电路与模拟电子技术第8章

第八章基本放大电路放大电路可以在不改变信号波形的同时实现对输入信号的功率放大。构成放大电路的主要原件是双极型晶体三极管和场效应管。8.1双极型晶体三极管8.1.1双极型晶体三极管基本结构(1)基区非常薄(2)基区掺杂浓度很低，发射区掺杂浓度很高。8.1.2晶体管电流分配及放大原理共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数晶体管电流分配(1)发射区向基区扩散电子(2)电子在基区的扩散与复合(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子8.1.3晶体管特性曲线1.输入特性曲线死区电压，硅管正常工作条件下，硅管锗管锗管2.输出特性曲线(1)放大区(发射结正偏，集电结反偏

晶体管工作在放大状态)

也叫线性区，在该区域内(2)截止区(发射结和集电结均反偏，各电极电流近似为零)

该区域内UBE小于死区电压，IB≈0，IC≈0，C、E之间有微小的穿透电流ICEO，可认为C、E之间断开。(3)饱和区(发射结和集电结均正偏，晶体管失去放大作用)

该区域内，UCE很小，UCE<UBE，UC<UB，集电结正偏，IB增大，IC只增加很少或不增大。饱和时UCE的电压称为饱和压降UCES，小功率硅管约为0.2～0.3V，锗管约为0.1～0.2V，大功率管的饱和压降约在1V以上，此时C、E间相当于导通。8.1.4晶体管主要参数(1)共射极电流放大系数直流放大系数交流放大系数一般认为(2)集—基极反向电流ICBOICBO是发射极开路时的集电极电流，它是由集电区的少数载流子向基区的漂移运动造成的，受温度影响很大，温度每升高10℃，ICBO升高约一倍，ICBO越小越好，硅管的温度稳定性比锗管好。(3)集—射极穿透电流ICEOICEO是基极开路时的从集电极到达发射极的电流，ICEO越小越好。(4)集电极允许最大电流ICM

集电极电流IC超过一定值时，β值要下降，当β值下降到正常值的2/3时集电极的电流称为集电极最大允许电流。(5)集—射极击穿电压U(BR)CEO

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，若UCE>U(BR)CEO时IC将突然增大，管子被击穿，温度上升时下降。(6)集电极最大允许耗散功率PCM

电流通过集电结产生热量，从而引起管子参数的变化。当晶体管由于受热而引起的参数变化不超过允许值时，管子所消耗的最大功率称为集电极最大允许耗散功率。晶体管放大电路的组成和工作原理1.单管共射放大电路的组成

UB,RB给晶体管提供适当的偏置电压UBE(约0.7V)和偏置电流IB。

UC,RC给晶体管提供适当的管压UCE，使UCE>UBE

，以保证集电结反偏，RC还将集电极电流的变化转化为集电极电压的变化。

C1，C2为耦合电容，容抗很小，隔直流通交流。8.2晶体管放大电路单管共射放大电路的常用画法2.共射放大电路的工作原理和波形分析静态—ui=0,UBEQ，IBQ，UCEQ，

ICQ均为直流动态—当ui=Umsinωt时,产生交流分量ube，ib，uce，ic。这些交流分量叠加在相应的静态直流分量上。与ui相比uo有如下特点：(1)uo幅度增大。(2)uo频率ui与相同。(3)uo相位ui与相反。3.设置静态工作点的必要性若不设静态工作点，则电路变为只有设置了静态工作点Q，晶体管才能在整个信号周期内始终工作在放大状态。8.2.2放大电路的基本分析方法晶体管特性曲线为非线性，为克服非线性，有两种方法：(1)作图法，在特性曲线上用作图的方法求解。(2)微变等效电路法，只适用于小信号，此时工作在特性曲线上的较小范围内，可以认为是线性的。1.放大电路的直流通路和交流通路直流通路(静态分析)：①电容开路，电感短路；②信号源置零，保留其内阻；交流通路(动态分析)：①容量大的电容(如耦合电容)短路；②直流电压源短路，一般忽略其内阻；2.放大电路静态分析

ui=0时,UBEQ，IBQ，UCEQ，ICQ均为直流，这四个量称为放大电路的静态值(静态工作点Q)。(1)计算放大电路的静态值(2)用图解法确定放大电路的静态值

3.放大电路的动态等效分析(1)晶体管的微变等效电路晶体管是非线性器件，作为放大电路，必须进行线性化，对于小信号而言，在静态工作点附近，可以认为特性曲线是直线。rbe称为晶体管的交流输入电阻，在小信号条件下为常数，常用hie表示。是基区电阻，一般为几十欧至几百欧，是从基极看进去的发射结等效电阻。由于

所以

rce称为晶体管的交流输出电阻，在小信号条件下为常数，一般约为几十至几百千欧，分流作用极小，一般可忽略。晶体管微变等效电路(2)放大电路的微变等效电路令输入电压输出电压①放大倍数若放大电路开路(未接RL)由可知受静态工作点的影响②输入电阻输入电阻小，则信号源提供的输入电流大，信号源的负担重；输入电阻从信号源分得的电压小；如果本级放大电路是上一级放大电路的负载，则前一级放大电路的放大倍数较低。所以，输入电阻越大越好。若空载输出电压为，负载输出电压为③输出电阻将输入信号置零，可知(3)图解法交流负载线的斜率为，而，所以交流负载线比直流负载线更陡。当输入信号为零时，电路工作在静态工作点，所以交流负载线过Q点(4)非线性失真当静态工作点选择不当或信号幅度过大，使晶体管工作范围进入非线性区，导致输出波形失真。静态工作点偏高——饱和失真静态工作点偏低——截止失真(5)动态工作范围——最大不失真输出最大不失真输出8.2.3静态工作点稳定电路静态工作点的选择关系到放大器是否能够正常工作，并且对电压放大倍数，输入电阻等动态参数产生影响。

RB固定下来IBQ也随之固定，称为固定式偏置电路，该电路简单，静态工作点易于调节。环境温度使静态工作点发生漂移，严重时会使放大电路不能正常工作。因此，必须采取措施减小温度对静态工作点的影响。1.稳定静态工作点原理交流分量ie流过RE会产生交流压降，使uce减小，导致电压放大倍数下降，旁路电容CE容抗小，对交流相当于短路。(1)固定基极电位VB

选取RB1和RB2，使IB<<I2，则(2)取适当的VB值，使VB>>UBE，则2.静态分析因为发射极、集电极电流基极电流集—射极电压3.动态分析(a)有旁路电容(b)无旁路电容若且8.2.4射极输出器1.静态分析2.动态分析(1)电压放大倍数比略小，但相位保持一致，输出电压总是跟随输入电压的变化，所以射级输出器又称为射极跟随器。有电流和功率放大的作用。(2)输入电阻不考虑RB考虑RB和都很大，所以射极跟随器的输入电阻很大，达几十至几百千欧。(3)输出电阻令通常所以射极跟随器输出电阻很小，一般只有几十至几百欧姆。射极输出器的特点：(1)输入、输出电压基相同，电压放大系数近似为1。因此射极输出器常用用电压跟随器。(2)输入电阻大，输出电阻小。因此射极输出器常用作多级放大器的输入级以提高整个放大电路的输入电阻；或作为出级，作为整个放大电路的输出电阻；或作为中间级，在输出电阻大的前级放大电路与输入电阻小的后级放大电路之间进行阻抗变换。8.3多级放大器单级放大电路的放大倍数是有限的，某些情况下难以达到所需的放大倍数，可以把多个单级放大电路串联起来组成多级放大电路，以达到所需的放大倍数。多级放大电路存在级间连接的问题，级间连接的任务是将前级的信号送给后级，并在输入、输出电阻、电压和电流等参数进行匹配。各级放大电路之间的连接称为耦合，主要方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合、光电耦合等。8.3.1阻容耦合放大电路1.多级放大电路的静态和动态特性由于前后级通过电容耦合，所以各级之间的直流互不相通，各级之间的静态工作点互不影响。由于所以若多级放大电路共有n级，则输入电阻输出电阻2.放大电路的频率特性实际放大的信号不是单一的频率，而是有一定宽度的频带，由于存在极间耦合电容、发射极旁路电容、晶体管极间电容以及导线间的分布电容，当频率不同时容抗也不相同，所以放大电路输出电压的幅值与相位都要受到频率的影响。①幅频特性②

相频特性在通频带内，放大电路的幅频、相频特性基本保持不变。当信号频率超出了通频带，放大电路对不同频率的信号的幅频和相频特性就会有很大差别，就会产生幅度失真或相位失真，所以希望放大电路的通频带越宽越好。中频段低频段高频段1.前后级静态工作点相互影响，使得第一级静态工作点接近饱和区，动态范围很小；同时较大，使得较大，可能使第二级处于饱和状态。8.3.2直接耦合放大电路改进方法：(1)提高后级晶体管的发射极电位①在第二级电路的发射极串入电阻或二极管②

串入稳压管(2)采用NPN-PNP耦合方式2.零点漂移输入电压为零，输出电压也会因温度的变化而上下波动。零点漂移使输出电压偏离其真实值。8.4放大电路中的负反馈8.4.1放大电路中的负反馈1.反馈的概念将放大器输出的一部分馈送到输入端，与外部输入信号叠加，产生放大电路的净输入，实现输出信号对输入信号的控制，就构成了反馈。若反馈的信号增强了放大电路的净输入信号称为正反馈，若削弱了净输入信号则称为负反馈。2.反馈的作用负反馈具有自动调节的作用。正反馈没有自动调节的作用，但是在自激振荡电路中必须有正反馈。8.4.2负反馈的类型及判别1.反馈的类型(1)根据反馈信号的类型可分为电压反馈与电流反馈反馈信号取自输出电压叫电压反馈，反馈信号为电流叫电流反馈。电压反馈电流反馈电压反馈电流反馈(2)根据反馈信号与输入信号比较形式的东同可分为串联反馈与并联反馈反馈信号与输入信号以电压形式比较求和的是串联反馈，若二者以电流形式比较求和则称为并联反馈。串联反馈并联反馈串联反馈并联反馈(3)交流反馈与直流反馈只对交流信号起作用的反馈叫交流反馈，只对直流起作用的反馈叫直流反馈。交流反馈直流反馈反馈类型共四种：(1)电压串联(2)电压并联(3)电流串联(4)电流并联电压串联电流串联2.反馈的判别(1)判别电路中有无反馈若电路中存在连接输出回路与输入回路的通路，则有反馈。有反馈无反馈(2)判别电路是正反馈还是负反馈(瞬时极性法)

比较反馈信号与输入信号的极性，极性相同为正反馈，相反为负反馈。引入负反馈引入正反馈(3)判别反馈组态类型一般地，反馈信号反馈至输入级晶体管的发射极，只能以电压形式与输入信号比较，属串联反馈；反馈信号反馈至输入级晶体管的基极，只能以电流形式与输入信号比较，属并联反馈。通常，将输出端短路，若反馈信号不存在，则为电压反馈，若反馈信号仍存在，则为电流反馈。电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联正反馈电流并联负反馈8.4.3负反馈对放大电路工作性能的影响1.降低放大倍数未引入负反馈时的放大倍数(开环放大倍数)反馈系数引入负反馈后的净输入信号(2)提高放大倍数的稳定性引入负反馈后的放大倍数(闭环放大倍数)负反馈时与同相，所以AF为正实数，从而，这是由于负反馈削弱了净输入信号。输出信号跟着变小，放大倍数下降。

——反馈深度，其值越大负反馈作用越强在中频段，和为实数，则放大倍数的稳定度无负反馈有负反馈(3)减小波形失真(4)负反馈对放大电路输入电阻的影响①串联负反馈使输入电阻提高②并联负反馈使输入电阻下降(5)负反馈对放大电路输出电阻的影响电压负反馈具有稳定输出电压的作用，恒压源的内阻很小，所以电压负反馈可以减小放大电路的输出电阻；电流负反馈具有稳定输出电流的作用，恒流源的电阻很大，所以电流负反馈可以增大放大电路的输出电阻。8.5功率放大电路放大电路接负载时，要向其提供一定的功率以使其工作。对一个微弱信号，首先进行电压放大，再进行电流放大，以达到功率放大的目的，进行电流放大的电路称为功率放大电路。电压放大电路的作用是输出足够大的电压，它工作在小信号条件下，电流放大电路的作用是输出足够大的功率，它工作在大信号条件下。8.5.1功率放大电路的特点1.功率放大电路中晶体管的选择在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管尽可能工作在极限参数下。但同时应保证管子的安全并考虑散热问题。2.功率放大电路的分析方法由于功率放大电路工作在大信号条件下，不能使用微变等效电路模型进行分析，一般使用图解法进行分析。由于电路工作在大信号状态下，会引起波形失真，因此要采用适当的方法改善输出波形。3.功率放大电路的主要技术指标(1)最大输出功率PoM

输入信号为正弦波，输出信号波形基本不失真的条件下。输出的功率定义为PoM为在电路参数确定的条件下负载可能获得的最大交流功率。(2)转换效率功率放大电路的最大输出功率PoM与电源提供的直流功率PE之比。功率放大电路的基本要求，在不失真的前提下输出尽可能大的功率，且具有较高的效率。放大电路三种工作状态：1.甲类：静态工作点Q大致在交流负载线中间

甲类工作状态下不论有无信号，电源功率PE=ICUCC不变，集电极有较大的静态电流。无信号时，电源功率消耗在管子和电阻上，以集电极损耗为主；有信号时电源功率的一部分转换为有用的输出功率Po，信号越大输出功率越大。甲类工作状态效率很低，最大只能达到50%。2.甲乙类：静态工作点Q下移

为了减少电源功耗，在UCC不变的情况下可以减小IC，Q点将沿负载线下移。3.乙类：静态工作点Q下移至IC

＝0处乙类工作状态下，管子只有半个周期工作在放大区，另半个周期管子处于截止状态。8.5.2互补功率放大电路功率放大电路工作在甲乙类或乙类放大状态，节省了电路处于静态时集电结所消耗的功率，提高了效率，但输出波形产生严重的失真，解决的办法是采用互补对称功率放大电路。1.双电源互补对称功率放大电路(OCL)为了使输出电压波形正负对称，T1，T2的参数必须完全对称，并且由于两只管子组成两个射极跟随器，电路还具有输入电阻大和输出电阻小的特点。为了克服交越失真，可以设置合适的静态工作点，使T1，T2工作在甲乙类状态下，避开截止区。由于每个管子只工作半个周期，静态工作点可下移至IC

≈0，管子的静态功耗约为零，提高了效率，并使电路有效大的动态范围。

当Q点下降至UCE

≈UCC

时，若UCES

＝0.5V，输出

电压的最大不失真幅度为负载不变时最大输出功率为一个管子的平均输出电流一个电源提供的功率两个电源提供的功率OCL功率放大电路最大效率为在互补对称功率放大电路中，要求互补的NPN和PNP管子的特性对称，当输出功率较大时难以做到特性对称，而对于小功率管则较容易做到，因此，常用“复合管”代替单个管子。2.双电源互补对称功率放大电路(OCL)

在静态时调整RB1使K点电位为，则电容C的充电电压为信号正半周期，T1导通T2截止，电容充电；信号负半周期，T1截止T2导通，已充电的电容充当电源，只要RLC远大于信号周期，电容可以看作电源。8.6场效应晶体管

晶体三极管利用电子和空穴两种载流子导电，是电流控制元件，输入电阻小，约为102～104Ω

；场效应管只有一种载流子导电，是电压控制元件，基本不需要输入电流，因而输入电阻大，约为109～1014Ω

。同时，场效应管易于集成并且受温度和辐射的影响小。场效应管分为绝缘栅和结型两类，每一类又分为P沟道与N沟道两种；绝缘栅型又分为增强型与耗尽型两种。8.6.1绝缘栅场效应管1.N沟道增强型绝缘栅场效应管(增强型NMOS管)(1)基本结构2.工作原理

uGS越大，N型沟道越厚，沟道电阻越小，iD越大，可以利用uGS对iD进行控制，而栅极几乎没有电流。N沟道增强型MOS管(3)特性曲线①转移特性曲线②输出特性曲线2.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管(耗尽型NMOS管)转移特性曲线输出特性曲线3.P沟道绝缘栅场效应管(耗尽型PMOS管)

PMOS管使用时uGS与uDS的极性与NMOS管相反，增强型PMOS管的开启电压UGS(th)为负，当uGS<UGS(th)时管子导通，耗尽型PMOS管的夹断电压为正，可以在正负一定范围内对iD进行控制。8.6.2结型场效应管(JEFT)1.基本结构2.工作原理转移特性曲线输出特性曲线N沟道结型场效应管特性曲线8.6.3场效应管的主要参数1.直流参数(1)开启电压UGS(th)

固定uDS

时，使iD大于零所需的|uGS|最小值。(2)夹断电压UGS(off)(结型场效应管和耗尽型MOS管参数)

固定uDS

时，iD为规定的微小电流时的uGS

。(3)饱和漏极电流IDSS(耗尽型管子参数)

uGS

＝0时的漏极电流。(4)直流输入电阻RGS(DS)

栅源电压与栅极电流之比。结型管的RGS(DS)

>107Ω，MOS管的RGS(DS)

>109Ω，手册中一般只给出栅极电流。2.交流参数(1)低频跨导gm

uDS

为固定值，uGS的变化量与它引起的iD变化量之比。(2)极间电容

场效应管三个电极之间均存在极间电容，它们是栅源电容CGS和栅漏电容CGD，约为0.1～1pF，漏源电容CDS，0.1～1pF。在高频时应考虑这些电容的影响。(3)低频噪声系数FN

噪声使得放大器在无输入的情况下输出端会产生不规则的电