第2章 基本放大电路

第2章基本放大电路2.2分压式偏置放大电路2.3射极输出器2.1共射极放大电路2.6功率放大电路*2.5差分放大电路2.4多级放大电路2.7场效应管放大电路*本章要求：理解单管交流放大电路的结构和共发射极、共集电极放大电路的性能特点。掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等效电路分析法。3.了解放大电路的频率特性、多级放大电路的性能特点。4.了解差分放大电路的工作原理和性能特点、互补功率放大电路的工作原理。5.了解场效晶体管的电流放大作用、主要参数的意义。放大电路（放大器）是模拟电子电路中最基本、最重要的一种单元电路。作用：不失真地放大信号的幅度（电压或电流）或功率。实质：实现能量的控制与转换。有源元件（双极型晶体管或场效应晶体管）对直流电源的能量进行控制和转换，小能量输入信号→大能量输出信号。放大的对象：信号的变化量。常用的测试信号：正弦波。本章涉及由分立元器件组成的几种常用基本放大电路，将讨论它们的电路结构、工作原理、分析方法以及特点和应用。重点分析双极型晶体管放大电路。双极型晶体管放大电路有三种形式（三种组态）：共射极放大电路、共集电极放大电路、共基极放大电路。组态判断：交流通路中输入回路和输出回路公共端对应的极。

2.1共射极放大电路2.1.1共射极放大电路的组成发射极：输入回路、输出回路的公共端。C2+RLuo+–RSusC1++–ui+–+–UCCRBUBBRCVT+–信号源负载

2.1共射极放大电路2.1.1共射极放大电路的组成发射极：输入回路、输出回路的公共端。C2+RLuo+–RSusC1++–ui+–+–UCCRBUBBRCVT+–晶体管VT放大元件，集电结反偏，发射结正偏，iC

=

iB。基极电源UBB与基极电阻RB使发射结正偏，提供合适的基极电流。几十千欧到几百千欧。

集电极电源UCC

为电路提供能量，使集电结反偏。几伏到几十伏。

2.1共射极放大电路2.1.1共射极放大电路的组成发射极：输入回路、输出回路的公共端。C2+RLuo+–RSusC1++–ui+–+–UCCRBUBBRCVT+–集电极电阻RC将电流的变化转变为电压的变化。几千欧到几十千欧。

耦合电容C1

、C2

隔离输入、输出与放大电路直流的联系，使交流信号顺利输入、输出。几微法到几十微法的极性电容器，注意极性。直流量：大写字母，大写下标，如IB、UBE

；交流量：小写字母，小写下标，如ib、ube

；叠加量：小写字母，大写下标，如iB、uBE。C2+RLuo+–RSusC1++–ui+–+–UCCRBUBBRCVT+–单电源供电电路iB=IB+ibiC=IC+iciE=IE+ieuBE=UBE+ubeuCE=UCE+uce放大电路分析：静态、动态两种情况。静态：放大电路没有输入信号，ui=0；电路中的电压、电流都是直流分量（静态值）。动态：有输入信号，ui

≠0

。交流信号叠加在直流分量上，电压、电流是叠加量。由于电容等元件的存在，直流分量所流经的通路和交流分量所流经的通路不完全相同，把直流电源、输入信号对电路的作用区分开，用直流通路和交流通路分别进行研究。直流通路：用于静态分析，计算静态工作点，分析静态工作点与波形失真的关系。交流通路：用于动态分析，计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能指标。2.1.2静态分析与计算（固定值）将电容视为开路直流通路固定偏置式共射极放大电路在VT输入/输出特性曲线上对应一点——静态工作点Q

2.1.3放大电路的动态性能指标反映：放大电路的放大能力、带负载能力、对信号源的大小和频率影响等。

（1）电压放大倍数Au衡量放大电路对输入信号放大能力。越大，放大能力越强。当输入信号为正弦交流信号Au大小取决于放大电路的结构和组成电路各个元器件的参数。在工程上，Au常用以10为底的对数增益表示，基本单位：B（贝尔，Bel），十分之一单位dB（分贝）。（2）输入电阻ri

放大电路对信号源来说是一个负载，可用一个电阻等效代替。放大电路的输入电阻ri：从放大电路输入端看进去的等效电阻。放大电路输入端从信号源所获得的信号电压为、RS一定时，ri越大，输入电压越大，输出电压也将越大；同时从信号源获取的电流越小，可减轻信号源的负担。输入电阻ri：衡量放大电路向信号源索取信号大小的能力。值越大，放大电路索取信号的能力越强。一般希望输入电阻远远大于信号源内阻。（3）输出电阻ro

放大电路的输出信号给负载，对负载来说，放大电路相当于负载的信号源，可用一个等效电压源来代替。输出电阻ro

：等效电压源内阻，等于负载开路时，从放大电路的输出端看进去的等效电阻，用戴维宁定理中求电源内阻的开路短路法计算。输出电阻ro：衡量放大电路带负载的能力。值越小，负载变化时，输出电压变化越小，带负载能力越强。输出端开路电压输出端短路电流（4）通频带

描述放大电路频率特性的重要指标。输入信号：非单一频率正弦波，包括不同频率的正弦分量。输入信号的频带：输入信号所包含的正弦分量的频率范围。放大电路中有电容，晶体管的PN结存在结电容，电容容抗随频率变化而变化，因此放大电路的输出电压随频率变化而变化，造成同一放大电路对不同频率输入信号的电压放大倍数不同。幅频特性：电压放大倍数的大小随频率的变化规律。（4）通频带

幅频特性：电压放大倍数的大小随频率的变化规律。中频段：最大，且几乎与频率无关；低频段、高频段：下降。通频带宽，输入信号中更多的正弦分量放大倍数相同或变化较小，输出信号重现输入信号波形。下限截止频率上限截止频率通频带2.1.4动态分析与计算动态分析：分析放大电路对交流信号的放大能力及性能指标。一般采用微变等效电路法。微变等效电路法：当交流信号比较小（微变量）时，晶体管各电压、电流在静态工作点附近的小范围内变化。将晶体管看作一个线性器件，进而将放大电路等效为一个线性电路，用线性电路理论来分析计算晶体管放大电路。微变等效电路法的分析步骤：（1）画出放大电路的交流通路；（2）画出放大电路的微变等效电路；（3）计算放大电路主要的性能指标。1.晶体管的微变等效电路晶体管的输入特性曲线非线性，输入信号很小时，在静态工作点Q附近一段曲线可视为直线。晶体管的输入电阻：晶体管基极、发射极间相当于一个电阻rbe低频小功率晶体管：

（几百~几千欧）1.晶体管的微变等效电路晶体管基极、发射极间相当于一个电阻rbe低频小功率晶体管：

（几百~几千欧）晶体管工作于放大状态，集电极电流的交流分量与基极电流的交流分量成线性关系，即ic=

ib，集电极、发射极之间等效为一个受ib控制的恒流源。晶体管的微变等效电路2.放大电路的交流通路交流信号的流通路径。耦合电容值大，容抗很小，对交流信号的电压降忽略不计。交流通路画法：将放大电路中的耦合电容、直流电压源短路。3.放大电路的微变等效电路及其计算晶体管用其微变等效电路代替→放大电路的微变等效电路（1）放大电路的电压放大倍数：负号：共射极放大电路的输出电压与输入电压的相位相反。空载电压放大倍数：输出端开路（未接负载电阻RL）接负载电阻时，RL越大，Au越大。为提高Au

，选大RL。（比有载时增大）（2）放大电路的输入电阻：（较小）（3）放大电路的输出电阻：（较大）（1）放大电路的电压放大倍数：例1已知，UCC=12V，RB=300k

，RC=3k

，RL=3k

，

=50。试求：（1）放大电路的静态值；（2）电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。解：（1）例1已知，UCC=12V，RB=300k

，RC=3k

，RL=3k

，

=50。试求：（1）放大电路的静态值；（2）电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。解：（2）2.1.5图解法分析*利用晶体管的特性曲线和已知输入信号的波形作图，对放大电路的静态和动态进行分析。1.直流负载线与静态工作点直流负载线：对应晶体管输出特性曲线坐标系中的一条直线。斜率：−1/RC横轴截距：UCC纵轴截距：UCC/RC直流负载线2.1.5图解法分析*利用晶体管的特性曲线和已知输入信号的波形作图，对放大电路的静态和动态进行分析。1.直流负载线与静态工作点静态工作点画法：（1）根据直流通路求出IB；（2）由IB确定的某条输出特性曲线与直流负载线的交点→静态工作点Q。直流负载线：对应晶体管输出特性曲线坐标系中的一条直线。2.交流负载线与动态工作范围放大电路加交流信号后，晶体管的各个电压和电流均是在静态值的基础上叠加一个交流量，电路的工作点将在静态工作点Q附近变化。交流负载线：对应的直线斜率为。交流信号为零时，工作点一定是静态工作点Q，交流负载线一定也过静态工作点Q，但比直流负载线陡。当负载开路时，交流负载线与直流负载线重合。输入电压ui=ube→使uBE在输入特性曲线的Q1～Q2之间变化→iB随之变化→依次画出iC、uCE的波形。动态工作范围：直线段Q1Q2，工作点移动的轨迹。此时因静态工作点适当，输出信号无失真放大。→在输出特性曲线上对应得到iC、uCE的变化范围交流信号的传输过程：ui（ube）→uBE→iB→iC→RCiC→uo（uce）；电压放大倍数：输出电压的幅值与输入电压的幅值之比；晶体管具有反相放大作用：输出电压uo与输入电压ui相位相反集电极电位变化与基极电位变化极性相反

3.非线性失真失真：输出波形与输入波形不完全一致。引起失真的原因有多种。非线性失真：因晶体管特性的非线性而引起的失真。主要原因：静态工作点Q设置不合适，或信号过大，放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线的线性区。静态工作点适当，输出信号无失真放大。截止失真：Q太低→ui负半周进入截止区→iC、uCE失真→uo失真减小RB消除截止失真饱和失真：Q太高→ui正半周进入饱和区→iC、uCE失真→uo失真增大RB消除饱和失真设置合适的静态工作点：一般选在交流负载线的中间，不产生非线性失真。同时输入信号ui的幅值不要过大：以免发生“双向”失真。图解法直观、形象，便于理解放大电路的工作原理；但作图过程较繁琐、误差大，不适合分析较复杂的电路。

2.2分压式偏置放大电路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。固定偏置放大电路简单、容易调整，但外界条件变化（温度变化、三极管老化、电源电压波动等）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。温度变化的影响最大：温度↑→晶体管的发射结电压UBE↓→

、ICEO均↑→IC↑→静态工作点上移；反之，则静态工作点下移。改进电路——分压式偏置放大电路：当温度升高使IC

增加时，能自动减少IB，从而抑制Q点的变化，保持Q点基本稳定。1.直流通路及静态值的估算若I2>>IB，一般取I2=（5~10）IB，则基极电位：若VB>>UBE，一般取VB=（5~10）UBE，则不受温度影响使VB基本不变使IC基本不变使Au不下降不受温度影响1.直流通路及静态值的估算若I2>>IB，VB>>UBE，则2.稳定工作点的过程发射极电阻RE：反馈电阻，将输出电流的变化反馈至输入端。温度↑静态工作点基本稳定。RE越大，稳定性能越好。RE太大，发射极电位VE增高，减小输出电压的大小。RE选择：小电流情况下为几百欧~几千欧，大电流情况下为几欧~几十欧。交流旁路电容CE：使发射极电流的交流分量旁路，避免了电压放大倍数的下降，一般为几十微法~几百微法。→IC↑→IE↑→VE=REIE↑→UBE=VB-VE

↓IB↓←IC↓←固定3.动态性能指标的计算与固定偏置式共射极放大电路的微变等效电路相似微变等效电路未接旁路电容CE：交流通路微变等效电路未接旁路电容CE：交流通路微变等效电路无旁路电容CE有旁路电容CE分压式偏置放大电路减小增大不变无旁路电容时，电路中引入串联电流负反馈（第3.4节）。虽然放大倍数降低了，但改善了放大电路的工作性能，其中包括提高了放大电路的输入电阻。例2已知，UCC=24V，RB1=33k

，RB2=10k

，

RC=3.3k

，RE=3.3k

，

RL=5.1k

，

=40。试求：（1）静态估算值；（2）电压放大倍数，输入电阻，输出电阻；（3）当RE两端未并联旁路电容CE时，电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解：（1）（2）（3）

2.3射极输出器交流通路交流通路：从基极输入信号，从发射极输出信号。集电极为公共端——共集电极放大电路。利用微变等效电路法，对电路动态分析，得电路特点：（1）电压放大倍数接近1，但恒小于1，无电压放大作用，但有一定的电流放大和功率放大作用。（2）输出电压与输入电压同相，故，电路具有跟随作用，因此又称为射极跟随器。（3）输入电阻高，输出电阻低。电路应用：（1）多级放大电路或电子测量仪器的输入级：减小信号源内阻压降，大部分信号电压送到放大电路输入端；减小仪器从信号源吸取的电流，减小仪器接入时对被测电路产生的影响。（2）多级放大电路的输出级：提高带负载的能力。（3）缓冲级或中间隔离级：两级共发射极放大电路之间，阻抗匹配作用，提高前级、后级的电压放大倍数，改善多级放大电路的工作性能。

2.4多级放大电路由一个晶体管构成的单级放大电路，电压放大倍数一般只有几十至几百倍，往往不能满足实际的需求。多级放大电路：把若干单级放大电路组合起来。前一级输出是后一级输入，信号逐级放大。电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等都能达到所需要求。输入级：第1级，对输入级的要求与输入信号有关；中间级：几级放大电路组成，进行信号放大，提供足够大的放大倍数；输出级：最后一级，与负载相接，对输出级的要求要考虑负载的性质。1.耦合方式及特点级间耦合：多级放大电路级与级之间的连接。耦合方式：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等。对级间耦合电路的基本要求：（1）要保证各级都能在合适的静态工作点工作；（2）尽量减小信号在传递过程中的损耗和失真。

阻容耦合：利用耦合电容把两级连接起来。电容隔直作用，各级的直流通路互不相通，静态工作点互相独立。当耦合电容足够大时，前一级的输出信号可以几乎不衰减地加到后一级的输入端。集成电路中很难制造大容量电容，所以在集成电路中不采用。应用于分立元件组成的多级放大电路中。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+––VT1VT2直接耦合：前级的输出端直接接到后级的输入端。耦合电路简单，信号无失真传递，常用于集成电路中。放大缓慢变化的信号或直流信号。+UCCuoRC2VT2uiRC1R1VT1R2––++RE2直接耦合存在问题：（1）前后级静态工作点互相影响；（2）存在零点漂移现象：输入端短接（ui=0）时，输出端电压不保持恒定，缓慢地、无规则地变化。引起原因：电源电压波动、元件老化、半导体元件参数随温度变化使静态工作点波动等（温度漂移）。零点漂移会淹没真正的输出信号，使电路无法正常工作。零点漂移的大小是衡量直接耦合放大器性能的一个重要指标。前级静态工作点的微小波动能像信号一样被后面逐级放大并且输出，故整个放大电路零点漂移大小主要由第一级电路零点漂移决定。为了提高放大器放大微弱信号的能力，提高放大倍数的同时，减小输入级的零点漂移。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。变压器耦合：变压器做耦合元件。各级静态工作点互不影响，并可实现阻抗匹配。变压器体积大、费用高，且电路低频特性差、损耗多，现已较少采用。光电耦合：用发光器件将电信号转变为光信号，再通过光敏器件把光信号变为电信号来实现级间耦合。如在第1.3节中介绍过的光电耦合器件。2.分析方法简介多级放大电路的分析：静态分析、动态分析。静态分析：分析求解各级电路的直流静态工作点。阻容耦合的多级放大电路：各级直流互不影响，各级静态工作点分别计算。直接耦合的多级放大电路：各级直流互相影响，一般要列方程计算。动态分析：求解整个多级放大电路的动态性能指标。动态分析步骤：（1）画出放大电路交流通路和微变等效电路；（2）计算每一级的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻；（3）计算总的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。计算某一级放大电路的性能指标时，考虑前后级之间的关系：后级看作前级的负载，后级的输入电阻看作前级的负载电阻。前级看作后级的信号源，前级的输出电阻看作后级信号源的内阻。总的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻计算方法：（1）总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积

Au=Au1Au2……Aun（2）总的输入电阻等于输入级即第一级的输入电阻

ri=ri1（3）总的输出电阻等于输出级即最后一级的输出电阻

ro=ron

2.5差分放大电路在直接耦合放大电路中抑制零点漂移的措施很多:选取温度特性比较稳定的硅管作为放大元件，利用热敏元件进行温度补偿，以抵消由于温度变化使晶体管参数变化带来的影响等，最有效的抑制方式是改进电路的结构形式。差分放大电路是能很好地抑制零点漂移的电路形式，通常用于多级直接耦合放大电路的输入级。1.基本差分放大电路的组成对称电路结构：两个共射极放大电路。理想情况下，两个晶体管特性、对应电阻参数值都相同，静态工作点相同。输入电压ui1、ui2：两个晶体管的基极输入，输出电压uo：两个晶体管的集电极之间输出。2.零点漂移的抑制静态：ui1=ui2=0，电路对称，两个晶体管各极电流及电位分别对应相等，IC1=IC2

，VC1=VC2

输出电压为零，uo=VC1–VC2=0

温度变化时，两管参数变化，引起各极电流和电位发生变化。电路对称，变化量大小相等、方向相同，ΔIC1=ΔIC2

，ΔVC1=ΔVC2

输出电压为零：uo=(VC1+ΔVC1)–(VC2+ΔVC2)=0抑制因温度变化（或其他原因）而引起的两管同向零点漂移。2.零点漂移的抑制发射极电阻RE可限制每个管子的漂移范围，进一步减小零点漂移，稳定电路的静态工作点。温度↑→IC1↑IC2↑→IE↑→URE↑→UBE1↓UBE2↓→IB1↓IB2↓

IC1↓IC2↓负反馈作用RE越大，抑制作用越显著。RE过大：+UCC一定时，集电极电流过小，影响静态工作点和电压放大倍数。负电源-UEE：抵偿RE两端的直流电压降，从而获得合适的静态工作点。3.信号的输入方式（1）共模输入

ui1=ui2

大小相等、极性相同两管各极电流和电位的变化相同，输出电压为零。电路对共模信号无放大作用，有很强的抑制作用，共模放大倍数Auc=0。（2）差模输入ui1=–ui2

大小相等、极性相反两管各极电流和电位的变化大小相等、反相，输出电压uo=ΔVC1–ΔVC2=2ΔVC1≠0。电路对差模信号有放大作用，差模放大倍数Aud≠0。3.信号的输入方式（3）比较输入

两个输入信号大小、极性任意。将比较信号分解为共模信号uic和差模信号uid的叠加：ui1=uic+uid

ui2=uic–uid电路对共模分量无放大作用，对差模分量有放大作用。例如:ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV4.共模抑制比差分放大电路中，差模信号是有用信号，对差模信号应有较大的放大倍数；共模放大倍数越小越好，电路对零点漂移的抑制能力越强。共模抑制比KCMRR

：差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc之比共模抑制比越大，差分放大电路分辨有用的差模信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。理想情况：KCMRR→∞。

2.6功率放大电路多级放大电路的最终目的是要有一定的功率放大能力，以推动负载的工作，如扬声器发声、电动机旋转、继电器动作、仪表指针偏转等。多级放大电路的输出级一般为功率放大电路，将中间级的输出信号进行功率放大。2.6.1对功率放大电路的基本要求（1）在不失真的情况下输出尽可能大的功率。功放中的晶体管工作在极限状态，信号的动态范围大，易产生非线性失真，要求非线性失真一定在允许范围内；（2）具有较高的效率。同等输出功率，效率越高，直流电源需要供给的能量越少。负载得到的交流信号有功功率电源供给的直流功率放大电路按照静态工作点设置的不同，分为三种工作状态：甲类工作状态：静态工作点Q大致在交流负载线的中点。静态电流IC大，晶体管消耗的功率大，电路的效率低。甲乙类工作状态：Q沿交流负载线下移，效率提高。波形部分失真。乙类工作状态：Q下移到IC≈0处，管耗更小，效率更高。波形严重失真。为了提高效率，同时减小信号波形的失真，常采用工作于甲乙类或乙类状态的互补对称功率放大电路。2.6.2互补对称功率放大电路乙类放大OCL电路：正、负等值的双电源供电，VT1：NPN型，VT2：PNP型，两管的其他特性和参数一致，构成射极输出器电路。静态（ui

=0）：VB=0，VE=0，偏置电压为零，VT1、VT2均截止，IC=0，乙类工作状态，负载中没有电流，uo=0。动态（ui≠0）：ui

＞0时，VT1导通、VT2截止，电流iC1通过负载RL，得正半周uo；ui

＜0时，VT2导通、VT1截止，电流iC2通过负载RL，得负半周uo。1.无输出电容（OCL）的互补对称功率放大电路uoiC1互补对称电路：在输入信号的整个周期内，VT1、VT2轮流导通，互相补充，从而输出完整的信号波形。电路采用射极输出器的形式，具有电流和功率放大作用，并且提高了输入电阻和带负载的能力。理想情况下，乙类互补对称电路的输出没有失真。由于没有直流偏置电流，实际上只有当输入信号ui的数值大于晶体管的死区电压（NPN型硅管约为0.5V，PNP型锗管约为0.2V）时晶体管才能导通。交越失真：输入信号ui的数值小于死区电压时，VT1、VT2均截止，负载电阻上输出电压为零，uo波形在正、负半周交接处出现失真。

克服交越失真的办法：采用甲乙类放大OCL电路。二极管VD1、VD2组成偏置电路，导通压降使晶体管静态时略微导通，在输入信号的过零处晶体管可以导通，克服了交越失真。IC很小，电路工作在甲乙类状态。2.无输出变压器（OTL）的互补对称功率放大电路甲乙类放大OTL电路：单电源供电，通过耦合电容C与负载电阻RL相连。静态：两管对称，两管发射极电位即电容两端电压为1/2UCC。动态：ui

＞0时，VT1导通、VT2截止，电源向电容C充电，并得正半周uo；ui

＜0时，VT2导通、VT1截止，电容C放电，作为VT2的直流电源，并得负半周uo。只要电容C的容量足够大，其两端电压可认为近似1/2UCC不变，VT1、VT2的集-射极之间所加的电源电压都是1/2UCC。2.6.3集成功率放大电路集成功率放大电路种类和型号很多，使用时只需在电路外部接入规定数值的直流电源、电阻、电容及负载，即可正常工作。由LM386组成的一种应用电路。R2、C4：电源去耦电路，滤掉电源中的高频交流分量；R3、C3：相位补偿电路，消除自激振荡，并改善高频时的负载特性；C2：防止自激振荡。

2.7场效应管放大电路场效应晶体管与双极型晶体管在功能和应用上基本相同，都具有放大作用和开关作用。将场效应管的栅极G、漏极D和源极S与晶体管的基极B、集电极C和发射极E对应，则两者的放大电路很相似。与晶体管相比，