电工学概论之基本放大电路

第10章基本放大电路第10章基本放大电路10.1共发射极放大电路的组成10.2共发射极放大电路的分析10.3静态工作点的稳定10.4射极输出器10.1

基本放大电路的组成10.1.1共发射极基本放大电路组成共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE10.1

基本放大电路的组成10.1.2基本放大电路各元件作用晶体管T--放大元件,iC=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。基极电源EB与基极电阻RB--使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE10.1

基本放大电路的组成10.1.2基本放大电路各元件作用集电极电源EC--为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻RC--将变化的电流转变为变化的电压。耦合电容C1、C2--隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。信号源共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE负载10.1

基本放大电路的组成单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE1.直、流通路和交流通路

因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路，用来计算静态工作点。交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路，用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。10.2共发射极放大电路的分析+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE例：画出下图放大电路的直流通路直流通路直流通路用来计算静态工作点Q(IB

、IC

、UCE)对直流信号电容C可看作开路（即将电容断开）断开断开+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIERBRCuiuORLRSes++–+––对交流信号(有输入信号ui时的交流分量)XC0，C可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。交流通路

用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE短路短路对地短路10.2

放大电路的静态分析10.2

放大电路的静态分析静态：放大电路无信号输入（ui

=0）时的工作状态。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。设置Q点的目的：

(1)

使放大电路的放大信号不失真；

(2)

使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。——静态工作点Q：IB、IC、UCE

。静态分析：确定放大电路的静态值。10.2共发射极放大电路的分析10.2.1静态分析

放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。静态分析是要确定放大电路的静态值(直流值)

IB，

IC

，

UBE

和

UCE。1.用放大电路的直流通路确定静态值RCRB+UCCIB+UBE

IC+UCET可用右图所示的直流通路来计算静态值RCRB+UCCIB+UBE

IC+UCET硅管的UBE

约为0.6V，比UCC

小得多，可以忽略不计。

[例1]

在共发射极基本交流放大电路中，已知

UCC=12V，RC=4k，

RB=300k，。试求放大电路的静态值。[解]2

用图解法确定静态值用作图的方法确定静态值步骤：

1.用估算法确定IB优点：

能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。2.由输出特性确定IC

和UCCUCE

=UCC–ICRC直流负载线方程+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBUCE/VIC/mAO.2

用图解法确定静态值直流负载线斜率ICQUCEQUCCUCE

=UCC–ICRC直流负载线Q由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点2．用图解法确定静态值根据直线方程

UCE=UCC

RCIC可得出：

IC=0时，UCE=

UCC

图解过程说明:在晶体管的输出特性曲线组上作出一直线，它称为直流负载线，与晶体管的某条(由IB

确定)输出特性曲线的交点Q

称为放大电路的静态工作点，由它确定放大电路的电压和电流的静态值。基极电流IB

的大小不同，静态工作点在负载线上的位置也就不同，改变IB

的大小，可以得到合适的静态工作点，

IB称为偏置电流，简称偏流。通常是改变RB

的阻值来调整IB的大小。0IB=0µA20µA40µA60µA80µA123UCCRCN24681012UCCMQ直流负载线图解过程:IC

/mAUCE

/VQ1Q2

[例2]

在共发射极基本交流放大电路中，已知UCC=12V，RC=4k，RB=300k，晶体管的输出特性曲线如上图。(1)作出直流负载线，(2)求静态值。[解]

(1)由IC=0

时，UCE=UCC=12V，和UCE=0

时，可作出直流负载线(2)由得出静态工作点Q，静态值为IB=40AIC=1.5mAUCE=6V0IB=0µA20µA40µA60µA80µA1231.524681012MQ静态工作点求得静态值为：IB=40µA，IC=1.5mA，UCE=6VIC

/mAUCE

/VN小结

放大电路的静态分析静态：放大电路无信号输入（ui

=0）时的工作状态。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。——静态工作点Q：IB、IC、UCE

。静态分析：确定放大电路的静态值。10.2.2动态分析动态：放大电路有信号输入（ui

0）时的工作状态。分析方法：

微变等效电路法，图解法。所用电路：

放大电路的交流通路。动态分析:

计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。分析对象：

各极电压和电流的交流分量。目的：

找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计打基础。

晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。

当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。1.晶体管的微变等效电路UBEIB对于小功率三极管：rbe一般为几百欧到几千欧。微变等效电路法(1)输入回路Q输入特性晶体管的输入电阻

晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。IBUBEO(2)输出回路rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不计。晶体管的输出电阻输出特性

输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。晶体管的电流放大系数

晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic=ib等效代替，即由来确定ic和ib之间的关系。一般在20～200之间，在手册中常用hfe表示。ICUCEQOibicicBCEibib晶体三极管微变等效电路ube+-uce+-ube+-uce+-1.晶体管的微变等效电路rbeBEC

晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。

晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。(2)放大电路的微变等效电路

对交流(动态)分量而言，电容、直流电源也可以认为是短路。C1RS+uiRCRB+UCCC2RL+es+uo++iBiCT基本放大电路可画出放大电路的交流通路。2.

放大电路的微变等效电路

将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSii交流通路微变等效电路RBRCuiuORL++--RSeS+-ibicBCEii当输入的是正弦信号时，各电压和电流都可用相量表示。(3)电压放大倍数的计算rbe

EBCRCRLRBRS+

++由上图可列出式中故放大电路的电压放大倍数当放大电路输出端开路(未接RL

)时可见，接入

RL，电压放大倍数降低。[例3]

在共发射极基本交流放大电路中，已知UCC=12V，RC=4k，RB=300k，。试求电压放大倍数Au。[解]

在例10.2.1中已求出所以(4)放大电路输入电阻的计算放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻ri

，即它是对交流信号而言的一个动态电阻。4.放大电路输入电阻的计算放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。定义：

输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。+-信号源Au放大电路+-输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。放大电路信号源+-+-rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS例1：ri

如果放大电路的输入电阻较小：第一，将从信号源取用较大的电流，从而增加信号源的负担；第二，经过内阻Rs

和ri

的分压，使实际加到放大电路的输入电压ui

减小，从而减小输出电压；第三，后级放大电路的输入电阻，就是前级放大电路的负载电阻，从而将会降低前级放大电路电压放大倍数。因此，通常希望放大电路的输入电阻能高一些。以共发射极基本放大电路为例，其输入电阻为共发射极基本放大电路的输入电阻基本上等于晶体管的输入电阻，是不高的。注意：ri

与

rbe意义不同不能混淆。5.

放大电路输出电阻的计算放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。+_RLro+_定义：

输出电阻是动态电阻，与负载无关。

输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。RSRL+_Au放大电路+_rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS共射极放大电路特点：

1.放大倍数高；2.输入电阻低；3.输出电阻高。例3：求ro的步骤：(1)

断开负载RL(3)外加电压(4)求外加(2)令或(5)放大电路输出电阻的计算放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源。其内阻即为放大电路的输出电阻ro

，它也是一个动态电阻。

如果放大电路的输出电阻较大(相当于信号源的内阻较大)。当负载变化时，输出电压的变化较大，也就是放大电路带负载的能力较差。因此，通常希望放大电路输出级的输出电阻小一些。放大电路的输出电阻可在信号源短路和输出端开路的条件下求得。从基本放大电路的微变等效电路看，当，电流源相当于开路，故RC

一般为几千欧，因此，共发射极放大电路的输出电阻较高。10.3

静态工作点的稳定

合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动。

前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下，将引起静态工作点的变动，严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。10.3静态工作点的稳定由于某种原因，例如温度的变化，将使集电极电流的静态值IC

发生变化，从而影响静态工作点的稳定。上一节所讨论的基本放大电路偏置电流

当

RB

一经选定后，IB

也就固定不变，称为固定偏置放大电路，它不能稳定

Q

点。

+UCCRCC1C2TRLRE+CE++RB1RB2RS+ui+es+uoiBiC+uCE

+uBE

分压式偏置放大电路

放大电路不仅要有合适的静态工作点

Q，而且要保持

Q点的稳定。

为此，常采用分压式偏置放大电路。基本放大电路的组成+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE共发射极基本电路+UCCRCTRERB1RB2IBIC+UCE

+UBE

I1I2IE直流通路由直流通路可列出若使则基极电位

可认为

VB

与晶体管的参数无关，不受温度影响，而仅为RB1

和

RB2

的分压电路所固定。

若使VB>>UBE则

因此，只要满足

I2>>IB

和

VB>>UBE

两个条件，

VB

和

IE或

IC

就与晶体管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，使静态工作点能得以基本稳定。对硅管而言，在估算时一般可取

I2

=(5~10)IB

和

VB=(5~10)UBE

。这种电路稳定工作点的实质是：当温度升高引起IC

增大时，发射极电阻RE上的电压降增大，使UBE

减小，从而使IB减小，以限制IC

的增大，工作点得以稳定。电容CE

的作用是使交流旁路，防止RE

上产生交流电压降降低电压放大倍数，CE

称为交流旁路电容。

2.静态工作点的计算估算法:VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSeS+–

[例1]

在分压式偏置放大电路中，已知UCC=12V，RC=2k，RE=2k，RB1=20k，RB2=10k，RL=6k，晶体管的。(1)试求静态值；(2)画出微变等效电路；(3)计算该电路的Au，

ri

和

ro

。[解](1)(2)rbe

EBCRCRLRB2RS+++RB1(3)10.4射极输出器

10.4.1静态分析

射极输出器是从发射极输出。在接法上是一个共集电极电路。10.4.1静态分析RERB+UCCIB+UBE

+UCETICIE直流通路C1RS+uiRERB+UCCC2RL+es+uo++iB+uBE

iE+uCET射极输出器用直流通路确定静态值10.4.2动态分析rbe

EBRERLRBRS+++C由射极输出器的微变等效电路可得出1．电压放大倍数2．输入电阻射极输出器的输入电阻很高。3．输出电阻rbe

EBRERBRS+计算ro

的等效电路C右图中将信号源短路，保留其内阻RS

，RS

与

RB

并联后的等效电阻为RS

。在输出端将RL

取去，外加一交流电压

，产生电流

。例如，=40，rbe=0.8k，RS=50，RB=120k，由此得可见射极输出器的输出电阻是很低的。

射极输出器的主要特点是：电压放大倍数接近

1；输入电阻高；输出电阻低。因此，它常被用作多级放大电路的输入级或输出级。

C1RSRE1RB1C2+es++T1+UCCRC2C3T2RLRE2+CE2+RB1RB2(1)

前级静态值为后级静态值同例10.3.1，即(2)

放大电路的输入、输出电阻为前级的负载电阻，其中ri2

为后级的输入电阻，已在例10.3.1中求得，ri2=0.79k，于是输出电阻(3)计算电压放大倍数前级后级(见例10.3.1)Au2=71.2两级电压放大倍数Au=Au1

Au2=0.98(71.2)=69.8*10.5差分放大电路T1T2RCRB+UCC+ui1iBiCRCRB+ui2iBiCRPREEEiEiE+uO差分放大电路用两个晶体管组成，电路结构对称，在理想情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相同，因此，两管的静态工作点也必然相同。10.5.1静态分析在静态时，ui1=ui2=0，则

IC1=IC2

，VC1=VC2

，故输出电压

uO

=VC1

VC2=0

差分放大电路的优点是具有抑制零点漂移的能力。什么是零点漂移？一个理想的放大电路，当输入信号为零时，其输出电压应保持不变(不一定是零)。但实际上，主要由于环境温度的变化，输出电压并不保持恒定，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象称为零点漂移(或称温漂)，它影响放大电路的工作。对差分放大电路，由于电路的对称性，当温度变化时，两边的变化量相等，即IC1=IC2

，VC1=VC2

虽然每个管子都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是互相抵消的，所以输出电压依然为零，即

uO

=VC1+VC1

(VC2+VC2)

=VC1

VC2=0零点漂移完全被抑制了。电位器RP

起调零作用，因为电路不可能完全对称，静态时输出电压不一定等于零，可通过调节RP使静态输出电压为零。

在静态时，设

IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC，忽略阻值很小的

RP

可列出

上式中前两项较第三项小得多，可略去，则每管的集电极电流发射极电位

VE

0。每管的基极电流每管的集-射极电压接入RE

是为了稳定和获得合适的静态工作点，负电源EE

用来抵偿RE

上的直流压降。10.5.2动态分析1．共模输入两个输入信号电压的大小相等，极性相同，即

ui1=ui2

，这样的输入称为共模输入。在共模输入信号的作用下，若电路完全对称时，两管集电极电位的变化相同，因而，输出电压等于零，所以对共模信号没有放大能力，亦即放大倍数为零。2．差模输入两个输入信号电压的大小相等，而极性相反，即

ui1

=ui2

，这样的输入称为差模输入。

设ui1

>0，ui2<0，则IC1>0，IC2<0，VC1<0，

VC2>0

。故uO=

VC1

VC2

可见，在差模输入时，输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍。T1RCibic+ui1+uo1RB单管差模信号通路由于差模信号使两管的集电极电流一增一减，其变化量相等，通过RE

的电流近于不变，RE

上没有差模信号压降，故RE

对差模信号不起作用，可得出下图所示的单管差模信号通路。单管差模电压放大倍数同理可得双端输出电压为双端输入-双端输出差分电路的差模电压放大倍数为当在两管的集电极之间接入负载电阻时，式中两输入端之间的差模输入电阻为两集电极之间的差模输出电阻为

[例1]

在前图所示的差分放大电路中，已知UCC=12V，EE=12V，=50，RC=10k，RE=10k，RB=20k，RP=100，并在输出端接负载电阻RL=20k，试求电路的静态值和差模电压放大倍数。[解]式中3．比较输入两个输入信号电压既非共模，又非差模，它们的大小和相对极性是任意的，这种输入常作为比较放大来运用。差值电压(ui1

ui2)

经放大后，输出电压为uO=Au(ui1

ui2)为了便于分析，可将这种信号分解为共模分量和差模分量，例如uI1=10mV=2mV+8mVuI2=6mV=2mV8mV其中，2mV

是共模分量，8mV

和(8mV)是差模分量。

为了全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，通常引用共模抑制比KCMRR

来表征其值越大越好。10.6互补对称放大电路10.6.1对功率放大电路的基本要求在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级对功率放大电路的基本要求是：

(1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。(2)效率要高。放大电路有三种工作状态。(1)

甲类工作状态tiCQOOiCuCE甲类工作状态静态工作点Q

大致在负载线的中点。这种工作状态下，放大电路的最高效率为50%。(2)

甲乙类工作状态tiCQOOiCuCE甲乙类工作状态静态工作点Q

沿负载线下移，静态管耗减小，但产生了失真。(3)乙类工作状态tiCQOOiCuCE乙类工作状态静态工作点下移到IC

0

处，管耗更小，但输出波形只剩半波了。10.6.2互补对称放大电路1．无输出变压器(OTL)的互补对称放大电路OtuiR1iC2RLR3R2D1D2B1B2T1T2+UCCCLAC+++ui+uoOtuoiC1OTL电路图中两个晶体管T1(NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同。静态时，调节R3，使A

点的电位为。

输出耦合电容

CL

上的电压也为。

R1

和D1

、D2

上的压降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。iC2RL+UCCCL+OtuiiC1R1R3R2D1D2B1B2T1T2AC++uiOTL电路+uo在ui

的正半周，T1

导通，T2

截止，电流iC1

自上而下流过负载RL

；在ui

的负半周，T1

截止，T2

导通，电流iC2

自下而上流过负载RL

；在ui

的一个周期内，电流iC1

和

iC2

以正反方向交替流过负载RL，在RL

上合成而得出一个交流输出信号电压uo。Otuo电流是靠电容CL

放电形成的，为了使输出波形对称，CL

的容量必须足够大。这种功率放大电路在理想情况下的效率为78.5%。2．无输出电容(OCL)的互补对称放大电路R1RLR3R2D1D2T1T2+UCCAC++ui+uoUCCOCL电路

OCL电路需用正负两路电源。其工作原理与OTL电路基本相同。*10.7场效晶体管及其放大电路10.7.1绝缘栅场效晶体管SiO2绝缘层源极S栅极G漏极D

P

型硅衬底N+N+N

沟道增强型绝缘栅场效晶体管结构示意图DSG符号再在两个N+

型区之间的二氧化硅绝缘层的表面及两个N+

型区的表面分别安置三个电极：栅极G、源极D

和漏极D。由于柵极电流几乎为零，栅源电阻RGS

很高，最高可达1014。

构成：用一块杂质浓度较低的P

型薄硅片作为衬底，其上扩散两个相距很近的高掺杂N+

型区。并在表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层。P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0UGSN+N+UDS当栅-源电压UGS=0

时，D

与S之间是两个PN

结反向串联，无论D

与S

之间加什么极性的电压，总有一个PN

结是反向偏置的，漏极电流ID

均接近于零。

当在柵极和源极之间加正向电压但数值较小时(0<UGS

<UGS(th)

)

，由柵极指向衬底方向的电场吸引电子向上移动，填补空穴在P

型硅衬底的上表面形成耗尽层，此时仍然没有漏极电流。

当UGS

大于一定数值时(UGS>UGS(th))，在栅极下P

型半导体表面形成N

型层，通常称它为反型层。这就是沟通源区和漏区的N

型导电沟道(与P

型衬底间被耗尽层绝缘)。UGS

正值越高，导电沟道越宽。P型硅衬底N++BSGD。耗尽层N型导电沟道