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第二章 放大电路的基本原理

第二章 放大电路的基本原理. 2.1 　放大的概念. 2.2 　单管共发射极放大电路. 2.3 　放大电路的主要技术指标. 2.4 　放大电路的基本分析方法. 2.5 　工作点的稳定问题. 2.6 　放大电路的三种基本组态. 2.7 　场效应管放大电路. 2.8 　多级放大电路. 2.1 　放大的概念. 　　本质： 实现能量的控制。. 　　在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。. 小能量对大能量的控制作用称为 放大作用 。. 放大的对象是 变化量。. 元件： 双极型三极管和场效应管。.

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第二章 放大电路的基本原理

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  1. 第二章放大电路的基本原理 2.1　放大的概念 2.2　单管共发射极放大电路 2.3　放大电路的主要技术指标 2.4　放大电路的基本分析方法 2.5　工作点的稳定问题 2.6　放大电路的三种基本组态 2.7　场效应管放大电路 2.8　多级放大电路

  2. 2.1　放大的概念 　　本质：实现能量的控制。 　　在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。 小能量对大能量的控制作用称为放大作用。 放大的对象是变化量。 元件：双极型三极管和场效应管。

  3. 图 2.2.1　单管共射放大电路的原理电路 2.2　单管共发射极放大电路 2.2.1　单管共发射极放大电路的组成 VT：NPN 型三极管，为放大元件； VCC：为输出信号提供能量； RC：当 iC 通过 Rc，将电流的变化转化为集电极电压的变化，传送到电路的输出端； VBB、Rb：为发射结提供正向偏置电压，提供静态基极电流(静态基流)。

  4. 2.2.2　单管共发射极放大电路的 工作原理 一、放大作用： 图 2.2.1　单管共射放大电路的原理电路

  5. 二、组成放大电路的原则： 1. 外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。则有： 2. 输入回路的接法应使输入电压 u能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量 iB。 3. 输出回路的接法应使变化量 iC 能够转化为变化量 uCE，并传送到放大电路的输出端。 三、原理电路的缺点： 1. 双电源供电； 2. uI、uO不共地。

  6. 四、单管共射放大电路 图 2.2.2　单管共射放大电路 C1 、C2：为隔直电容或耦合电容； RL：为负载电阻。 该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。

  7. 图 2.3.1　放大电路技术指标测试示意图 2.3　放大电路的主要技术指标 一、放大倍数

  8. 二、最大输出幅度 　　在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom 、Iom)。 三、非线性失真系数 D 所有谐波总量与基波成分之比，即 四、输入电阻 Ri 　　从放大电路输入端看进去的等效电阻。

  9. 　　输入端正弦电压 ，分别测量空载和输出端接负载 RL的输出电压 、 。 五、输出电阻 Ro 　　从放大电路输出端看进去的等效电阻。 测量 Ro： 输出电阻愈小，带载能力愈强。

  10. Aum BW 六、通频带 fL：下限频率 fH：上限频率 图 2.3.2 fLfH 七、最大输出功率与效率 输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号 Pom表示。  ：效率 PV：直流电源消耗的功率

  11. 图 2.2.2(b) 图 2.4.1(a) 图 2.4.1(b) 2.4　放大电路的基本分析方法 图解法 基本分析方法两种 微变等效电路法 2.4.1　直流通路与交流通路

  12. ICQ c b IBQ UCEQ 图 2.4.1(a) e 2.4.2　静态工作点的近似计算 硅管 UBEQ = (0.6 ~ 0.8) V 锗管 UBEQ = (0.1 ~ 0.2) V ICQIBQ UCEQ = VCC – ICQRC

  13. 图 2.4.3(a) 【例】图示单管共射放大电路中，VCC = 12 V， Rc = 3 k，Rb = 280 k，NPN 硅管的  = 50，试估算静态工作点。 解：设 UBEQ = 0.7 V ICQIBQ = (50  0.04) mA = 2 mA UCEQ = VCC – ICQRc = (12 - 2  3)V = 6 V

  14. 2.4.3　图解法 　　在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。 一、图解法的过程 (一)图解分析静态 1. 先用估算的方法计算输入回路 IBQ、 UBEQ。 2. 用图解法确定输出回路静态值 方法：根据 uCE = VCC-iCRc 式确定两个特殊点

  15. Q 直流负载线 输出回路 输出特性 图 2.4.2 　　由静态工作点 Q 确定的 ICQ、UCEQ为静态值。

  16. 图 2.4.3(a) 【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知 Rb = 280 k，Rc = 3 k，集电极直流电源 VCC = 12 V，试用图解法确定静态工作点。 解：首先估算 IBQ 做直流负载线，确定 Q点 根据 UCEQ = VCC – ICQRc iC = 0，uCE = 12 V ； uCE = 0，iC = 4 mA .

  17. 静态工作点 Q iC/mA 80 µA 4 60 µA 3 40 µA 2 20 µA 1 M iB= 0 µA 0 12 2 4 6 8 10 uCE/V 图 2.4.3(b) 由 Q点确定静态值为： IBQ = 40 µA ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.

  18. iC / mA 交流负载线 IB 图 2.4.4 Q O uCE/V 静态工作点 图 2.4.5(b) (二)图解分析动态 1. 交流通路的输出回路 输出通路的外电路是 Rc 和 RL 的并联。 2. 交流负载线 交流负载线斜率为：

  19. iB / µA iB 60 Q 40 iB 20 uBE/V 0 0 0.7 t 0.68 0.72 uBE 0 uBE/V UBE t 3. 动态工作情况图解分析 图 2.4.5(a)输入回路工作情况

  20. iC/ mA 交流负载线 80 iC/ mA 4 60 Q IB = 4 0 µA ICQ 2 iC 20 直流负载线 0 0 uCE/V t 0 9 4.5 7.5 6 12 uCE 0 uCE/V UCEQ t 图 2.4.5(b) 输出回路工作情况分析

  21. 求 确定交流负载线 图 2.4.3(a) 4. 电压放大倍数 【例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如右图，RL = 3 k 。 解： 取 iB = (60 – 20) A = 40A 则输入、输出特性曲线上有 uBE = (0.72 – 0.68) V = 0.04 V uCE = (4.5 – 7.5) V = - 3 V

  22. 　　单管共射放大电路当输入正弦波 uI时，放大电路中相应的 uBE、iB、iC、uCE、uO 波形。 图 2.4.6　单管共射放大电路的电压电流波形

  23. iB / µA iB / µA Q IBQ uBE/V O O t O uBE/V t 二、图解法的应用 (一)用图解法分析非线性失真 1. 静态工作点过低，引起iB、iC、uCE 的波形失真 ib —— 截止失真 结论：iB 波形失真 ui

  24. iC/ mA iC ICQ Q O UCEQ O uCE/V t O uCE/V t iC、 uCE(uo)波形失真 NPN 管截止失真时的输出 uo 波形。 uo =uce

  25. NPN 管 uo波形 2. Q 点过高，引起iC、uCE的波形失真—饱和失真 iC iC/ mA ib(不失真) Q ICQ IB = 0 O t uCE/V O UCEQ O uCE/V uo =uce t

  26. iC/ mA 交流负载线 A Q B iB = 0 uCE/V O C D E (二)用图解法估算最大输出幅度 输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B所限定的范围。 Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB，CD = DE

  27. iC iC IB IB Q2 Q3 Q1 Q1 O O uCE uCE (三)用图解法分析电路参数对静态工作点的影响 2. 改变 VCC，保持 Rb，Rc ， 不变； 1. 改变 Rb，保持VCC ，Rc ， 不变； Q2 图 2.4.9(a) 图 2.4.9(b) 升高 VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。 Rb 增大， Q 点下移； Q 点上移； Rb 减小，

  28. iC iC IB IB Q2 Q1 Q1 O O uCE uCE 3. 改变 Rc，保持 Rb，VCC ， 不变； 4. 改变 ，保持 Rb，Rc ，VCC不变； Q2 图 2.4.9 (c) 图 2.4.9 (d) 　　增大 Rc ，直流负载线斜率改变，则 Q 点向饱和区移近。 　　增大 ，ICQ 增大，UCEQ 减小，则 Q 点移近饱和区。

  29. 图解法小结 1. 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系； 2. 方便估算最大输出幅值的数值； 3. 可直观表示电路参数对静态工作点的影响； 4. 有利于对静态工作点 Q的检测等。

  30. 2.4.4　微变等效电路法 　　晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。 研究的对象仅仅是变化量 微变等效条件 信号的变化范围很小

  31. iB Q iB uBE uBE O 一、简化的h 参数微变等效电路 (一)三极管的微变等效电路 1. 输入电路 晶体管的输入特性曲线  Q 点附近的工作段 近似地看成直线  可认为 uBE 与 iB 成正比 rbe ：晶体管的输入电阻。 在小信号的条件下，rbe是一常数。晶体管的输入电路可用 rbe 等效代替。 图 2.4.10(a)

  32. iC iB Q  iB O uCE 2. 输出电路 　　假设在Q点附近特性曲线基本上是水平的(iC与 uCE无关)，数量关系上， iC比 iB 大 倍； 　　从三极管输出端看，可以用  iB 恒流源代替三极管； 该恒流源为受控源； 为 iB 对 iC的控制。 图 2.4.10(b)

  33. iC iC iB c c b + uCE  + uCE  + uBE  iB b rbe iB + uBE  e e 3. 三极管的简化参数等效电路 图 2.4.11三极管的简化 h 参数等效电路 注意：这里忽略了 uCE对 iC与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小。

  34. +VCC Rc C2 b Rb c + +  +  +  C1 + +  VT Rc rbe RL RL Rb e 4. 电压放大倍数 Au；输入电阻 Ri、输出电阻 RO 图 2.4.12单管共射放大电路的等效电路 Ri = rbe // Rb ， Ro = Rc

  35. c iC iB b iE e (二)rbe 的近似估算公式 rbb ：基区体电阻。 reb ：基射之间结电阻。 UT ：温度电压当量。 图 2.4.13 低频、小功率管 rbb约为 300  。

  36. 讨论 电流放大倍数与电压放大倍数之间关系 因： 1. 当 IEQ一定时，  愈大则rbe也愈大，选用  值较大的三极管其 Au并不能按比例地提高； 2. 当  值一定时，IEQ 愈大则 rbe愈小，可以得到较大的 Au ，这种方法比较有效。

  37. (三)等效电路法的步骤(归纳) 1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q。 2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数 和 rbe。 3. 画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。 4. 列出电路方程并求解。

  38. +VCC b c Rc C2 +  Rb +  + +  rbe C1 e + VT Rc RL Rb +  RL Re Re 二、 微变等效电路法的应用 　　例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。 图 2.4.14接有发射极电阻的放大电路

  39. 　　引入发射极电阻后， 降低了。 b c +  +  rbe e Rc RL Rb Re 与三极管的参数 、rbe无关。 根据微变等效电路列方程 若满足(1 + ) Re >> rbe

  40. b b c c +  +  rbe rbe e Rc Rb Rc RL Rb Re Re RL e 2. 放大电路的输入电阻 　　引入 Re 后，输入电阻增大了。 3. 放大电路的输出电阻 　　将放大电路的输入端短路，负载电阻 RL开路 ，忽略 c 、e 之间的内电阻 rce 。 图 2.4.14(b)

  41. b c + rce rbe e 讨论 Rc _ Rb Re ~ 式中 引入 Re 后对输出电阻的影响。 图 2.4.15求图 2.4.14(a)电路 输出电阻的等效电路

  42. 将 代入 式，放大电路输出电阻为 上式中，通常　 ，故可简化为 如果 Re = 0 ，但考虑 rce的作用，则 显然，接入Re后，三极管集电极至公共端之间的等效电阻大大提高了。

  43. 2.5　工作点的稳定问题 2.5.1　温度对静态工作点的影响 三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有： 1. UBE改变。UBE的温度系数约为 –2 mV/C，即温度每升高 1C，UBE 约下降 2 mV 。 2.  改变。温度每升高 1C，  值约增加 0.5% ~ 1 %，  温度系数分散性较大。 3. ICBO 改变。温度每升高 10C ，ICBQ大致将增加一倍，说明 ICBQ将随温度按指数规律上升。

  44. iC iB Q O VCC uCE 温度升高将导致 IC增大，Q 上移。波形容易失真。 T = 20 C T = 50 C 图 2.5.1温度对 Q点和输出波形的影响

  45. +VCC Rc C2 Rb2 iR + +  C1 iB iC + +  uB uE uo iE RL ui Rb1 + Ce Re 图 2.5.2分压式工作点稳定电路 2.5.2　静态工作点稳定电路 一、电路组成 ——分压式偏置电路 　　由于 UBQ不随温度变化， T  ICQ   IEQ   UEQ   UBEQ(= UBQ – UEQ)   IBQ   ICQ  ——电流负反馈式工作点稳定电路

  46. 说明： 1. Re愈大，同样的 IEQ 产生的 UEQ 愈大，则温度稳定性愈好。但 Re增大，UEQ增大，要保持输出量不变，必须增大 VCC。 2. 接入 Re，电压放大倍数将大大降低。在 Re两端并联大电容 Ce ，交流电压降可以忽略，则 Au 基本无影响。 Ce称旁路电容 3. 要保证 UBQ基本稳定，IR >> IBQ，则需要 Rb1、Rb2小一些，但这会使电阻消耗功率增大，且电路的输入电阻降低。实际选用 Rb1、Rb2值，取 IR= (5 ~10)IBQ，UBQ = (5 ~ 10)UBEQ。

  47. +VCC Rc C2 Rb2 iR + +  C1 iB iC + +  uB uE uo iE RL ui Rb1 + Ce Re 二、静态与动态分析 静态分析 由于 IR >> IBQ， 可得(估算) 静态基极电流

  48. +VCC Rc Rb2 +  +  uo RL ui Rb1 Re +VCC Rc C2 Rb2 iR + +  C1 iB iC + +  b c uo iE +  +  RL ui Rb1 + Ce Re Rc RL rbe Rb1 Rb2 e 动态分析

  49. b e +VCC + rbe + Rb C1 + + ~ C2 _ _   RS + + c + Re RL  ~  2.6　放大电路的三种基本组态 共射组态 三种基本接法 共集组态 共基组态 (b)等效电路 2.6.1　共集电极放大电路 ——为射极输出器 图 2.6.1共集电极放大电路(a)电路图

  50. +VCC Rb C1 + C2 RS + + + Re RL ~   一、静态工作点 由基极回路求得静态基极电流 则 (a)电路图 图 2.6.1共集电极放大电路

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