清華大學(xué)自動(dòng)化系2025.06電路與模擬電子技術(shù)葉朝輝CircuitsandAnalogElectronics7.1放大電路概述7.2晶體管放大電路7.3MOS管放大電路7.4多級(jí)放大電路第7章放大電路基礎(chǔ)237.1.1

放大的概念7.1.2

放大電路的性能指標(biāo)7.1放大電路概述47.1.1放大的概念放大模擬信號(hào)的電路稱為放大電路。圖7-1-1音響系統(tǒng)5輸入信號(hào)ui（放大的對(duì)象）：放大的對(duì)象是變化量（交流量）。放大電路實(shí)現(xiàn)了能量的控制和轉(zhuǎn)換；放大的特征是實(shí)現(xiàn)了功率放大；放大的前提條件是不失真。圖7-1-2放大電路示意圖67.1.2放大電路的性能指標(biāo)

放大電路可視為一個(gè)二端口，輸入信號(hào)所在的端口和輸出信號(hào)所在的端口。圖7-1-3放大電路的模型77.1.2放大電路的性能指標(biāo)

8二、輸入電阻Ri

放大電路輸入端的等效電阻稱為放大電路的輸入電阻Ri，用有效值之比表示為Ri=Ui/Ii。

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10三、通頻帶fbw

通頻帶fbw，也稱為帶寬(Bandwidth)，描述了放大倍數(shù)隨信號(hào)頻率變化的趨勢(shì)。圖7-1-4放大電路的幅頻特性及通頻帶fbw四、最大不失真輸出電壓Uom

輸出電壓不失真時(shí)的最大幅值稱為最大不失真輸出電壓，通常用有效值表示，記為Uom。11五、最大輸出功率Pom和效率η

輸出信號(hào)基本不失真情況下，放大電路能夠給負(fù)載提供的最大交流功率稱為最大輸出功率Pom，Pom=UoIo。

效率η是指最大輸出功率Pom與此時(shí)電源消耗的功率PV之比，即η=Pom/PV。127.2.1

基本共射放大電路7.2.2

放大電路分析方法7.2.3

直接耦合與阻容耦合放大電路7.2.4

晶體管組成的其他放大電路7.2晶體管放大電路137.2.1基本共射放大電路一、電路組成圖7-2-1基本共射放大電路輸入回路：

輸入信號(hào)ui、直流電源VBB、電阻Rb和晶體管發(fā)射結(jié)輸出回路：

直流電源VCC、電阻Rc、晶體管的集電極和發(fā)射極由于發(fā)射極是輸入回路和輸出回路的公共端，因此該電路稱為共發(fā)射極放大電路，簡(jiǎn)稱為共射放大電路。14二、放大交流小信號(hào)的原理當(dāng)ui發(fā)生變化時(shí)，uBE也會(huì)發(fā)生變化，從而使iB發(fā)生變化；iB經(jīng)放大后得到iC，iC流過電阻c使其上的電壓發(fā)生較大的變化；由于直流電源VCC電壓不變，從而使輸出信號(hào)uO向相反方向發(fā)生較大的變化，最終得到放大的輸出信號(hào)。圖5-2-2連續(xù)的語(yǔ)音信號(hào)15圖7-2-3

放大電路仿真輸入信號(hào)采用正弦信號(hào)，幅值為1mV、頻率為1kHz；圖中幅值小的正弦波為輸入信號(hào)，幅值大的為輸出信號(hào)；輸出信號(hào)幅值約為輸入信號(hào)的3.1倍，但是兩者的相位（瞬時(shí)變化方向）相反，說明信號(hào)被放大了-3.1倍，即Au=-3.1。167.2.2放大電路分析方法一、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)1.放大電路的特點(diǎn)圖7-2-4

沒有直流電源VBB時(shí)iB產(chǎn)生非線性失真

放大電路中既有直流電源作用，又有交流輸入信號(hào)作用，因此電路的各電量中既有交流量又有直流量，兩者共存，且交流量疊加在直流量之上。172.靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

放大電路在直流電源單獨(dú)作用（ui=0）時(shí)的工作狀態(tài)稱為直流工作狀態(tài)，也稱為靜態(tài)；此時(shí)晶體管各極的直流電流IBQ、ICQ、IEQ和直流電壓UBEQ、UCEQ稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。

放大電路在直流電源和輸入信號(hào)ui共同作用下的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)，此時(shí)電路中各處的電壓和電流均為直流與交流的混合量，且交流量疊加在直流量之上。18二、圖解法

利用晶體管的特性曲線作圖來分析電路的方法稱為圖解法。1.回路方程圖7-2-5基本共射放大電路回路分析輸入回路方程

-VBB

-ui+iB·Rb+uBE=0，即uBE=VBB

+ui-iB·Rb輸出回路方程

-VCC+iC·Rc+uCE=0，即uCE=VCC

–iC·Rc192.靜態(tài)分析

首先分析靜態(tài)。靜態(tài)時(shí)ui=0，輸入回路方程為uBE=VBB

-iB·Rb。圖7-2-6圖解法分析靜態(tài)工作點(diǎn)203.動(dòng)態(tài)分析接下來分析動(dòng)態(tài)。此時(shí)ui不等于0，輸入回路方程為uBE=VBB

+ui-iB·Rb。圖7-2-7圖解法分析電壓放大倍數(shù)估算1）讀圖估算Au=△uO/△ui21

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233.失真分析

需要注意的是，若輸入信號(hào)不是小信號(hào)，而是幅值較大的信號(hào)，由于晶體管輸入特性和輸出特性均具有非線性，晶體管各極的交流電壓和電流以及輸出電壓將可能不再是正弦波，而是失真的波形。

此外，若Q點(diǎn)不是位于輸出特性的放大區(qū)，而是位于飽和區(qū)或截止區(qū)，則輸出波形也會(huì)失真；若Q點(diǎn)靠近飽和區(qū)或截止區(qū)，當(dāng)輸出信號(hào)較大時(shí)，也可能會(huì)產(chǎn)生失真。24（1）截止失真分析

若VBB較小，當(dāng)ui負(fù)半周作用時(shí)，將可能使晶體管發(fā)射結(jié)截止，uBE和iB負(fù)半周將可能失真，則iC負(fù)半周也將失真，從而使uCE（uO）正半周失真。

這種失真稱為截止失真，也稱為頂部失真。25（2）飽和失真分析

若VBB較大，Q點(diǎn)在輸入特性上將靠近上部。由于IBQ較大，ICQ也將較大，從而使UCEQ較小，Q點(diǎn)在輸出特性上將靠近左上部的飽和區(qū)。因此，當(dāng)ui正半周作用時(shí)，iC正半周將可能失真，從而使uCE（uO）負(fù)半周失真。

這種失真稱為飽和失真，也稱為底部失真。26（3）最大不失真輸出電壓分析

其中“min”表示取兩者中較小值。綜上所述，為了使輸出信號(hào)不失真，要求Q點(diǎn)合適，位于輸出特性的放大區(qū)，同時(shí)要求輸入信號(hào)幅值較小，即為小信號(hào)。274.圖解法的優(yōu)缺點(diǎn)

圖解法雖然直觀，但需要在特性上作圖，使用不方便。

此外，對(duì)于幅值較小的信號(hào)以及頻率較高的信號(hào)，作圖將不準(zhǔn)確。

因此圖解法只適合于有確定的特性，且適合于大幅值和低頻信號(hào)的分析。28三、等效電路法1.直流通路與交流通路

放大電路中的元件對(duì)于直流電和交流電作用時(shí)的特性可能不同，因此常常將直流電源和交流信號(hào)源的作用分開來分析，分為直流通路和交流通路。

靜態(tài)時(shí)（ui=0），由于電路中僅有直流電流流通，稱此時(shí)的電路為直流通路。圖7-2-8圖所示電路的直流通路29

當(dāng)僅考慮ui作用時(shí)（直流電源VBB=0、VCC=0），電路中僅有交流電流流通，稱此時(shí)的電路為交流通路。圖7-2-9圖5-2-1所示電路的交流通路30（1）若VBB<Uon，則發(fā)射結(jié)截止，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，UBE≈VBB，IBQ≈ICQ≈0，UCEQ≈VCC；（2）若VBB使UBE>Uon：假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，即UBE≈0.7V，ICQ=βIBQ；由輸入回路計(jì)算IBQ，得到ICQ；由輸出回路計(jì)算UCEQ；IBQ≈(VBB-0.7)/Rb，ICQ≈βIBQUCEQ=VCC-ICQRcc.若UCEQ>UBE，則為放大狀態(tài)，否則為飽和狀態(tài)。2.靜態(tài)分析直流通路31

32（2）晶體管的交流等效模型

可以將晶體管近似等效為一個(gè)電流控制電流的二端口元件。圖7-2-10晶體管的交流等效模型（相量模型）（3）交流等效電路

將交流通路的晶體管用其交流等效模型代替，可以畫出交流等效電路。圖7-2-11基本共射放大電路的交流等效電路33

347.2.3直接耦合與阻容耦合放大電路一、單電源供電的共射放大電路圖7-2-12單電源供電的共射放大電路35二、直接耦合與阻容耦合放大電路

信號(hào)源與放大電路之間以及放大電路與負(fù)載之間的連接方式稱為耦合方式。（1）直接耦合放大電路

信號(hào)源與放大電路之間或者放大電路與負(fù)載之間直接相連或者僅通過電阻相連的耦合方式稱為直接耦合。36二、直接耦合與阻容耦合放大電路圖7-2-13阻容耦合共射放大電路（2）阻容耦合放大電路信號(hào)源與放大電路之間或者放大電路與負(fù)載之間通過電容或者電阻和電容相連的耦合方式稱為阻容耦合。37直接耦合與阻容耦合放大電路對(duì)比：1）直接耦合放大電路：因沒有電容，易于制作成集成電路；且可以放大頻率非常低的信號(hào)甚至直流信號(hào)；但是其負(fù)載上有直流量，因而有直流功耗，不適合于能耗要求較低的設(shè)備。2）阻容耦合放大電路：因有電容，適合于放大頻率不太低的交流信號(hào)，但不利于制作成集成電路；且不適合于放大頻率非常低的信號(hào)和直流信號(hào)；由于其負(fù)載上沒有直流量，因而沒有直流功耗，有利于節(jié)能。38三、放大電路的組成原則首先要保證靜態(tài)工作點(diǎn)合適，即要求電阻及直流電源的選擇合理，使晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)時(shí)工作在放大狀態(tài)。其次要求輸入信號(hào)能夠正常被放大，即要求保證交流信號(hào)的有效傳輸：在輸入回路，輸入信號(hào)能夠作用到發(fā)射結(jié)以產(chǎn)生變化的iB,iB經(jīng)管子放大后在輸出回路產(chǎn)生變化的iC，最后在輸出端得到變化的輸出信號(hào)。此外，對(duì)于實(shí)用的放大電路，還要求直流電源和其他元件的種類和數(shù)量盡可能少，即電路盡可能簡(jiǎn)單；信號(hào)源與放大電路要共地，以增強(qiáng)抗干擾能力；靜態(tài)時(shí)電路功耗要小，負(fù)載上直流功耗盡可能為零。39

40（1）畫直流通路，估算靜態(tài)工作點(diǎn)41（2）畫交流等效電路（3）由rbb’、IEQ估算rbe（4）估算Au、Ri、Ro42源電壓放大倍數(shù)43

直流負(fù)載線與交流負(fù)載線直流負(fù)載線：由直流通路得到UCE=VCC-ICRc，反應(yīng)了靜態(tài)時(shí)直流UCE和IC的關(guān)系交流負(fù)載線：由交流通路得到uce=-ic(Rc//RL)，反應(yīng)了動(dòng)態(tài)時(shí)交流uCE和iC的關(guān)系，當(dāng)ui變化時(shí)，uO將隨ui按照交流負(fù)載線而變化。44

ICQ≈2mA，UCEQ≈6V

45仿真測(cè)量阻容耦合共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)46仿真測(cè)量阻容耦合共射放大電路的電壓放大倍數(shù)

477.2.4晶體管組成的其他放大電路一、晶體管放大電路的三種基本接法

除了共射放大電路，晶體管還可以組成共集和共基兩種放大電路，它們的交流通路中分別以集電極和基極為輸入回路和輸出回路的公共端。圖7-2-21基本共集放大電路

圖7-2-27基本共基放大電路48

基本共集放大電路：電壓放大倍數(shù)為正且小于1，因此也稱為射極輸出器或者射極跟隨器（輸出信號(hào)近似跟隨輸入信號(hào)而變化）。此外，與共射放大電路相比，共集放大電路輸入電阻較大、輸出電阻較小。

基本共基放大電路：電壓放大倍數(shù)為正且通常大于1。此外，與共射放大電路相比，共基放大電路的帶寬較寬（即允許通過的信號(hào)最大頻率較高），可用于寬頻帶放大器的設(shè)計(jì)。49二、基本共集放大電路圖7-2-21基本共集放大電路1.靜態(tài)分析UCEQ=VCC-ICQRc50圖7-2-21基本共集放大電路2.動(dòng)態(tài)分析512.動(dòng)態(tài)分析

基本共集放大電路具有電壓跟隨作用，因此也稱其為射極跟隨器(emitterfollower)。522.動(dòng)態(tài)分析2）輸入電阻Ri

基本共集放大電路的Ri較大，比基本共射放大電路的大很多。532.動(dòng)態(tài)分析3）輸出電阻Ro

計(jì)算Ro時(shí)，需令ui=0，而保留受控電流源，若在輸出端加入電壓uo，則可求得Ro。

基本共集放大電路的Ro較小，比基本共射放大電路的小很多，因此基本共集放大電路的帶負(fù)載能力很強(qiáng)。54557.3.1

MOS管共源放大電路7.3.2

MOS管放大電路分析7.3.3

單電源供電的共源放大電路7.3.4

共漏放大電路7.3MOS管放大電路567.3.1MOS管共源放大電路一、電路組成輸入回路：輸入信號(hào)ui、直流電源VGG、柵極和源極；輸出回路：直流電源VDD、電阻Rd、漏極和源極；

由于源極為輸入回路和輸出回路的公共端，因此稱為共源極放大電路，簡(jiǎn)稱為共源放大電路。圖5-3-1MOS管共源放大電路57二、放大交流小信號(hào)的原理

當(dāng)ui發(fā)生變化時(shí)，uGS也發(fā)生變化，從而使iD發(fā)生變化；iD流過電阻Rd將使其上的電壓發(fā)生變化，由于直流電源VDD電壓不變，uDS=VDD-iDRd，從而使輸出電壓uO（uDS）向相反的方向發(fā)生變化，最終得到放大的輸出信號(hào)uO。587.3.2MOS管放大電路分析一、靜態(tài)工作點(diǎn)圖解法靜態(tài)時(shí)ui=0，IGQ=0，因此UGSQ=VGG；從轉(zhuǎn)移特性讀出IDQ；輸出回路方程為uDS=VDD-iDRd

（a）轉(zhuǎn)移特性

（b）輸出特性圖7-3-2圖解法求解靜態(tài)工作點(diǎn)59（2）公式求解

靜態(tài)時(shí)ui=0，則UGSQ=VGG。 1）若UGSQ<UGS(th)，則管子工作在截止區(qū)，IDQ=0，UDSQ=VDD。 2）若UGSQ>UGS(th)，則假設(shè)MOS管工作在放大狀態(tài)。由公式ID=kn(UGS-UGS(th))2，kn=IDO/(UGS(th))2，可求得IDQ。由輸出回路方程UDSQ=VDD-IDQRd，可求得UDSQ。若UDSQ>UGSQ-UGS(th)，則MOS管確實(shí)工作在放大區(qū)，否則工作在飽和區(qū)。60二、MOS管的交流等效模型MOS管的輸入電阻Ri非常大，近似分析時(shí)可視為無窮大。

圖7-3-3MOS管的交流等效模型61三、動(dòng)態(tài)性能分析1.交流等效電路圖7-3-4MOS管共源放大電路的交流通路圖7-3-5MOS管共源放大電路的交流等效電路62

637.3.3單電源供電的共源放大電路圖7-3-6單電源供電的MOS管直接耦合放大電路

圖7-3-7單電源供電的MOS管阻容耦合放大電路647.3.4共漏放大電路

除了共源放大電路以外，MOS管還可以組成共漏放大電路和共柵放大電路，它們分別以漏極和柵極為輸入回路和輸出回路的公共端。圖7-3-8基本共漏放大電路651.靜態(tài)分析設(shè)MOS管工作在放大區(qū)，則UGSQ>UGS(th)。列寫輸入回路方程VGG=UGSQ+IDQRs聯(lián)立公式ID=kn(UGS-UGS(th))2，kn=IDO/(UGS(th))2，可求得IDQ。由輸出回路方程UDSQ=VDD-IDQRs，可求得UDSQ。662.動(dòng)態(tài)分析圖7-3-8基本共漏放大電路672.動(dòng)態(tài)分析

基本共漏放大電路具有電壓跟隨作用。682.動(dòng)態(tài)分析2）輸入電阻Ri

基本共漏放大電路的Ri很大。692.動(dòng)態(tài)分析3）輸出電阻Ro

計(jì)算Ro時(shí)，需令ui=0，而保留受控電流源，若在輸出端加入電壓uo，則可求得Ro。

基本共漏放大電路的Ro較小，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。70717.4.1

多級(jí)