第8章 放大器基础

第8章放大电路8.2半导体三极管8.3共射极放大电路及放大电路的一般分析方法8.4共集电极放大电路8.1放大器的放大作用本章主要介绍双极型晶体管（半导体三极管）、场效应晶体管组成的基本放大电路及其应用。8.6多级放大电路8.7功率放大电路8.10拓展与应用18.1放大器的放大作用信号放大：将小信号通过放大电路变为较大幅度的信号功率放大：是将弱的信号通过放大电路变为较强的信号放大的前提条件是不失真，或者尽可能地减小失真

28.2半导体三极管三极管常见的分类方法：根据制作三极管的主要材料，可分为硅管和锗管。按照三极管的结构，可分为NPN、PNP型。根据三极管的用途和作用，可分为放大管、开关管。按照功率的大小，可分为大功率管、中功率管和小功率管。根据三极管所适合放大的信号频率，分为高频管、中频管和低频管。348.2.1半导体三极管的结构及其放大原理三极管的结构

58.2.1半导体三极管的结构及其放大原理1．实现放大作用的条件（1）放大作用的内因（即内部条件）

①发射区：发射功能其工艺特点为在三个区中的掺杂浓度最大。②基区：传输功能。其工艺特点为在三个区中的掺杂浓度最小，最薄。

③集电区：收集功能。其工艺特点为收集面积大，做得比较厚。

三极管之所以具有放大作用，就是基于上述结构和工艺的特点，即为放大作用的内因（或内部条件）。68.2.1半导体三极管的结构及其放大原理

（2）放大作用的外因（外部条件）

①发射结正偏，发射区发射载流子，形成发射极电流。

②载流子在基区中的传输与复合，形成基极电流。

③集电结反偏，集电区收集载流子，形成集电极电流。78.2.1半导体三极管的结构及其放大原理2．三极管放大过程中的电流分配关系（1）（2），很接近，一般认为，并统一表示为。（3）IB（mA）-0.00100.010.020.030.04IC（mA）0.0010.010.501.001.702.50IE（mA）00.010.511.021.472.0888.2.1半导体三极管的结构及其放大原理

3．三极管放大作用的实质通过上述分析可见，三极管的电流放大作用并非放大电流本身，而是通过产生一个小的基极电流，控制产生了一个大的集电极电流，即放大作用其实是一种电流控制作用。所以，三极管为电流控制器件。9共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG100101.输入特性特点:非线性正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3V3DG100晶体管的输入特性曲线O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。112.输出特性共发射极电路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶体管的输出特性曲线在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。12晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区3DG100晶体管的输出特性曲线IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大区在放大区IC=

IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。对NPN型管而言,应使

UBE

>0,UBC<

0，此时，

UCE

>UBE。Q2Q1大放区2.输出特性13IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(2)截止区对NPN型硅管，当UBE<0.5V时,即已开始截止,为使晶体管可靠截止,常使UBE

0。截止时,集电结也处于反向偏置(UBC<

0),此时,IC0,UCEUCC。IB=0的曲线以下的区域称为截止区。IB=0时,IC=ICEO(很小)。(ICEO<0.001mA)截止区14IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µA

O3691242.31.5321IB=0(3)饱和区

在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。IC

UCC/RC。当UCE

<

UBE时，集电结处于正向偏置(UBC

>0)，晶体管工作于饱和状态。饱和区158.2.3主要参数1.电流放大系数

当晶体管接成共射极电路时，称为共射极电流放大倍数当晶体管接成共基极电路时，

称为共射极电流放大倍数其中，162.集-基极反向截止电流

ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。174.集电极最大允许电流

ICM5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)

CEO。6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。188.3共射极放大电路及放大电路的一般分析方法8.3.1共发射极基本放大电路组成19基本放大电路各元件作用

晶体管VT：放大元件,起放大作用。电源UBB、UCC：为电路提供能量。其中UBB保证发射结正偏。

UCC保证集电结反偏。20基本放大电路各元件作用

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

：通交流隔直流，起信号传递作用。基极电阻RB：起分压和限流作用。21+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE8.3.2静态分析直流通路对直流信号电容C可看作开路（即将电容断开）断开断开+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE1、直流通路222、静态值的计算1.直流通路估算IB根据电流放大作用2.由直流通路估算UCE、IC当UBE<<UCC时，由KVL:UCC=IBRB+

UBE由KVL:UCC=ICRC+

UCE所以UCE=UCC–

ICRC

+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB23例1：用估算法计算静态工作点。已知：UCC=12V，RC=2k，RB=300k，=75

。解：+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB243.放大电路的图解法分析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–ICIB25UCE/VIC/mAO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26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.微变等效电路分析法UBEIB对于小功率三极管：8.3.3动态分析(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。IBUBEO27(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。ICUCEQO28ibicicBCEibib晶体三极管微变等效电路ube+-uce+-ube+-uce+-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。29RBRCuiuORLRSes++–+––步骤1：画交流通路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+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE短路短路对地短路30步骤2：画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+-ibicBCEii31步骤3.定量分析电压放大倍数的计算当放大电路输出端开路(未接RL)时因rbe与IE有关，故放大倍数与静态IE有关。负载电阻愈小，放大倍数愈小。式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS32rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSri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。输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。33rbeRBRCRLEBC+-+-+-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。求ro的步骤：(1)断开负载RL(3)

外加电压(4)

求外加

(2)

令或342、静态、动态的图解分析DC（一）静态、动态的常规图解分析交流负载线直流负载线交流负载线反映动态时电流iC和电压uCE的变化关系。交流负载线斜率´IC/mA4321O48121620B80mAA60mA40mA20mAUCE/VQ35QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQiCQ1Q2ibuiuoRL=2、静态、动态的图解分析（一）静态、动态的常规图解分析36（二）非线性失真如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。Q2uO适当减小基极电流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ137若Q设置过低晶体管进入截止区工作，造成截止失真。适当增加基极电流可消除失真。uiuOtiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。（二）非线性失真38改善方法

影响静态工作点参数三极管选定，视为常数，因此无须考虑①对静态工作点的影响OQiC/mAuCE/VO39②对静态工作点的影响

【讨论与思考】如图8.3.14所示，能否通过调整改善截止失真？改善截止失真？40③对静态工作点的影响

41信号过大时引起的失真

42温度升高时，输出特性曲线上移固定偏置电路的工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使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。结论：

当温度升高时，

IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。iCuCEQQ´O温度变化引起的失真43三、分压式偏置电路

（一）静态分析1.估算法VBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSuS+–442.改善温度对静态工作点的影响VEVBRB1RCC1C2RB2CERERLI1I2IB++++UCCuiuo++––ICRSuS+–TUBEIBICVEICVB固定

RE：温度补偿电阻

对直流：RE越大,稳定Q点效果越好；

对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。45（二）动态分析对交流：旁路电容CE

将RE

短路，RE不起作用，Au，ri，ro与固定偏置电路相同。RB1RCC1C2RB2CERERL++++UCCuiuo++––RSeS+–46电压放大倍数的计算当放大电路输出端开路(未接RL)时因rbe与IE有关，故放大倍数与静态IE有关。负载电阻愈小，放大倍数愈小。式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS47rbeRBRCRLEBC+-+-+-RSri输入电阻：48rbeRBRCRLEBC+-+-+-RS求ro的步骤：(1)断开负载RL

(3)

外加电压

(4)

求

(2)

令或49例3:

在图示放大电路中，已知UCC=15V,RB1=60kΩ，

RB2=20kΩ,RC=3kΩ,RE=2kΩ，RL=6kΩ，β=60，试求:(1)

静态工作点IB、IC及UCE；(2)画出微变等效电路；(3)输入电阻ri、ro及Au。RB1RCC1C2RB2CERL++++UCCuiuo++––RE50解:(1)由直流通路求静态工作点。直流通路RB1RCRB2RE1+UCCRE2+–UCEIEIBICVB51(2)由微变等效电路求Au、ri、

ro。RS微变等效电路rbeRBRCRLEBC+-+-+-528.4共集电极放大电路因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。因从发射极输出，所以称射极输出器。RB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++es+–RS53求Q点：一、静态分析直流通路+UCCRBRE+–UCE+–UBEIEIBICRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–++es+–RS54二、动态分析1.电压放大倍数

电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。微变等效电路rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE55rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE2.输入电阻射极输出器的输入电阻高，对前级有利。ri与负载有关563.输出电阻射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。rbeRBRLEBC+-+-+-RSRE57共集电极放大电路(射极输出器)的特点：1.电压放大倍数小于1，约等于1;2.输入电阻高；3.输出电阻低；4.输出与输入同相。58射极输出器的应用主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。

1.因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。

2.因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。

4.利用ri大、ro小以及Au1的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。

3.电压放大倍数大于0，但是小于或约等于1。不放大电压而放大电流，故可作功率放大电路。59一、多级放大电路的电压放大倍数8.6多级放大电路60二、耦合方式所谓放大电路的耦合方式，是指放大电路前后级之间的信号传输方式。在工程实践中，耦合方式应满足两个基本要求：

（1）静态时，放大电路有合适的静态工作点。

（2）在信号传输过程中，尽可能减小传输中的电压损失。常用的耦合方式主要有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合等。611．直接耦合（1）静态工作点的牵连在计算两级放大电路的静态工作点时，它们会相互牵连。

62（2）零点漂移零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。632.阻容耦合放大电路第一级第二级负载信号源两级之间通过耦合电容

C2与下级输入电阻连接RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+++++–RS+–RC2C3CE2RE2RL+++UCC+––T1T2643.变压器耦合变压器只能传输交流信号，当采用多级放大时，可以避免静态工作点的牵连，对于零点漂移的传输起到一定的抑制作用。654.光电耦合光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，其抗干扰能力强。668.7功率放大电路8.7.1

功率放大电路概述功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。(1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。(2)由于功率较大，要求提高效率。67ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO一、按照静态工作点的位置分类甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通,静态IC较大，波形好,管耗大效率低。乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC=0，波形严重失真,管耗小效率高。甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC0，一般功放常采用。68二、按照耦合方式分类698.7.2基本功率放大电路互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。