放大电路大综合——史上最全的放大电路介绍

1、三极管三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 利用其放大作用， 三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置 ，否则会放大失真。 在三极管的集电极与电源之间接一个电阻，

2、可将电流放大转换成电压放大：当基极电压UB升高时，IB变大，IC也变大，IC 在集电极电阻RC的压降也越大，所以三极管集电极电压UC会降低，且UB越高，UC就越低，UC=UB。三极管的工作原理三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。一、电流放大 下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方

3、向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数（一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

4、二、偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号

5、就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。三、开关作用 下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增

6、大 时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为 一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很 大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。四、工作状态 如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管 的放大倍数 ），三极管就饱和，相当

7、于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。 对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来变成朝里的了。2.1 放大电路的基本概念和放大电路的主要性能指标2.1.1 放大的概念 基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。 1. 放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。 2. 输出信号的能量实际上是由直流电源提

8、供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。放大电路的结构示意图见图。放大概念示意图2.1.2 放大电路的性能指标 (1) 放大倍数输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图所示。放大倍数的定义电压放大倍数定义为电流放大倍数定义为功率放大倍数定义为 (2) 输入电阻Ri输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ri大，放大电路从信号源吸取的电流则小，反之则大。Ri的定义见图和式(03.04)输入电阻的定义 (3) 输出电阻Ro 输出电阻是

9、表明放大电路带负载的能力，Ro大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。Ro的定义见图和式(03.05)。图(a)是从输出端加假想电源求Ro，图(b)是通过放大电路负载特性曲线求Ro。(a) 从输出端求Vo ' (b) 从负载特性曲线求输出电阻的定义根据图03.04(b)，在带RL时，测得 ，开路时输出为 。根据式（03.05）有 注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。 (4) 通频带 放大电路的增益A(f) 是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数通常都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的时，

10、即 A(fL)=A(fH)= (03.07)相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率，如图03.05所示。 图03.05 通频带的定义2.2 基本共射放大电路的工作原理 基本共射放大电路的组成及各元件的作用（1）共射组态基本放大电路图共射组态交流基本放大电路 基本组成如下： 三 极 管T起放大作用。 负载电阻RC，RL将变化的集电极电流转换为电压输出。 偏置电路VCC，Rb使三极管工作在线性区。 耦合电容C1，C2输入电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。 (2) 静态和动态 静态时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。 动态时，

11、放大电路的工作状态，也称交流工作状态。 放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。 设置表态工作点的必要性 基本放大电路的工作原理及波形分析放大原理三极管放大作用 变化的通过转变为变化的电压输出输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程： 2.2.4放大电路的组成原则2.3放大电路的分析方法2.3.1直流通路和交流通路 放大电路的直流通路和交流通路如图中（a），（b）所示。 直流通路，即能通过直流的通路。从C、B、E向外看，有直流负载电阻、 Rc 、Rb。 交流通路，即能通过交流的电路通路。如从C、B、E向外

12、看，有等效的交流负载电阻、 Rc/RL、 Rb。 直流电源和耦合电容对交流相当于短路。因为按迭加原理，交流电流流过直流电源时，没有压降。设C1、 C2 足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零，在交流通路中，可将耦合电容短路。(a)直流通路 (b)交流通路基本放大电路的直流通路和交流通路2.3.2 图解法 放大电路的静态分析有计算法和图解分析法两种。 （1）静态工作状态的计算分析法 根据直流通路可对放大电路的静态进行计算 (03.08) IC=b IB (03.09)VCE=VCCICRc (03.10) IB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。 在测试基本放大电路时

13、，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的工作状态。 （2）静态工作状态的图解分析法放大电路静态工作状态的图解分析如图所示。 图放大电路静态工作状态的图解分析 直流负载线的确定方法： 1. 由直流负载列出方程式VCE=VCCICRc 2. 在输出特性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点¾¾VCC和VCC/Rc,即可画出直流负载线。 3. 在输入回路列方程式VBE =VCCIBRb 4. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是Q。5. 得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。例：测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。 三极管工作状态

14、判断例3.2：用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE =3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态。 电路如图所示电路图（3）放大电路的动态图解分析 交流负载线 交流负载线确定方法： 1. 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为1/RL。 2. RL= RLRc，是交流负载电阻。 3. 交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。4. 交流负载线与直流负载线相交，通过Q点。放大电路的动态工作状态的图解分析 (4) 交流工作状态的图解分析 通过图所示动态图解分析，可得出如下结论： 1. vi­® vBE­® iB­

15、74; iC­® vCE¯® |-vo| ­； 2. vo与vi相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数； 4. 可以确定最大不失真输出幅度。 (5) 最大不失真输出幅度 波形的失真 饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管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的截止区而引起的非线性失真。（动画3-2）示波器图形 (a) 截止失真 (b) 饱和失真放大器的截止失真和饱和失真（动画3-3） 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： 1. 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的

16、中间部位；2. 要有合适的交流负载线。共射组态基本放大电路微变等效电路分析法 (1) 共射组态基本放大电路 共发射极交流基本放大电路如图所示。 Rb1和Rb2系偏置电阻。 C1是耦合电容，将输入信号vi耦合到三极管的基极。 Rc是集电极负载电阻。 Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容。 C2是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻RL上。Rb1、Rb2、Rc和Re处于直流通路中，如图03.20（b）。RC 、RL相并联，处于输出回路的交流通路之中。 (a) 共射基本放大电路（动画3-5） (b) h参数微变等效电路（动画3-6）共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路 (2) 直流计算图03

17、.20电路的直流通路如图03.21(a)所示，用戴维宁定理进行变换后如图03.21(b)所示。因此静态计算如下： IB=( VCCVBE)/ Rb+(1+b)Re (03.12) VCC= VCC Rb2 / (Rb1+Rb2) (03.13) Rb= Rb1Rb2 (03.14) IC=bIB VC= VCCICRc VCE= VCC ICRcIERe= VCCIC(Rc+Re) (03.15)(a) 直流通路 (b) 用戴维定理进行变换 基本放大电路的直流通路 (3) 交流计算 根据图03.20(b)的微变等效电路，有 RL= Rc RL 电压放大倍数Av Av = = RL / rbe

18、(03.16) 输入电阻Ri Ri = = rbe / Rb1/ Rb2rbe = rbb +(1+)26 mV/ IE =300+(1+)26 mV/ IE (03.17) 根据图03.04(a)求输出电阻的原理，应将图03.20(b)微变等效电路的输入端短路，将负载开路。在输出端加一个等效的输出电压。于是输出电阻Ro Ro = rceRcRc (03.18)2.4放大电路静态工作点的稳定2.4.1 静态工作点的稳定的必要性三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 2 mV/°C，即温度每升高1°C，

19、UBE 约下降2mV。2.改变。温度每升高1°C，值约增加0.5% 1 %，温度系数分散性较大。3.ICBO 改变。温度每升高10°C，ICBQ大致将增加一倍，说明ICBQ将随温度按指数规律上升。结论：温度升高将导致 IC 增大，Q 上移。波形容易失真。2.4.2典型的静态工作点稳定电路稳定Q点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使IBQ在温度变化时与ICQ产生相反的变化。2.4.3稳定静态工作点的措施复习：1.如何用图解法求静态工作点？用解析式求基极电流，作直线UCEQ = VCC ICQRc与BJT输出特性曲线的交点。2.NPN管共射放大电路Q点设置太低，输出电压将会如何？

20、如何调节？3.直流通路、交流通路如何绘制？4.BJT的h参数等效模型如何？基射极等效电阻如何计算？5.共射放大电路静态、动态分析包括哪些参数？6.为什么要稳定静态工作点？如何稳定？2.5晶体管单管放大电路的三种基本接法2.5.1 基本共集放大电路共集组态基本放大电路如图所示，其直流工作状态和动态分析如下。 (a) 共集组态放大电路 (b) CC放大电路直流通路共集组态放大电路及其直流通路 (1) 直流分析将共集组态基本放大电路的直流通路画于图03.22(b)之中，于是有IB=( VCCVBE)/ Rb+(1+b)Re IC=bIBVCE= VCCIERe= VCCICRe2.5.2基本共基放大

21、电路 共基组态放大电路如图所示，其直流通路如图所示。 共基组态放大电路 共基放大电路的直流通路 (1) 直流分析与共射组态相同。 (2) 交流分析共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图所示。CB组态微变等效电路 电压放大倍数Av = =RL/ rbe 输入电阻 Ri = = rbe /(1+)Re rbe /(1+) (03.22) 输出电阻 Ro Rc例题演示2.6晶体管基本放大电路的派生电路2.6.1复合管放大电路2.6.2共射-共基放大电路2.6.3共集-共基放大电路场效应三极管放大电路的分析方法 1 共源组态基本放大电路2 共漏组态基本放大电路3 共栅组态基本放大电路4 三种组态基本

22、放大电路的比较共源组态基本放大电路对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图所示。比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。 (1)直流分析 将共源基本放大电路的直流通道画出,如图所示。 可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQ(Rd+R)于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。(

23、2)交流分析 画出电路的微变等效电路，如图与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。VCCS的电流源还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。电压放大倍数 输入电阻输出电阻 为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成下图的形式将负载电阻RL开路，并想象在输出端加一个电源 , 将输入电压信号源短路，但保留内阻。然后计算 ，于是 交流参数归纳如下 电压放大倍数 输入电阻 Ri=Rg1/Rg2 或 Ri=Rg+(Rg1/Rg2)输出电阻 共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路如图所示

24、 (1)直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQR 由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。(2)交流分析 将上图的CD放大电路的微变等效电路画出，如下图所示。电压放大倍数 比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式，分子都是gmR'L，分母对共源放大电路是1，对共漏放大电路是(1+ gmR'L)。 输入电阻 输出电阻计算输出电阻的原则与其它组态相同，将上图改画为下图 求输出电阻的微变等效电路交流参数归纳如下 电压放大倍数 输入电阻 Ri=Rg+(Rg1/Rg2) 输出电阻 2.3.4 三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD电压放大倍数 三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD 三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD 输出电阻Ro