之，Q点下移Q点过高，易发生饱和失真反之，易发生截止失真稳定静态工作点有两种方法：采用恒温设备利用分压式偏置电路实现二、分压偏置放大电路分压式射极偏置电路直流通路1.电路结构特点（1）利用上偏置电阻RB1和下偏置电阻RB2组成串联分压器，为基极提供稳定的静态工作电压UBQ。I1=I2+IBQ

（2）利用发射极电阻RE，自动使静态电流IEQ稳定不变。UBQ=UBEQ+UEQ上偏置电阻下偏置电阻集电极电阻射极电阻旁路电容输入耦合电容输出耦合电容I1I2IBQUBQUBEQUEQ++-IEQ

二、分压偏置放大电路为了稳定静态工作点，一般取I1＞＞IBQ，静态时有

UB=UCCRB2/(RB1+RB2)当UCC

、RB1、RB2确定后，UB也就基本确定，不受温度影响。假设温度上升，使三极管的基极电流IC增大，发射极电流IE也增大，IE在发射极电阻RE上产生的压降UE也增大，使三极管发射结上的电压UBE=UB-UE减小，从而使基极电流IB减小，又导致IC减小。其工作过程可以描述为：温度T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓图

分压式偏置电路图

直流通路1.静态分析ICQ≈IEQ

UCEQ=VCC-ICQ（RC+RE）————直流通路直流通路2.动态分析图

交流通路图

交流通路的微等效电路【例】在分压式射极偏置电路中，若RB1=7.6kΩ，RB2=2.4kΩ，RC=2kΩ，RL=2kΩ，RE=1kΩ，VCC=12V，三极管的β=60.求：（1）放大电路的静态工作点；（2）放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压放大倍数AuL。解：（1）估算静态工作点基极电压：静态集电极电流：静态偏置电流：静态集电极电压：【例】在分压式射极偏置电路中，若RB1=7.6kΩ，RB2=2.4kΩ，RC=2kΩ，RL=2kΩ，RE=1kΩ，VCC=12V，三极管的β=60.求：（1）放大电路的静态工作点；（2）放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压放大倍数AuL。（2）估算输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压放大倍数Au放大器的输入电阻：放大器的输出电阻：放大器的电压放大倍数：Ri≈rbe=0.85kΩRo≈RC=2kΩ因单元8.4多级放大电路多级放大电路的组成在实际应用中，要把一个微弱的电信号放大几千倍或几万倍甚至更大，仅靠单级放大器是不够的，通常需要把若干级放大器连接起来，将信号进行逐级放大。一、直接耦合放大电路（1）无耦合元器件，信号通过导线直接传递，可放大缓慢的直流信号。（2）直流放大器必须采用这种耦合方式。（3）前、后级的静态工作点互相影响，给电路的设计和调试增加了难度。直接耦合便于电路的集成化，因此广泛应用于集成电路中。二、阻容耦合放大电路（1）用一只容量足够大的耦合电容进行连接，传递交流信号。（2）前、后级放大器之间的直流电路被隔离，静态工作点彼此独立，互不影响。它的低频特性不很好，不能用于直流放大器中，一般应用在低频电压放大电路中。多级放大器的近似估算1.估算多级放大器的电压放大倍数AuAu＝Au1Au2…Aun2.估算多级放大器的输入电阻Ri和输出电阻RoRo=RonRi=Ri1单元8.5放大电路中的负反馈一、负反馈的概念放大器中的反馈指把放大器输出信号（电压或电流）的一部分或全部通过一定的电路，按照某种方式送回到输入端并与输入信号（电压或电流）叠加，从而改变放大器性能的一种方法，这种把电压或电流从放大器的输出端返送到输入端的过程叫做反馈。1.什么是反馈正向传输反向传输XiXiXo反馈放大器通常称为闭环放大器，而未引入反馈的放大器则称为开环放大器。通常用电阻、电容、电感等元件组成引导反馈信号的电路称为反馈电路.构成反馈电路的元件叫反馈元件，反馈元件联系着放大器的输出与输入，并影响放大器的输入。

反馈放大电路是由基本放大电路和反馈电路两部分组成。二、反馈的分类（1）正反馈与的负反馈反馈信号Xf与输入信号Xi极性相同，使净输入信号增加。反馈信号Xf与输入信号Xi极性相反，使净输入信号减小。正反馈使放大器的放大倍数增加。负反馈使放大器的放大倍数减小。1）正反馈2）负反馈提示：负反馈虽使放大倍数减小，但能改善放大器的性能，所以，大部分放大器都要引入负反馈。正反馈一般应用在振荡电路中。（2）电压反馈和电流反馈1）电压反馈：2）电流反馈：电流反馈的取样环节与输出端串联反馈信号Xf取自输出端负载两端的电压uo。反馈信号Xf取自输出电流io。电压反馈的取样环节与输出端并联（3）串联反馈和并联反馈1）串联反馈：反馈电路与信号源相串联.2）并联反馈：反馈电路与信号源相并联.串联反馈，反馈信号在输入端以电压形式出现并联反馈，反馈信号在输入端以电流形式出现（4）直流反馈和交流反馈1）直流反馈：反馈信号只含有直流量。2）交流反馈：反馈信号只含有交流量。反馈的判断1.有无反馈的判断反馈放大器的特征是是否存在反馈元件，反馈元件是联系放大器的输出与输入的桥梁。无反馈元件RF、CF为反馈元件RE、CE为反馈元件2.反馈极性的判断反馈极性的判断一般采用——瞬时极性法（1）先假设输入信号在某一瞬间对地为“+”；（2）从输入端到输出端依次标出放大器各点的瞬时极性；（3）反馈信号的极性与输入信号进行比较，确定反馈极性。具体步骤如下：送回到基极的反馈信号瞬时极性若为“-”，是负反馈；送回到发射极的反馈信号瞬时极性若为“+”，是负反馈；正反馈负反馈负反馈正反馈反之，则是正反馈。反之，则是正反馈。注意：

1）三极管各电极的相位关系，发射极信号与基极输入信号瞬时极性相同，集电极瞬时极性与基极瞬时极性相反。2）反馈电路中的电阻、电容等元件，一般认为它们在信号传输过程中不产生附加相移，对瞬时极性没有影响。例：设基极输入瞬时极性为“+”，+_因净输入信号ube=ui+uf，所以电路引入了正反馈。ufube+_用瞬时极性法：3.电压反馈和电流反馈的判断电压反馈和电流反馈的判断方法：看反馈电路在输出回路的连接方法。反馈电路接在输出端点上，所以是电压反馈反馈电路接在发射极，所以是电流反馈反馈电路接在第二级放大电路的发射极，所以是电流反馈若反馈电路接在输出端为电压反馈，不接在输出端（一般接发射极）为电流反馈。4.串联反馈和并联反馈的判断串联反馈和并联反馈的判断方法：看反馈电路在输入回路的连接方法。反馈电路接在输入端点上，所以是并联反馈反馈电路接在输入回路的发射极，所以是串联反馈反馈电路接在输入回路的发射极，所以是串联反馈若反馈电路接在输入端为并联反馈，不接在输入端（一般接发射极）为串联反馈。5.直流反馈和交流反馈的判断若反馈电路中存在电容，根据电容“通交隔直”的特性来进行判断。CF通交流，所以，是交流反馈CE隔直流，所以，是直流反馈反馈电路中无电容，所以，交、直流均存在反馈，是交流直流共存反馈类型的判断方法：电压电流看输出，串联并联看输入，交流直流看电容，正负反馈看极性。CE通交流，RE被短路，不起反馈作用负反馈放大器的四种基本类型电压串联负反馈电流串联负反馈电压并联负反馈电流并联负反馈三、负反馈放大电路的特例——射极输出器1.电路组成输入端输出端射极输出器交流通路射极输出器是一种共集电极放大电路。uf交流通路ui典型的电压串联负反馈电路。2.射极输出器的特点（1）电压放大倍数接近于1（2）输出电压与输入电压大小相等、相位相同射极输出器又称为“射极跟随器”，或简称为“射随器”。（3）输入电阻很大，输出电阻很小

射极输出器又称为“阻抗变换器”。尽管射极输出器的电压放大倍数略小于1，但其输出电流为基极电流的（1＋β）倍，具有电流放大作用，因此它仍具有一定的功率放大能力。3.射极输出器的应用（1）用作多级放大电路的输入级。因输入电阻很大，可减轻信号源的负担。（2）用作多级放大电路的输出级。因输出电阻很小，可以提高带载能力。（3）用作多级放大电路的中间级。因其具有电压跟随作用，且输入电阻大对前级的影响小，输出电阻小，对后级的影响也小，所以，用作中间级起缓冲、隔离作用。四、负反馈对放大器性能的影响2.提高放大倍数的稳定性3.减小非线性失真大小大小小大uf提示：引入负反馈并不能彻底消除非线性失真。如果输入信号本身就有失真，引入负反馈也无法改善，因为负反馈所能改善的只是放大器所引起的非线性失真。电压负反馈能稳定输出电压，电流负反馈能稳定输出电流.1.降低放大倍数4.影响输入电阻和输出电阻（1）对输入电阻的影响串联负反馈使输入电阻增大并联负反馈输入电阻减小（2）对输出电阻的影响电压负反馈使输出电阻减小电流负反馈使输出电阻增大1）串联负反馈2）并联负反馈1）电压负反馈2）电流负反馈【例】如下图所示电路，试判断电路的反馈类型。解：（1）看联系。这是一个两级放大电路，通过RF、RE1把第二级和第一级放大电路联系起来，这两级放大电路之间存在反馈。（2）看输出。由于反馈电路接在输出端，所以是电压反馈。（3）看输入。反馈电路接在输入回路的发射极，所以是串联反馈。（4）看电容。在反馈电路中无电容，所以交、直流均存在反馈；（5）看极性。若假设第一级基极输入瞬时极性为“+”，则经第一级放大，集电极输出信号为“-”，再经第二级放大，集电极输出信号为“+”，经RF、RE1送回第一级放大器发射极，反馈电压uf为“+”，使净输入信号ube=ui-uf减小，说明电路引入了负反馈。总之，放大电路通过RF、RE1为电路引入了电压串联交、直流负反馈，简称电压串联负反馈。【例】如下图所示电路，试判断电路的反馈类型。引入负反馈并不能彻底消除非线性失真.如果输入信号本身就有失真，引入负反馈也无法改善，因为负反馈所能改善的只是放大器所引起的非线性失真。单元8.6功率放大电路一、放大电路的组成

小信号放大电路（低频电压放大器）的主要任务是把微弱的信号电压放大，主要是要求它向负载提供不失真的电压信号。

功率放大器的主要任务是既能输出较高的电压又能输出较大电流，主要要求它输出足够大的不失真（或失真很小）的功率信号。电子设备中，常要求放大电路的输出级带动某些负载工作。例如，使仪表指针偏转，使扬声器发声，驱动自控系统中的执行机构等等。因而要求放大电路有足够大的输出功率。这种放大电路统称为功率放大器。功率放大的特殊要求：

输出功率Pomax

要大，三极管尽量极限工作效率

=Pomax/PDC

要高非线性失真要小散热问题按功率放大器输出端特点不同分类，有（1）变压器耦合的功率放大器（2）无输出变压器的功率放大器（OTL电路）（3）无输出电容的功率放大器（OCL电路）二、互补对称功率放大电路1.单电源供电的互补对称功放电路1）静态：由于电路结构对称，所以Uk=VCC/2，因两管均无偏置，两管均处于截止状态，IBQ=0，ICQ=0，工作在乙类状态。2）动态当ui>0时，V1导通，V2截止，电源VCC通过V1向电容C充电+uiuo当ui<0时，V2导通，V1截止，C（UC=VCC/2）通过V2放电ic1ic1OTL电路V1和V2交替工作，在RL上可获得正、负半周完整的输出信号波形，实现了信号的功率放大。提示：虽然电容C在工作中有时充电，有时放电，但因其容量较大，所以，电容两端电压基本维持在VCC/2，起电源的作用。—OTL电路（OutputTransformerless）（1）电路组成及工作原理问题：

当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起

交越失真。交越失真输入信号幅度越小失真越明显。克服交越失真的思路：

tiC0ICQ1ICQ2K电容C的作用：1）充当VCC/2