电子技术(第3版-付植桐)电子教案25004-第2章-电子课件

基本放大电路的组成及工作原理第2章基本放大电路

放大器的分析方法常见的放大电路放大器的频率特性多级放大器本章小结退出主要要求：

了解基本放大电路的组成2.1

基本放大电路的组成及工作原理掌握其工作原理,及静态工作点的求解了解放大器的主要性能指标退出放大器的作用就是把微弱的电信号不失真的加以放大。2.1.1放大器的电路组成放大器的框图退出所谓失真,就是输入信号经放大器输出后,发生了波形畸变.退出晶体管V具有放大作用,是 放大器的核心;基极电阻Rb,与基极电流集电极电流和三极管的电压偏置有密切关系;集电极电阻Rc,把放大的电流转换成电压输出;耦合电容C1和C2,具有隔直通交作用,传递交流信号又使放大器不受信号源和输出负载的影响.按放大目的的不同,放大器又分交流放大器,直流放大器,脉冲放大器,下面以共射极交流基本放大电路为例分析:退出

2.1.2放大器的工作原理适当选取Rb,RC,UCC参数,晶体管就能工作在放大区:若晶体管射基极等效动态电阻为rbe,加入输入信号ui前iB=

IB,则分析电路:符号说明:以基极电流为例,iB代表基极电流的瞬时值,IB代表直流分量,ib代表交流分量,有效值用Ib表示,复数量量用表示.退出退出放大电路的工作原理:

ui经过输入端电容C1与UBE叠加到晶体管输入端,使基极电流iB发生变化,进而使集电极电流ic发生变化,ic在RC上的压降使晶体管输出端电压发生变化,最后经过电容C2输出交流电压uo(从图中可见uo与

ui相位相反,称为放大器的倒相作用,适当选取RC,uo会比ui大的多)微弱的电压信号uiicuoBJTRC利用晶体管的控制作用，把直流电能转化成交流电能退出2.1.3晶体管的直流通路和静态工作点晶体管是放大电路的核心，要使晶体管正常发挥作用，还需要具备一定的外部条件即合适的静态工作点。1.静态工作点的意义当ui

=0时，放大电路中没有交流成分，称为静态,或称为直流工作状态。静态工作点可以用晶体管的电流,电压一组数值来表示,分别是基极电流IBQ，集电极电流ICQ及集射极电压UCEQ。它们在三极管特性曲线上所确定的一个点,称为静态工作点，习惯上常用Q表示,又称为Q点.退出IBQ太小,交流信号ui的负半波的全部或部分会使发射结进入“死区”,电路处于截止状态,失去对负半波的正常放大作用;IBQ过大当输入信号正半周到来时,电路会进入饱和区,同样不能正常放大.可见IBQ的值对放大电路工作好坏起着重要作用,此外还有ICQ和UCEQ,Q点是由三者共同决定.理想的Q点应处在放大区,当到来时,随成线性变化,在变化内,输出特性曲线间隔均匀,不能脱离安全工作区退出2.求静态工作点

处于静态状况下的电路,只有直流成分而无交流成分,可删去电容,变为直流通路.退出依据KVL有:UBEQ近似等于二极管的正向电压值,一般取:UBEQ0.3V(硅管)0.7V(锗管)UCC

UBEQIBQ≈UCC／

RCICQ+UCEQ－UCC=0ICQ=

IBQ退出注：所述求静态工作点的方法是假设晶体管工作在放大区的，如果求出管压降太小，接近零或负值时，说明集电结失去正常的反向电压偏置，晶体管接近或已进入饱和区，这时β将逐渐减小或根本无放大作用，此时管压降近似为零。【例2.1.1】求如图所示放大电路的静态工作点。已知UCC=12V,Rc=2kΩ,

Rb=30kΩ,β＝80。解:退出2.1.4放大器的主要性能指标1.放大倍数或增益电压放大倍数Au电流放大倍数Ai功率放大倍数Ap工程上经常用以10为底的对数来表示电压放大倍数和电流放大倍数的大小，退出2.最大输出幅度放大器能供给的最大输出电压(最大输出电流)的大小,用Uomax和Iomax表示.3.非线性失真由于晶体管输入,输出特性在动态范围内不可能保持完全的线性,输出波形不可避免的发生线性失真.4.输入电阻从放大电路的输入端看进去的等效电阻被称为放大电路的输入电阻，定义为退出5.输出电阻输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻※当用恒压源时,总是希望输入电阻越大越好,可以减小输入电流,减小信号源内阻上的压降,增加输出电压的幅值;放大器的输出电阻越小越好,增加输出电压的稳定性,改善负荷性能退出设这时放大倍数为,当放大倍数下降为时,所对应频率分别为上限频率fH和下限频率fL,两频率之间的频率范围,称为放大器的通频带.6.通频带放大器对不同频率的交流信号有着不同的放大倍数,一般说来,频率太高或太低放大倍数都要下降,只有对某一频率段放大倍数才较高且基本保持不变退出7.最大输出功率和效率放大器最大输出功率是指它能向负载提供的最大交流功率,用Pomax表示.放大器的效率规定为放大器输出的最大功率与所消耗的直流电的总功率PE之比,用表示:=Pomax

/PE退出2.2放大器的分析方法

主要要求：

掌握放大器的图解分析法。了解放大器的偏置电路。掌握微变等效电路分析法。退出2.2.1图解法图解法就是在晶体管特性曲线上，用作图的方法来分析放大电路的性能的方法。1.直流负载线和静态工作点直流负载线（2,2,1）静态时退出由于式（2,2,1）是线性方程，当UCC选定后，这条直线就完全由直流负载电阻Rc确定，所以把这条直线叫做直流负载线。

直流负载线的作法是：找出两个特殊点M（0，UCC）和N（UCC/Rc，0），将M、N连接,其直流负载线的斜率为退出静态工作点①基极电流由KVL得:退出②作直流负载线则它和IB=40uA曲线的交点,即是静态工作点QQ点即为静态工作点,读出输出曲线上对应的数值是:

IBQ=40uA

ICQ=1.8mAUCEQ=9.2V退出放大电路的输入端有输入信号，输出端开路，这种电路称为空载放大电路，虽然电压和电流增加了交流成分，但输出回路仍与静态的直流通路完全一样。

所以，可用直流负载线来分析空载时的电压放大倍数.设图中输入信号电压③空载时的电压放大倍数因为退出根据iB

的变化情况，可知工作点是在以Q为中心的Q1、Q2两点之间变化由图（a）所示基极电流iB

iB

=IBQ+ii=40+20sinωtμA退出画出iC和uCE的变化曲线如图（b）所示，它们的表达式为退出所以电压放大倍数为

退出2.交流负载线和动态分析①交流通路退出②交流负载线先画直流负载线MN得:这就是交流负载线由于R’L(=RL∥RC)<<RC,交流负载线比直流负载线的斜率的绝对值大,所以更陡些.退出交流负载线具有如下两个特点:(1)交流负载线必通过静态工作点,因为当输入信号ui的瞬时值为零时,如忽略电容C1和C2的影响,则电路状态和静态时相同。(2)另一特点是交流负载线的斜率由RL’表示。

uCE

=-

icRL’iC=

ICQ+icuCEQ=UCEQ+uce

退出【例2.2.1】如图所示放大电路,已知UCC=12V,Rc=4kΩ,Rb=300kΩ,RL=4kΩui=0.02sinwtV,晶体管的输出特性曲线如图,试画出直流负载线和交流负载线,并计算电压放大倍数?●作直流负载线:iB=40uA曲线与MN交点即为静态工作点Q,静态值:IBQ=40uA

ICQ=1.5mAUCEQ=6V又退出[解]●作交流负载线:在轴上定点L，使得OL=6mA，连接ML过Q点作M’N’∥ML，则M’N’

为所求交流负载线.●用交流负载线求电压放大倍数:依照iB的变化，找到交流负载线上Q1’和Q2’，以Q点为中心，对应横坐标即是输出交流电压的变化uo=-1.5sinwtV=1.5sin(wt-π)V可见，接入RL以后交流负载线变变陡，uCE

的变化范围变小放大倍数降低了退出③动态分析动态范围：把输出电压uO在交流负载线上的变化范围线性动态范围：静态工作点选在放大区的中间，这时输出电压的波形是和输入电压波形相似的正弦波。退出假设静态工作点没有选择在放大区中间，沿负载线偏上或偏下，这时输出电压信号以静态工作点Q为中心沿负载线波动，就可能进入饱和区或截止区，输出电压信号就不能保证与输入电压信号相似，这种情况的输出信号叫作失真。进入截止区产生的失真称为截止失真，进入饱和区的失真称为饱和失真。退出

从以上分析可以看出，静态工作点是否选择合适对克服失真起主要作用。影响静态工作点的主要因素有UCC，RC

,

Rb

。这三个因素中，一般UCC确定后不易改变；RC对静态工作点影响相比较小；

Rb是这三个因素中最主要因素，一般可认为IBQ与Rb成反比，饱和失真时，应增大Rb使IBQ减小，降低工作点Q（或减小）；截止失真时，应减小Rb

，使IBQ增大，来升高静态工作点Q.只要调节Rb总可以使静态工作点工作在放大区直流负载线中间，在调节有困难时，再考虑调节UCC和RC

。合理选择以上参数，直至波形不失真时为止。退出2.2.2放大器的偏置电路

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。Q点位置过高、过低都可使信号产生失真，前面分析时只考虑放大电路的内部因素，在外界条件变化时，也会使静态工作点移动，进而产生失真。因此设法稳定静态工作点是一个重要问题.退出1.静态工作点不稳定的原因静态工作点不稳定的原因很多,如温度变化,电源波动,元件老化而使参数发生变化等,其中最主要的是温度变化的影响.退出(1)温度变化时对ICEO的影响

温度上升,反向饱和电流ICBO增加,穿透电ICEO=(1+β)ICBO也增加。反映在输出特性曲线上是使其上移。iC增加.

温度每增加12℃(8℃),锗管(硅管)ICEO增大到原来的2倍.(2)温度变化时对uBE影响

温度上升,发射结电压uBE下降,在外加电压和电阻不变的情况下,使基极电流iB上升。iC增加.uBE的温度系数为－2~2.5mv/℃.(3)温度变化时对

影响温度上升,使三极管的电流放大倍数β增大,使特性曲线间距增大。iC增加温度每增加1℃,β相应增加0.5％~1％.退出

综上,当温度增加时,晶体管的ICEO,uBE,β参数都将改变,最终结果使Q点上移,造成电路的不稳定.

设想:如果改进电路使iC增加的同时iB减小,反馈回来控制iC达到自动稳定静态工作点的目的.退出2.分压式偏置电路◆电路特点利用Rb1,Rb2分压,选择适当参数,固定基极电位:iC温度iCiEuEuBEiB温度iCiEuEuBEiBiC退出◆静态工作点的估算根据UB=UCCRb2/（Rb1+Rb2）有，退出【例2.2.2】在图所示电路中,已知UCC=12V,

Rc=2kΩ,Rb1=20kΩ,Rb2=10kΩ,RL=6kΩ,

Re=2kΩ,晶体管3DG6β=37.5。试求静态工作点.静态工作点为:退出[解]2.2.3微变等效电路分析法

图解法分析放大电路比较直观,但不易进行定量分析,在计算交流时比较困难,因此现在讨论微变等效电路法.

在小信号条件下,在给定的工作范围内,将晶体管看成一个线性元件,把晶体管放大电路等效成一个线性电路来分析计算,这种方法就是微变等效电路分析法.晶体管的微变等效电路(1)晶体管的输入回路

晶体管的输入特性曲线是非线性的,但在小信号输入情况下,静态工作点Q附近的工作段可认为是一条直线.退出定义式中,

ube,ib是交流量,rbe称为晶体管的输入电阻,它是一个动态电阻,这样就可以把晶体管的输入回路等效成如图所示.退出对于低频小功率晶体管,rbe常用下面公式来估算:式中,IE是发射极电流的静态值,近似为ICQ(2)晶体管的输出回路在晶体管的输出特性曲线中可以看出,在放大区内,输出曲线是一组近似水平平行和等间隔的直线如图示,忽略uCE对iC的影响,则ΔiC与ΔiB之比为小信号条件下,β是常数,iC受

iB控制,因此考虑用受控源等效退出放大电路的微变等效电路

在晶体管微变等效电路的基础上,以共发射极电路为例,分析放大电路的等效电路退出直流电源内阻很小,常常忽略不记,交流时可视为短路C1和C2在一定频率范围内,容抗很小,可视为为短路输入信号为正弦量,故可用相量表示法退出参数的计算(1)电压放大倍数定义为输出电压与输入电压的比值,用表示由图负号表示输入电压与输出电压反相,RL’<RC,可见接上负载后放大倍数降低了退出(2)输入电阻和输出电阻输入电阻从输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压和输入电流的比值,用来表示对于共发射极低频电压放大电路,约为1KΩ,输入电阻不高在图中,

越大,放大电路从信号源取得的信号也越大退出输出电阻从输出端看进去的等效电阻,用来表示因为电流源内阻无穷大,由图可知

RC一般为几千欧,因此共发射极放大电路输出电阻是较高的,为使输出电压平稳,有较强的带负载能力,应使输出电阻低一些.

※注意:输入电阻和输出电阻都是对交流信号而言,是动态电阻,它们是衡量放大电路性能的重要指标.退出微变等效电路法分析举例先画微变等效电路图对输入回路,输出回路用线性电路进行分析计算▲无负载和有负载时的电路计算【例2.2.3】电路如图所示,已知UCC=20V,

Rc=6kΩ,Rb=470kΩ,β=45。求:⑴输入电阻和输出电阻;⑵不接负载RL时的电压放大倍数;⑶求当接上负载RL=4kΩ时电压放大倍数.退出①画出微变等效电路图②当接入负载RL时,注:计算输出电阻时不包括负载电阻退出[解]▲考虑到信号源内阻时,放大器对信号源的放大倍数【例2.2.4】在图所示电路中,已知UCC=12V,

Rc=2kΩ,Rb1=20kΩ,Rb2=10kΩ,RL=6kΩ,

Re=2kΩ,β=40,Rs=1kΩ。求:⑴放大电路的输入电阻和输出电阻;⑵对输入电压的放大倍数;⑶求对信号源的放大倍数.画微变等效电路图退出[解](1)输入电阻,输出电阻

(2)对输入电压的放大倍数(3)对信号源的放大倍数可见,电源内阻越大,放大倍数越小;输入电阻越大,放大倍数越大退出【例2.2.5】如图所示放大电路中,

晶体β=40,rbe=1kΩ。求:⑴静态工作点;⑵画微变等效电路图;⑶求输入电阻和输出电阻;

⑷求电压放大倍数.▲发射极电阻Re无旁路电容时的计算解:⑴静态工作点:⑵微变等效电路图退出⑶输入,输出电阻退出⑷电压放大倍数可见,发射极电阻有一段没有接电容,输入电阻增加了,放大倍数明显减小了,这是R’’C的负反馈(下一章内容)作用所致.退出2.3常见的放大电路主要要求：共集电极放大电路共基极放大电路

场效应管晶体管放大电路退出2.3.1共集电极放大电路

电路组成共集电极电路，是从发射极输出的，所以简称射极输出器电路特点是晶体管集电极作为输入输出的公共端，输入电压从基极对地（集电极）之间输入，输出电压是从发射极对地（集电极）之间取出，集电极是输入与输出的公共端。退出

工作原理①静态分析退出②动态分析电压放大倍数小于1但近似等于1，即略小于，电路没有电压放大作用。又，故电路有电流放大和功率放大作用。此外，跟随变化，故这个电路又称为射极跟随器。退出输入电阻可见，射极输出器的输入电阻要比共射极放大电路的输入电阻大得多，可达到几十千欧到几百千欧．退出计算输出电阻的等效电路如图，将电压源信号短路，保留内阻，然后在输出端除去，并外加一个电压而得到的．输出电阻可见，输出电阻很低，一般在几十欧到几百欧，为了降低应选较大的晶体管。

＊综上所述，射极输出器具有电压放大倍数小于1但近似等于1，输出电压与输入电压同相位，输入电阻高，输出电阻低等特点，因而射极输出器得到了广泛的应用。退出下图是扩音机的输入电路，射极输出器的输入电阻高，可以和内阻较高的话筒相匹配，使话筒输入信号能得到有效的放大，电位器的阻值RP为22kΩ，可用来调节输入信号强度，以控制音量大小。在多级电子电路中，射极输出器也常作中以隔离前后级之间的相互影响，这时称为缓冲级。射极输出器的输出电阻低，带负载能力强，有一定的功率放大作用，也可作为基本的功率输出电路。

应用举例退出2.3.2共基电极放大电路

电路组成基电极是输入回路与输出回路的公共端输入信号加到发射极与基极之间输出信号加到集电极与基极之间微变等效电路图退出

共极集电路电路分析①静态分析所示电路的直流通路如图退出②动态分析电压放大倍数所示电路的微变等效电路如图所示，得可见，共基极电路与共射极电路的电压放大倍数在数值上相同，只差一个负号退出输入电阻和输出电阻可见输入电阻减小为共射极电路的1/(1+β),一般很低，为几欧至几十欧。输出电阻和共射极放大电路相同。退出2.3.3场效应晶体管管放大电路

由于场效应管具有高输入电阻的特点，它适用于作为多级放大器的输入级，尤其对于高内阻信号源，采用场效应晶体管才能有效的放大。场效应晶体管的源极，漏极，栅极相当于双极型晶体管的发射极，集电极，基极；两者的放大电路也相似。场效应晶体管有共源极放大电路和源极输出器等。场效应晶体管放大电路也必须设置合适的工作点。退出源极电流IS（等于ID）流经源极电阻RS，在RS上产生电压降IS

RS

，显然UGS=-IS

RS=-ID

RS,它就是自给偏置电压。静态工作点是由栅－源极电压UGS（偏压）确定的。自给偏压偏置电路图为:N沟增强型绝缘栅型场效应管的自给偏压偏置电路.退出RS为源极电阻，静态工作点受它控制，阻值约为几千欧CS为源极电阻上的交流旁路电容，其容值为几十微法；Rg为栅极电阻，用以构成栅，源极间的直流通路，Rg不能太小，否则影响放大电路的输入电阻，其阻值约200KΩ~10ΜΩ;Rd为漏极电阻，它使放大电路具有电压放大功能，其阻值约为几十千欧；C1,C2分别为输入电路和输出电路的耦合电容其容量约为0.01~0.047uF※注意:N沟增强型绝缘栅型场效应管组成的放大电路，工作时UGS为正，所以无法采用自给偏压偏置电路.退出分压式偏置电路

为路使静态工作点稳定，就要增大RS的阻值。但是RS过大，UGS负值更大，会产生非线性失真，使放大电路不能正常工作，为了解决这一矛盾，一般采用分压式偏置电路:Rg1和Rg2是分压电阻，电阻Rg是为了提高放大电路的输入电阻而接的，Rg中并无电流流过．退出由图可见:栅极接一个固定的正电位UG，其值为动态分析输入电阻：与输入电压反相栅源电压为：对于N沟道耗尽型管，UGS为负值，所以IDRS＞UG；对于N沟道增强型管，UGS为正值，所以IDRS＜

UG

。输出电阻

输出特性具有恒流特性,rds很高.电压放大倍数通常Rg较高退出【例2.3.1】在图所示的放大电路中,已知UDD=24V,

Rd=10kΩ,Rs=10kΩ,Rg1=200kΩ,Rg2=64kΩ,

Rg=1MΩ,

负载RL=10kΩ,gm=1ms,rgs=106kΩ。试求:⑴静态值;⑵电压放大倍数,输入电阻和输出电阻.退出由图栅极电位:电压放大倍数为:输入输出电阻分别为:退出[解]2.4放大电路的频率特性主要要求：频率特性的基本概念放大器的低频特性放大器的高频特性退出2.4.1频率特性的基本概念放大器在不同频率下的增益可用复数来表示式中,表示放大器的增益和频率的关系，称为幅频特性；表示输出信号与输入信号的相位差和频率的关系，称为相频特性；

两者统称为放大器的频率特性。退出

※可见:中频段的相位差基本是－180，输出与输入反相，电路相当于纯电阻电路，高频段比中频段滞后，低频段比中频段超前。相频特性和幅频特性示意图放大倍数下降到中频值的0.707时相的上限频率放大倍数下降到中频值的0.707时的下限频率通频带BW=fH-fL波特图退出2.4.2放大器的低频特性放大器的低频特性主要源于放大器中的耦合电容和旁路电容以单管共射放大电路为例:低频信号下等效电路如图

电路的输入端施加了一个具有内阻RS的电压源,ri为放大器的内阻,RP为放大器等效负载.退出中频段电压增益计算式退出退出所以，fL为下限频率，低频电压增益是中频段的0.707，输出电压比中频输出电压超前45°,比输入电压滞后135°。

可见，电路中的耦合电容使放大器在低频段产生一个超前的相位位移，其角度在0~90之间。退出2.4.3放大器的高频特性处于高频段时，电容的容抗减小，但处在并联支路的电容作用突出,等效电路为:

电路的输入端施加了一个具有内阻RS的电压源,ri为放大器的内阻,RP为放大器等效负载.退出退出高频特性的波特图fH称为上限频率，由图中可以看出输出电压比中频段输出电压滞后45°，比输入电压滞后225°.退出2.5多级放大器主要要求：多级放大器的耦合方式多级放大器的增益退出一般放大器都是由几级放大电路组成，能对输入信号进行逐级接力式的连续放大，以便获得足够的功率去推动负载工作。第一级末级第二级退出2.5.1多级放大器的耦合方式多级放大器级间耦合方式一般有阻容耦合，变压器耦合，直接耦合阻容耦合方式如图，电路可分为四部分：信号源、第一级放大电路、第二级放大电路和负载。信号通过电容C1与第一级输入电阻相连，第二级通过电容C2与负载相连，这种通过电容与下级输入电阻相连的耦合方式成为阻容耦合。退出阻容耦合放大器的特点阻容耦合有不少优点，如结构简单、体积小、成本低、频率特性较好，特别是电容有隔直流的作用，可以防止级间直流工作点的相互影响，各级可以独自进行分析计算，所以阻容耦合得到广泛应用。但它也有局限性，由于有一定交流损耗，影响了传输效率，特别对缓慢变化的信号几乎不能进行耦合。另外在集成电路中难于制造大容量的电容，因此阻容耦合方式在集成电路中几乎无法应用。退出

所示电路是变压器耦合放大器，它的输入电路是阻容耦合，而第一级的输出是通过变压器与第二级的输入相连的，第二级的输出也是通过变压器与负载相连的，这种级间通过变压器相连的耦合方式称为变压器耦合放大器。变压器耦合方式阻容耦合退出

变压器耦合不足的方面是：体积大，成本较高，另外频率特性也不够好，在功率输出电路中已逐步被无变压器的输出电路所代替.但在高频放大，特别在选频放大电路中，变压器耦合仍具有特殊的地位，不过耦合的频率不同，变压器的结构有所不同，如收音机利用接收天线和耦合线圈得到接受信号，中频放大器中用中频变压器，耦合中频信号，达到选频放大的目的。变压器耦合放大器的特点退出前面讨论过的阻容耦合和变压器耦合都有隔直流的重要一面。但对低频传输效率低，特别是对缓慢变化的信号几乎不能通过。在实际的生产和科研活动中，常常要对缓慢变化的信号（例如反映温度变化，流量变化的电信号）进行放大。因此需要把前一级的输出端直接接到下一级的输入端，这种耦合方式被称为直接耦合。直接耦合方式

如果简单的把两个基本放大电路直接连接起来，放大器将是不能的，如图所示，电路为了满足晶体管VT1电压偏置合适的工作点，UBE≈0.7V,UC1>1V,结果将UB2=UC1>1V,VT2进入饱和区；同样，满足了VT2偏置和工作点,VT1也不能正常工作，要使得前后两级都能正常放大，就必须考虑它们工作点的相互影响，要有特殊偏置电路。退出图(a)所示电路，是在VT2发射极串上电阻Re2来提高后级射极UE2电位，使VT2有一个合适的工作点.不过Re2的存在将要抑制ic2的变化，使第二级放大倍数大为下降。退出

图(b)示电路，用一个稳压管VZ代替了Re2，既能提高Ue2