第二章 放大电路电路的基本原理.ppt

1、(2-1),电子技术,第二章 基本放大电路,模拟电路部分,(2-2),第二章 基本放大电路,2.1 概论 2.2 放大电路的组成和工作原理 2.3 放大电路的分析方法 2.4 静态工作点的稳定 2.5 射极输出器 2.6 场效应管放大电路 2.7 多级阻容耦合多级放大电路,(2-3),放大电路（亦称放大器）是一种应用极为广泛的电子电路。 在电视、广播、通信、测量仪表以及其它各种电子设备中，是必不可少的重要组成部分。 它的主要功能是将微弱的电信号（电压、电流、功率）进行放大，以满足人们的实际需要。例如扩音机就是应用放大电路的一个典型例子。其原理框图如图2 -1所示。,图 2-1 扩音机原理框图,

2、 2.1 放大的概念和放大电路的指标,2.1.1 放大的概念,(2-4),当人们对着话筒讲话时，声音信号经过话筒（传感器）被转变成微弱的电信号，经放大电路放大成足够强的电信号后，才能驱动扬声器，使其发出比原来大得多的声音。放大电路放大的实质是能量的控制和转换。在输入信号作用下，放大电路将直流电源所提供的能量转换成负载（例如扬声器）所获得的能量，这个能量大于信号源所提供的能量。 因此放大电路的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流信号， 也可能兼而有之。那么，由谁来控制能量转换呢？答案是有源器件，即三极管和场效应管等等。,(2-5),电子学中放大的目的是将微弱的变化信号

3、放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,Au,(2-6),2.1.2 放大电路的性能指标,任何一个放大电路都可以看成一个二端网络。图2-3为放大电路示意图，左边为输入端口，外接正弦信号源 ，Rs为信号源的内阻，在外加信号的作用下，放大电路得到输入电压 ，同时产生输入电流 ；右边为输出端口，外接负载RL，在输出端可得到输出电压 ，输出电流 。,图 2-3 放大电路示意图,(2-7),1 放大倍数 放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标。电压放大倍数是输出电压的变化量和输入电压的变化量之比。当放大电路的输入为正弦信号时，变化量也

4、可用电压的正弦量来表示，即,(2-1),电流放大倍数是输出电流的变化量和输入电流的变化量之比， 用正弦量表示为,(2-2),(2-8),互阻放大倍数是输出电压的变化量和输入电流的变化量之比， 用正弦量表示为,(2-3),其量纲为电阻。 互导放大倍数是输出电流的变化量和输入电压的变化量之比， 用正弦量表示为,(2-4),其量纲为电导。,(2-9),2、输入电阻ri,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,定义：,即：ri越大，Ii 就越小，ui就越接近uS,(2-

5、10),3、输出电阻ro,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,(2-11),如何确定电路的输出电阻ro ？,步骤：,1. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。,2. 加压求流法。,方法一：计算。,(2-12),方法二：测量。,1. 测量开路电压。,2. 测量接入负载后的输出电压。,步骤：,3. 计算。,(2-13),4、通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,(2-14),当放大倍数从 下降到 （即0.707 ）时，在高频段和低频段所对应的频率分别称为上限截止频率fH和下限截止频

6、率fL。fH和fL之间形成的频带宽度称为通频带，记为fBW。,(2-8),通频带越宽表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。 但是通频带宽度也不是越宽越好，超出信号所需要的宽度，一是增加成本，二是把信号以外的干扰和噪声信号一起放大， 显然是无益的。所以应根据信号的频带宽度来要求放大电路应有的通频带。,(2-15),5 非线性失真系数 由于放大器件具有非线性特性，因此它们的线性放大范围有一定的限度，超过这个限度， 将会产生非线性失真。当输入单一频率的正弦信号时，输出波形中除基波成分外，还含有一定数量的谐波，所有的谐波成分总量与基波成分之比，称为非线性失真系数D。设基波幅值为A1、二次谐波幅值为

7、A2、三次谐波幅值为A3、，则,(2-9),(2-16),6 最大不失真输出电压 最大不失真输出电压是指在输出波形不失真的情况下，放大电路可提供给负载的最大输出电压。一般用有效值Uom表示。,(2-17),7 最大输出功率和效率 最大输出功率是指在输出信号不失真的情况下，负载上能获得的最大功率，记为Pom。在放大电路中，输入信号的功率通常较小，经放大电路放大器件的控制作用将直流电源的功率转换为交流功率，使负载上得到较大的输出功率。通常将最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PV之比称为效率，即,(2-10),它反映了直流电源的利用率。,(2-18),符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流

8、量。,uA,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,(2-19), 2.2 基本共发射极放大电路工作原理,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,(2-20),2.2.1 共射放大电路的基本组成,放大元件iC= iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,输入,输出,？,参考点,(2-21),作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,(2-22),集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,(2-23),集电极电阻，将变化的电流

9、转变为变化的电压。,(2-24),耦合电容： 电解电容，有极性。 大小为10F50F,作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,(2-25),可以省去,电路改进：采用单电源供电,(2-26),(2-27),2.2.2 静态工作点的设置 当外加输入信号为零时，放大电路处于直流工作状态或静止状态，简称静态。此时，在直流电源UCC的作用下，三极管的各电极都存在直流电流和直流电压，这些直流电流和直流电压在三极管的输入和输出特性曲线上各自对应一点Q，该点称为静态工作点。静态工作点处的基极电流、基极与发射极之间的电压分别用IBQ、UBEQ表示，集电极电流、集电极与发射极之间的电压分别

10、用ICQ、UCEQ表示。 由上图的直流通路可求得静态基极电流为,(2-11),(2-28),在近似估算中常认为UBEQ为已知量，可近似认为硅管的UBEQ=(0.60.8) V，锗管的UBEQ=(0.10.3) V。 已知三极管的集电极电流与基极电流之间的关系为 ， 则集电极电流为,由图2-5（b）的集电极回路可得,(2-13),(2-29),假设不设静态工作点的放大电路，电阻Rb去掉，当在输入端加入正弦交流电压信号时，由于三极管的发射结的单向导电作用， 在输入信号的负半周发射结反向偏置，三极管截止，基极电流和集电极电流均为零， 输出端没有输出。 在输入信号的正半周，由于输入特性存在导通电压且在

11、起始处弯曲，使基极电流不能马上按比例地随输入电压的大小而变化， 导致输出信号失真。因此放大电路中必须设置静态工作点，即在没有输入信号时，就预先给三极管一个基极直流电流， 使三极管发射结有一个正向偏置电压，当加入交流信号后，交流电压叠加在直流电压上， 共同作用于发射结， 如果基极电流选择适当，可保证加在发射结上的电压始终为正， 三极管一直工作在线性放大状态，不会使输出波形失真。 此外，静态工作点的设置不仅会影响放大电路是否会产生失真， 还会影响放大电路的性能指标，如放大倍数、最大输出电压等，这些将在后面加以说明。,(2-30),2.2.3 基本放大电路的工作原理,由于电源的存在IB0,IC0,I

12、BQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、静态工作点,(2-31),IBQ,ICQ,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),(2-32),(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,(2-33),IB,uCE怎么变化,？,假设uBE有一微小的变化,(2-34),uCE的变化沿一条直线,uce相位如何,？,uce与ui反相！,(2-35),各点波形,(2-36),2.2.4放大电路组成原则,1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3. 输入回路将变化的电压转化成变化

13、的基极电流。,4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,(2-37),如何判断一个电路是否能实现放大？,3. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,4. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来判断；如果未给定电路的参数，则假定参数设置正确。,1. 信号能否输入到放大电路中。,2. 信号能否输出。,与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：,(2-38),两种常见的共射放大电路,直接耦合放大电路 阻容耦合放大电路,(2-39),2.3 放大电路的基本分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法

14、,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,(2-40),2.3.1 直流通道和交流通道,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考虑交流信号的分电路。 直流通道：只考虑直流信号的分电路。 信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,(2-41),例：,对直流信号（只有+EC）,(2-42),对交流信号(输入信号ui),(2-43),2.3.2 静态工作点的近似估算,一、估算法,（1）根据直流通道估算IB,RB称

15、为偏置电阻，IB称为偏置电流。,(2-44),（2）根据直流通道估算UCE、IB,IC,UCE,(2-45),例：用估算法计算静态工作点。,已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,请注意电路中IB 和IC 的数量级。,(2-46),一、直流负载线,IC,UCE,UCEIC满足什么关系？,1. 三极管的输出特性。,2. UCE=ECICRC 。,直流 负载线,与输出特性的交点就是Q点,IB,直流负载线和交流负载线,(2-47),二、图解法,先估算 IB ，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与 IB 对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。,(2-48),二、交

16、流负载线,其中：,(2-49),iC 和 uCE是全量，与交流量ic和uce有如下关系,所以：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,(2-50),交流负载线的作法,IB,过Q点作一条直线，斜率为：,交流负载线,(2-51),2.3.3 等效电路法,一、三极管的微变等效电路,1. 输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,rbe的量级从几百欧到几千欧。,(2-52),2. 输出回路,所以：,(1) 输出端相当于一个受ib 控制的电流源。,(2) 考虑 uCE对 iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。,rce的含义,(2

17、-53),rce很大， 一般忽略。,3. 三极管的微变等效电路,c,b,e,(2-54),二、放大电路的微变等效电路,将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:,(2-55),三、电压放大倍数的计算,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,(2-56),四、输入电阻的计算,对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,(2-57),五、输出电阻的计算,对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,计算输出电阻的方法：,(1)

18、 所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。,(2) 所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。,(2-58),所以：,用加压求流法求输出电阻：,(2-59),【例】在下图（a）中，已知三极管参数rbb=300 ，=60，UBEQ=0.7 V，UCES=0.4 V，电路中的其它参数UCC=20V， Rb=500 k，Rc=6 k，Rs=1 k，RL=12 k，求该放大电路的 和最大输出电压有效值。 解（1） 静态分析，求静态工作点Q。由电路图中的直流通路可得,(2-60),共射基本放大电路的动态分析 (a) 电路图； (b) 小信号等效电路,(2-61),（2） 动态分析。 根据2

19、-20（b）放大电路的小信号等效电路， 先求三极管的动态电阻,然后计算电压放大倍数，因RL =6 k12 k=4 k，则,(2-62),（3） 估算最大输出电压有效值。因为,所以最大输出电压有效值为,(2-63),2.4 .1 工作点稳定的必要性,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。,下面将分析失真的原因。为简化分析，假设负载为空载(RL=)。,2.4 工作点稳定问题,(2

20、-64),uo,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,(2-65),uo,1. Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生 截止失真,(2-66),2. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生 饱和失真,(2-67),静态工作点的稳定,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、 和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,UBE,ICEO,Q,(2-68),一、温度对UBE的影响,(2-69),二、温度对 值及ICEO的影响,总的效果是：,

21、(2-70),小结：,固定偏置电路的Q点是不稳定的。 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、 IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。,常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,(2-71),分压式偏置电路：,一、静态分析,RE射极直流负反馈电阻,CE 交流旁路电容,2.4 .2 工作点稳定原理,(2-72),本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,1. 静态工作点稳定的原理,(2-73),2. 求静态工作点,算法一：,上述四个方程联立，可求出IE ，进而，可求出UCE 。,本算法比

22、较麻烦，通常采用下面介绍的算法二、三。,(2-74),方框中部分用戴维南定理等效为：,进而，可求出IE 、UCE 。,算法二：,(2-75),算法三：,(2-76),可以认为与温度无关。,似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。,(2-77),例：已知=50， EC=12V， RB1=7.5k， RB2=2.5k， RC=2k， RE=1k， 求该电路的静态工作点。,算法一、二的结果：,算法三的结果：,结论：三种算法的结果近似相等，但算法三的计算过程要简单得多。,(2-78),二、动态分析,+EC,uo,(2-79),问题1：如果去掉CE，放大倍数

23、怎样？,(2-80),去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：,(2-81),用加压求流法求输出电阻。,可见，去掉CE后，放大倍数减小、输出电阻不变，但输入电阻增大了。,(2-82),问题2：如果电路如下图所示，如何分析？,(2-83),静态分析：,直流通路,(2-84),动态分析：,交流通路,(2-85),交流通路：,微变等效电路：,(2-86),问题：Au 和 Aus 的关系如何？,定义：,(2-87), 2.5 射极输出器,(2-88),一、静态分析,(2-89),二、动态分析,(2-90),(2-91),1. 电压放大倍数,(2-92),1.,所以,但是，输出电流Ie增加了。,2.,输

24、入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,结论：,(2-93),2. 输入电阻,输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大。,(2-94),3. 输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,(2-95),一般：,所以：,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,所谓带负载能力强，是指当负载变化时，放大倍数基本不变。,(2-96),例：已知射极输出器的参数如下：RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,求Au 、 ri和ro 。 设：RS=1 k， 求：Aus 、 ri和ro 。 3 . RL=1k时，求Au 。,(2-97),RB=

25、570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,(2-98),RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,1. 求Au 、 ri和ro 。,rbe=2.9 k，RS=0,(2-99),2. 设：RS=1 k， 求：Aus 、 ri和ro,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,rbe=2.9 k，RS=0,(2-100),RL=1k时,3. RL=1k和时，求Au 。,比较：空载时, Au=0.995 RL=5.6k时, Au=0.990 RL=1k时, Au=0.967,RL=时,可见：射极输出器 带负载能力强。,

26、(2-101),射极输出器的使用,1. 将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。,2. 将射极输出器放在电路的末级，可以降 低输出电阻，提高带负载能力。,3. 将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。,(2-102),2.5.2共基极放大器 图(a)给出了共基极放大电路。图中RB1、RB2、RE和RC构成分压式稳定偏置电路，为晶体管设置合适而稳定的工作点。信号从射极输入，由集电极输出，而基极通过旁通电容CB交流接地，作为输入、输出的公共端。按交流通路画出该放大器的交流等效电路如图(b)所示。,(2-103),共基极放大器及其交流等效电路 (a)共基极放大电路；(b)交流等

27、效电路,(2-104),1.电压放大倍数Au 由图 (b)可知,所以,式中：,(2-105),2 .电流放大倍数Ai 在图 (b)中，由于输入电流IiIe， 而输出电流,故有,显然，AiRL，则Ai，即共基极 放大器没有电流放大能力。但因Au1，所以仍有功 率增益。,(2-106),3.输入电阻Ri 按上述基极支路和射极支路的 折合关系，由射极看进去的电 阻Ri为,所以,4.输出电阻Ro 由图 (b)可知，若Ui=0，则Ib=0,Ib=0，显然有,(2-107),2.5.3 三种组态电路的比较 (1) 共射电路既能放大电压又能放大电流， 输入电阻和输出电阻在三种组态中居中，频带较窄，常用作低频

28、电压放大电路中的单元电路。 (2) 共集电路只能放大电流不能放大电压，电压放大倍数小于且接近于1，具有电压跟随的特点，其输入电阻大，输出电阻小，常被用于多级放大电路的输入级和输出级，或作为隔离用的中间级。 (3) 共基电路只能放大电压不能放大电流，且具有很低的输入电阻，这使得三极管的结电容影响不明显，所以其频率特性是三种接法中最好的， 常用于宽频带放大电路。,(2-108),(2-109), 2.7 场效应管放大电路,(2-110),场效应管放大电路,2.7.1 场效应管的特点 场效应管与晶体三极管一样具有放大作用， 可以用来组成放大电路。与三极管相比，场效应管有如下特点： (1) 场效应管是

29、一种电压控制型器件，而晶体三极管是一种电流控制型器件。在场效应管的放大区，漏极电流iD的大小受栅源电压uGS的控制；而在三极管的放大区，集电极电流iC的大小受基极电流iB的控制。,(2-111),(2) 场效应管的栅极几乎不取电流， 所以其输入电阻很大。 通常结型场效应管在107以上，MOS场效应管则为1081010， 高的可达1015。而晶体三极管的基极与发射极之间处于正向偏置，因此输入电阻较小，一般为几千欧的数量级。 (3) 由于场效应管靠多数载流子导电，是一种单极型器件， 所以具有噪声小、温度稳定性好的特点。而三极管靠两种载流子导电，是一种双极型器件， 易受环境温度的影响。 (4) 场效

30、应管的制造工艺简单，易于大规模集成。特别是MOS场效应管的集成度更高。 (5) 由于场效应管的跨导较小，所以在组成放大电路时， 在相同的负载下其电压放大倍数一般比三极管的要低。,(2-112),(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。,(2) 动态：能为交流信号提供通路。,组成原则：,分析方法：,(2-113),场效应管放大电路的三种组态电路 场效应管的三个电极(源极、 栅极、 漏极)和三极管的三个电极(发射极、基极、集电极)相对应，因此场效应管组成放大电路时也有三种组态， 即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路。以N沟道JFET为例，三种组态的

31、交流通路如图2-33所示。由于共栅电路很少使用，本节只介绍共源和共漏两种放大电路。,(2-114),图 2-33 场效应管放大电路的三种组态 (a) 共源放大电路； (b) 共漏放大电路； (c) 共栅放大电路,(2-115),2.7.2 场效应管放大电路的直流偏置电路及静态分析,1 自给偏压电路,图 2-34 自给偏压电路,(2-116),由图可见，由于栅极电流为零，因此电阻Rg上压降也为零， 即Ug=0。耗尽型场效应管（包括JFET和耗尽型MOSFET）在UGS=0时，导电沟道存在，静态漏极电流IDQ流过源极电阻Rs， 使源极电位USQ=IDQRs，结果在栅-源之间形成一个负偏置电压， 即

32、 UGSQ=UGQ-USQ=-IDQRs,(2-61),由于这个偏置电压是场效应管本身的电流IDQ产生的，故称为自给偏压。根据场效应管的电流方程可得,(2-62),(2-117),联立式（2-61）和式（2-62），可求得UGSQ和IDQ。再由所示电路，列出输出回路方程， 可求得UDSQ为,UDSQ=UDD-IDQ(Rd+Rs),(2-63),(2-118),2分压式自偏压电路,图 2-35 分压式自偏压电路,(2-119),由图可知，静态时，由于栅极电流为0，因此电阻Rg上的电流为0。由此可得栅极电位为,(2-64),由上面的分析可知源极电位为,USQ=IDQRs,则栅源电压,(2-65),

33、改变Rg1、Rg2、Rs就能改变电路的偏压UGSQ，也就是 改变静态工作点。,(2-120),对于耗尽型场效应管，求解静态工作点 UDSQ=UDD-IDQ(Rd+Rs) (2-66) 联立求得。,(2-121),2.7.3 场效应管放大电路的动态分析 1 场效应管的小信号模型 如果输入信号很小， 场效应管工作在线性放大区（即输出特性中的恒流区）时，与三极管一样，可用小信号模型法进行动态分析。 将场效应管看成一个两端口网络，栅极与源极之间视为输入端口，漏极与源极之间视为输出端口。以N沟道耗尽型MOS管为例，可认为栅极电流为零，栅-源之间只有电压存在。漏极电流iD是栅源电压uGS和漏源电压uDS的函数 iD=f(uGS, uDS),(2-122),场效应管的微变等效电路为：,(2-123),2 共源放大电路的动态分析,图 2-38 图2-35的小信号等效电路,(2-124),由图可知，电压放大倍数为,式中, RL=RdRL。 共源放