第十二章放大电路与集成运算放大器

第十二章放大电路与集成运算放大器 第一节共发射极单管放大电路第二节集成运算放大器本章小结

第一节共发射极单管放大电路 第一节共发射极单管放大电路一、放大电路的概念及分类二、共发射极放大电路三、放大电路的工作原理四、放大电路的波形失真及其调整方法五、放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻六、负反馈及其对放大电路性能的影响七、共集电极放大电路——射极输出器

一、放大电路的概念及分类 一、放大电路的概念及分类 1．放大电路的用途　　放大电路是自动控制、信号检测、通信等电子设备中最基本的组成部分。　　如图所示扩音系统的四个主要组成部分。

一、放大电路的概念及分类 　　（1）传感器（麦克风），将声音转换成相应的电压信号。　　（2）放大器，将麦克风输出的微弱电压信号放大到所需要的值。　　（3）再生器（扬声器），将放大后的电信号转换成声音。　　（4）电源，提供放大器工作所需要的直流电压。

一、放大电路的概念及分类 2．什么是放大电路　　同时满足以下两个条件的电路：　　（1）输出信号的功率大于输入信号的功率。　　（2）输出信号波形与输入信号波形相同（不失真）。用框图表示：　　输入端：加入需要放大的信号。　　输出端：得到放大的输出信号。　　组成：一个放大电路必须含有晶体管（或电子管）这样的器件，同时还包含电阻、电感、变压器等元器件。

一、放大电路的概念及分类 3．放大器的分类　（1）按放大器的频率高低分　（2）按被放大信号的类型分　（3）按放大信号的强弱分

一、放大电路的概念及分类 （4）按晶体管连接方式分（5）按元器件的集成化程度分

二、共发射极放大电路 二、共发射极放大电路　共发射极单管放大器又称单极低频小信号放大电路。　它是最基本的放大电路，也是复杂电子电路的基础。　工作频率：20 Hz ~ 20 kHz 的低频范围内。　适用范围：用于放大较小的电流、电压。

二、共发射极放大电路 1．电路结构如图所示为单管共发射极放大电路　　（a）是采用双电源供电；（b）是采用单电源供电；（c）是（b）图的习惯画法，即不画出集电极电源。分析各元器件的作用：（b）或（c）图。

二、共发射极放大电路 　① 晶体管 V：工作在放大状态，起电流放大作用。　② 基极电阻 Rb：又称偏置电阻，与电源电压配合为晶体管提供一个合适的基极电流 IB（又称偏流），保证晶体管工作在合适的状态。它的取值范围在几十千欧到几百千欧。　　③ 集电极电阻 Rc：又称集电极负载电阻，作用是把晶体管的电流放大转换为电压的放大。它的取值范围一般在几千到几十千欧。

二、共发射极放大电路 　④ 耦合电容 C1和 C2：又称隔直通交电容，起到隔直流通交流的作用。交流信号从 C1输入经过放大后从 C2输出，同时 C1 把晶体管的输入端与信号源之间，C2 把输出端和负载之间的直流通路隔断。一般选用电解电容，使用时注意区分其极性。　⑤ 集电极电源 E：作用一是给晶体管一个合适的工作状态（保证发射结正偏，集电结反偏），二是为放大电路提供能源。

二、共发射极放大电路 2．静态工作点的建立　晶体管工作在放大状态条件：发射结加正偏电压，集电结加反偏电压，并且各极都有合适的直流电流和直流电压。　　当放大电路无交流信号输入时，此时的直流状态称为静态，如图（b）所示。

二、共发射极放大电路 　　这时晶体管的直流电压：UBE、UCE和对应的直流电流 IB、IC 统称为静态工作点 Q，通常写成 UBEQ、UCEQ、IBQ、ICQ。　　如上图（b）所示是放大电路的直流通路，由于耦合电容的作用，直流只在直流通路内流动，所以将耦合电容 C1、C2看作断路的部分去掉，剩下的即为直流通路。　　（1）静态工作点的计算　如上面（b）图可得

二、共发射极放大电路 UBEQ取值，硅管为 0.7 V，锗管为 0.3 V。　　因为　UBEQ<< UE，所以　　由晶体管的放大原理有：　　再根据直流通路可得

二、共发射极放大电路 [例1]在下图中，设 UE = 12 V，Rb = 200 k，Rc = 2.4 k，= 50，试计算静态工作点。　　解：根据静态工作点计算公式

二、共发射极放大电路 [例2] 在上题中，若设 UE = 12 V，Rc = 2 k， = 50，要求 ICQ = 4 mA；问偏流电阻 Rb 取值多大？　　解：　　则

二、共发射极放大电路 　　（2）静态工作点设置的意义和调整方法　　① 意义：静态工作点合适与否关系到信号被放大后是否会出现波形失真。Q 点设置过低，IBQ太小，晶体管进入截止区，造成截止失真。Q 点设置过高， IBQ 太大，晶体管进入饱和区，造成饱和失真。　　　　② 调整方法：将放大器的输入端断路，使电路无信号输入，保持电源电压 UE 不变，调整偏置电阻 Rb的阻值，用万用表测量集电极电流 IC，使其达到技术要求。

三、放大电路的工作原理 三、放大电路的工作原理　　放大电路如图所示。输入交流信号 ui经过耦合电容 C1加到三极管基极 b 和发射极 e 之间与静态基极直流电压 UBEQ叠加得：式中 UBEQ 为直流分量，ui为交流分量。

三、放大电路的工作原理 　　调整静态工作点适当，使叠加后的总电压为正且大于晶体管的导通电压，使晶体管工作在放大状态。 uBE使晶体管出现对应的基极电流 iB， iB 是 IBQ和 iB叠加形成的，即　　集电极电流受基极电流控制，所以集电极总电流为　　可以看出，集电极电流也是由静态电流 ICQ和信号 ic电流叠加形成的。 iC的变化引起晶体管集电极和发射极之间总电压 uCE的变化， uCE 也是由静态电压 UCEQ和信号电压 uce叠加而成的，即

　　在集电极回路中，电压关系为 。三、放大电路的工作原理　　集电极电流受基极电流控制，所以集电极总电流为　　可以看出，集电极电流也是由静态电流 ICQ和信号 ic电流叠加形成的。 iC的变化引起晶体管集电极和发射极之间总电压 uCE的变化， uCE 也是由静态电压 UCEQ和信号电压 uce叠加而成的，即

四、放大电路的波形失真及其调整方法 四、放大电路的波形失真及其调整方法当放大电路静态工作点设置不得当时，会造成放大电路的波形失真，本节通过实验来观察波形失真的现象。　　（一）操作 1．框图：

四、放大电路的波形失真及其调整方法 信号源：低频信号发生器，产生 1 ~20kHz 的正弦波信号加到放大器的输入端。　　单管共发射极放大电路：电路如下图所示。　　输出端：接入一台双踪示波器。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 2．连接：　　将输入、输出端信号分量接示波器的 YA、YB 端，经过调整后，便可看到示波器显示的输入信号和输出信号波形，如图所示波形。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 3．现象：　　（1）由于静态工作点已经调整适当，此时观察到的波形图并无失真。　　（2）通过两个信号输入调节旋钮 YA 和 YB 上标示的电压刻度（V/格）以及荧光屏上的波形幅度可以测出输入电压和输出电压的幅值，并可以算出放大器的电压放大倍数。（3）两波形的相位相差为 180，这是单管发射极放大电路的倒相作用。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 　　（二）分析 1．截止失真　　（1）现象调节 Rb，使阻值变大，输出电压波形的上方开始出现平顶， Rb越大，平顶部分越长——这就是截止失真，如图所示。（2）原因 Rb 阻值增大后，Q 点降低，UBEO、IBQ减小，在输入信号负半周时，晶体管工作在截止区，使 IB = 0，IC  0，输出电压近似等于电源电压，保持不变，所以出现平顶。Rb 越大， IB = 0 的时间越长，平顶期越长。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 2．饱和失真　　（1）现象　　调节 Rb使其阻值减小到一定值时，输出波形的下方又出现了平顶，且 Rb 越小，平顶部分越长——这就是饱和失真，如图所示。（2）原因 Rb 减小后，Q 点升高，UBEQ和 IBQ增大，输入信号的正半周期时，因为 iB 增大，使晶体管进入饱和区，当 iC = ICES后， iC 不再增大，同时输出电压等于晶体管的饱和压降 UCES，不再下降，所以输出波形的下方出现平顶。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 　　结论　　（1）共发射极单管放大电路的输出波形的正半周（波形上半周）出现平顶，是截止失真；若输出波形的负半周（即波形下半部）出现平顶，是饱和失真。（2）出现失真的原因： Q 点设置不当，应调整放大管基极偏置电阻，使静态工作点处于适当的位置。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 3．双向失真　　（1）现象 Rb适中，输出波形无失真，增大信号源的电压幅度，使放大器的输入信号增大，这时输出电压信号波形的上、下部分都出现平顶，同时产生了饱和失真和截止失真——称为双向失真，如图所示。（2）原因输入信号的电压幅度太大，在信号的正半周造成饱和失真，负半周造成截止失真。

四、放大电路的波形失真及其调整方法 　　（3）解决办法：　　① 降低输入信号的电压幅值。　　② 将放大电路的电源电压增大，再调节Rb建立适当的静态工作点 Q，便可消除双向失真。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻五、放大电路的放大倍数、　输入电阻和输出电阻　　放大电路的输入端需与信号源连接，输出端与负载连接。因此，放大电路与信号源、负载之间是相互影响相互联系的。 1．输入电阻 Ri （1）等效电路如图所示，将放大器看作信号源负载，它是与信号源输出电阻串联的，因此，放大器输入电阻相当于信号源的负载电阻。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻　　（2）定义从放大电路输入端看进去的交流等效电阻 Ri。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻（3）讨论输入电阻越大越好，以减小对信号源的影响。（4）计算由上图可知输入电阻 Ri Ri = Ui /Ii 2．输出电阻（1）等效电路如图所示，放大电路对于负载RL来说相当于一个信号源。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻　　（2）定义　　断开负载，从放大电路的输出端看进去，放大电路就相当于一个内阻为 Ro和电动势为 Eo 的等效电源，这个内阻 Ro 就是放大电路的输出电阻。　　

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻　　（3）讨论　　放大电路的输出电阻 Ro越小，放大器带负载的能力越强。即使是阻值较小的RL，也能得到较大的输出电压Uo和较大的输出电流 Io。所以放大电路的输出电阻越小越好。　　（4）计算　　① 先断开负载电阻，测出此时的输出电压即电动势 Eo。　　就能得到

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻 3．电压放大倍数 Ao 　　（1）定义　　输出电压变化量（即交流成分）uo或有效值 Uo与输入电压变化量（也是交流成分）ui或有效值 Ui之比，即　　（2）意义为反映放大电路放大能力的重要参数。　　（3）讨论随输出端负载情况而改变，空载时Ao最大，带载下降，而且负载越小Ao会越小。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻 4．小结　　（1）Ri、Ro、Ao统称放大电路的外部特性，这些参数在工程上具有重要的意义。　　（2）放大电路根据组成可以分为单级的、多级的；从放大元件上看可以是晶体管、场效应管或集成电路，虽然种类繁多，但均可通过上述参数对外等效来测量。　　（3）应用工程上，放大电路主要用于对信号进行放大处理，从而实现各种工程控制。放大电路的信号源和输出负载之间有一定的相互作用和影响，这是设计过程中必要考虑的因素。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻 5．集成倒相放大电路ULN2003 ULN2003是专门驱动继电器的7通道反相放大器，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装，其实物图和内部结构图如下图所示。（a）DIP-16封装（b）SOP—16塑料封装（c）内部结构图

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻 ULN2003工作电压高，工作电流大，当输出端为低电平时可允许输入500 mA的灌电流，在输出端为高电平时输出端能承受50V 的电压，当接高负载电流时输出端还可以并行运行，如图所示倒相放大器ULN2003输入端和输出端的连接方法。 ULN2003输出端并行运行

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻在自动化密集的的场合会有很多被控元件如继电器、微型电机、风机、电磁阀、空调、水处理等元件及设备，这些设备通常由CPU所集中控制，由于CPU控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流、电压，ULN2003就属于这类功率电路。如下图所示为ULN2003的典型应用电路。ULN2003第1脚接CPU某个输出端口，当CPU控制端口输出高电平时，经ULN2003倒相驱动后从第16脚输出低电平，继电器线圈两端获得电源电压，继电器的常开开关K闭合，负载获得电源电压而工作；当端口输出低电平时，经ULN2003倒相驱动后从第16脚输出高电平，继电器线圈两端无电源电压，继电器的常开开关K断开，负载断电而停止工作。可见，我们只需要通过编程控制CPU的输出端口发生高低电平的变化，就能够灵活控制负载工作和停止的转换。

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻 ULN2003的应用电路

五、放大电路的放大倍数、 输入电阻和输出电阻如图所示为定频空调器室内风扇转速控制电路。ULN2003第1、3、5脚分别接CPU不同的三个输出端口，按照用户设定或者环境条件，CPU调用内部程序自动控制相应的输出端口输出高电平，经ULN2003倒相驱动后输出低电平，继电器RY2、RY5、RY4中的一只获得电源电压，常开开关闭合，从而为室内风机的低、中、高速绕组之一供电，完成室内风机的转速转换。空调器室内风机转速控制电路

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 六、负反馈及其对放大电路性能的影响（一）负反馈的概念（二）负反馈对放大电路性能的影响

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 （一）负反馈的概念 1．定义将信号全部或者部分从输出端反方向送回输入端，来实现反方向信号传输的电路称为反馈电路，带有反馈电路的放大电路称为反馈放大电路。 2．方框图 A：基本放大电路。 F：反馈电路连接输出端到输入端。　　：比较环节。

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 3．反馈过程：输出信号 Xo（部分或全部）→ 通过 F → 与 Xi进行比较 →得 Xi → 进入 A。比较是指反馈信号 Xf与输入信号 Xi进行相加或相减，从而得到比 Xi加强或削弱的净输入信号 Xi。 4．反馈类型（1）反馈极性 ① 正反馈：反馈使净输入加强，放大倍数升高，用于振荡器。 ② 负反馈：反馈使净输入减弱，放大倍数降低。可以改善放大电路的许多性能。

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 （2）输入端连接方式（3）输出端取样信号

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 　　反馈类型框图：

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 （二）负反馈对放大电路性能的影响　　负反馈虽然使放大电路的净输入减少，放大倍数下降，但可换取放大电路的性能改善： 1．提高放大倍数的稳定性　　放大倍数Ao会因更换晶体管、负载 RL 等因素变化而产生变化，引入负反馈可以减小此种变化。例如放大器输出信号 Xo → 加入负反馈 F → 反馈信号 Xf → 净输入信号Xi → 输出信号 Xo

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 2．减小非线性失真 “非线性”是指输出信号的变化与输入信号的变化不是成正比的，晶体管就是一个非线性器件。正常的信号放大后都会产生非线性失真。例如

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 　　一个正常的正弦波信号经放大后产生了非线性失真，正半周较大，负半周较小，由于负反馈信号与输出信号相同，所以负反馈信号与输入信号在输入回路中相减后，使净输入信号正半周变小，负半周变大，再经过非线性放大后，输出波形就得到一定的改善。

六、负反馈及其对放大电路性能的影响 3．展宽通频带放大电路的频率特性：放大电路中有电容器、电感器这类电抗元件，这类电抗元件的阻抗与信号的频率有关。当信号的频率过低或过高时会使放大倍数降低。　　放大电路的通频带：如图所示，将放大电路的放大倍数由正常值下降到 0.707 倍时对应的较低频率 fL 与对应的较高频率fH之间的频率范围，用 BW 表示 BW = fH - fL 　　引入负反馈后，放大电路的放大倍数下降为AF，它在0.707AF时对应的低频为fL，fL< fL，对应高频为fH，fH< fH，使通频带得到扩展。

第十二章 放大电路与集成运算放大器