放大电路的基本原理

第二章放大电路的基本原理2.1放大的概念2.2单管共发射极放大电路2.3放大电路的主要技术指标2.4放大电路的基本分析方法2.5工作点的稳定问题2.6放大电路的三种基本组态2.7场效应管放大电路2.8多级放大电路第二章放大电路的基本原理2.1放大的概念本质：实现能量的控制。在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。小能量对大能量的控制作用称为放大作用。放大的对象是变化量。元件：双极型三极管和场效应管。第二章放大电路的基本原理2.2单管共发射极放大电路2.2.1单管共发射极放大电路的组成图2.2.1单管共射放大电路的原理电路VT：NPN型三极管，为放大元件；VCC：为输出信号提供能量；

RC：当iC通过Rc，将电流的变化转化为集电极电压的变化，传送到电路的输出端；

VBB、Rb：为发射结提供正向偏置电压，提供静态基极电流(静态基流)。第二章放大电路的基本原理2.2.2单管共发射极放大电路的工作原理一、放大作用：图2.2.1单管共射放大电路的原理电路第二章放大电路的基本原理二、组成放大电路的原则：

1.外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。则有：

2.输入回路的接法应使输入电压

u

能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量

iB。

3.输出回路的接法应使变化量

iC能够转化为变化量

uCE，并传送到放大电路的输出端。三、原理电路的缺点：1.双电源供电；2.uI、uO不共地。第二章放大电路的基本原理四、单管共射放大电路图2.2.2单管共射放大电路C1、C2：为隔直电容或耦合电容；RL：为负载电阻。该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。第二章放大电路的基本原理2.3放大电路的主要技术指标图2.3.1放大电路技术指标测试示意图一、放大倍数第二章放大电路的基本原理二、最大输出幅度在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom、Iom)。三、非线性失真系数D四、输入电阻Ri所有谐波总量与基波成分之比，即从放大电路输入端看进去的等效电阻。第二章放大电路的基本原理五、输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。测量Ro：输入端正弦电压，分别测量空载和输出端接负载RL的输出电压、。输出电阻愈小，带载能力愈强。第二章放大电路的基本原理Aum六、通频带BW七、最大输出功率与效率输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号Pom表示。：效率PV：直流电源消耗的功率fL

fHfL：下限频率fH：上限频率图2.3.2第二章放大电路的基本原理图2.4.1(b)2.4放大电路的基本分析方法基本分析方法两种图解法微变等效电路法2.4.1直流通路与交流通路图2.2.2(b)图2.4.1(a)第二章放大电路的基本原理2.4.2静态工作点的近似计算bceIBQICQUCEQ图2.4.1(a)硅管UBEQ=(0.6~0.8)V锗管UBEQ=(0.1~0.2)VICQ

IBQUCEQ=VCC–ICQ

RC第二章放大电路的基本原理【例】图示单管共射放大电路中，VCC=12V，Rc=3k，Rb=280k，NPN硅管的=50，试估算静态工作点。图2.4.3(a)解：设UBEQ=0.7VICQ

IBQ=(500.04)mA=2mAUCEQ=VCC–ICQ

Rc=(12-23)V=6V第二章放大电路的基本原理2.4.3图解法在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。一、图解法的过程(一)图解分析静态1.先用估算的方法计算输入回路IBQ、UBEQ。2.用图解法确定输出回路静态值方法：根据uCE=VCC

-

iCRc式确定两个特殊点第二章放大电路的基本原理输出回路输出特性直流负载线Q图2.4.2由静态工作点Q确定的ICQ、UCEQ为静态值。第二章放大电路的基本原理图2.4.3(a)

【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知Rb=280k，Rc=3k，集电极直流电源VCC=12V，试用图解法确定静态工作点。解：首先估算IBQ做直流负载线，确定Q点根据UCEQ=VCC–ICQ

RciC=0，uCE=12V；uCE=0，iC=4mA.第二章放大电路的基本原理0iB

=0µA20µA40µA60µA80µA134224681012MQ静态工作点IBQ=40µA，ICQ=2mA，UCEQ=6V.uCE

/V由Q点确定静态值为：iC

/mA图2.4.3(b)第二章放大电路的基本原理(二)图解分析动态1.交流通路的输出回路图2.4.4输出通路的外电路是Rc和RL的并联。2.交流负载线交流负载线交流负载线斜率为：OIBiC

/mAuCE

/VQ静态工作点图2.4.5(b)第二章放大电路的基本原理3.动态工作情况图解分析图2.4.5(a)输入回路工作情况0.680.72uBEiBtQ000.7t6040200uBE/ViB/µAuBE/ViBUBE第二章放大电路的基本原理交流负载线直流负载线4.57.5uCE912t0ICQiC

/mA0IB=40µA2060804Q260uCE/ViC

/mA0tuCE/VUCEQiC图2.4.5(b)输出回路工作情况分析第二章放大电路的基本原理4.电压放大倍数图2.4.3(a)

【例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如右图，RL=3k。uCE=(4.5–7.5)V=-3VuBE=(0.72–0.68)V=0.04V解：求确定交流负载线取iB=(60–20)A=40A则输入、输出特性曲线上有第二章放大电路的基本原理单管共射放大电路当输入正弦波uI时，放大电路中相应的uBE、iB、iC、uCE、uO波形。图2.4.6单管共射放大电路的电压电流波形第二章放大电路的基本原理二、图解法的应用(一)用图解法分析非线性失真

1.静态工作点过低，引起

iB、iC、uCE的波形失真ibui结论：iB波形失真OQOttOuBE/ViB/µAuBE/ViB/µAIBQ

——截止失真第二章放大电路的基本原理iC

、uCE

(uo

)波形失真NPN管截止失真时的输出uo波形。uo=

uceOiCtOOQ

tuCE/VuCE/ViC

/mAICQUCEQ第二章放大电路的基本原理OIB=0QtOO

NPN管uo波形tiCuCE/VuCE/ViC

/mAuo=

uceib(不失真)ICQUCEQ2.Q点过高，引起

iC、uCE的波形失真—饱和失真第二章放大电路的基本原理(二)用图解法估算最大输出幅度OiB=0QuCE/ViC

/mAACBDE交流负载线输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的A、B所限定的范围。Q尽量设在线段AB的中点。则AQ=QB，CD=DE第二章放大电路的基本原理(三)用图解法分析电路参数对静态工作点的影响

1.改变Rb，保持VCC，Rc，不变；OIBiCuCE

Q1Rb增大，Rb减小，Q点下移；Q点上移；Q2OIBiCuCE

Q1Q3

2.改变VCC，保持Rb，Rc，不变；升高VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。Q2图2.4.9(a)图2.4.9(b)第二章放大电路的基本原理

3.改变Rc，保持Rb，VCC，不变；

4.改变，保持Rb，Rc，VCC

不变；增大Rc，直流负载线斜率改变，则Q点向饱和区移近。OIBiCuCE

Q1Q2OIBiCuCE

Q1Q2增大，ICQ增大，UCEQ减小，则Q点移近饱和区。图2.4.9(c)图2.4.9(d)第二章放大电路的基本原理图解法小结

1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；2.方便估算最大输出幅值的数值；3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4.有利于对静态工作点Q的检测等。第二章放大电路的基本原理2.4.4微变等效电路法晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。微变等效条件研究的对象仅仅是变化量信号的变化范围很小第二章放大电路的基本原理一、简化的

h参数微变等效电路(一)三极管的微变等效电路iBuBE晶体管的输入特性曲线rbe：晶体管的输入电阻。在小信号的条件下，rbe是一常数。晶体管的输入电路可用rbe等效代替。1.输入电路Q点附近的工作段近似地看成直线可认为uBE与iB成正比QOiB

uBE

图2.4.10(a)第二章放大电路的基本原理2.输出电路假设在

Q点附近特性曲线基本上是水平的(iC与uCE无关)，数量关系上，iC比iB大

倍；iBiB从三极管输出端看，可以用iB恒流源代替三极管；该恒流源为受控源；为iB对iC的控制。uCE

QiC

O图2.4.10(b)第二章放大电路的基本原理3.三极管的简化参数等效电路

注意：这里忽略了uCE对iC与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小。图2.4.11

三极管的简化h参数等效电路cbe+uBE+uCEiCiBebcrbe

iB+uBE+uCEiCiB第二章放大电路的基本原理4.电压放大倍数Au；输入电阻Ri、输出电阻ROC1RcRb+VCCC2RL+++VT+Ri=rbe//Rb，Ro=Rcrbe

ebcRcRLRb++图2.4.12

单管共射放大电路的等效电路第二章放大电路的基本原理(二)

rbe的近似估算公式rbb：基区体电阻。reb：基射之间结电阻。低频、小功率管rbb

约为300。UT：温度电压当量。c

beiBiCiE图2.4.13第二章放大电路的基本原理电流放大倍数与电压放大倍数之间关系讨论

1.当IEQ一定时，愈大则

rbe也愈大，选用值较大的三极管其Au并不能按比例地提高；因：

2.当值一定时，IEQ愈大则rbe愈小，可以得到较大的Au，这种方法比较有效。第二章放大电路的基本原理(三)等效电路法的步骤(归纳)

1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q。2.求出静态工作点处的微变等效电路参数

和rbe。3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。4.列出电路方程并求解。第二章放大电路的基本原理二、微变等效电路法的应用例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。C1RcRb+VCCC2RL+++VT+Rerbe

bcRcRLRb+Ree+图2.4.14

接有发射极电阻的放大电路第二章放大电路的基本原理rbe

bcRcRLRb+Ree+根据微变等效电路列方程引入发射极电阻后，降低了。若满足(1+)Re>>rbe与三极管的参数、rbe无关。第二章放大电路的基本原理2.放大电路的输入电阻引入Re后，输入电阻增大了。3.放大电路的输出电阻rbe

ebcRcRLRb++Rerbe

bcRcRbRee将放大电路的输入端短路，负载电阻RL开路，忽略c、e之间的内电阻rce。RL图2.4.14(b)第二章放大电路的基本原理讨论引入Re后对输出电阻的影响。rbe

ebcRcRbRerce

~+_式中图2.4.15

求图2.4.14(a)电路输出电阻的等效电路第二章放大电路的基本原理将代入式，放大电路输出电阻为上式中，通常，故可简化为如果Re=0，但考虑rce的作用，则显然，接入

Re后，三极管集电极至公共端之间的等效电阻大大提高了。第二章放大电路的基本原理2.5工作点的稳定问题2.5.1温度对静态工作点的影响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–2mV/C，即温度每升高1C，UBE约下降2mV。

2.改变。温度每升高1C，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10C，ICBQ大致将增加一倍，说明ICBQ将随温度按指数规律上升。第二章放大电路的基本原理温度升高将导致IC增大，Q上移。波形容易失真。iCuCEOiBQVCCT=20C

T=50C图2.5.1

温度对Q点和输出波形的影响第二章放大电路的基本原理2.5.2静态工作点稳定电路一、电路组成——分压式偏置电路C1RcRb2+VCCC2RL+++++CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB图2.5.2

分压式工作点稳定电路由于UBQ不随温度变化，——电流负反馈式工作点稳定电路

T

ICQIEQUEQUBEQ

(=UBQ–UEQ)IBQICQ第二章放大电路的基本原理说明：

1.Re愈大，同样的IEQ产生的UEQ愈大，则温度稳定性愈好。但Re增大，UEQ增大，要保持输出量不变，必须增大VCC。

2.接入Re，电压放大倍数将大大降低。在Re两端并联大电容Ce，交流电压降可以忽略，则Au基本无影响。Ce称旁路电容

3.要保证UBQ基本稳定，IR>>IBQ，则需要Rb1、Rb2小一些，但这会使电阻消耗功率增大，且电路的输入电阻降低。实际选用Rb1、Rb2值，取IR

=(5~

10)IBQ，UBQ=(5~10)UBEQ。第二章放大电路的基本原理二、静态与动态分析静态分析C1RcRb2+VCCC2RL+++++CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于IR>>IBQ，可得(估算)静态基极电流第二章放大电路的基本原理动态分析C1RcRb2+VCCC2RL+++++CeuoRb1ReiBiCiEiRuirbe

ebcRcRL++Rb2Rb1RcRb2+VCCRL++uiuoRb1Re第二章放大电路的基本原理2.6放大电路的三种基本组态三种基本接法共射组态共集组态共基组态2.6.1共集电极放大电路C1Rb+VCCC2RL+Re++RS+~~++__+rbebec(b)等效电路——为射极输出器图2.6.1

共集电极放大电路(a)电路图第二章放大电路的基本原理一、静态工作点C1Rb+VCCC2RL+Re++RS+~由基极回路求得静态基极电流则(a)电路图图2.6.1

共集电极放大电路第二章放大电路的基本原理二、电流放大倍数所以三、电压放大倍数结论：电压放大倍数恒小于1，而接近1，且输出电压与输入电压同相，又称射极跟随器。~++__+rbebec(b)等效电路第二章放大电路的基本原理四、输入电阻~++__+rbebec输入电阻较大。Ri第二章放大电路的基本原理五、输出电阻+_rbebec~输出电阻低，故带载能力比较强。Ro图2.6.2求射极输出器Ro的等效电路第二章放大电路的基本原理2.6.2共基极放大电路图2.6.3

共基极放大电路(a)原理电路

VEE保证发射结正偏；VCC保证集电结反偏；三极管工作在放大区。(b)实际电路实际电路采用一个电源VCC，用Rb1、Rb2分压提供基极正偏电压。C1C2+++_+_ReVEEVCCRcRLVTC1C2VCCRb2Rb1+++++__ReCbRLRc第二章放大电路的基本原理一、静态工作点(IBQ,ICQ,UCEQ)图2.6.3(b)实际电路C1C2VCCRb2Rb1+++++__ReCbRLRc第二章放大电路的基本原理二、电流放大倍数微变等效电路由图可得：所以由于小于1而近似等于1，所以共基极放电电路没有电流放大作用。+_+_Rerbebec图2.6.4

共基极放大电路的等效电路第二章放大电路的基本原理三、电压放大倍数+_+_Rerbebec图2.6.4由微变等效电路可得共基极放大电路没有电流放大作用，但是具有电压放大作用。电压放大倍数与共射电路相等，但没有负号，说明该电路输入、输出信号同相位。第二章放大电路的基本原理四、输入电阻暂不考虑电阻Re的作用五、输出电阻暂不考虑电阻Re的作用Ro

=

rcb.已知共射输出电阻rce，而rcb比

rce大得多，可认为rcb

(1+

)rce如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输出电阻为Ro=Rc//rcb

Rc第二章放大电路的基本原理2.6.3三种基本组态的比较大(数值同共射电路，但同相)小(小于、近于

1)大(十几~一几百)小大(几十~一百以上)大(几十~一百以上)电路组态性能共射组态共集组态共基组态C1C2VCCRb2Rb1+++++__ReCbRLC1Rb+VCCC2RL+Re+++C1Rb+VCCC2RL++++Rc第二章放大电路的基本原理2.6.3三种基本组态的比较

频率响应大(几百千欧~几兆欧)大(几欧~几十欧)中(几十千欧~几百千欧)rce小(几欧

~几十欧)小(几十千欧以上)中(几百欧~几千欧)

rbe组态性能共射组态共集组态共基组态差较好好第二章放大电路的基本原理2.7场效应管放大电路2.7.1场效应管的特点1.场效应管是电压控制元件；2.栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；3.一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及辐射影响小；4.制造工艺简单，有利于大规模集成；5.存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止漏电击穿管子；6.跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。第二章放大电路的基本原理2.7.2共源极放大电路图2.7.3共源极放大电路原理电路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：图示电路为N沟道增强型MOS

场效应管组成的放大电路。(UT：开启电压)第二章放大电路的基本原理一、静态分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD图2.7.3共源极放大电路原理电路两种方法近似估算法图解法(一)近似估算法

MOS管栅极电流为零，当uI=0时UGSQ=VGG而iD与uGS之间近似满足(当uGS>UT)式中

IDO为uGS=2UT时的值。则静态漏极电流为第二章放大电路的基本原理

(二)图解法图2.7.4用图解法分析共源极放大电路的Q点VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD画出直流负载线。图中IDQ、UDSQ即为静态值。第二章放大电路的基本原理二、动态分析iD的全微分为上式中定义：——场效应管的跨导(毫西门子mS)。——场效应管漏源之间等效电阻。1.微变等效电路第二章放大电路的基本原理二、动态分析如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。成为：根据上式做等效电路如图所示。图2.7.5场效应管的微变等效电路++——GDS由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。第二章放大电路的基本原理微变参数

gm和rDS

(1)根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2)用求导的方法计算

gm在Q点附近，可用IDQ表示上式中iD，则一般gm约为0.1至20mS。rDS为几百千欧的数量级。当RD比rDS小得多时，可认为等效电路的rDS开路。第二章放大电路的基本原理2.共源极放大电路的动态性能VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD图2.7.6共源极放大电路的微变等效电路将

rDS开路而所以输出电阻Ro=RDMOS管输入电阻高达109

。-D++-GSRG+-第二章放大电路的基本原理2.7.3分压—自偏压式共源放大电路一、静态分析(一)近似估算法根据输入回路列方程图2.7.7分压-自偏式共源放大电路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解联立方程求出UGSQ和IDQ。第二章放大电路的基本原理+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++图2.7.7分压-自偏式共源放大电路列输出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)图解法由式可做出一条直线，另外，iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定UGSQ，IDQ。第二章放大电路的基本原理根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线，与uGS=UGSQ的交点确定Q，由Q确定UDSQ和IDQ值。UDSQuDS=VDD–iD(RD+RS)3uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ图2.7.8用图解法分析图2.7.7电路的Q点第二章放大电路的基本原理二、动态分析微变等效电路入右图所示。图2.7.9图2.7.7电路的微变等效电路—D++—GS+—由图可知电压放大倍数输入、输出电阻分别为第二章放大电路的基本原理2.7.4共漏极放大电路——源极输出器或源极跟随器图2.7.10源极输出器典型电路如右图所示。+VT+SDGR2VDD+RLRSR1C1C2++RG静态分析如下：分析方法与“分压-自偏压式共源电路”类似，可采用估算法和图解法。第二章放大电路的基本原理动态分析1.电压放大倍数图2.7.11微变等效电路—D++-GS+—而所以2.输入电阻Ri=RG+(R1//R2)第二章放大电路的基本原理3.输出电阻图2.7.11微变等效电路—D++-GS~在电路中，外加，令，并使RL开路因输入端短路，故则所以实际工作中经常使用的是共源、共漏组态。第二章放大电路的基本原理2.8多级放大电路2.8.1多级放大电路的耦合方式三种耦合方式阻容耦合直接耦合变压器耦合一、阻容耦合图2.8.1阻容耦合放大电路C1RC1Rb1+VCCC2RL++VT1++Rc2Rb2C3VT2+第一级第二级第二章放大电路的基本原理优点：

(1)前、后级直流电路互不相通，静态工作点相互独立；(2)选择足够大电容，可以做到前一级输出信号几乎不衰减地加到后一级输入端，使信号得到充分利用。不足：

(1)不适合传送缓慢变化的信号；(2)无法实现线性集成电路。第二章放大电路的基本原理二、直接耦合Rc1Rb1+VCC+VT1+Rc2Rb2VT2图2.8.2两个单管放大电路简单的直接耦合特点：

(1)可以放大交流和缓慢变化及直流信号；

(2)便于集成化。

(3)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随着级数增加而上升；

(4)零点漂移。第二章放大电路的基本原理1.解决合适静态工作点的几种办法改进电路—(a)电路中接入Re2，保证第一级集电极有较高的静态电位，但第二级放大倍数严重下降。改进电路—(b)稳压管动态电阻很小，可以使第二级的放大倍数损失小。但集电极电压变化范围减小。VDZRc1Rb1+VCC+VT1+Rc2RVT2(b)Rc1Rb1+VCC+VT1+Rc2Re2VT2(a)第二章放大电路的基本原理改进电路—(c)+VCCRc1Rb1+VT1+Rc2Rb2VT2VDz改进电路—(d)

可降低第二级的集电极电位，又不损失放大倍数。但稳压管噪声较大。可获得合适的工作点。为经常采用的方式。(c)Rc1Rb1+VCC+VT1+Re2Rc2VT2-(d)图2.8.3直接耦合方式实例第二章放大电路的基本原理【例】图示两级直接耦合放大电路中，已知：Rb1=240k，

Rc1=3.9k，Rc2=500，稳压管VDz的工作电压UZ=4V，三极管VT1的1=45，VT2的2=40，VCC=24V，试计算各级静态工作点。图2.8.4例题的电路Rc1Rb1+VCC+VT1+Rc2VT2VDzuIuOiB1iC1iRc1iB2iC2解：设UBEQ1=UBEQ2=0.7V，则UCQ1=UBEQ2+Uz=4.7V如ICQ1由于温度的升高而增加1%，计算静态输出电压的变化。第二章放大电路的基本原理ICQ1=1IBQ1=4.5mAIBQ2=IRc1–ICQ1=(4.95–4.5)mA=0.45mAICQ2=2IBQ2=(40×0.45)mA=18mAUO=UCQ2=VCC–ICQ2RC2=(24–18×0.5)V=15V

UCEQ2