放大器的基本工作原理

CHAP.3

BasicAmplifierCircuits

CHECKPOINT

放大器的基本工作原理用图解法分析共发射极放大器的静态工作点，及最大不失真输出幅度。用小信号等效电路分析BJT三种组态放大器和FET共源放大器，并进行比较。用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器了解放大器的频率特性。2021/5/91§3.1BasicConcept放大器

放大器是放大电信号的装置，其基本任务是将微弱信号不失真地放大到所需的值，即用较小的信号去控制较大的信号。器件——电子管、晶体管、集成电路用途——放大电压、电流、功率信号信号——大信号、小信号耦合方式——直接、阻容、变压器、光电频率——直流、低频、高频、视频

放大器类型晶体管电压小信号低频阻容2021/5/92一.MainProperties1.GainVoltageGain衡量放大器放大微弱信号的能力CurrentGainIiUi+-IoUo+-PowerGainRSUS+-信号源RL负载AMP2021/5/932.InputResisterRi

衡量放大器对输入信号的衰减程度，其大小应从信号有效地传输来确定

传输电压信号要求Ri>>RsSourceVoltageGainRiRLRSUS+-IiUi+-AMPIoUo+-Ri2021/5/943.OutputResisterRO

衡量放大器对带负载的能力，其大小应从信号有效地传输来确定

当负载变化时，Uo基本不变，则要求Ro小RLRSUS+-IiUi+-IoUo+-AMP+-RORo的计算方法与电路分析一致RO2021/5/954.Distortions晶体管输入、输出特性的非线性产生非线性失真，uBEiBQDistortionsNonlinearLinear(Frequency)AmplitudePhase其大小与工作点位置、信号大小有关Auf02021/5/96二.BasicCircuit—CE+UoRsC1UBBRbUCCRcC2Us+-+--+-+-RLUi+-+-uBEuCEiCiB

分析各元件的作用Ui=0，晶体管各极电流、电压为直流值，放大器处于静态(直流)工作。tuCEQUCEQtiBIBQtuBEUBEQtiCICQ加入输入信号Ui后，晶体管各极电流、电压随信号而变，放大器处于动态(交流)工作。++2021/5/97+UoRsC1UBBRbUCCRcC2Us+-+--+-+-RLUi+-+-uBEuCEiCiB晶体必须工作管在放大区信号能输入信号能输出波形基本不失真

习惯画法C1+-RLRbRsUs+UccC2RcUi-++-Uo2021/5/98三.DCandACPass-+-+UBEQUCEQIBQICQ1.DCPass—FindQ-pointRcRb+Ucc(1)+-+UBEQUCEQIBQICQRcRb+UccReIEQ(2)2021/5/99Rb2+-+UBEQUCEQIBQICQRcRb1+UccReIEQ(3)I1+-+UBEQUCEQICQRc+UccReIEQ(4)-UEE2021/5/910Example1

若基极接地或负电压，则偏置电流IBQ=0，管子截止，此时

UCEQ=UCC。

若Rb=60KΩ，则IBQ=200uA，ICQ=8mA，UCEQ=-12V，这是不可能

的。此时放大器工作在饱和状态，

UCEQ=

UCE(sat)，ICQ=βIBQ

不再成立。已知：UBE(on)=0.7V，β=40，UCC=12V，

Rb=240KΩ，Rc=3KΩ。求静态工作点Q。解：

最大ICQM为[Ucc-UCE(sat)]/RC，

放大器工作在放大

区。

-+-+UBEQUCEQIBQICQRcRb+UccDiscussion2021/5/911Example2-UccRb+-+UBEQUCEQIBQICQIEQRe已知：UBE(on)=0.7V，β=50，-UCC=-20V，

Rb=200KΩ，Re=4KΩ。求静态工作点Q。解：CONCLUSION

管子截止时：UCEQ=UCC

饱和时：UCEQ=UCES≈02021/5/9122.ACPass—FindAu、Ri、RoUsRsiC+UoC1UBBRbUCCRc+-+--+-+-RLUi+-+-uBEuCEiBC2++Uce+UoRsUsRbRc-+--RLUi+--UbeIcIb2021/5/913Example1PlotACpassoffigure(a)and(b)UiUoUiUoUiUiUo(a)UiUo(b)

图(a)和图(b)的直流通路相同2021/5/914Example2PlotDCandACpass+UccDCPass+Ucc+-Us+-UoACPassUs+-+-Uo2021/5/915§3.2BasicAnalysisofAmplifier图解分析法：形象、直观，但难以准确定量分析，用来分析非线性失真。等效电路法：对器件建模进行电路分析，运算

简便，结果误差小，仅适用于交

流小信号工作状态。

分析放大器静态工作动态工作—求静态点Q(直流通路)—求AuRiRo(交流通路)估算法图解法等效电路法

分析方法2021/5/916一.GraphicalAnalysisRsUs+UoRbUCCRcC2-+-RL+-+-uBEuCEiCiBC1UBB+-+-+-Ui

根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。

用估算法求出基极电流IBQ（假设为40μA）AnalysisStep1.DCAnalysis2021/5/917

求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。直流负载线

与输出特性曲线上IB=40μA的交点就是静态工作点Q，

由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ。

根据集电极电流iC与集、射间电压uCE的

关系式uCE=UCC－iCRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC

。RsUs+UoRbUCCRcC2-+-RL+-+-uBEuCEiCiBC1UBB+-+-+-Ui

作直流负载线。2021/5/918由uCE=UCC－iCRC所决定的直流负载线IB=40μA的输出特性曲线

过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为ICQ

过Q点作垂线，在横轴上的截距即为UCEQUccUcc/RcUcEQIcQ两者的交点Q就是静态工作点QDCLoadLine2021/5/919

由输出特性曲线和交流负载线求iC和uBE

根据静态分析方法，求出静态工作点Q

画放大器交流通路

根据ui在输入特性上求uBE和iB

根据在输出特性中画交流负载线2.ACAnalysisAnalysisStep+-+UoRsRbRcUs+-+-RLUi+--UbeUceIcIb2021/5/920-+UoRsRbRcUs+-+-RLUi+-+-UbeUceIcIbUccUcc/RcUcEQIcQQACLoadLine交流负载线2021/5/921tiB(uA)uBE(V)0402060ttic(mA)ICQ

IB=0

0

20μA

40μA

60μA

80μA

ic(mA)uCE(V)QUCEQIBQUBEQQ1Q2Q2021/5/922Q-pointandNonlinearDistortionsUccUcc/RcUcEQIcQQUCESRC↑—

负载线斜率增小—Q点沿IBQ=40uA曲线平移达Q3Rb↓—IBQ↑—

Q点沿负载线上移Rb↑—IBQ↓—

Q点沿负载线下移RC↓—

负载线斜率增大—

Q点沿IBQ=40uA曲线平移达Q4Q1Rb↓Q2Rb↑Q3RC↑Q4RC↓—

极限点Q1—进入饱和状态—极限点Q2

—进入截止状态2021/5/923UCEQICQSaturationDistortions2021/5/924UCEQICQCutoffDistortionsCutoffDistortions2021/5/925

放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。由于C2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量，且与输入电压ui反相。放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载线越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。静态工作点Q设置得不合适，会产生非线性失真。即Q点选得偏高，易产生饱和失真；Q点选得偏低，易产生截止失真。Summary2021/5/926微变等效电路分析法：非线性元件晶体管在工作点附近的微小范围内，可等效成一个线性电路，此时放大电路可用线性电路的分析方法来分析。二.Small-SignalEquivalentCircuitAnalysisAnalysisStep用估算法计算静态工作点Q，并求出rbe画出交流通路晶体管用交流小信号等效电路代替用电路分析法计算Au、Ri、Ro2021/5/927+UoRsRbRcUs+-+--RLUi+-+-UbeUceIcIbbrbeeceIcIb+-UbeecrbebeRsRbUs+--+Ui+UoRc-RLIbIc2021/5/928计算Au、Ri、RoecrbebeRsRbUs+--+Ui+UoRc-RLIbIcRiRoRL'=RC//RL计算Ro的方法是：信号源短路，负载RL断开，在输出端加电压U，求出由U产生的电流I，则

2021/5/929FEATURES

输出电压信号与输入电压信号反相电压放大倍数大输入电阻小输出电阻大CEAMP2021/5/930Example1已知：Ucc=12V，Rs=1kΩ，Rb=300kΩ，Rc=3kΩ，RL=3kΩ，

β=50。试求：1.RL接入和断开两种情况下电路的电压增益Au；

2.输入电阻Ri和输出电阻Ro；

3.输出端开路时的源电压增益Aus

。C1+-RLRbRsUs+UccC2RcUi-++-Uo解：先求静态工作点Q2021/5/931再计算rbe782021/5/932已知：UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=3kΩ，β=50

RE=2kΩRL=3kΩ。试估算静态工作点，并求电压增益、输入电阻和输出电阻。解：1.用估算法计算静态工作点Example22021/5/9333.求输入电阻和输出电阻2.求电压放大倍数2021/5/934§3.3Common-CollectorAmplifier一.DCAnalysisReICQ+－+

－Rb1

IBQUCEQUBEQ+UccRb2RsUs+－+Ui－RL+Uo－+UccC1C2Rb1

ReRb22021/5/9351.Au二.ACAnalysis

RsUs+－+Ui－RL+Uo－+UccC1C2Rb1

ReRb2

sUrbe

bIi+oU－

+

iU－

bIb

+

－

RsRb1

ReRLceIbIeIcRb2

2021/5/9362.输入电阻RiRiRorbe

sUbIi+oU－

+

iU－

bIb

+

－

RsRb1

ReRLceIbIeIcRb2

Rb2021/5/937rbe

3.输出电阻Ro方法：信号源Us短路，去掉负载RL，输出端加电压U，产生电流I，Ro=U/I。bI+U－

bIb

RsRb1

ReceIbI1IcRb2

Ro2021/5/938FEATURES

输出电压信号与输入电压信号同相电压放大倍数小于1，但约等于1

输入电阻大输出电阻很小CCAMP

常用作缓冲极、隔离极。2021/5/939己知：UCC=12V，Rb=200kΩ，Re=2kΩ，RL=3kΩ，RS=100Ω，

β=50。试求：1.估算静态工作点；

2.电压增益

Au；

3.输入电阻

Ri；

4.输出电阻

Ro。解：1.用估算法计算静态工作点Example1RsUs+－+Ui－RL+Uo－+UccC1C2RbRe2021/5/9402.Au3.Ri4.Ro2021/5/941己知：UCC=12V，Rb=100kΩ，Rb1=40kΩ，Rb2=80kΩ，Re=3.6kΩ，

RL=3.6kΩ，RS=100Ω，UBE(on)=0.8V，

β=50。试求：解：1.用估算法计算静态工作点Example2RsUs+－+Ui－RL+Uo－+UccC1C2Rb1ReRbRb21.估算静态工作点；2.电压增益

Au；3.输入电阻

Ri；4.输出电阻

Ro。2021/5/9422.Au、Ri、RosUrbe

bIi+oU－

+

iU－

bIb

+

－

RsRb1

ReRLceIbIeIcRb2

RiRoRb2021/5/943§3.4Common-BaseAmplifier一.DCAnalysisRsUs－RL+Uo－C1C2Rb1

ReRb2+UccRc+CbRe+－+

－Rb1

IBQUCEQUBEQ+UccRb2ICQRc2021/5/944二.ACAnalysis

rbe

sUbIi+oU－

+

iU－

bIb

+

－

RsReRcRLceIbIeIcRiRo2021/5/945FEATURES

输出电压信号与输入电压信号同相电压放大倍数大输入电阻很小输出电阻大CBAMP2021/5/946§3.5FETAmplifier一.BiasCircuits1.Self-biasCircuit只要偏压，不要偏流。FET种类较多，应用时注意极性。RgRsRd+UDD－+UDSQUGSQ－+IDQFeatures由求出UGSQ和IDQIDUGS0QIDQUGSQ2021/5/947

Rg1

Rg2

RsRd

+UDD

－+UDSQUGSQ－+IDQ由求出UGSQ和IDQIDUGS0QIDQUGSQUG2.VoltageDividerBiasing2021/5/948二.FETAmplifier1.

静态分析

Rg1

+UDDC1

+－

Rg2RsRdRgC2CsUi+－UoRLCommon-SourceAmplifier

根据分压式偏置电路求静态工作点2021/5/9492.

动态分析UgsgIi+oU－

+

－

Rg1RdRLsdIdRg2

RiRo+－RgiU2021/5/950Common-DrainAmplifier1.

静态分析

Rg1

+UDDC1

+－

Rg2RsRgC2Ui+－UoRL

根据分压式偏置电路求静态工作点2021/5/9512.

动态分析UgsgIi+oU－

+

－

Rg1RLsdIdRg2

RiRo+－RgiURs2021/5/952不失真地、有效地传递信号常用耦合方式§3.6MultistageAmplifiers1.InterstageCouplingMode一.BiasProblems要求直接耦合变压器耦合阻容耦合

输入级中间级

输出级信号源负载2021/5/953

缺点：前、后级静态工作点相互有影响，需考虑电平