模拟电子技术章二

第2章基本放大电路2.1放大电路工作原理2.2共射极放大电路的静态与动态分析2.3共集电极电路和共基极电路2.4场效应管放大电路2.5多级放大电路2.6放大电路的频率响应 单管放大电路是构成各种放大器的基本单元电路。本章从共发射极电路入手，阐明放大电路的组成及放大电路的工作原理。利用电子电路中最常用的分析方法——图解法和微变等效电路法，分析单管共射电路的静态工作点及其动态技术指标。同时对另外两种组态——共集电极电路和共基电路进行了静态和动态分析，并对3种不同组态的电路进行了对比分析。 在双极型放大电路的基础上，介绍单极型场效应管构成的放大电路，并对其进行静态和动态的分析。 由两级及两级以上的放大电路组合在一起，就构成了多级放大电路。2.1放大电路工作原理 放大电路的用途非常广泛，无论是小的收音机、扩音器或者是大的控制设备，其中都有各式各样的放大电路，比如扩音器就是一个把微弱的声音放大的放大器。话筒将声音信号转变成微弱的电信号，经过放大电路将电源提供的能量转换为较强的电信号，驱动扬声器还原成为放大了的声音信号。 半导体三极管的基极电流对集电极电流有控制作用，场效应管的栅源电压对漏极电流也有控制作用，利用这两种器件的控制作用，可以由能量较小的输入信号来控制为电路提供能源的直流电源，使之在输出端输出较大的能量。通常将能够实现能量控制作用的器件称为有源器件，有源器件是构成放大电路的核心器件。放大电路的组成 在图2.1(a)所示的单管共射放大电路中，NPN型三极管V是核心器件，它起着电流放大作用；UCC是集电极直流电源，它能保证集电结反向偏置，并为输出信号提供能量；RC是集电极负载电阻，它将变化的集电极电流转换为变化的集电极电压传递到放大电路的输出端；UBB是基极回路的直流电源，它保证发射结正向偏置，并通过RB给基极一个合适的偏流。电容C1和C2在这里起“隔直流、通交流”的作用，通常称它们为隔直电容或耦合电容。图2.1单管共射极放大电路放大电路的主要性能指标 为了衡量一个放大器的性能，通常用若干个技术指标来定量描述。常用的技术指标有电压放大倍数、输入阻抗、输出阻抗、最大输出幅度、非线性失真系数、通频带、最大输出功率及效率等。下面介绍放大电路的几个主要性能指标。1.电压放大倍数2.输入电阻3.输出电阻4.最大输出幅度5.非线性失真系数6.通频带7.最大输出功率及效率直流通路和交流通路 半导体三极管或场效应管是组成放大电路的核心器件，而它们的特性曲线均是非线性的，因此，在对放大电路进行分析计算时，非线性问题是首先要解决的问题。工程上常用的解决方法有如下两种。 ①图解法：在承认有源器件的特性曲线为非线性的前提下，通过在特性曲线上作图的方法来求解。 ②微变等效电路法：在一个微小的变化范围内，把有源器件的特性曲线近似认为是线性的，由此找出其等效的线性电路及相应的微变等效参数，将非线性电路等效为相应的线性电路，从而可以应用线性电路的各种定理、定律来对放大电路进行定量分析计算。分析的过程一般是先进行静态分析（分析未加输入信号时电路中各处的直流电压和直流电流），再进行动态分析（加上交流输入信号时放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等）。 静态分析的对象是电路中的直流成分，动态分析的对象是电路中的交流成分，所以为了分别进行静态分析和动态分析，通常要将放大电路的直流通路和交流通路分别画出。下面看看放大电路的直流通路和交流通路在画法上有何不同。 由于放大电路中存在电抗性元件，而电抗性元件的阻抗与频率有关，比如电容C，容抗大小为1/ωC，在信号频率很低（如直流）时，呈现出很大的阻抗，因此不允许直流信号通过（隔直流）；在信号频率较高时，只要电容值足够大，就可认为电容上的压降可以忽略不计（通交流），作短路处理。2.2共射极放大电路的静态与动态分析 当放大电路没有输入信号（UI=0）时，在直流电源UCC的作用下，电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。在静态工作情况下，半导体三极管各极的直流电压和直流电流的数值，将在半导体三极管的特性曲线上确定一个点，这个点称为静态工作点，通常用Q来表示。 当放大电路输入信号后，电路中各处的电压、电流便处于变化的状态，此时电路处于动态工作状态，简称动态。下面将对共射极放大电路的静态和动态工作情况分别进行分析。静态工作情况分析 对于放大电路的静态工作情况，可以近似地进行估算，也可以采用图解分析法，静态分析的对象是放大电路的直流通路。1.静态工作点的近似估算2.图解法分析静态 注意：要使一个放大器有较好的性能，设置一个合适的静态工作点是至关重要的。若工作点选择过高或过低，输出信号就很容易失真了。动态工作情况分析1.图解法分析动态 当输入端接入正弦信号时，电路将处于动态工作情况，可以根据放大电路的交流通路来进行动态情况分析。2.微变等效电路法分析动态 用图解法分析电路的动态工作情况，虽然比较直观和形象，但不便于定量分析计算，要对放大电路进行定量的分析计算，就必须解决电路中有源器件的非线性问题。如果在一个微小的工作范围内，三极管各极电压、电流变化量之间的关系近似是线性的，从而可以把三极管这个非线性元件所组成的电路用一个等效的线性电路来代替，这个等效电路端口电压、电流的变化关系与原来三极管构造的双口网络一样。这样的线性电路称为三极管的微变等效电路。 三极管的线性等效电路有多种形式，在低频范围内应用最多的是H参数（混合参数）等效电路，见图2.6。图2.鹅6真H参数罚等效介电路放大窗电路绢的多慎项重上要技聋术指孝标都纽奉与其盯静态弹工作呢点的验位置思有密位切关嫂系，冈如果谅静态街工作况点不千稳定甩，则霜放大顾电路析的性怖能将完发生赢改变坛，因派此在侦放大腰电路拔设计智时，络保持岔稳定率的静剩态工绕作点帐，是难一个央十分绩重要锤的问领题。三极管懒是一种已对温度墓很敏感疲的元件染，温度昼对三极蜡管的影朝响主要折体现在翠以下几心个方面缸。（1）温度迫变化对扶反向饱商和电流ICB抛O的影响（2）发射查结电压UBE随温度吧变化的痰影响（3）电般流放钩大系密数β随温度罗变化的竖影响2.3祝共杰集电极崇电路和跪共基极屿电路在前造面的统电路言分析旧中，量均以答共射陕极单渠管放仇大电候路为恒例来半讨论文。而柄三极被管有3个引出盘电极，钓根据所捏选输入她端、输心出端以悼及公共注端的不浙同，放遮大电路蠢可以有3种基忽本的监连接廊方法鸭，这3种接胸法也颠称为3种基亮本组减态。铁前面斥把以例射极种为公近共端模的接涌法称效为共量射组殊态,则其它闲的两种六组态分称别是共母集组态煎和共基眉组态。啊下面将圈介绍共现集组态拦和共基熟组态，形并对3种基本判组态进碎行对比据分析和筋比较，旧进一步帽了解它旷们的应赖用特点疏。共集挽电极岗电路图2.9（a）是一窜个单管课共集电称极放大鼻电路，拆由于它封的输入同信号连撕接三极舞管的基缝极，输未出信号叨从发射习极引出秀，集电辆极作为搂输入信建号和输醒出信号担的公共刑端，所适以属于同共集组探态，又啦称射极没跟随器敬。图2.9共集窜电极唯放大项电路1.静态分辰析共集而电极赢放大真电路用电压爹放大词倍数表小于1，但誉接近燥于1，且输震出电压搭与输入段电压同松相，所帝以又叫无射极跟怒随器；毛射极跟会随器的糕输入电普阻较共槽射形式都有大大莫的提高己，所以垒它对信竹号源的复驱动电搞流要求宇很低；字同时，准射极跟浑随器的复输出电蜓阻很低脊，能够姥向负载恳提供的陈驱动电突流大，坡故带负霞载能力渴较强。共基极抵电路图2.斥10槽(a求)表示共尸基极放怪大电路捆的原理安电路，俘图2.点10（b）是它出的等效杰电路，闹从等效位电路可萍见，输竿入电压蕉加在发啊射极与商基极之防间，输饿出电压猛加在集较电极与现基极之婚间，基索极是输渔入和输朗出的公但共端子愿，故它声属于共棒基组态正。图2.天10共基极柄放大电硬路2.3居.3厉3种基收本组概态的冶比较依照前校面的分登析，将高共射、穿共集和反共基3种基随本组涝态的叶电路铁性能昏特点山加以雕比较千。并愁将这3种电归路的会实际卷应用颤情况鉴做一井小结工。①共射去电路设具有盲较大慕的电颜压放惕大倍膜数和悠电流请放大资倍数芳，输持入电拒阻和多输出累电阻盐值也惰适中勿，所叛以被耻广泛偶地用飘作各职种低还频放激大器皱的输高入级朽、中络间级汗或输拍出级阶。②共集电种路的电鼻压放大持倍数虽均然略小简于1，但丽它有犁电流始放大帅能力司。并记且由令于其斯输入兼电阻扬很高管，输蜂出电再阻很使低这祥些特万点，意常常煎可以暮作为脏连接剥高内爹阻信激号源括的输扯入级贺或驱丑动大是负载灵的输里出级资，常脂用的户功率俩放大意电路惹均采皇用这岸种射讯随器惹的电绍路形瓦式。③共基电票路的主叉要特点降是它的产输入阻区抗特别陵低，三晶极管的桑发射结俱上的电梢容效应醉就不明蚁显，这士样信号若在很宽馋的频率忽范围内题变化时兴，电路裙的放大辫性能基升本可以求保持不泽变，所朋以共基央组态常漂用于宽俱频带放极大器中鞠。2.滚4场效应肠管放大坟电路共源刻极放曾大电燥路场效应医管要组密成放大姓电路和恐晶体管加一样，顿要有合洋适的偏乏置电压会条件，芬才能建勉立合适们的静态殖工作点袄。根据咸场效应迹管的特绳点，可蚁以依据胆单管共愚射电路可的结构锯形式，总组成共宗源极放订大电路谎。图2.简11共源怕极放及大电汪路分析共触源极放愿大电路扩。1.静态歌分析2.动态蹈分析动态壳分析罩的目滋的是部确定点放大按电路镜的一国些动狡态性脆能指铸标，球如电中压放席大倍烈数Au，输入明电阻Ri及输出与电阻RO等。挖同样愚，可昆以采稀用微花变等粪效电案路的仓方法能来对霉场效国应管按构造愿的放糟大电司路进丘行动蔬态分针析。2.4糊.2共漏极深放大电油路图2.1虑4（a）所示煎电路为剑共漏极窃放大电删路，又胜称为源扬极输出剂器，与看晶体管烫构成的袖射随器雀有相似笋的特点获：电压鲁放大倍役数小于1但接帅近于1；输入去电阻高番；输出泼电阻低是等。1.静态惭分析2.动态分齿析图2.杨14共漏禾极放哀大电洒路当然赏，和爷晶体急管放残大电屋路相雨似，奸场效慈应管漫放大至电路翠也有3种组口态，悉即共掠源、滩共漏剖和共粱栅组鹅态，英但共像栅组倾态的原特点娱是输杂入电厉阻小霜，而扑场效床应管渐放大单电路柜最大槐的优峡势在纵于其洒高输炉入电辞阻这忆点上亚，故窑共栅孟组态胀一般乖不常嗽用，棵这里吗就不迅再介编绍。2.5多级看放大途电路前面丙讨论定的都瓶是由劲单个揪管子兄构成邻的单领级放冻大电躺路，授它的启放大忙倍数苹一般匠为几爆十倍欧，而浓实际秤应用五的电崖子设粮备中译，要亡求的疯电压剧放大欣倍数员往往宽很大惧，因匆此需受由若怜干单蹄级放畅大级层串接斤在一锹起，乒构成洋多级膊放大青电路走，如窄图2.心15所示。图2.1证5多级放鼠大电路楼一般结悲构框图在多级炒放大电月路中，秩输入级拌经常采爱用具有蹈较高输诸入电阻幼的共集黄电路或梯场效应梳管放大轻电路，绵且器件送多采用倍低噪声矿管；中鞭间级多外由若干成级共射恋放大电硬路组成违，以获尤得较大万的电压护放大倍坟数；输性出级应光有一定叮的输出修功率，竞因而通索常采用帅大信号此放大电滔路——功率悔放大菌电路莲形式岛。多级放缝大电路粱中各级鹿之间的妹连接方歉式称为犯耦合方关式，耦逮合应满乳足如下笨条件。①虏各级知电路依都应累该有苹合适阶的静合态工弦作点辨，以停免信较号失底真。②昏前级比信号叔尽可曲能多愧地传镰递给遥后级辜放大五器中做，尽历量减沈少信祝号损吨失。多级疑放大够电路咸中常脱见的适耦合扶方式魂有前辞面介嗽绍过批的阻雀容耦息合式联，还硬有直草接耦梅合式锡、电此隔离私耦合吹式（韵变压辩器耦傻合、牺光电滩隔离罗耦合猾）。多级放丹大电路午的耦合校方式1.阻容研耦合画方式阻容耦电合方式农的多级辆放大电甩路，如男图2.1勒6所示唯，是白通过刺电容挠和后城级的馅输入卖电阻能（或匪负载哈）实悲现前肯后级足耦合诱的，革耦合湾电容启起“符隔直忧流通倘交流沟”的刑作用厘。因眼此各舟级静速态工事作点指彼此行独立歪，互鼓不影埋响，炮只要斗耦合骂电容造的容宿量较链大，统前级店信号怠就能促在一海定的亏频率淡范围价内几图乎无扇衰减时地传只送到糠下一萄级，继当然舒此电着路形逐式不翁适于衰放大饭缓慢魂变化狗的信煎号和独直流让信号爹，通坑常称街其为讽“交扒流放溉大器由”。钥由于竹大容痰量的书电容确难于耐集成歪，所踪蝶以这上种方扭式无娱法在红集成史电路尝中采伙用。图2.与16阻容耦反合的多肃级放大炸电路2.电隔离脉耦合方哀式变压器畜耦合方陆式：两困级放大纸电路之土间通过恶变压器君连接起督来，如附图2.1珠7（a）所示贱，通过压变压器约的磁路军耦合将释原边的跨前级交披流输出姨传送到跨副边作挖为后级敞的输入堪，如果葡输出级携电路与析负载之溜间采用握变压器掩耦合形亮式，还龙可以实慕现阻抗赢变换的洪作用，尝音频功虫率放大染电路中问有时利陆用这一察特点使吉负载获绵得尽量肯高的输岔出功率障；变压器座耦合方细式的多猪级放大傲电路是岩通过电—磁—电的转剖换实现春耦合的谜，因此漫各级的篇静态工阿作点也抹是彼此盼独立，茅互不影反响的。访当然变煮压器耦豆合方式析的多级灰放大电美路也有命很多缺腿点，比绘如变压团器体积钥大，笨质重且难解于集成妙，频率罩特性差降，并且湿频率太税低的信劈燕号也不撇能通过盼变压器低，因此沃，这种龙形式的殃电路目算前已经破很少使丹用。图2.肿17电隔背离耦稼合的佩多级衫放大策电路光电显耦合骗方式莲：光笨电耦岔合方惊式是默通过调光电循耦合紫器件或实现饼的，历如图2.嘉17（b）所示昆。光电早耦合闸器件朵由发邮光二值极管礼和光姑电三闯极管遥（又票叫光废敏三有极管朱）构哀成。新在光量电耦树合放睁大电读路中睁，前个级的笔负载祥就是带发光朗二极隶管，鼓前级饲输出蛾电流承的变避化影气响发怖光二眼极管篇的发返光强祥弱，贵通过夺光耦缸合，颠使光戴电三倘极管霜输出踏电流途也发胶生变表化，徒经后烫级放告大后纺，就锹有放喜大信洪号输总出，馆因为您光电真耦合孙是通帐过电—光—电的转哭换实现谁级间耦粱合的，咳所以前悠后级间齿处于电派隔离状美态，因陵其便于眠集成，摆因此应严用越来肾越广泛童。3.直接考耦合淹方式为避免昂耦合电食容对缓抓慢变化裕信号的肺不良影熄响，将康前级的配输出端并和后级坏的输入柿端直接对相连的览方式，具叫直接纲耦合方驾式，它判可以放辞大缓慢拾变化甚己至直流店信号，场因此又话叫直流桶放大器相，由于雅电路中民没有大它电容，蛛变压器秤等元件爪，因此绣在集成补电路中苦被广泛丝式采用。然而，周直接耦悠合方式仿并非完偷美，第句一，前女后级间档有直流炎通路，适各级电肌路的静稠态工作亿点互相虽影响，乳使电路峡在设计醒、分析猫和调试毛方面的制复杂程制度提高惧。同时困，为保敲证各级圈均有一负个合适系的静态电工作点浩，必然狼要考虑屿级间直唇流电平从的配合纤问题；尚第二，嚷零点漂愚移。当读输入信缠号为零菊时，直姥接耦合桥电路的质输出电取压会偏懂离原来些的初值红而上下蔬漂动缓西慢地变拘化，这谈种现象蜻叫做零洪点漂移御。当放大霜电路有眠信号输锐入时，刑这种漂姿移就伴债随信号考共处于字放大电烂路中，阀使人无瓜法分辩柿是有效哄信号电导压还是朽漂移电超压，严裹重时甚捐至会淹编没有效捉信号，皇使放大弄器无法倾正常工鸭作。产生零扶点漂移瓣的因素粉很多，炒主要原旨因是晶良体管参煎数随温何度的变艘化而变陵化，使乐放大电耕路的静厉态工作颠点不稳打定而产常生漂移踏。在多社级放大赖电路各燥级的漂驾移中，苗第一级虽的漂移价影响最闹为严重丧，它将息被逐级刺放大，之以致影微响整个落放大电受路的工骗作，因灭此零点索漂移是鉴直接耦声合的放适大器的穴特殊问卖题。要使略多级昌放大商电路拜达到免设计屑要求绪，就探必须苏解决帅这个谨问题恢。（1）各织级直流脊电平的敌正确配伶合分析图2.1拼8，为党实现密直流形电平吵的正户确配捡合而妨设置呈的电裁路称熄为电帖平移货动电谅路。图2.1拜8直接耦繁合的多恋级放大衣电路①抬高崇后级环输入歌端电劈燕平的量方式马，如移图2.冰18（a）、笨（b）所示批。在第勇二级的薪射级接细入射级之电阻或忌稳压二监极管，钉这样既饮提高了利第二级登的基级魄电位，助也使第卖一级的央集电极正静态电范位抬高弯，脱离乔饱和工场作区。②降低前洞级输出袭端电平笨的方式浆，如图2.1孩8（c）所示器。在第覆一级的责输出和己第二级优的输入威端之间半接上电删阻或稳暮压管，播利用R或稳压威管上的核压降使赖前级输敲出直流嘱电压降萄低后再店与后级内的输入京配合，您让两管伪均有较筹合适的墨静态工镇作点。③隔NP胜N与PNP的交错阁组合方贱式，如隔图2.刃18（d）所示样。放大膜状态的NP少N管集电多极电位急高于基连级，而骨放大状也态的PN续P管集绪电极骗电位重低于芬基级暑，如它果采锄用这渠种NPN与PN懒P的交错鄙组合方票式，就炕可以克饺服集电弦极电位艘逐级提晶高（或语降低）断带来的叮麻烦。（2）抑争制零点熊漂移为了娘抑制连零点首漂移督，工讨程实祝践中常通常恐采用绑的方牧法如严下。①引入校直流旨负反拥馈来照稳定Q点以预减小轨零漂组。前掀面介遭绍的翠工作吩点稳响定的度放大弦电路机就是犬一例泼。②利用爹温度坡元件让补偿设放大巷管的后零点庄漂移盘。③用特性田基本完镜全相同侍的管子读构成对铅称的差青动放大戒电路，猜使输出棒的零点骨漂移互宇相抵消盲，这种斥电路结叹构形式忧在集成剩运算放胶大电路艰中被广达泛采用贝。多级横放大央电路郑动态土分析多级烈放大潜电路枝动态集指标范分析饶主要龟计算驴多级蜂放大点电路揪的电者压放茄大倍厌数，狡输入沃、输曾出电蚂阻。涝总的腐原则午如下需。①Au=A贿u1·Au2……钓Aun，n为放大交电路的望级数。在多园级放胃大电寨路中绿，各也级放输大电械路互疤相连衫接，女前级铜的输旷出是些后级狐的输鼠入，范所以炉多级家放大趋电路枪总的法电压父放大管倍数杰应该升是各速级放豆大电健路电之压放驱大倍穷数的寺积。注意芬，Auk（k为1～n之间巷的任修一个广数）蒙并不吊指独水立的鹿各级俩的电顶压增佛益，挡必须狼考虑抚前后顿级对按它的刚影响吓。②输入火电阻RI和输每出电社阻RO。多级狸放大电郊路中在遮一般情狡况下，偷输入级术的输入嫌电阻就差是多级锐放大电岸路的输狮入电阻赔；输出纺级的输陈出电阻究就是多碍级放大穗电路的偿输出电秆阻。2.案6放大电扛路的频宋率响应前面蜓已经毯介绍道过放语大器纤的通犬频带糊的概狸念，疾下面舞将就铜此进按行深紫入的踢讨论孤。在梨了解房诚放大合器频榆率响齿应的牌一般狗概念买之后旷，再激分析闭简单港的RC电路的娱频率响滋应，重谜点掌握席单级阻填容耦合埋放大电献路的频梨率响应腿。频率响近应的一至般概念频率豪响应猪是衡汇量放粒大电选路对偶不同俗频率堤输入属信号冒适应浙能力伴的一控项技膏术指刚标，详由于萌放大旬电路倘中存华在某拨些电紧抗元哲件（效耦合附电容艰、旁殿路电哭容）岂，放业大管横各电收极间锤本身照具有飞极间灾电容朱，所法以不乎同频君率的访信号畏输入话时，袖电路蚊的放肃大倍侮数并莫不相伏同，肝它通嘴常是膝频率娇的函毁数，悟这种析函数伟关系砍就叫挂放大幻玉电路税的频数率特倡性。由于放县大器对宰不同频团率分量遣的幅度怜放大倍务数不同沿引起的占失真为治幅度失首真。如果短放大徐器对哪不同派频率唯分量像的相番移不忍同，幕将改钉变各持频率浅分量纱之间妄的相眼位关道系而青造成滨的失岂真称溉为相蛮位失嗓真。频率绒失真询是由膜于电卡容或招电感衡这类美线性粗元件础引起望的,所以惩又叫欧线性哲失真,它和由蹦于放大洲管的非碗线性引枝起的失嗽真不同拖。反之叛，放大含器的带误宽是不粮是越宽再越好呢?如果援放大阿器的壤带宽仪太宽劈燕，则滤放大桐器中泉的噪奥声随劲之被区放大怒，也弃会影钓响放捆大器剪的性卷能指复标，绳如高俭频中错介绍裂的噪错声系兔数，顾一般跌来说姐，音播频放醒大器萍的带困宽要娱求50H健z～15愁kH祖z,而视炮频放廊大器绸的带突宽约有为0～6M速Hz。在具毒体描冶述一殊个放柔大器赖的幅壮频特替性曲舟线时融，常器会遇积到这悄样一辞个问寺题，悔放大翠器的畏两个受截止语频率欺之间猪的频吹率范鲜围往奏往从丢几十Hz延伸混到几MHz，幅度付放大倍有数也可茫以几倍竟到几十固万倍，顽如果采伯用线性现刻度，铸显然不岔太可能乱。为缩筒短坐标夕，扩大涝视野，按频率通乐常采用盘对数刻锈度，放歼大倍数气也用对披数20l筒g|Au|表示。材相频特腥性中横愉坐标也塌采用对矮数频率鸟刻度，设纵坐标笔上的相辨角由于药总在0°～36疑0°之间，析所以仍欣采用线振性刻度充，这样菌描绘出言的频率落特性曲舒线称为渐对数频逗率特性音曲线或杀波特图捐。为熟悉舌波特图救的作图垒方法，增先介绍钳最简单RC电路涨的频午率特绑性，轮其实鱼一个范单级沈的阻足容耦伍合放封大器泼，其载频率猎响应执就可形用一暖些典柔型的RC电路孙来模祥拟。1.乔RC低通蹄电路（1）幅术频特性（2）相悄频特性2.居RC高通导电路（1）幅券频特性（2）置相频蛇特性单管共敞射电路银放大