《电子与电工技术》课件第10章

10.1基本放大电路10.2放大电路中的负反馈10.3多级放大电路10.4集成运算放大电路实训五晶体管共射单管放大电路小结习题

第10章放大电路10.1.1基本放大电路的组成

基本放大电路的组成如图10-1所示。

各元件的作用说明如下：

(1)直流电源UCC：确保三极管工作在放大状态，使放大电路的静态工作点合适，且为电路提供能量。

(2)耦合电容C1和C2

：隔直流通交流。10.1基本放大电路图10－1基本放大电路的组成

(3)基极偏置电阻RB：为放大电路提供偏置电流IB。

(4)集电极负载电阻RC：将三极管的电流放大作用转变为放大电路的电压放大作用。

(5)三极管V：实现电流放大作用，即用小的基极电流的变化引起大的集电极电流的变化。10.1.2基本放大电路的工作原理

1.静态分析

放大电路在没有输入交流信号时的状态称为静态。静态时放大电路只存在直流，静态分析就是要求出静态时的UBE、

IB、UCE、IC。将静态时的UCE、IC称为静态工作点。放大电路要有一个合适的静态工作点，才能对交流信号进行不失真放大。静态分析依放大电路的直流通路来进行。图10-1所示基本放大电路的静态工作点情况及直流通路分别如图10-2和图10-3所示。图10-2基本放大电路的直流通路和静态工作点图10-3直流通路依图10-3所示基本放大电路的直流通路可得：(10-1)

(10-2)

(10-3)

【例10-1】试求图10-4(a)所示放大电路的静态工作点，已知该电路中的三极管β=37.5，直流通路如图10-4(b)所示。解

由式(10-1)～式(10-3)得:

IB≈0.04mA=40μA

IC≈βIB=37.5×0.04mA=1.5mA

UCE=UCC-ICRC=12-1.5×4=6V图10-4例10-1图

2.动态分析

放大电路有交流输入信号ui输入时的状态称为动态。

1)图解法

图解法是依放大电路的输入ui及三极管的输入、输出特性曲线进行动态分析的方法。

其分析步骤如下：

(1)根据ui的波形，依输入特性曲线求出uBE和iB的波形，如图10-5所示。图10-5图解法求uBE和iB的波形

(2)根据iB波形，依输出特性曲线和负载线求iC、uCE

的变化，如图10-6所示。

(3)依ui、uCE的波形求放大电路的电压放大倍数Au。

放大电路的图解法分析的缺点是画电信号的波形要花费大量的时间，但其优点是能直观反映出输入信号过大或静态工作点不合适而引起的信号失真。图10-7所示为放大电路

静态工作点过低引起的非线性失真，这种失真称为截止失真。

当放大电路的静态工作点过高时，依作出的波形图可发现存在如图10-8所示的非线性失真，这种失真称为饱和失真。图10-6图解法求iC和uCE的波形图10-7静态工作点过低引起截止失真图10-8静态工作点过高引起饱和失真

2)微变等效电路法

当已知放大电路具有合适的静态工作点且输入信号较小时，放大电路工作在特性曲线的一小段范围内，这一小段特性曲线可近似看成直线。

(1)三极管的微变等效电路。

三极管的微变等效电路如图10-9所示。图10-9三极管的微变等效电路

(2)放大电路的微变等效电路。

放大电路的微变等效电路就是用三极管的微变等效电路替代交流通路中的三极管所得的电路。交流通路指放大电路中交流通过的路径。

画交流通路时要注意两点：

①将直流电源UCC作短路处理。

②将输入耦合电容C1和输出耦合电容C2作短路处理。图10-1所示基本放大电路的交流通路和微变等效电路如图10-10所示。图10-10基本放大电路的微变等效电路

(3)动态性能分析。

①电压放大倍数Au。电压放大倍数Au的表达式如下：

②输入电阻Ri。从给放大电路提供输入信号的信号源来看，放大电路就是从信号源取信号的负载，这个负载的电阻称为放大电路的输入电阻，如图10-11所示。从放大电路输入端AA′看进去的等效电阻定义为图10-11放大电路的输入电阻及输出电阻

③输出电阻Ro。

从放大电路的负载来看，放大电路就是向负载提供信号的信号源，这个信号源的内阻称为放大电路的输出电阻，如图10-11所示。

图10-1所示基本放大电路的输出电阻依图10-10所示微变等效电路可得：

Ro=RC

工程中，可用实验的方法求取输出电阻。在放大电路输入端加一正弦电压信号，测出负载开路时的输出电压Uo

′；然后测出接入负载RL时的输出电压Uo，则有

【例10-2】

图10-4(a)所示电路的交流通路和微变等效电路如图10-12所示，试用微变等效电路法求：

(1)动态性能指标、Ri、Ro；

(2)断开负载RL后，再计算、Ri、Ro。图10-12例10-2图

解

(1)由例10-1可知,IE≈IC=1.5mA，故

(2)断开RL后，10.2.1直流负反馈

基本放大电路在天热时能对信号进行不失真放大，而在天冷时却不能对信号进行不失真放大的现象，是因为其中的三极管受温度变化的影响，集电极电流发生变化，从而使放大电路的静态工作点发生变化。

图10-13所示是采用分压式电流串联负反馈偏置电路的放大器，它引入了直流负反馈，RE是反馈电阻，UBE=UB-IERE≈UB-ICRE，放大电路的静态工作点比较稳定，在实际中得到了广泛应用。10.2放大电路中的负反馈图10-13采用分压式电流串联负反馈偏置电路的放大器要使图10-13所示采用分压式电流串联负反馈偏置电路的放大器的静态工作点稳定，必须使电路满足以下两个条件：

(1)I>>IB；

(2)UB>>UBE。

实际中一般取I=(5~10)IB，UB=(5~10)UBE即可。

静态工作点稳定的过程如下：

T(温度)↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓10.2.2交流负反馈

图10-14所示为电流串联负反馈电路，Re是反馈电阻，因为引入了交流负反馈，ube=ui-ieRe≈ui-icRe，它的放大性能得到很大的改善。图10-14电流串联负反馈电路目前，分立元件电路多采用阻容耦合，而集成电路常采用直接耦合。阻容耦合是指用较大容量的电容连接两个单级放大电路的连接方式。其特点是各级静态工作点互不影响，电路调试方便，但信号有损失。直接耦合是指用导线连接两个单级放大电路的连接方式。其特点是信号无损失，但各级静态工作点相互影响，电路调试麻烦。

多级放大电路的组成方框图如图10-15所示。10.3多级放大电路图10-15多级放大电路组成框图

【例10-3】

两级阻容耦合放大电路如图10-16所示，各元件参数为：UCC=12V，RB1=100kΩ，RB2=40kΩ，RC1=5kΩ，RE1=2kΩ，RB1′=80kΩ，RB2′=50kΩ，RC2=3kΩ，RE2=3kΩ，RL=4kΩ，rbe1=rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50。

求：电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro。

解图10-16所示放大电路的微变等效电路如图10-17所示。

图10-16两级阻容耦合放大电路图10-17两级阻容耦合放大电路的微变等效电路10.4.1理想集成运放的特点

1.理想化性能指标

理想化性能指标如下：

(1)开环差模电压放大倍数Aud=∞；

(2)输入电阻rid=∞；

(3)输出电阻rod=0；

(4)共模抑制比KCMR=∞。10.4集成运算放大电路

2.“虚短”和“虚断”

当集成运放工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运放Aud→∞，得u-≈u+，反相输入端与同相输入端电位几乎相等，近似于短路又不是短路，将此称为虚短

路，简称“虚短”。

10.4.2基本运算电路

下面介绍由集成运放和电阻、电容、二极管等构成的模拟量运算电路，这些电路是其他应用电路的基础。

1.比例运算电路

1)反相输入比例运算电路

反相输入比例运算电路如图10-18所示。

由虚短、虚断可得：

u-≈u+=0

i-=i+≈0图10-18反相比例运算电路

2)同相输入比例运算电路

同相输入比例运算电路如图10-19所示。

由虚短、虚断可得：

u-≈u+=ui

i-=i+≈0

i1=iF

图10-19同相比例运算电路

2.加减运算电路

1)加法运算电路

加法运算电路如图10-20所示。

因反相输入端为“虚地”，故得图10-20加法运算电路于是，输出电压为

当R1=R2=RF时，

uo=-(ui1+ui2)

【例10-4】

在图10-20所示的反相加法运算电路中，若R1=5kΩ，R2=7.5kΩ，RF=15kΩ，ui1=1V，ui2=2V，求输出电压uo。

解

2)减法运算电路

减法运算电路如图10-21所示。

由图可知：

图10-21减法运算电路故得

当R1=R2=R3=RF时，上式变为

uo=ui2-ui1

于是实现了两信号的减法运算。

3.积分和微分运算电路

1)积分运算电路

积分运算电路如图10-22所示。

设电容器CF上的初始电压UC(0)=0，随着充电过程的进行，电容器CF两端的电压为

图10-22积分运算电路

由图10-22可知:

故

2)微分运算电路

微分运算是积分运算的逆运算。微分运算电路如图10-23所示。

由图10-23可知：图10-23微分运算电路一、实训目的

(1)掌握放大器静态工作点的调试方法，学会分析静态工作点对放大器性能的影响。

(2)掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。

(3)熟悉常用电子仪器及模拟电路实训设备的使用方法。实训五晶体管共射单管放大电路二、实训要点

(1)学会晶体管共射单管放大器的连接及调试。

(2)懂得常用电子仪器的使用方法。

(3)掌握晶体管共射单管放大器性能参数的测试方法。三、设备及仪表四、实验内容、方法及步骤

图10-24所示为电阻分压式工作点稳定的单管放大电路。它的偏置电路采用RB2和RB1组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的

输入端加入输入信号Ui后，在放大器的输出端便可得到一个与Ui相位相反、幅值被放大了的输出信号Uo，从而实现了电压放大。图10-24共射单管放大电路在图10-24所示电路中，当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管V的基极电流IB时(一般为5~10倍)，它的静态工作点可用下式估算(UCC为供电电源，此为+12V)：(10-4)

(10-5)

(10-6)

电压放大倍数为

(10-7)

输入电阻为

Ri=RB1∥RB2∥rbe(10-8)

输出电阻为

Ro≈RC(10-9)

1)放大器静态工作点的测量与调试

(1)静态工作点的测量。

测量放大器的静态工作点时，应在输入信号Ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的数字万用表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。

(2)静态工作点的调试。

放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流IC(或UCE)的调整与测试。

静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大的影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号后易产生饱和失真，此时uo的负半周将被削底，如图10-25(a)所

示；如工作点偏低，则易产生截止失真，即uo的正半周将被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显)，如图10-25(b)所示。图10-25静态工作点对uo波形失真的影响图10-26电路参数对静态工作点的影响

2)放大器动态指标测试

放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。

(1)电压放大倍数Au的测量。

调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo，则

(10-10)

(2)输入电阻Ri的测量。

为了测量放大器的输入电阻，按图10-27所示电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得

(10-11)图10-27输入、输出电阻测量电路

(3)输出电阻Ro的测量。

按图10-27所示电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压Uo和接入负载后输出电压UL，根据

(10-12)

即可求出Ro为

(10-13)

(4)最大不失真输出电压UOPP的测量(最大动态范围)。

如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出Uo(有效值)，则动态范围等于2

Uo,或用示波器直接读出UOPP。图10-28静态工作点正常，输入信号太大引起的失真

(5)放大器频率特性的测量。

放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数Au与输入信号频率f之间的关系曲线。

单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图10-29所示。图10-29幅频特性曲线

Aum为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/倍，即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带为

fBW=fH-fL

(10-14)五、练习

(1)连线。

按图10-24所示连接实训电路。

(2)测量静态工作点。

静态工作点测量条件：输入接地，即Ui=0。在连线的基础上，使Ui=0，调节RW，使IC=2.0mA(即UE=2.4V)，用万用表测量UB、UE、UC、RB2值，记入表10-1。表10-1IC=2.0mA

(3)测量电压放大倍数。

调节一个频率为1kHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui

，用双踪示波器观察放大器输入电压Ui和输出电压Uo的波形，在Uo波形不失真的条件下用毫伏表测量下述三种情况下的Uo值，并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系，记入表10-2。表10-2IC=2.0mA,Ui=mV(有效值)

(4)观察静态工作点对电压放大倍数的影响。

在RC=2.4kΩ，RL=∞的连线条件下，调节一个频率为1kHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui。调节RW，用示波器监视输出电压波形，在uo不失真的条件下，测量数组IC和Uo的值，记入表10-3(测量IC时，要使Ui=0)。表10-3

RC=2.4kΩ,RL=∞,Ui=mV(有效值)

(5)观察静态工作点对输出波形失真的影响。

在RC=2.4kΩ,RL=∞的连线条件下，使ui=0，调节RW

使IC=2.0mA，测出UCE的值。调节一个频率为1kHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui，再逐步加大输入信号，使输出电压Uo足够大但不失真。然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，绘出Uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表10-4中。每次测IC

和UCE的值时要使输入信号为零(即使ui=0)。表10-4RC=2.4kΩ,RL=∞,Ui=mV

(6)测量最大不失真输出电压。

在RC=2.4kΩ,RL=2.4kΩ的连线条件下，同时调节输入信号的幅度和电位器RW，用示波器和毫伏表测量UOPP及Uo

值，记入表10-5。表10-5

RC=2.4kΩ,RL=2.4kΩ*(7)测量输入电阻和输出电阻。

按图10-24所示，取R=2kΩ，置RC=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，IC=2.0mA。输入f=1kHz、峰峰值为50mV的正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用毫伏表测出US、Ui

和UL，用式(10-11)算出Ri。

保持US不变，断开RL，测量输出电压Uo，用式(10-13)算出Ro。*(8)测量幅频特性曲线。

取IC=2.0mA，RC=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，保持上步输入信号ui不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压Uo，自作表记录之。为使频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频范围，然后再仔细读数。*号为选作内容。

六、作业

(1)总结相关仪器仪表的使用方法的注意事项。

(2)静态工作点和电压放大倍数如何测量？

(1)放大电路要设置合适的静态工作点才能对输入的微小信号进行不失真放大。

(2)放大电路的静态工作点不合适，放大输入信号时会产生截止失真或饱和失真。

(3)放大电路引入直流负反馈可以稳定静态工作点，而引入交流负反馈可以提高放大倍数的稳定性、扩展带宽、减小非线性失真、改变输入电阻和输出电阻。小结

(4)集成运放的理想化条件：

①开环差模电压放大倍数趋于无穷；

②输入电阻趋于无穷；

③输出电阻趋于零；

④共模抑制比趋于无穷；

⑤有无限宽的频带；

⑥当输入端u-=u+时，uo=0。

(5)对于工作在线性状态的理想集成运放，具有两个重要特性:

(1)u-≈u+。

理想集成运放两输入端间的电压为0，但又不是短路，故常称为“虚短”。

(2)i-=i+≈0。

理想集成运放的两个输入端不取电流，但又不是开路，一般称为“虚断”。

(6)运算放大器因原来主要用来进行加、减等数学运算而得名，现在常被用来作高增益的通用放大器，但还沿