计算机电路基础（第2版）基本放大电路

计算机电路基础 基本放大电路 教学提示： 主要介绍由分立元件组成的几种常用的基本放大电路，讨论它们的工作原理、基本分析方法和性能指标。掌握这些基本的放大电路，是进一步学习和应用复杂电路的基础。 教学目标： (1)理解放大电路的组成 、 工作原理和主要的性能指标； (2)掌握放大电路静态工作点的估算和微变等效电路动态分 析方法； (3)了解放大电路图解法的意义； (4)理解射极跟随器的特点和作用； (5)了解多级放大的概念； (6)掌握反馈的概念和负反馈对放大电路性能指标的影响； (7)理解差分放大电路的工作原理 ， 理解差模信号和共模信 号的概念； (8)了解功率放大的概念和互补对称放大电路的工作原理 。 主要内容 共发射极放大电路 放大电路的分析方法 射极跟随器 多级放大电路 负反馈放大器 差分放大电路 功率放大器 场效管放大电路 共发射极放大电路 共发射极放大电路是最基本的放大电路。 如图所示 放大电路提供偏置电压 和所需的能量。 以满足晶体三极管导通的条件 , 时又是 集电极负载电阻 . 2起到隔断直流和交流耦合的作用 ， 称为隔直电容和 交流耦合 电容 。 三极管起到放大作用 ， 是整个放大电路的核心 。 (1)当无输入信号时 (，即 )， 称电路处于静态。 2起到隔断直流 B、 (2)当交流信号 如下图 通过 引 交流信号电流 )， 经 产生信号电流 三极管 放大后的输入交流信号 ， 由 形成输出端的交流信号输出电压 放大电路主要性能指标 衡量放大电路放大电信号的主要技术指标 :有放大倍数 、 输入电阻 、 输出电阻和频率响应等 。以放大电路示意图来分析这些技术指标 。 u 反映放大电路对输入信号电压幅度的放大能力 ， 又称为电压增益 。 倍 ” 来表示和分贝 (表示 。 分贝 ( 电压增益 =10 20 i 电流放大系数 倍 ” 来表示 。 从放大电路的输入端看进去 ,放大电路可等效成一个输入电阻 输入电阻 输入回路中信号源有一定的内阻 输入电阻 从信号源索取的输入电流越小 ，放大电路的输入端从信号源所能得到信号电压越大 。 放大电路的输出端不仅有放大后的信号电压输出 (相当于一个信号源 而且还含有一个内阻 框图中的输出回路。 输出电阻的求法 : 让 ， 并把输出端的负载电阻 接上一个交流信号源为 求出由它产生的电流 放大电路输出电阻 0000输入信号是由许多频率成分组成的复杂组合信号。 放大电路电抗元件 (电容、电感 )，三极管极间电容 . 电抗元件对组合信号中 不同高低频率的信号呈现出不同的阻抗和衰减。 造成放大电路放大系数 将随着信号频率的不同而改变。 在信号频率的低端 (电容影响 )和高端 (电感影响 )放大电路的放大系数都要下 降，而中间一段频率范围放大电路的放大系数基本不变。 把在低端和高端段的放大电路放大系数分别下降至中频段放大系数的 时的频率范围，规定为放大电路的通频带 放大电路的通频带越宽，表明放大电路对信号的频率有更宽的适应范围。 放大电路的分析方法 处理放大器件的非线性问题。常用的分析方法有两种： 一是图解法 ; 二是微变等效法， 静态分析 放大电路工作时 ， 电路中同时存在直流和交流两个 电量 。 交流电量是在直流电量的基础上工作 。 分析放大电路 ， 先求无交流信号 (静态 ) 静态工作点Q. 如上图放大电路 ， 静态时隔直电容均可视为开路 ， 得等效电路 （ 称直流通道 ） 如下图 。 据 静态时的基极电流为： （ 当 锗管约 硅管约 集电极电流 集电极与发射极间的电压 C 【 例题 上图中 ， 已知三极管 =50， 00V， 求其静态工作点 。 【 解 】 据上图所示的直流通道 ， 可求出 B = 6 / 3k = 100(A) 0 20A = 1 C = 6 - 1 103 103 = 3(V) 是以三极管的特性曲线为基础，用作图的方法在特性曲线上进行分析，直观地得到静态工作点的有关电量。 图解法求解的步骤 : (1)确定三极管的输出特性曲线，如图所示 (2)B。 如例题 0A。 在输出特性曲线上确定 0 (3)电极与发射极间的电压 C 可得出两个点： 0时 ， 0时 ， 线得出直流负 载线 . 与 20A)曲线的交点 Q 大电路的静态工作点 . 可得放大电路的静态工作点 : 1 V 分析 : (1) 直流负载线与之相交得出的 (2)偏置电流和偏置电路 : 选择基极电流 的 通常把基极电流 简称偏流 。 产生偏置电流的电路就称为偏置电路 ， 图中偏置电路的路径： ) ) 把偏置电路中改变偏置电流的电阻 称为偏置电阻 ， 如图中的电阻 通过调整偏置电阻的大小 ， 便能获得所需要的 静态工作点 Q。 动态分析 动态分析 :是分析信号在放大电路中的传输情况。 在有输入信号时，电路中既有直流分量又有交流分量。 动态分析只需考虑在已知静态工作点的基础上由输入信号所引起的放大电路中的交流分量。 动态分析需借用交流通道 。 在电路中 ,直流电源 耦合电容 ， 交流阻抗很小 ， 也可以视为短路 。 左下图的放大电路在交流信号下简化成右下图的电路 ， 称为交流通道 。 (1)小信号情况下 ， 三极管工作在一微小的变化范围内可视为线性 。 用一个等效的线性电路来代替非线性的三极管 ， 这就是微变等效电路 。 1) 右图 :三极管输入特性曲线是非线性的 。 在其静态工作点附近的小范围内可视为一线性段 ， 三极管的输入回路可等效成一个 可用下式进行估算 : 在几百欧到几千欧之间 )()(26)1(3002) 三极管输出特性如右图 。 在 近乎于一组等距离的平行直线 ，而直线的间隔大致相同 ， 因此在 其比值即为 。 即 : 因此 :反映在三极管的输出回路有一个电流控制的电流 bc 三极管的输出特性并不平行于横轴线 ， 而有一个很小的夹角 。 在某一基极电流 输出电压有一变化 也存在着微小的集电极电流变化 该电阻也是一个常数 ， 大约从几十千欧至几百千欧 。 因此 : 反映在三极管的输出回路中还存在一个输出电阻 B 3)三极管的微变等效电路 通过对三极管输入和输出特性进行等效分析 ， 可得到如下图所示完整三极管的微变等效电路 。 (2)放大电路的微变等效电路 用三极管的微变等效电路代替交流通道中的三极管，可得到放大电路的微变等效电路。 由于三极管的微变等效电路中的 可以在电路中忽略掉 。 (3) u。 为计算方便正弦量在数值计算时用其有效值计算 : )/()/(0 当实际电路中的 有 , 则 放大电路电压放大倍数 u :是 指放大电路的输出电压与输入电压的比值 ， 体现了放大电路对 信号电压放大的能力 ， 一般几十 几百倍 。 值得注意的是 : 这意味着输出电压与输入电压 在相位上反相 ， 即差 180 。 放大电路输入电阻 放大电路的输入端看进去 ， 放大电路可等效成一个电阻 ， 即放大电路的输入电阻 . 定义 : 一般情况下有 所以 在数值上 )/( 注意： 值上 但 两个不同的概念。 信号源本身有内阻 ,通常希望放大电路高的输入电阻 ， 这有利于放大电路从信号源获得较大的信号电压 。 放大电路输出电阻 大电路输出端向负载提供电压 ， 对负载而言放大电路是一个信号源 ， 信号源有内阻就是放大电路的输出电阻 定义为 带负载能力强的放大电路 ， 这样当负载改变时 ， 负载上的电压的变化就会很 小 。 /000【 例题 在图 三极管的 =50， 2V， 2 试求： (1) (2) 输出电阻 、 电压放大倍数； (3)E， 放大电路的输入电阻 、 输出电阻 、 电压放大倍数 。 【 解 】 (1) 计算静态工作点 (将隔直电容开路 ， 可画出直流通路 )。 得 : = E+=(2+3) = 4(V) 本电路称为分压式偏置电路 2)求 将隔直电容和直流电源短路得交流通路 ;晶体管用微变等效模型代替 ， 画出该题电路的微变等效电路如下图所示 。 其中 300+(1+)26/300+(1+50)26/=1.2(2/ 3(A)(1) 图解法过程 图解法是在三极管的输入和输出特性曲线上进行 。 以图 求出静态工作点的各个直流量值 并在三极管输入特性曲线上画出其相应的 (见下页图 ) 图 b)中 ， 输入信号 在三极管的输入特性曲线上 ， 画出基极交流电流 在输出特性曲线上作出交流负载线 :交流负载电阻 RL = 得工作点 Q. 沿图 (a)中的交流负载线画出在信号电流 图 2) 图解法中的信号分析 图中的电压 交流分量 即 = 图 (a)中 ， 意味着基极电位上升时 集电极电位下降 。 静态工作点位置选择不当 ， 就会造成输出信号失真 。 选择的 使输入信号的负半周进入了截止区 ， 负半周信号被削平造成输出信号失真 ， 这种失真称为截止失真 。 选择的 使输入信号的正半周进入了饱和区 ， 正半周信号被削平造成输出信号失真 。 这种失真称为饱和失真 ， 静态工作点的稳定 影响静态工作点稳定的主要原因 : (1) 对于定基流偏置电路， B。在 时， 温度上升时， Q 点沿着负载线上升并向饱和区飘移，会造成信号 的饱和失真。 (2) 的变化，使静态工作点变化。 定基流偏置电路虽然简单， 大，不能保证放大电路的正常工作。 分压式偏置电路是稳定静态工作点最常用的一种电路 . 从直流通道中知 : 当温度上升时 ， 发射极的电位 因为 B - 稳定 因此 ,分压式偏置电路具有自动调节静态工作点的能力 。 射极跟随器 图 将负载连接在发射极上 ， 从发射极上输出电压 . 交流通路如图 电路的输入和输出回路的公共端是集电极 ， 该电路是共集电极放大电路 。 直流通路如图 E = (1+) + (1+)图 所以 动态分析 共集电极电路的微变等效电路如图 所以 1。这说明了输出电压等于输入电压，而且是同相位，即发射极输出电压跟随着输入电压变化而变化，故称为射极跟随器。 (: 得0 )1( 其中 )1( /0)1()1( )1( 因为图 从图 输入电阻 i并联的结果 。 而 等效电阻 (1+) 得 (1+) 可达几十至几百千欧 。 将共集电极微变等效电路图 负载 并在输出端加上一个电压 图 因为 :S)小 ， 而 一般很大 ， 小 ， 通常在几十欧姆左右 。 )1()1( 000000而00)()1()()1()(/故通常得设 在多级放大电路中，各个基本放大电路之间的连接称为级间耦合。 级间耦合电路主要要实现： 将前级输出信号传送到下一级放的输入端； 传送不能造成信号失真； 尽量减少信号在耦合电路上传送时的损失。 级间耦合电路主要有直接耦合、阻容耦合和变压器耦合三种类型。 1. 直接耦合 把前一级输出端直接 (或经过电阻 ) 接到下一级输入端的方式称为直接 耦合，如图 特点 :良好的频率传输特性， 静态工作点的设计和调试时都会相互影响 主要问题是零点漂移。 多级放大电路 零点漂移 : 在无输入信号下 ， 由于温度 、 电源电压等因素变化 ， 导致工作点漂移 ， 即零点漂移 。 零点漂移严重影响放大电路的正常工作 ， 甚至会使有用的信号被漂移电压淹没 。 后级间采用电容耦合方式传送信号 . 特点 : 前后级的直流量分离 ; 低频率信号在传送到下 一级过程中被电容衰减 . 静态分析 : 直接耦合下各级静态工作点是相互影响的； 阻容耦合下则是相互独立的 。 动态分析 ， 常采用微变等效电路法 ， 主要分析电压放大倍数 、 输入电阻 、 输出电阻等指标 。 以图 微变等效电路如图 交流通路中 ， 前级的输出信号 后一级的输入电阻为前级的负载 。 总的电压放大倍数为 设 = 1212221111122200 )(图 结论 : n 级放大电路总的电压放大倍数为： . 为第一级放大电路的输入电阻。 图 。 图 多个单级放大电路的频率特性叠加的结果 。 结果 : 放大倍数 (幅度 )加大 (为 而频带宽度 图 多级放大电路上限频率与各单级的上限频率有如下近似关系： 多级放大电路上限频率与各单级的上限频率 图 负反馈放大器 馈概述 在分压式偏置电路静态中 ， 静态工作点的稳定过程为： T(温度 ) 输出量 ) 凡是将电路系统中部分或全部的输出信号 (电压或电流 )通过某一电路引回到输入回路的过程 ， 称为反馈 。 反馈放大电路组成 (图 ： 一 . 二 . 反馈电路 称为反馈放大器 。 图 (1)从反馈信号的极性来分 : 反馈信号与原输入信号同相位时 ， 即反馈信号加强了原输入信号 反馈； 反馈信号与原输入信号反相位时 ， 即反馈信号消弱了原输入信号 反馈 。 (2)从输出回路中所取的信号类型来分 : 从输出回路中取电压作为反馈信号则为 电压反馈 ； 从输出回路中取电流作为反馈信号则为 电流反馈 。 (3)反馈信号与输入回路的连接方式来分 : 所取的反馈信号与原输入信号在输入回路中是串联的 ， 则为 串联反馈 ； 所取的反馈信号与原输入信号在输入回路中是并联的 ， 则为 并联反馈 。 (4)所取的反馈是直流量则为 直流反馈 ， 所取的反馈是交流量则为 交流反馈 。 直流反馈用于电路中稳定某一直流量 ， 常见的是静态工作点的稳定 。 交流反馈用于改善放大电路的性能指标 。 在实际应用中 ， 一个反馈电路往往既有直流反馈的作用又起到交流反馈 的作用 ，因此在分析反馈电路时要多加注意 。 (5)四种反馈类型 : 除正反馈用于自激振荡电路 ,一般电路都是使用负反馈方式。 在负反馈方式中 : 根据从输出回路中所取的反馈信号类型 (电压、电流 )和反馈信号连接倒输入回路的方式 (串联、并联 )可组成四种反馈类型 : 即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并 联负反馈，如图 图 : 瞬间极性法判定正负反馈，具体过程如下： (1)设放大电路输入端某一瞬间信号电位为某一极性 (或为 +或为 -)。 (2)标出信号在电路传输过程中有关点的极性 ,直至引取反馈信号的端点， (3)将反馈信号和输入端原瞬间信号的极性进行比较 : 若反馈信号增强原信号则为正反馈； 若反馈信号消弱原信号则为负反馈。 如图 这是一个负反馈电路。 + _ _ _ 负反馈改善放大电路性能指 ， 改善的多少取决于反馈量的大小 。 是牺牲电路的放大倍数作为代价的 。 图 基本放大器的放大倍数 A 反馈信号量和输出信号量的比 为反馈系数 F 把反馈信号 基本放大器净输入信号量为 = 此时放大电路的放大倍数 式中 : 当 1+1， 则 A ， 说明加反馈后放大器的放大倍数增加 ， 属正反馈 。 如果 1+=0， 。 这时没有信号输入也会有输出信号 ， 这 种 现象称为自激振荡 (自激 )。 (右图 ) 从输出端取得是电压 ， 通过电阻 到放大器的 输入端 . 放大器的净输入电流 i = 反馈电流 1 反馈电流 反馈类型的判定 : 反馈极性判定 : 瞬间极性法 电压反馈判定 : 输出端短路 ,则反馈 信号 消失电压 . 并联反馈判定 : 反馈信号 (电流 )与 放大器的 输入端并联 . 0 + - - 图所示是一个 电压串联负反馈的 两级放大电路 反馈类型的判定 : 反馈极性判定 : 瞬间极性法 电压反馈判定 : 输出端短路 , 则反馈 信号 消失电压 . 串联反馈判定 : 反馈信号 (电压 ) 与 放大器的 输入回路串联 . 反馈电压 反馈电压 是消弱了净输入电压 110+ 图所示是一个两级的电流并联负反馈电路， 反馈类型的判定 : 反馈极性判定 : 瞬间极性法 电流反馈判定 : 输出端短路 ,反馈 信号 不消失电压 . 并联反馈判定 : 反馈信号 (电流 )与 放大器的 输入端并联 . 反馈电流为 0+ + - - - 图所示电路，是电流串联负反馈 . 当电路中 即反馈电压增加，使净输入电压 下降， 而 使 反馈电压为 馈类型的判定 : 反馈极性判定 : 瞬间极性法 电流反馈判定 : 输出端短路 ,反馈 信号 不消失电压 . 串联反馈判定 : 反馈信号 (电压 )与 放大器的 输入回路串联 负反馈对放大电路性能的影响 分析已知，在反馈状态下放大电路的放大倍数 (闭环放大倍数 )可表示为： 当放大器引入负反馈 1+1，后放大倍数下降 ( 则 放大电路中闭环放大倍数的相对稳定性优于无反馈时的稳定性 。 在深反馈下 F 1 , 1+ 得 1/F 闭环放大倍数仅与反馈系数有关 (取决于反馈电路有关参数 )。 12,扩展放大电路的通频带 负反馈使放大倍数下降，使得闭环放大倍数在通频带的高、低频率区的下降速度减缓，通频带的上、下限频率相应得以拓宽。 三极管是非线性器件和 会引起输出信号波形的非线性失真 。引入负反馈后波形失真得以改善 ,如图所示 。 负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真 ， 这种改善是以牺牲放大倍数作 为 代 价的 ， 并且只能一定程度地减小失真 ， 不可能被消除 。 反馈信号在输入端的连接方式会影响输入电阻 : 串联负反馈 :反馈电压消弱输入信号，使信号源的输入电流减小， 输入电阻提高； 并联负反馈 :负反馈电路从输入回路提取了反馈电流，输入电流增大， 输入电阻下降。 从输出回路中取的反馈信号是电流还是电压 ,将影响输出的 : 电流反馈 :反馈的结果提高了输出电流的稳定性 。 若把输出回路等 效为一含内阻的电流源 ， 当外负载发生变化时 ， 输出电流变化 越小 (稳定 )， 其内阻也一定是越高 ， 故电流负反馈提高放大电路 的输出电阻 。 电压反馈 :反馈的结果提高了输出电压的稳定性 。 若把输出回路等 效为一含内阻的电压源 ， 当外负载发生变化时 ， 输出电压越稳 定 ， 其内阻必然越小 ， 故电压负反馈降低放大电路的输出电阻 。 差分放大电路 本差分放大电路 简单的差分放大电路图 由两个参数完全一致的共发射极 电路组成的对称式放大器。 两管静态工作点也一样。 静态时，输入信号 由于电路对称， 则输出电压为零 。 由于电路参数对称一致 ， 当温度等原因 ,造成两管的电流增量 于是 所以 输出电压仍然为零 ， 即 (= 0 说明了 差分放大电路具有抑制零点漂移的能力 。 输入信号 两个电阻 方向相反 的电压信号 为差模信号。 若 两个大小相等 、方向相同 的电压信号 为共模信号。 共模信号加在两管基极上 ,集电极电位的变化是相同的 ， 输出电压为零 。 因此 ， 差分放大电路对于共模信号没有放大作用 。 (1)差分放大电路共模电压放大倍数 在两基极之间的输入电压 两管输入端上产生差模信号输入电压 : 从 于电路对称 则 = i+= i 差分放大电路差模信号下的电压放大倍数 (差模放大倍数 )分放大电路中差模信号的电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相等 。 12121 110 而(2)共模信号和飘移的抑制 差分放大电路中 ， 参数不可能完全一致 ， 就使两管静态工作点的电流不一样 ， 会造成 静态时也有输出电压 为使 ， 常在两管的发射极之间加 一个可调电阻 (和辅助电源 ， 调整它使 ， 简称 “ 调零 ” 。 图 阻值一般在几十 欧 几百欧 。 抑制 共模信号 有如下的负反馈过程： 温度 T E 电阻 对共模信号和飘移的抑制能力越强 。 (3)差模输入电阻 图 差分放大电路的单管电路输入电阻为 RB+模输入电阻 即 2(RB+ (4)差模输出电阻 样可求出 差模输出电阻 2 (5)共模抑制比 在理想对称条件下 ， 差分放大电路共模电压放大倍数为零 。 电路总存在不对称 。 因此 ， 共模电压放大倍数总不为零 。 衡量差分放大电路 抑制共模信号的能力 ， 用 差分放大电路的差模电压放大倍数 模抑制的能力 ， 称为共模抑制比 共模抑制比越大越好 。 R R 差分放大电路的输入 /输出方式 端输出 : 单端输入 、 单端输出的电压放大倍数只是双端输入 、 双端输出的差分放大电路电压放大倍数的一半 。 单端输出的差分放大电路不能 抑制零点飘移 。 单端输出 典型电路如图 由于是双端输出 ， 它具有 抑制零点飘移的能力 。 单端输入 、 双端输出的差分放大电路常用于输入级 ， 用于与前面单端输出信号连接和转换成双端输出 ， 为后一级电路提供放大信号 。 端输出 如图 单端输出的差分放大电路没有抑制零点飘移的能力，而且电压放大倍数只有双端输出的差分放大电路的一半。 用途 :将双端输入的差模信号转换成一端接“地”的单端输出信号，提供给下一级电路放大。 【 例题 图 双端输出差分放大电路 。 已知： 1=2=50， 12E=5.6 00 ， = 102V， V。 求 ： (1)(2)O。 【 解 】 (1)两管相同 ) 得 = A) 50 A)= E(得 =( P+2= (12+6)(=) 1()22( 而(2)O。 其中 300+(1+50)=3.1( 所以 输出电压 66 10 = 2)1( 功率放大器 能向负载提供功率的放大器称为功率放大器。有如下特点 : (1)功率输出大 。 三极管要处于大电压和大电流动态工作下 ， 并接近于极限的运用状态 。 必须选择大功率的三极管 (称功率管 )。 三极管的损耗功率大 ， 发热大 ， 加装符合要求的散热装置 。 (2)要求效率高 。 功率三极管按照输入信号的变化规律将直流电源的能量转换给负载 。 把直流功率转换成交流信号功率的转换效率称为功率放大电路的效率 ， 定义如下： 效率 ( ) = 提高效率是功率放大电路要着重考虑的问题 。 (3)功率管导通时间 (静态工作点选择 )的不同可分成 : 甲类 :图 (a)， 在信号整个周期中三极管都有信号流通 . 无信号时 ， 电源提供的功率消耗在集电结上 (称为管 耗 )。 有信号输入时 ， 三极管仅将其中的一部分转化为有用的信 号功率输出 ， 输入信号愈大 ， 功率输出也愈大 。 甲类功率放大电路的效率最大只能达到 50%。 乙类 :图 (b)， 若静态时使得 ， 这时三极管在信号的半个周期 中有信号电流流通 ， 称为乙类工作状态 。 甲 、 乙类 :图 (c)， 三极管信号电流流通时间介于甲 、 乙类之间 。 为降低管耗 ， 提高效率 ， 通常让三极管工作在甲乙类状态 。 这时三极管有一个完整的半周期信号 。 在实际电路中 ， 采用两个三极管 ， 分别对信号的两个半周期进行放大 ， 然后在负载上 “ 组装 ” 成一个完整的周期信号 。 补对称功率放大电路 1. 主要是通过两个参数基本相同 而 极性相反的三极管来组成 。 图 在静态时 ， 使 ， 负载电容上的电压等于 。 同时选择电阻 使得 三极管 2处于微导通状态 ， 即甲乙类状态 。 导通过程见图 由于 电源的功率损耗小 。 在理论上这种电路的效率可达 2. 如图 采用双电源供电 。 去掉了负载电容 ， 其作用则由新增的 负电源 去掉了负载电容 这有利于功率 放大电路的集成化 。 但使用时有正负 两路电源 ， 是不方便的 。 场效管放大电路 偏置电路特点： (1)场效应管是电压控制器件 ， 栅极需要一个合适的偏置电 压 ， 而不取偏置电流 。 (2)极性复杂 。 场效应管有 沟道 ， 还有耗尽型和增