第三节基本放大电路

第三节基本放大电路1第1页，课件共63页，创作于2023年2月一.基本放大电路的组成放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出RB+ECEBRCC1C2T第2页，课件共63页，创作于2023年2月耦合电容隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。RB+ECEBRCC1C2T第3页，课件共63页，创作于2023年2月集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T第4页，课件共63页，创作于2023年2月集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2TRC的值一般为几千欧到几十千欧。第5页，课件共63页，创作于2023年2月使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电源与基极电阻RB+ECEBRCC1C2TRB的值一般为几十千欧到几百千欧。第6页，课件共63页，创作于2023年2月可以省去电路改进：采用单电源供电RB+ECEBRCC1C2T第7页，课件共63页，创作于2023年2月单电源供电电路+ECRCC1C2TRBRB需要相应地提高阻值。参考点在晶体管电路中，通常将输入电压、输出电压以及电源的公共端称为“地”用⊥表示，但并不见得真的接到大地，只是以“地”端为零电位，作为电路中各点电位的参考点。换句话说，电路中各点电位的极性和数值，如不特殊注明，都是指该点相对于“地”的电位差。

第8页，课件共63页，创作于2023年2月二.放大电路的静态工作点放大电路没有输入信号时的工作状态称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态分析的目的就是确定放大电路的静态（直流）值，IB、IC和UCE。这些值可以在晶体管特性曲线上确定一个点，称为静态工作点(quiescentpoint)，用Q表示，分别记为IBQ、ICQ和UCEQ。第9页，课件共63页，创作于2023年2月开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC1.用直流通路法确定静态工作点第10页，课件共63页，创作于2023年2月直流通道RB+ECRC计算公式如下：第11页，课件共63页，创作于2023年2月在本放大电路中，电源电压EC和集电极电阻RC的大小确定后，静态工作点的位置就仅取决于偏置电流IBQ的大小。而IBQ≈EC／RB，因此当RB一经选定，IBQ也就固定不变，故该电路又称为固定偏置电路。第12页，课件共63页，创作于2023年2月2.用图解法确定静态工作点利用晶体管的特性曲线，通过作图来分析放大器基本性能的方法，称为图解法。图解法既可求取放大器的静态工作点，又可分析放大器的动态过程。第13页，课件共63页，创作于2023年2月晶体管是一非线性元件，即其集电极电流IC与集-射电压UCE之间不是直线关系，而是图2-13所示的输出特性曲线的关系，但UCE=EC-ICRC则是一线性方程。这就要求静态值既要符合非线性元件晶体管T的电压与电流的关系，同时又要符合电路中线性元件上的电压与电流的关系。显然，只有曲线与直线的交点才能同时满足两者要求。这一交点即为静态工作点。第14页，课件共63页，创作于2023年2月第15页，课件共63页，创作于2023年2月ICUCE根据UCE=EC–ICRC确定横轴上的点N（IC=0）和纵轴上的点M（UCE=0），直线MN即为直流负载线。直流通道RB+ECRC（1）在给出的输出特性曲线上作直流负载线ICUCEECQ直流负载线与输出特性的交点就是Q点IBMN第16页，课件共63页，创作于2023年2月由于它是由直流通路得出的，且与集电极负载电阻Rc有关，故称为直流负载线。其斜率为tga=1／Rc，Rc愈小直线愈陡。（2）求基极偏流IB：IB≈EC/RB。（3）直流负载线MN与曲线IB的交点Q即为放大器的静态工作点，它所对应的值即为静态值IBQ、ICQ和UCEQ。第17页，课件共63页，创作于2023年2月三.放大电路的动态分析当有交流信号输入时放大器的工作状态称为动态。动态分析是在静态值确定以后分析信号的传输情况，主要考虑电流和电压的交流分量。常用的分析方法有图解法和微变等效电路法。第18页，课件共63页，创作于2023年2月1.图解法输出端开路时的工作状态确定静态工作点后，根据输入信号ui的变化，可得到uBE及iB的变化曲线。uBE波形iBE波形第19页，课件共63页，创作于2023年2月根据iB的变化，可得到iC及uCE的变化曲线。uCE中的交流分量输出，即为uo。iC波形uce波形第20页，课件共63页，创作于2023年2月从上述讨论可知：①当输入交流信号电压ui加到放大器的输入端后，晶体管基极和集电极的电压uB、uCE和iB、iC电流都是由两部分叠加而成：一部分是静态直流分量IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ；另一部分是输入交流信号后引起的交流分量ube、ib、ic、uce、uo。②由图可见，uo>ui，输入信号ui通过放大器后被放大了，而且放大后没有改变原来的形状，但在相位上相差180°。第21页，课件共63页，创作于2023年2月(2)交流通路和交流负载线：实际应用中，放大器总是带负载的，如带下一级放大器，也可能带一个表头或喇叭、显示装置中的偏转板等。对于低频交流信号，这些负载可简化为一个负载电阻RL。放大器带负载时，相当于图2-17(b)中接入了虚线部分。第22页，课件共63页，创作于2023年2月交流通路：由于电容器C2的隔直作用，接入RL对静态工作点和直流负载线均无影响。集电极电流iC中的直流成分不能到达负载RL。但其交流成分iC，除了通过RC和EC构成的支路外，还通过由C2和RL组成的支路。对交流信号而言，电容和直流电源均可视为短路，因此可画出放大器带负载时的交流通路，uiuoRBRCRL交流通路第23页，课件共63页，创作于2023年2月交流负载线：由交流通路可以看到，输出电压uo实际上加于R’L上，R’L就是放大器交流通路的等效负载，简称交流负载，为RC//RL。有交流输入时，反应输出回路中总的电压与电流关系的直线称为交流负载线。ICUCEECQIB交流负载线过Q点作一条直线，斜率为：Q1Q2第24页，课件共63页，创作于2023年2月比较放大器的直、交流负载线可知：①根据电阻并联的规律知，R’L<RC，故应有tga’>tga，因此交流负载线比直流负载线陡。②从输出电压波形看到，带载后，输出交流信号电压uo要减小。③在外接负载RL趋向于无穷大(相当于开路)时，R’L≈RC，交、直流负载线重合为同一条直线。第25页，课件共63页，创作于2023年2月(3)电压放大倍数：放大器的放大对象是变化量，其放大能力常用电压的放大倍数Ku来描述。电压放大倍数是指在不失真的条件下，输出电压的变化量ΔUo与输入电压的变化量ΔUi之比，即

Ku=ΔUo/ΔUi第26页，课件共63页，创作于2023年2月(4)放大电路的非线性失真：利用图解法可以在特性曲线上清楚地观察到波形失真的情况。前面说过，对放大电路的基本要求，就是输出信号尽可能不失真。所谓失真，是指输出信号的波形不像输入信号。引起失真的原因很多，其中最基本的一个，是由于工作点不合适或信号太大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，这种失真通常称为非线性失真(non-lineardictortion)。非线性失真有两种情况，一种是饱和失真，另一种是截止失真。第27页，课件共63页，创作于2023年2月a.Q点过高，即IB偏大，工作点接近饱和区，产生饱和失真。iCuCEib输入波形uo输出波形Q第28页，课件共63页，创作于2023年2月b.Q点过低，即IB偏小，工作点接近截止区，信号进入截止区，产生截止失真。输出波形iCuCEuo输入波形ibQ第29页，课件共63页，创作于2023年2月2.微变等效电路法利用图解法能直观、形象、全面地分析放大器的工作情况，易于理解。但相当麻烦，因作图误差而难以保证Ku的精度，且不易求解放大器的其它指标(如输入电阻、输出电阻等)，分析复杂电路更为困难。因此有必要研究更有效的方法。第30页，课件共63页，创作于2023年2月(1)三极管的微变等效电路：如果研究的对象仅仅是变化量，而且信号的变化范围很小，就可以用微变等效电路来处理三极管的非线性问题。由于在一个微小的工作范围内，三极管电压、电流的变化量之间的关系基本上是线性的，因此可以用一个等效的线性电路来代替这个三极管。所谓等效就是从线性电路的三个引出端看进去，其电压、电流的变化关系和原来的三极管一样。这样的线性电路称为三极管的微变等效电路。第31页，课件共63页，创作于2023年2月微变等效电路等效ibiccberbeibibbce

图中rbe称为晶体管的输入电阻。对于低频小功率三极管，其值可由下式估算：rbe≈300Ω+(1+β)26(mV)/IE(mA)

式中，IE为静态值发射极电流。第32页，课件共63页，创作于2023年2月(2)放大器的微变等效电路法求解的具体步骤：画出交流通路→用微变等效电路替换交流通路中的三极管→计算电路参数。图2-17(b)共射极放大器的微变等效电路如图2-23所示。从图中可以看出，输入和输出部分分为了两个相互独立的回路。第33页，课件共63页，创作于2023年2月(3)电压放大倍数Ku的计算：由微变等效电路可以看出ui=ibrbe,uo=-icR’L=-βibR’L其中R’L=Rc//RL，负号表示ic与uo的参考方向相反。放大器的电压放大倍数为：第34页，课件共63页，创作于2023年2月负号表示共射极放大电路中，输出电压与输入电压位相相反。

上式表示：增加晶体三极管的电流放大系数β和输出端的总负载电阻RL以及减小晶体三极管的输入电阻rbe，都可以在一定程度上提高放大器的电压放大倍数。但由于rbe和β都与晶体管的静态工作电流有关，所以放大倍数实际上还是与静态工作电流有密切关系。当输出端开路(即RL未接入，空载)时，Ku比接RL时高。可见，负载电阻RL愈小，则电压放大倍数愈低。第35页，课件共63页，创作于2023年2月(4)输入电阻：一个放大电路的输入端总是与信号源(或前级放大器)相联的，因此放大电路对信号源(或前级放大器)来说，是一个负载，可等效为一个电阻，即放大电路的输入电阻(inputresistance)ri。ri=ui/ii，是对交流信号而言的一个动态电阻。在微变等效电路中，

ri=RB//rbe即从输入端口AO看进去的等效电阻。第36页，课件共63页，创作于2023年2月(5)输出电阻：放大器对负载(或后级放大电路)来说是一个信号源，其内阻即为放大器的输出电阻(outputresistance)ro，它也是一个动态电阻。由微变等效电路看，输出电阻ro是一个从放大器输出端BO看进去的等效电阻。由于电流源内阻为无穷大，所以

ro≈RC

第37页，课件共63页，创作于2023年2月微变等效电路法简单方便，适用于任何复杂或简单的电路。它的局限性在于只能解决交流分量的计算问题，不能用来确定静态工作点，也无法分析非线性失真等问题。因此，在解决放大器的具体问题时，两种方法可以结合起来使用，这样常常使分析过程更为简便。第38页，课件共63页，创作于2023年2月四.静态工作点的稳定由于晶体管对温度十分敏感，尽管选择的静态工作点在正常温度条件下是合适的，但当温度升高时，集电极反向饱和电流ICBO将增大(大约每升高10℃，ICBO增加一倍)。对于上述固定偏置放大电路，ICBO增大又使穿透电流ICEO增大，从而引起Ic的增大、输出特性曲线的上移，最终导致原来设置好的工作点发生偏移，严重时会使原来工作良好的放大器产生非线性失真。因此必须采取措施，提高放大器对温度的稳定性，减小工作点的漂移。第39页，课件共63页，创作于2023年2月TUBEIBICT、ICEOICiCuCEQQ´温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。第40页，课件共63页，创作于2023年2月静态工作点稳定的分压式电流负反馈偏置放大电路，是交流放大器中应用最广泛的基本单元电路。其中三个偏置元件RBI、RB2、RE起着稳定工作点的作用。uoIB1IB2IB分压式偏置电路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiICIEUE第41页，课件共63页，创作于2023年2月IB1IB2IB分压式偏置电路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiICIEUE保持基极对地的静态电位UB基本固定，即IB1>>IBQ发射极保持有足够大的电流负反馈，即UE>>UBE第42页，课件共63页，创作于2023年2月分压式偏置电路能稳定静态工作点的物理过程可表示如下：

T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE（=UB-UE）↓→IB↓

IC↓

即温度T上升导致IC上升，而IE≈IC也上升；IE上升又导致了UE上升。但UB固定不变，所以UE的上升使得UBE下降；UBE的下降导致IB下降，从而使IC下降。最终结果使得IC趋于稳定，从而稳定了静态工作点。这种减小IC变化的方法，称为电流负反馈。第43页，课件共63页，创作于2023年2月根据以上分析，由于要求满足IB2>>IB，似乎IB2越大越好。其实不然，还要考虑到其它影响。IB2不能太大，否则RB1和RB2就要取得较小，这不但要增加功率损耗，而且从信号源取用较大的电流，使信号源的内阻压降增加，加在放大器输入端的电压ui减小。一般RB1和RB2为几十千欧。基极电位UB也不能太高，否则UE增高将使UCE相应地减小(Ec一定)，因而减小了放大电路输出电压的变化范围。一般硅管取IB2=(5-10)IB和UB=(5-10)UBE。第44页，课件共63页，创作于2023年2月接入发射极电阻RE，虽然使射极电流的直流分量IE通过它，起到了负反馈自动稳定静态工作点的作用；但发射极电流的交流分量iC也通过它产生交流压降，产生负反馈作用，使电压放大倍数下降。为此，可在RE两端并联电容CE，只要CE足够大，即可对交流分量视为短路，对交流信号不起负反馈作用，故CE称为发射极交流旁路电容，其值一般取为10～100uF。第45页，课件共63页，创作于2023年2月计算分压式电流负反馈偏置电路的电压放大倍数Ku、输出电阻ro同前面一样，但输入电阻则改为ri=RB1//RB2//rbe。另外，静态工作点的求取与固定偏置式电路也不同，分压式偏置放大器应先求出IEQ≈ICQ，再计算UCQ=EC-ICQ(Rc+RE)和IBQ=ICQ/β。第46页，课件共63页，创作于2023年2月第四节放大器的主要性能指标放大倍数与增益表示放大器放大性能的参数。除了电压放大倍数Ku外，还有电流放大倍数Ki和功率放大倍数Kp，分别定义为

Ki=io/ii，KP=po/pi由于电子设备的各种放大倍数往往很大，特别是多级放大器总的放大倍数计算不便，故常用它们的对数来表示，称为增益(gain)。功率增益的定义是

Gp=101gKp

单位为分贝(dB)。由于在同一电阻上消耗的功率与电流(或电压)的有效值I(或U)的平方成正比，所以电流增益Gi和电压增益Gu分别为

Gi=201gKi(dB)

Gu=20lgKu(dB)第47页，课件共63页，创作于2023年2月2．输入阻抗前面已介绍了输入电阻的概念，实际上由于电容、电感等的影响，从放大器输入端看进去的，应为输入阻抗(inputimpedance)。不过，对于低频交流信号，输入阻抗可看作是纯阻性的，所以常用输入电阻表示。如果放大器的输入电压为ui、输入电流为ii，则其输入电阻ri=ui/ii。第48页，课件共63页，创作于2023年2月如果信号源的电动势为es、内阻为rs，则信号源供给放大器的信号电压，即放大器的输入电压ui为

可见，放大器的输入电阻ri越大，输入放大器的信号电压ui就越大。另外，输入阻抗越大，输入电流越小，放大器对信号源的影响也小。因此，通常希望放大器的输入阻抗越大越好。

第49页，课件共63页，创作于2023年2月3．输出阻抗放大器的输出阻抗(outputimpedance)规定为：当输入信号不变、负载改变时，输出电压改变量∆uo与输出电流改变量∆io之比，即ro=∆uo/∆io对于低频交流信号，输出阻抗是纯电阻性，故ro又称为输出电阻。当信号电压加在放大器的输入端时，如果改变接到输出端的负载，则输出电压uo也要随之改变，这种情况就相当于从输出端看进去好像有一个具有内阻ro的电压源uo。当ro小时，在它上面损失的压降就小些，所以要求ro尽量小些，这时放大器的负载能力就强。第50页，课件共63页，创作于2023年2月4．通频带放大器是用来放大电信号的，而信号既有大小不同，又有频率不同。在实际中，要放大的各种电信号往往都不是单一频率的正弦信号，而是由许多不同频率的正弦信号组成的。如生物电信号的频率大多在0~200Hz。音频信号约为20~20000Hz。理想的放大器对各种频率的信号应具有相同的放大倍数。然而实际的放大器，其放大倍数与频率有关。第51页，课件共63页，创作于2023年2月放大倍数Ku与f之间的关系曲线，称为幅频特性；输出与输入的相位差随频率变化的关系，称为相频特性，统称为频率响应特性。一般情况下，当频率过高或过低时，放大倍数都要下降，而在中间一段频率范围内，放大倍数基本不变。在低频部分，当放大倍数下降到中频段放大倍数Ko的0.707倍时所对应的频率fL，叫做下限频率；在高频部分，当放大倍数下降到中频段放大倍数Ko的0.707倍时所对应的频率fH，叫做上限频率。由fL到fH的频率范围，叫做放大器的通频带(frequencyband)，用fw表示，即fw=fH-fL。第52页，课件共63页，创作于2023年2月低频端放大倍数下降的原因，主要是输入、输出耦合电容C1、C2造成的，容抗Xc=1/2πfC，f减小时，Xc增大。容抗增大后，信号在电容C1、C2上的分压增大。加在基-射极之间的变小，输出端负载电阻RL上的电压降低，从而使得电压放大倍数变小。在高频端，放大倍数降低的原因主要有两方面：一是晶体三极管的电流放大倍数β在频率升高时会下降。二是三极管的发射结电容、集电结电容、电路中的分布电容都与放大器的输入端及输出端并联。在频率不高时，它们的容抗较大，对放大倍数的影响可忽略不计。当频率升高时，它们的容抗降低，使放大器的输入阻抗变小，负载等效阻抗变小，从而导致放大倍数下降。第53页，课件共63页，创作于2023年2月5．信噪比放大器在放大有用信号的同时，还会放大由放大器内部产生的噪声或外部窜入的无用的干扰电信号，这些无用的信号统称为噪声。如果将放大器输入端短路时，可以用示波器观察到放大器输出端的噪声波形。在实际中，噪声可分为两类，一类是通过适当的屏蔽、滤波或电路的合理设计可以消除或控制的，如外界磁场的感应，整流滤波不良，接地不合理等引起的噪声。另一类是由于元件中带电质点杂乱的波动所造成的，不能完全控制或消除。这些噪声有可能会淹没掉有用信号，对信号的放大是十分有害的。第54页，课件共63页，创作于2023年2月在放大器中，噪声与有用信号的大小是相对的，如果脱离信号的大小来讲噪声的大小，那是没有意义的。如对于1mV的心电信号，若噪声也为1mV，则心电信号将被噪声所淹没而无法分辨，若噪声仅为10µV，则可以忽略。为了说明信号与噪声之间的数量关系，也为了衡量放大器的抗干扰能力，引进信噪比(signaltonoiseratio，SNR)，它定义为有用信号功率Ps与噪声信号功率PN之比，即第55页，课件共63页，创作于2023年2月显然信噪比应越大越好，只有当信噪比大于1时，微弱信号才能有效地放大，而不致被噪声所淹没，否则放大倍数再高也没用，因为信号和噪声都以同样的放大倍数得到放大。由于放大器中的噪声主要来源于放大器的输入级，且会被以后各级放大，故应尽量减小第一级的噪声。第56页，课件共63页，创作于2023年2月第五节多级放大器单级放大器的放大倍数一般只有几十，实用中常感不够，在生物医学测量中，输入信号往往是很微弱的，要把这样小的信号放大到足以带动测量或记录装置，常需把数个单级放大器串联起来，组成多级放大器。各级放大器之间的连接称为耦合。耦合的方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种。阻容耦合是级与级间通过电容和电阻进行耦合，记作RC耦合。第57页，课件共63页，创作于2023年2月图2-28是一个两级RC耦合放大器。其中C1、C2、C3为耦合电容，其作用有二：一是把前一级交流信号送到后一级；二是隔断直流，使前后两级的直流工作点互不影响，各级工作点可以独立设置和调整。第58页