电路和电子技术（下册）-2

2.1共发射极放大电路下一页返回2.1.1放大电路的概念

1.放大电路的功能和组成 放大电路的功能是将微弱的电信号进行放大，使接在放大器输出端负载上得到的输出信号与输入端所加信号源信号的变化规律相同，而输出信号的幅度和功率比输入信号大得多。 例如:扩音机能够将较小的声音信号放大到足以推动扬声器工作，其工作示意图如图2.1(a)所示。话筒(麦克)是一种传感器，它能够将声音信号转变为微弱的电信号，经过扩音机中的放大器进行放大，再由扬声器将放大后的电信号转变成声音送出来，我们即可听到比原来的声音大许多倍的语言或音乐信号。这个扩音系统可用放大器的一般组成框图来表示自由信号源、放大器和负载三个部分组成，如图2.1(b)所示。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回归纳起来，放大电路的工作具有以下特征: ①不失真地放大输入信号的电压、电流或功率，如果输出信号发生失真，放大就失去意义; ②放大电路是能量的转换器或控制器。在放大电路工作的过程中，放大的本质是将电源的直流功率转换为按输入信号规律变化的交流功率。 因此，放大器的组成必须以三极管、场效应管等能量控制元件为核心。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.放大电路的分类和性能指标

按放大对象分类:有电压放大器、电流放大器和功率放大器;

按工作频率分类:有低频放大电路、高频放大电路和宽带放大电路等;

按放大电路接法分类:有共发射极接法、共集电极接法、共基极接法等。 放大电路的性能常用以下指标来衡量:电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、非线性失真系数等，除此之外，还有最大输出电压、功率放大倍数、输出功率和效率等指标。 交流放大电路常常以正弦交流信号作为其输入测试信号。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

2.1.2

基本放大电路的工作原理1.放大电路的组成 共发射极接法基本交流放大电路的结构如图2.2所示，图中虚线划分了信号源、放大电路和负载三个部分。放大电路由三极管T、基极偏置电阻、集电极电阻,藕合电容和直流电源组成。2.放大电路中各元件的作用 放大电路的核心元件是三极管T，在此电路中T为NPN型硅管。其发射结导通电压(也称为死区电压)为0.4-0.5V，工作电压为0.6-0.7V。电源通过电阻为三极管提供基极偏置电流，保证三极管的发射结正偏、集电结反偏，使三极管工作在放大状态。通过电阻将集电极电流的变化转化为输出电压的变化。分别是输入和输出藕合电容，它提供了信号源和放大器之间、放大器和负载之间交流信号的通路，而阻隔了三者之间直流的联系。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回3.放大电路的工作原理 本章中设输入信号为正弦波。在输入信号时，放大电路的工作状态称为静态。设电路参数设置合适，使三极管处于放大状态，此时在电容之间的放大器中有静态直流电流和电 压，这些电流和电压的数值称为放大器的静态工作点。利用KCL和KVL，电流和电压可以由以上电量求得。 当输入信号时，放大器的工作状态称为动态。经藕合电容送至放大电路的输入端，在静态值的基础上，引起输入电压和电流的变化，形成直流量和交流量的叠加，即。由于三极管具有电流放大作用，在放大电路的输出回路，引起输出电流和电压的变化，仍然是在静态值基础上叠加一个放大了的交流量， 即。经过藕合电容送到输出端，去掉了中的直流分量，在负载上形成输出电压。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回根据输出回路的KVL方程，当增大时，必定减小，所以上得到是一个与输入电压相位相反且放大了的交流信号电压。放大电路中各电压、电流的波形如图2.3所示。为了区别放大电路中各电压、电流的直流分量、交流分量和交直流总量，本书中采用不同的文字符号来表示，如表2.1所示。放大电路的工作过程仍然符合能量守恒定律。三极管T控制直流电源的能量，将较小的放大成较大的，从而使微弱的输入信号被放大成较大的输出电压。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.1.3基本放大电路的静态分析1.设置静态工作点的原因 通过对放大电路工作原理和工作波形的分析可知，在加入输入信号时，放大电路中的电压电流均为交、直流分量共存，而且在输入正弦波变化的一个周期内，三极管始终处于线性放大状态，能够不失真地放大交流信。 如果在图2.4中，静态时将放大电路设置为零偏置， 即，晶体管处于截止状态。当加入时， 若信号幅值小于发射结的死区电压，三极管在的整个周 期内始终为截止状态。即使的幅值较大，在的大半个周期内，晶体管T仍会截止，从而导致输出电压的严重失真。这种情况与放大器的工作要求是不相符合的，所以设置合适的静态工作点是非常必要的。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.静态值的计算 静态分析的方法有两种:估算法和图解法。由于静态值是直流量，故可以利用放大电路的直流通路来进行计算。将图2.2中藕合电 容视为开路，即可得到基本放大电路的直流通路，如图2.5(a)所示。为了分析方便，画为图2.5(b)的形式。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回放大电路的静态分析就是在输入信号，并已知电路参数的情况 下，求三极管的电流和电压的值。根据基尔霍夫定律，分别列出放大电路输入回路的KVL方程： 和输出回路的KVL方程 从而导出求放大器静态值的表达式2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

例2.1在图2.2中，已知:

，计算放大电路的静态值。解：根据图2.5所示的直流通路，利用表达式(2.2)-(2.4)，可求得电路的静态值为：2.1共发射极放大电路上一页下一页返回3.静态分析的图解法 图解法是利用在三极管的输入特性和输出特性曲线上作直流负载线的方法求得放大电路的静态值。对图2.5(b)所示放大电路的输入回路,a,b左边为线性电路，其伏安特性是式(2.1)所表示的直线方程。a,b右边为三极管的输入端，其伏安特性为图2.6(a)所示的输入特性曲线。静态值应同时满足两边的伏安特性。所以将(2.1）式表示的直线画在输入特性的坐标平血中，交点Q就是静态工作点，Q点的坐标即是静态值。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

同理，在图2.6(b)所示的输出回路c,d的左右，静态值既要 满足电源与集电极电阻串联支路的伏安特性—直线方程式

(2.4)，也要满足三极管的输出特性曲线。 在式(2.4)中，当，与纵坐标交于M点;

当，，与横坐标较于N点。将M点和N点连接起来的 直线称为放大电路输出回路的直流负载线。按例2.1的电路参数，， 所以直流负载线与输出特性曲线相交的点Q即为静态工作 点，其坐标值（）即是所要求的静态值。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

从图2.6中可看出，静态工作点口的位置与电路参数 均有关系。当调整这些参数时，会使直流负载线的斜率和静态工作点 口的位置有所变动尤其是在确定之后，调节偏置电阻 即可改变基极电流，使输出特性上的工作点沿负载线向左上或右下移动。选择合适的工作点，就是通过调整的大小来实现的。 由于三极管输入特性的线性段非常陡峭，用图解法求输入回路的静态值不是很精确，所以常常采用估算法求出的值，再在输出 特性曲线上用图解法求的数值。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.1.4基本放大电路的动态分析动态分析也有两种基本方法:微变等效电路分析法和图解分析法。2.1.4.1微变等效电路分析法 微变等效电路分析法是在放大电路的微变等效电路中，对放大 电路的电压放大倍数输入电阻和输出电阻进行分析。

1.放大电路的交流通路 交流通路是交流信号流经的路径，图2.7是图2.2所示放大电路 的交流通路。在放大电路频率特性的中频段，当藕合电容的 容量足够大时，可视为短路;通常直流电源的内阻很小，可忽略不计，由于交流电流流过直流电源时不产生交流压降，所以，电源也可视作短路。因此只要将和看成短路线，即可画出放大电路的交流通路。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.放大电路的微变等效电路

将图2.7中的三极管T用图1.37(c)的简化微变等效电路来代替， 即得到放大电路的微变等效电路，如图2.8所示。由于设定输入信号 为正弦信号，所以图中各电流、电压均可用相量来表示，也可用瞬 时值表示。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回3.放大电路的动态分析

(1)电压放大倍数 电压放大倍数是衡量放大器对输入信号放大能力的主要性能指标，它定义为 由图2.8所示微变等效电路，可得放大电路的输入电压 和输出电压2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

故有电压放大倍数

其中，称为放大电路的等效负载电阻。 式(2.6)中负号表示输出电压与输入电压的相位相反。显然，电压放大倍数与三极管的电流放大系数β管子的输入电阻、集电极电阻负载电阻以及静态工作点的大小有关，当放大器输出端接有负载电阻时，所对应的电压放大倍数 比放大器输出端空载时要小。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回（2）输入电阻 由图2.1(b)可见，放大电路的输入端是与信号源相联系的，如 果将放大器看成是信号源的负载，这个等效的负载电阻即是放大器的 输入电阻可定义为

实际上，输入电阻就是从放大电路输入端看进去的动态等效电阻。由于与信号源内阻分压，所以实际加到放大器输入端 的输入电压的幅度比信号源电压的幅度要小。即2.1共发射极放大电路上一页下一页返回上式说明是衡量放大器对信号源电压衰减程度的一个参数。显 然，数值越大，越接近，而且从信号源索取的电流也会越 小。由图2.8的微变等效电路易知 通常在电路中，因此在数值上有，但是二者的 概念是不同的，是放大电路的输入电阻，而是三极管的输入电阻，请注意不要将它们混淆。 利用电压放大倍的定义式(2.5)和输入电压与信号源电压的关系 式(2.8)，可以求得放大电路的源电压放大倍数2.1共发射极放大电路上一页下一页返回(3)输出电阻 在图2.8的微变等效电路中，放大电路的输出电阻是从输出端向放大器看去的等效电阻，显然这是一个含受控源的电路。首先将 放大电路的负载去掉，再将独立电源除源，即把信号电压源用短路线代替，内阻保留，受控源也保留。然后在放大电路输出端加入恒 压源，如图2.9所示。由图可见，外加电压源在中产生的基极 电流为零，即，故集电极电流也为零，即，所 以受控电流源开路。因此放大电路的输出电阻为集电极电阻，即2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

当放大电路结构复杂或未知时，可以采用实验测量的方法求 得。对于负载来说，可将放大电路看成信号源，如图2.10所 示。若在放大电路输入端加入正弦信号，在输出端分别测得空载 输出电压和接入负载后的输出电压，由关系式

可得 式(2.12)表明输出电阻越小，越接近，即放大电路的 输出电压受负载的影响越小，所以通常用来衡量放大电路的带负载能力。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回例2.2在例2.1中，若负载，信号源内阻,输入信号电压为（1）求(2)若输出端空载时，求

解：(1)为了进行动态分析，应求出三极管的输入电阻，需要先求出 静态发射极电流，根据例2.1的结果和式(1.17)，可得

2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

这个电路的微变等效电路如图2.8所示，根据式(2.6)到式(2.11)的结论，可求得放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。 得输出电压的瞬时值2.1共发射极放大电路上一页下一页返回(2)当输出端空载时

对比，可看出三个电压放大倍数之间的差别。 输出端接负载时，电压放大倍数比空载时减小，而考虑到信号源内阻 对信号源电压的分压，输入电压随之减小，源电压放大 倍数会进一步减小。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.1.4.2图解分析法

1.放大电路的图解分析法 在2.1.2节分析放大电路的工作原理时曾经讨论过，当一个正弦 交流信号加到放大电路的输入端后，发射结电压和基极电流 都会随之发生变化，成为直流分量(静态值)和交流分量的叠加，即。这一结论可以从图2.11

所示输入特性曲线中，的对应关系上看得很清楚。 分析中认为输入特性曲线上之间近似为直线。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回

从图2.12输出特性曲线中，电压和电流的对应关系可以看出，当放大电路输出端空载时，的变化不仅要受的控制，同时还应符合输出回路的伏安关系，即KVL方程式。从几何图形上看，的变化，可看 成放大电路的工作点口随基极电流的变化在直流负载线上的移动。 当放大电路输出端接有负载电阻时，可以利用关系 式，在原直流负载线的基础上，通过口点作一条交流负载线(静态值不变)。其斜率为，如图2.12所示显而易见，在放大电路参数和输入信号电压均不变的情况下，的变 化量也不变，只是变小了，这是由于的缘故，此时仍 有。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回2.非线性失真的分析 以上微变等效电路分析法和图解分析法的前提是三极管应工作在线性放大区，即放大器的静态工作点必须选择得合适，以保证在交流信号变化的整个周期内，三极管均应处于放大状态。若工作点Q选择得过高或过低，在加入输入信号后，都将会导致输出信号进入三极管的非线性区，故将这种波形失真叫做非线性失真。2.1共发射极放大电路上一页下一页返回(1)工作点过高引起饱和失真 在图2.13中，若静态工作点选择在点，接近饱和区，则在输入信号较大时，输出信号有半周进入饱和区，故有的正半周被削波，而的负半周被削波。将这种由于输出信号进入饱和区引起的非线性失真称为饱和失真。为了消除这种失真，应降低静态工作点，即减小基极电流。根据式(2.2)，适当增大偏置电阻，即可使静态工作点沿直流负载线向右下方移动，从而使输出信号消除了饱和失真。请注意，饱和失真只发生在输出回路，此时，输入回路 的信号并没有发生失真。2.1共发射极放大电路上一页返回(2)工作点过低引起截止失真 在图2.14中，若静态工作点选择在点，接近截止区，则在输入信号的负半周，、的负半周均进入截止区，输出信号 的正半周失真，此时三极管各个极的电流均接近于零。将这种由于三极管截止引起的非线性失真称为截止失真。当减小电阻时，偏置电流增大，静态工作点沿负载线向左上方移动，从而消除了截止失真。 对比以上两种非线性失真，饱和失真的输入信号处于线性区，而输出信号进入了非线性区;截止失真的输入、输出信号均进入了非线性区，所以输出信号的失真波形并没有完全被削平。 当静态工作点选择得合适，即Q点基本选在交流负载线的中点，但若输入信号过大，则将使输出信号同时进入饱和区和截止区，输出波形发生严重的非线性失真，这是应避免的。2.2静态工作点稳定的放大电路下一页返回2.2.1温度变化对静态工作点的影响 基本放大电路图2.2的偏置电流与偏置电阻成反比，当不变时，也不变，故称为固定偏置电路。它虽然结构简单和易于调整，但电路的静态工作点极易受到外界环境因素(如电源电压的波动和温度变化等)的影响，尤其是温度变化引起三极管参数的变化，在导致Q点不稳定的诸多因素中是最主要的。 当环境温度升高时，三极管的电流放大系数β和穿透电流将随之变大。而外加发射结电压不变时，基极电流也会变大，这些均可归结为集电极电流变大，如图2.15所示。所以虽然电路结构和参数都不变，但静态工作向左上方移动至，严重时甚至接近饱和区。2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回

显然在这种情况下，要将口点移回到原来的位置，应适当减小 偏置电流。因此，稳定静态工作点的实质是，在环境温度变化时，利用直流负反馈或温度补偿的方法，使的变化与的变化方向相反，即用的变化抵消的变化，从而维持Q点基本不变。 通常采用分压式偏置电路来实现这一目的。2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回2.2.2分压式偏置电路1.电路的组成 稳定静态工作点的典型电路—分压式偏置电路如图2.16所示，与固定偏置放大电路相比，分压式偏置电路增加了下偏置电阻，发射极电阻和旁路电容。由于基极回路采用电阻构成分压电路，故而得名。

2.稳定静态工作点的原理 分压式偏置电路的直流通路如图2.17所示。对于结点B，可写出

KCL方程。为了稳定静态工作点，应适当选取参数， 使，因而有基极对地电位2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回

式(2.13)表明，基本取决于电路参数，而与温度无关，即当上、下偏置电阻和电源电压确定以后，保持基本不变。当 时，电路的发射极静态电流可用下式估算 当一定时，也保持基本稳定，不仅受温度影响很小，而且与三极管参数几乎无关。当换用参数不同的三极管时，也可以保持静态工作点基本不变。 当温度T升高时，分压式偏置电路稳定静态工作点的物理过程可表示如下:2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回2.2.3静态分析由式(2.13)和式(2.14)可估算出集电极电流进而 估算法的近似在于式(2.13)分压的条件，适当选择电路参数即可满足。应当指出，不管电路参数的配置是否满足的条件，的直流负反馈用存在。另外，的固定取值，以及的近似，都会使静态值的计算产生误差，但在工 程上，这种误差是可以接受的。2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回2.2.4动态分析

画出图2.16所示电路的微变等效电路，如图2.18(a)所示。若将 等效成一个电阻，与图2.8对比则可看出，分压式偏置电路与固定偏置电路的微变等效电路是完全相同的，所以电压放大倍数、输入电阻和输出电阻分别为2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回

若将放大电路中发射极旁路电容开路，则微变等效电路如图2.18(b)所示。由图可知，输入电压和输出电压为所以有2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回

对比式(2.17)和式(2.19)以及式(2.18)和式(2.20)可看出，当去掉旁路电容时，发射极电阻对电压放大倍数的影响很大，使大大下降，但却提高了输入电阻，改善了放大电路性能。因为当信号源为电压源时，放大电路的输入电阻高，将使其从信号源得到更大的输入电压，而索取的输入电流则较小，即减小了放大电路对信号源的影响。在式(2.19)和式(2.20)中，的部分可看成将电阻从发射极回路折算到基极回路，其阻值乘以倍。 对电压放大倍数和输入电阻的影响属于交流负反馈，为 避免下降过多，在电路中通常将分为两部分，只在其中一 部分电阻上并联旁路电容，如图2.19所示。2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回例2.3在图2.19所示电路中，已知:(1)求静态工作点；(2)画出微变等效电路；（3）(4)将开路，求。解：电路图中发射极电阻未被旁路，其中流过交、直流电流，而上只流过直流电流，所以在计算静态值时，需要考虑；画微变等效电路和进行动态分析时，应只考虑的作用。2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回（1）（2）微变等效电路如图2.20所示。2.2静态工作点稳定的放大电路上一页下一页返回(3)由微变等效电路进行动态分析2.2静态工作点稳定的放大电路上一页返回(4)将开路，有对比(3),(4)的计算结果，可知应如何设置，保证放大电路既有合适的静态工作点，又不致使下降过多。2.3共集电极放大电路下一页返回2.3.1静态分析

共集电极放大电路的结构如图2.21所示。输入信号从三极管的基极与地之间加入，输出信号从发射极与地之间取出，所以又称为射极输出器。 当输入信号时，电路工作于直流工作状态。将藕合电容 视为开路，两个电容之间由电源三极管T和电阻组成的部分即为直流通路，由此可求出静态值。列出输入回路的KVL方程故有2.3共集电极放大电路上一页下一页返回2.3.2动态分析

当加入输入信号时，首先画出射极输出器的微变等效电路，如图2.22所示。由图可见，集电极C接地，故称共集电极电路，由此可对放大电路进行动态分析。1.电压放大倍数对输入回路可列出KVL方程式中为电路的等效负载电阻。2.3共集电极放大电路上一页下一页返回对输出回路故有电压放大倍数 由式(2.23)可见，，即同相位。当时，,即射极输出器没有电压放大能力，但由三极管电 流关系式，可知，共集电极电路能够放大电流， 从而放大功率。因为输出电压总是与输入电压的变化趋势相同，所以这种电路也称为射极跟随器。2.3共集电极放大电路上一页下一页返回2.输入电阻由的表达式可得故有 式(2.24)表明共集电极放大电路比共发射极放大电路具有更大的输入电阻，通常可达到几十到几百千欧。2.3共集电极放大电路上一页下一页返回3.输出电阻 为了推导输出电阻的表达式，利用外加电源法求含受控源二端 网络的等效电阻，令图2.22中输入信号，保留信号源内 阻，同时去掉负载电阻，在输出端外加一电压源，并由 的方向标出电流的方向，再由的方向标出的方向，如图2.23所示。列出KCL电流方程，并代入2.3共集电极放大电路上一页下一页返回有故有输出电阻式中很显然射极输出器的输出电阻可视为两部分并联。2.3共集电极放大电路上一页下一页返回例2.4在图2.21所示射极输出器电路中，已知:(1)求静态值(2)求解（1）2.3共集电极放大电路上一页下一页返回（2）解：2.3共集电极放大电路上一页下一页返回2.3.3特点及应用由以上分析可归纳出射极输出器电路的特点:①电压放大倍数小于1，但接近于1;②输出信号与输入信号同相，具有跟随作用;③输入电阻高;④输出电阻低。2.3共集电极放大电路上一页返回应用

利用射极输出器输入电阻高的特点，可将其用作多级放大电路的输入级，使放大电路从信号源获得更大的输入电压，同时，又可以减小信号源所提供的电流。利用其输出电阻低的特点，可作为多级放大电路的输出级，使输出电压相对稳定，电压放大倍数基本不随负载变化，将放大电路的这种性能称为带负载能力强。另外，还可以将射极输出器接在两级共发射极放大电路之间，作为中间隔离级。它既可以提高前级放大电路的电压放大倍数，又能很好地与输入电阻低的共发射极电路配合，起到阻抗变换(或阻抗匹配)的作用。因此，射极输出器在电子电路中应用非常广泛。2.4多级放大电路下一页返回2.4.1多级放大电路的级间藕合方式

放大电路的输入信号一般都很微弱，为毫伏或微伏量级。为了达到负载所要求的电压或功率，应采用多级放大电路，其组成框图如图2.24所示。

将多个单级放大电路连接起来，即构成多级放大电路。各级放大电路之间的连接方式称为级间藕合方式，实现藕合的电路称为级间藕合电路。

1.对藕合电路的要求 ①保证各级均有合适的静态工作点; ②信号传输不产生失真; ③信号能有效地传输，即尽量减少信号在藕合电路上的损失。2.4多级放大电路上一页下一页返回2.级间藕合方式 通常多级放大电路的级间藕合方式有四种:阻容藕合、直接藕合、变压器藕合和光电藕合。

(1)阻容藕合方式 由级间藕合电容与后一级放大电路的输入电阻构成两级之间的藕合电路，是交流放大电路中使用最多的耦合方式。

(2)直接藕合方式 将前、后两级用导线直接相连即构成直接藕合，因此它既能放大交流信号，又能放大变化缓慢的“直流”信号，常用于集成电路中。

(3)变压器藕合方式 利用变压器将前、后两级连接起来即构成变压器藕合。

(4)光电藕合方式 利用光电藕合器(简称光藕)将前、后两级连接起来所构成的藕合。

光电藕合器内部结构如图2.25所示2.4多级放大电路上一页下一页返回光电藕合器具有以下特点:①信号传递采用电-光-电的形式，发光元件和受光元件不接触，具有 很高的绝缘电阻，能承受2000V以上的高压，因此被藕合的两个部分可以分别接地，而不需要“共地”，绝缘和隔离性能都很好；②发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声和干扰信号形成低阻抗旁路，因此具有很强的抗电气干扰的能力;③作为开关使用时，具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为量级，高速光藕可达量级。 应该指出的是，光藕更多地用于信号隔离或转换、高压开关、脉冲系统间的电平匹配以及各种数字逻辑电路中。2.4多级放大电路上一页下一页返回2.4.2阻容藕合放大电路的分析1.电压放大倍数 在放大器工作的频率范围内，藕合电容上的交流压降可忽略不计，所以认为第一级放大电路的输出电压全部加到第二级放大电路的 输入端，即。所以对于两级放大电路来说，总的电压放大 倍数为

对多级放大电路来说，总的电压放大倍数等于各级放大电路电压放大倍数的乘积。其条件是后级输入电压等于前级的输出电压，或等效于后级输入电阻作为前级的负载电阻。2.4多级放大电路上一页下一页返回2.输入电阻和输出电阻 对于两级放大电路，有 输入电阻 输出电阻2.4多级放大电路上一页下一页返回例2.5在图2.26所示的两级阻容藕合放大电路中，已知:信号源电压内阻要求:(1)画出放大电路的微变等效电路；（2）求总电压放大倍数、输入电阻和输出电阻；（3）求输出电压解（1） 微变等效电路如图2.27所示。2.4多级放大电路上一页下一页返回(2)第二级放大电路的输入电阻第一级电压放大倍数第二级电压放大倍数2.4多级放大电路上一页下一页返回总的电压放大倍数 输入电阻 输出电阻（3）输入电压

输出电压2.4多级放大电路上一页下一页返回2.4.3阻容藕合放大电路的频率特性

在前血放大电路的动态分析中，假定输入信号为单一频率的正弦信号，且忽略了电容的容抗。而实际的输入信号往往是含有不同频率分量的信号电压(如语言、音乐、图像信号等)。此时，藕合电容 和旁路电容等大电容，以及三极管的结电容和负载的电容效应等，都会对不同的频率分量产生不同的容抗，造成电压放大倍数的模和相位均随频率产生变化。若输出信号的不同频率分量之间在幅值和相位上的比例与输入信号的比例不完全相同，则称输出信号产生了频率失真。2.4多级放大电路上一页下一页返回

幅频特性表示电压放大倍数的模随频率的变化规律。相频特性 表示电压放大倍数的相位随频率的变化规律。单级共发射极放大电路 的幅频特性和相频特性如图2.28(a),(b)所示，在放大电路频率特性 的中间段，电压放大倍数基本上是一个常数，输出电压对输入 电压的相位移为，这一频率范围称为中频段。但在频率降低或升高 时，均会下降，同时在基础上产生超前或滞后的附加相位移。2.4多级放大电路上一页下一页返回

当电压放大倍数的模下降为时，所对应的低 端频率称为下限截止频率;高端频率儿称为上限截止频率。定义:

之间的频率范围称为放大器的通频带(或称带宽)，即

是放大电路的一个重要的性能指标。可认为处于通频带范围内的输入信号的频率分量，都能通过放大电路。若输入信号中部分频率分量低于或高于，则输出信号中这部分频率的幅值将明显减小，所以通常希望通频带宽一些，以减小频率失真。2.4多级放大电路上一页下一页返回

下面利用图2.29对共发射极放大电路幅频特性的三个频段作一 定性说明。图中表示三极管结电容和输入端分布电容的综合效应;

表示负载电容和输出端分布电容的综合效应。

在中频段，藕合电容和的容量较大，对信号频率来说容抗较小，可视为短路。而和的容量很小，容抗很大，可视为开路。所以各电容的作用均可不考虑，电压放大倍数基本为一常数，与频率无关。2.4多级放大电路上一页返回

在低频段，更大，可看成开路而不考虑，而较大，且串联在信号通路上，分压作用不再能忽略不计，因此，发射 结上得到的电压和负载上得到的输出电压都会随频率下 降而减小因而导致比中频段下降。 在高频段，比中频段更小，可忽略不计。而则随频率增大而减小。的分流作用使减小;并联 引起下降，进而导致下降。另外，在高频段，三极管电流 放大系数β的下降也会引起下降。2.5差动放大电路下一页返回

在实际的自动控制系统中，被控制量大多是模拟量，如温度、压力、流量等。它们经传感器转换成微弱的、变化缓慢的“直流”信号，送到放大器中进行放大或经信号处理，再输出进行系统控制。此时放大器只能采用直接藕合方式，其电路形式如图2.30所示。由于没有了藕合电容，放大电路具有良好的低频特性，较宽的通频带，直流放大器的幅频特性如图2.31所示。直接藕合放大器也称为直流放大器，集成电路中均采用直接藕合方式。2.5差动放大电路上一页下一页返回2.5.1直接藕合放大电路的零点漂移

直接藕合方式用导线将前、后级直接相连，两级之间直流通路和交流通路均相互连通，因此带来了两方面的问题: ①前、后级静态工作点的互相影响; ②零点漂移。2.5差动放大电路上一页下一页返回1.零点漂移现象及其产生原因 在理想状态下，若直接藕合放大电路的输入信号时，输出电压应不随时间变化，即，但实际情况并非如此。如果在放大电路输出端接一灵敏的直流电压表，就会测量到缓慢变化的输出电压，如图2.32所示，这种现象称为零点漂移。 事实上，零点漂移存在于任何藕合方式的放大电路中。阻容藕合放大电路不会将这种变化缓慢的漂移电压传输到下一级进行逐级放大，因此对放大电路的工作不会有太大影响。而对直接藕合放大器则会产生比较严重的后果，漂移电压会逐级传送和逐级放大，甚至在输出端会分不清信号和漂移，使放大电路不能正常工作。2.5差动放大电路上一页下一页返回2.抑制零点漂移的方法 抑制零点漂移的实质就是稳定放大电路的静态工作点。归纳起来，抑制零点漂移的方法有以下几种： ①采用直流负反馈，如2.2节所讨论的电路措施; ②采用温度补偿的方法，用热敏元件补偿晶体管参数随温度变化对放大器工作性能的影响; ③采用特性和参数基本相同的两个三极管构成“差动放大器”，使它们的漂移在放大电路输出端相互抵消。差动放大电路（简称“差放”）是一种非常有效地抑制零点漂移的电路形式。2.5差动放大电路上一页下一页返回2.5.2差动放大电路的组成和工作原理1.差动放大电路的组成 差动放大器的原理电路如图2.33所示，电路由为核心 的两个共发射极电路组成。要求两个管子的特性和参数相同，两边的 电路结构对称，对应的电阻参数也相等，因此静态工作点也相同。输 入信号分别从两管的基极与地之间加入，输出信号从两管的集电极之 间取出。2.5差动放大电路上一页下一页返回2.抑制零点漂移的原理 当温度T升高时，两个管子的都会增大，基极电位则会下降，而且变化的幅度相等，在输出端漂移互相抵消，即 在电路采用双端输出和理想对称的情况下，只要两管的漂移是同方向的，均能够得到完全的抑制，这是差动放大器得到广泛应用的主要原因。2.5差动放大电路上一页下一页返回3.差模输入和共模输入(1)差模输入 两个输入信号大小相等，极性相反，称为差模信号，即。此时两管各自的输出电压也是大小相等，极性相反，即，故有。差模输出电压是每管输出电压的两倍，可以实现差模电压放大。(2)共模输入 两个输入信号大小相等，极性相同，称为共模信号，即，两管的输出电压也是大小相等，极性相同，即。故有，共模输出电压为零，因此在理想对称的情况下，差动放大电路对共模输入信号没有放大作用。2.5差动放大电路上一页下一页返回2.5.3差动放大电路的输入输出方式

差动放大电路的输入信号有两种不同的连接方式，将输入信号加在两个管子的基极之间的输入方式称为双端入;而将输入信号加在一个管子的基极和地之间，另一个管子的基极直接接地的输入方式称为单端输入。 在差动放大电路的输出端也有两种不同的连接方式。输出电压取自两个管子的集电极之间时，称为双端输出;输出电压取自一个管子的集电极与地之间时，称为单端输出。因此组合起来共有四种输入、输出的连接方式，即双端输入双端输出、单端输入单端输出、双端输入单端输出和单端输入双端输出。2.5差动放大电路上一页下一页返回1.双端输入双端输出电路（1）典型差动放大电路的结构 利用图2.34所示的典型差动放大电路来分析双端输入双端输出电路的动态工作情况和特点。与差动放大器原理电路相比，典型差动放大电路多出了三个元件：调零电位器，发射极电阻和负电 源。它们在电路中所起的作用是：

①电位器:由于实际电路元件参数和特性的分散性，不可能做到两边电路完全对称。因此用调整偏置电流，使电路。通常选取为几十到几百欧姆。2.5差动放大电路上一页下一页返回②的作用是稳定静态工作点，减小零点漂移(工作原理与2.2节的分析完全相同)。当有共模信号输入时，同样具有负反馈的作 用，而且由于流入的电流是，所以负反馈的作用更强，大大减小了输出电压中的共模分量。故将称为共模负反馈电阻。 ③加入负电源是为了补偿上的压降。保证静态时基极电位，以减小干扰对差动放大电路的影响。在多数情况下，电 源的数值相等。2.5差动放大电路上一页下一页返回(2)差模电压放大倍数 典型差动放大电路加差模输入信号时的交流通路如图2.35(a)所示。由于两个输入信号大小相等，方向相反，在电阻上引起的电流,互相抵消掉，所以对差模信号不产生压降。而对差模信号会产生压降，且具有一定的负反馈作用，但因其阻值较小可忽略不计，因此图2.35中没有画出电阻。由电路结构的对称性有大小相等、极性相反，所以负载电阻的中点为交流信号的地电位，相当于每管接负载。画出单管差模信号微变等效电路如图2.35(b)所示。2.5差动放大电路上一页下一页返回差动放大电路的差模电压放大倍数为

式中为差动放大电路双端输出时的等效负载电 阻。负号表示输出电压与输入电压的极性相反。虽然差模放 大倍数与单管电压放大倍数相等，但电路对共模信号和零点漂移的抑 制作用却大大加强。可自动区分差模输入信号和共模输入信号， 且区别对待若将零点漂移视为共模信号的一种特例，则双端输出的差 动放大电路抑制共模信号的措施有两条:第一，利用对称性抵消共模 输出信号;第二，利用的强负反馈作用来减小共模输出信号。2.5差动放大电路上一页下一页返回2.单端输入单端输出电路 单端输入单端输出的差动放大电路如图2.36(a)所示。单端输入电路看似只有一个管子加入了输入信号，但实际上可以通过信号分解，等效成两管各取得了差模信号和共模信号，所以仍相当于双端输入，其输入信号等效电路如图2.36(b)所示。 与双端输入差放电路不同，单端输入电路不仅加入了差模信号，而且同时加入了共模信号，输出电压中也是差模输出分量和共模输出分量之和，即2.5差动放大电路上一页下一页返回(1)差模电压放大倍数 单端输出时，输出电压仅取自某一个管子的输出端，有或

式中，为等效负载电阻。对比式(2.30)和式(2.32)可见，在差动放大电路输出端空载的条件下，单端输出的差模电压放大倍数为双端输出的差模电压放大倍数的一半。的大小只与输出方式有关，而与输入方式无关。2.5差动放大电路上一页下一页返回(2)共模电压放大倍数 由于差动放大电路两边输入信号的共模分量大小相等，极性相同，所以流过的电流为，可以认为是流过，且，当时，共模电压放大倍数为 式(2.33)表明差动放大器的共模电压放大倍数与成反比，当阻值越大，对共模信号的负反馈作用就越强，共模输出电压也就越小。单端输出时，不可能利用两管对称来抵消共模输出电压，只能利用对共模信号的负反馈作用来减小。2.5差动放大电路上一页下一页返回(3)共模抑制比 为了表示差动放大器对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，定义差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比为“共 模抑制比”，用表示，即若用分贝表示，有2.5差动放大电路上一页返回3.单端输入双端输出电路 具有恒流源的差动放大电路如图2.37所示，它采用单端输入双端输出的连接方式。图中恒流源由组成，在不太高的电源电压下，既为差动放大电路设置了静态工作点，又大大增强了共模负反馈作用。 电阻和稳压管使三极管的基极电位固定，由于电路两边对称，有。当温度变化或加入共模信号时，的负反馈作用使保持基本不变，故可将虚线框内电路视为一个受控恒流源，使电路具有更强的抑制共模信号的能力。4.双端输入单端输出电路 这种连接方式常用来将差动信号转换成单端输出的信号，以便与后面的放大电路处于共地状态，运放中常常采用这种连接方式。

表2.2给出了差动放大电路的四种输入输出方式及其性能的比较2.6功率放大电路下一页返回2.6.1功率放大电路的概念

1.对功率放大电路的要求 要推动负载工作，例如使扬声器发出声音、继电器动作等，必须使用功率放大电路。从能量转换和控制的角度来说，电压放大电路和功率放大电路并没有本质的差别。但对两种放大电路的要求是不同的。电压放大电路只要提供较大的、不失真的输出电压，具有高而稳定的电压放大倍数。而对功率放大电路则有以下3点要求: ①能够输出足以推动负载工作的功率，即必须同时提供足够大的电压和电流;②要有较高的效率，即将电源提供的直流功率，尽可能多地转化成输出功率，而减小功放本身的功率损耗，使较大;③非线性失真较小，由于三极管在大信号情况下工作，运用接近极限状态，所以减小失真是一个很重要的问题。2.6功率放大电路上一页下一页返回2.功率放大电路的三种工作状态 ①甲类工作状态:Q点选择在交流负载线的中点，如图2.38(a)所示，输出信号不失真。但在输入信号为零时，电源提供的功率全部消耗在功放内部。可以证明，在理想情况下最大效率也只有50%，而实际效率远远低于这个水平。因此实际功放很少采用甲类工作状态。 ②乙类工作状态:Q点选择在交流负载线的下端，输出特性曲线截止区的边缘，如图2.38(b)所示，若输入信号为正弦波时，输出信号只剩 下半周，发生了严重失真。但输入信号时，功放本身的功率 消耗也接近于零。因此乙类功放比甲类功放明显提高了效率，在理想情况下最大效率的理论值为78.5%。 ③甲乙类工作状态:Q点的位置比乙类工作状态略向上移，输出仍有较大失真，效率介于甲类和乙类之间。如图2.38(c)所示。2.6功率放大电路上一页下一页返回2.6.2互补对称功率放大电路

为了解决信号失真和提高功放的效率，常采用互补对称功率放大电路。利用两个类型不同(NPN型和PNP型)、但特性及参数相同的 三极管组成功率放大电路。由于它们对偏置电压极性要求不 同，所以NPN管工作在输入信号的正半周，PNP管工作在输入信号的负半周，构成完整的输出信号。这种工作方式被称为互补对称方式:互补是指两管为不同类型，对称是指两管的特性和参数相同。本节讨论两种互补对称电路:双电源的无输出电容OCL（OutputCapacitorless）电路；单电源的有输出电容、无输出变压器OTL(OutputTtansformerless)。2.6功率放大电路上一页下一页返回1.OCL功率放大电路

(1)OCL电路的工作原理 无输出电容的互补对称功率放大电路的原理电路如图2.39(a)所示。图中三极管为NPN型管，为PNP型管，两个电源大小相等，极性相反，输入信号接于两个管子的基极，负载接于两个管子的发射极。该电路实质上是由两个工作在乙类状态的射极输出器组合而成。 设输入信号为正弦波。当输入时，两管都处于截止状态，所以输出信号，管子损耗也接近零。当输入信号，且大于三极管发射结死区电压时，管发射结正向 偏置，管发射结反向偏置，故导通，截止，由电源向负载供电，从而得到输出电压的正半周，其电流路 径如图2.39(a)中所示。2.6功率放大电路上一页下一页返回

当输入信号，且大于三极管发射结死区电压时，截止，导通，由电源向负载供电，其电流路径为，得到输出电压的负半周，因此上得到一个完整的波形，如图2.39(b)所示。显然输出波形存在着失真，这是由于在过零、且小于三极管发射结死区电压时，两个管子均不导通，由 此产生的波形失真称为交越失真图2.40给出了在输入特性上对交越失真的分析。2.6功率放大电路上一页下一页返回(2)消除交越失真的OCL电路 为了消除交越失真，可为OCL电路设置很小的静态工作点，以克服三极管发射结的死区电压，设置偏置的一种常用电路如图2.41所示。图中利用二极管的正向压降为三极管提供正向偏置电压，使具有很小的静态偏置电流。采用二极管作为偏置电路的元件，是由于二极管与三极管发射结的结构和导通电压基本相同，同时 二极管还可起到温度补偿的作用，能够稳定的静态工作点。2.6功率放大电路上一页下一页返回

在电路中，静态时从经支路至有一直流电流， 在两个三极管基极之间所产生的压降为， 使稍大于两管发射结电压之和。此时均处于微导通状态。当加入输入电压时，即可根据的极性导通或截止。即使很小，也能保证有一个管子导通，从而消除了交越失真。消除交越失真的输入特性图解分析如图2.42所示。电路中的作用是在 静态时，调节使的发射极对地电位,

即在 综上所述，在的一个周期中，的导通时间均大于的半个周期，所以两管工作于甲乙类状态。2.6功率放大电路上一页下一页返回2.OTL功率放大电路 另一种互补对称电路OTL功率放大电路的原理电路如图2.43所示，它 与电路的结构和工作原理类似。在输入信号的正、负半 周交替导通，在输出端组合成完整波形。与OCL电路不同的是，OTL电路采用单电源供电。它用一个大容量的电容C代替了负电源，为输出的电信号的负半周提供电流。 在的正半周，导通，截止，电流从经地，在上输出电压正半周的同时，还给电容充电。到的负半周，截止，导通，电流从形成回路，构成上输出电压的负半周。为了保证输出电压的正、负半周对称，要求在静态时，。只要电容C的容量足够大(通常选为几百微法)，使充电和放电时间常数远大于信号周期，即可保证在的整个周期保持基本不变。2.6功率放大电路上一页下一页返回3.复合管 采用复合管(也称达林顿管)是为了提高电路的输出功率而采取的措施，常用于功放电路和直流稳压电源电路。将三极管中的集电极或发射极接到的基极，即构成复合管，可等效为一个电流放大系数很大的晶体管，如图2.44所示。下面以图2.44(a)为例，推导复合管的电流放大系数β的表达式，由于，，所以有，利用，有 所以2.6功率放大电路上一页下一页返回

对于图2.44(b)复合管的电流放大系数同样符合的关 系式。复合管的类型取决于管的类型，而与管的类型无 关。通常复合管是由不同类型的晶体管组成，为小功率管，为大 功率管。这是因为由不同类型的小功率管和同样类型的大功率管组成 的复合管比较容易配对，恰恰可以用来组成特性和参数一致的复合管 互补对称电路，称为复合互补对称功率放大电路。

图2.45给出带有前置放大级的复合互补对称功率放大电路。其基 本工作原理与OTL电路完全相同:组成复合管，元 件的功能为设置静态工作点，避免交越失真。为 电流负反馈电阻，使电路工作更加稳定。由构成的电压放大器， 是功放的前置放大级，它的结构是典型的分压式偏置电路。2.6功率放大电路上一页下一页返回2.6.3集成功率放大器

集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)是20世纪60年代初期发展起来的一种新型半导体器件。集成电路是将晶体管、电阻、电容及其连线同时制造在一块半导体芯片上，组成一个具有完整功能的电路。将输入端、输出端和外接元器件的端子引出，构成集成电路的引脚。引脚的数量有几个到几十个，甚至上百个不等。。 集成功放的种类和型号很多，本节以音频集成功放LM386为例，介绍集成功放的结构和典型应用。LM386的特点是输出功率较大(达几百到1000mW)、外接元件少、自身功耗低、通频带宽(达几百MHz）、电源电压的允许范围宽(4一18V）等等。LM386在收音机、录音机等电路中得到广泛应用。2.6功率放大电路上一页下一页返回1.LM386的结构和符号

图2.46(a)所示为LM386的外形图，为双列直插式塑封结构;图2. 46(b)为LM386的引脚排列图，共有8个引脚。其中输入端有两个(2脚和3脚),5脚的输出电压与2脚加入的信号电压反相，与3脚加入的信号 电压同相。7脚接入相位补偿电路是为了消除自激振荡。1、8脚之间 接不同元件可构成不同的电压增益。1、8脚之间开路时，电压放大倍 数最小，为;1、8脚之间接电容时，电压放大倍 数最大，为;若在1、8脚之间接可变电阻R与电容串联，则在20-200之间可调，电阻R