1、第二章放大電路的基本原理,2.1放大的概念,2.2單管共發(fā)射極放大電路,2.3放大電路的主要技術指標,2.4放大電路的基本分析方法,2.5工作點的穩(wěn)定問題,2.6放大電路的三種基本組態(tài),2.7場效應管放大電路,2.8多級放大電路,2.1放大的概念,本質(zhì)：實現(xiàn)能量的控制。,在放大電路中提供一個能源，由能量較小的輸入信號控制這個能源，使之輸出較大的能量，然后推動負載。,小能量對大能量的控制作用稱為放大作用。,放大的對象是變化量。,核心元件：雙極型三極管和場效應管。,2.2單管共發(fā)射極放大電路,2.2.1單管共發(fā)射極放大電路的組成,圖 2.2.1單管共射放大電路的原理電路,VT：NPN 型三極管，為

2、放大元件；,VCC：為輸出信號提供能量；,RC：當 iC 通過 Rc，將電流的變化轉(zhuǎn)化為集電極電壓的變化，傳送到電路的輸出端；,VBB 、Rb：為發(fā)射結提供正向偏置電壓，提供靜態(tài)基極電流(靜態(tài)基流)。,2.2.2單管共發(fā)射極放大電路的 工作原理,一、放大作用：,圖 2.2.1單管共射放大電路的原理電路,二、組成放大電路的原則：,1. 外加直流電源的極性必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。則有：,2. 輸入回路的接法應使輸入電壓 u 能夠傳送到三極管的基極回路，使基極電流產(chǎn)生相應的變化量 iB。,3. 輸出回路的接法應使變化量 iC 能夠轉(zhuǎn)化為變化量 uCE，并傳送到放大電路的輸出端。,三、原理電路的

3、缺點：,1. 雙電源供電； 2. uI、uO 不共地。,四、單管共射放大電路,圖 2.2.2單管共射放大電路,C1 、C2 ：為隔直電容或耦合電容； RL：為負載電阻。,該電路也稱阻容耦合單管共射放大電路。,2.3放大電路的主要技術指標,圖 2.3.1放大電路技術指標測試示意圖,一、放大倍數(shù),二、最大輸出幅度,在輸出波形沒有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負載的最大輸出電壓(或最大輸出電流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom 、Iom)。,三、非線性失真系數(shù) D,四、輸入電阻 Ri,所有諧波總量與基波成分之比，即,從放大電路輸入端看進去的等效電阻。,五、輸出電阻 Ro,從放大電路輸出端看進

4、去的等效電阻。,輸入端正弦電壓 ，分別測量空載和輸出端接負載 RL 的輸出電壓 、 。,輸出電阻愈小，帶載能力愈強。,六、通頻帶,七、最大輸出功率與效率,輸出不產(chǎn)生明顯失真的最大輸出功率。用符號 Pom表示。, ：效率 PV：直流電源消耗的功率,fL fH,fL：下限頻率 fH：上限頻率,圖 2.3.2,圖 2.4.1(b),2.4放大電路的基本分析方法,基本分析方法兩種,圖解法,微變等效電路法,2.4.1直流通路與交流通路,圖 2.2.2(b),圖 2.4.1(a),2.4.2靜態(tài)工作點的近似計算,硅管 UBEQ = (0.6 0.8) V 鍺管 UBEQ = (0.1 0.2) V,ICQ

5、 IBQ,UCEQ = VCC ICQ RC,【例】圖示單管共射放大電路中，VCC = 12 V，,Rc = 3 k，Rb = 280 k，NPN 硅管的 = 50，試估算靜態(tài)工作點。,圖 2.4.3(a),解：設 UBEQ = 0.7 V,ICQ IBQ = (50 0.04) mA = 2 mA,UCEQ = VCC ICQ Rc = (12 - 2 3)V = 6 V,2.4.3圖解法,在三極管的輸入、輸出特性曲線上直接用作圖的方法求解放大電路的工作情況。,一、圖解法的過程,(一)圖解分析靜態(tài),1. 先用估算的方法計算輸入回路 IBQ、 UBEQ。,2. 用圖解法確定輸出回路靜態(tài)值,方法

6、：根據(jù) uCE = VCC - iCRc 式確定兩個特殊點,輸出回路,輸出特性,圖 2.4.2,由靜態(tài)工作點 Q 確定的 ICQ、UCEQ 為靜態(tài)值。,圖 2.4.3(a),【例】圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知 Rb = 280 k，Rc = 3 k ，集電極直流電源 VCC = 12 V，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。,解：首先估算 IBQ,做直流負載線，確定 Q 點,根據(jù) UCEQ = VCC ICQ Rc,iC = 0，uCE = 12 V ；,uCE = 0，iC = 4 mA .,0,iB = 0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,

7、12,M,IBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.,uCE /V,由 Q 點確定靜態(tài)值為：,iC /mA,圖 2.4.3(b),(二) 圖解分析動態(tài),1. 交流通路的輸出回路,圖 2.4.4,輸出通路的外電路是 Rc 和 RL 的并聯(lián)。,2. 交流負載線,交流負載線斜率為：,3. 動態(tài)工作情況圖解分析,圖 2.4.5(a)輸入回路工作情況,圖 2.4.5(b) 輸出回路工作情況分析,4. 電壓放大倍數(shù),圖 2.4.3(a),【例】用圖解法求圖示電路電壓放大倍數(shù)。輸入、輸出特性曲線如右圖，RL = 3 k 。,uCE = (4.5 7.5) V = - 3 V,uBE

8、 = (0.72 0.68) V = 0.04 V,解：,求 確定交流負載線,取 iB = (60 20) A = 40A,則輸入、輸出特性曲線上有,單管共射放大電路當輸入正弦波 uI 時，放大電路中相應的 uBE、iB、iC、uCE、uO 波形。,圖 2.4.6單管共射放大電路的電壓電流波形,單管共射放大電路輸出信號與輸入信號反相。,二、圖解法的應用,(一)用圖解法分析非線性失真,1. 靜態(tài)工作點過低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真,ib,ui,結論：iB 波形失真, 截止失真,iC 、 uCE (uo )波形失真,NPN 管截止失真時的輸出 uo 波形。,uo = uce,uo頂部失

9、真,O,IB = 0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC / mA,uo = uce,ib(不失真),ICQ,UCEQ,2. Q 點過高，引起 iC、uCE的波形失真飽和失真,uo波形底部失真,(二)用圖解法估算最大輸出幅度,輸出波形沒有明顯失真時能夠輸出最大電壓。即輸出特性的 A、B 所限定的范圍。,Q 盡量設在線段 AB 的中點。則 AQ = QB，CD = DE,(三)用圖解法分析電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響,1. 改變 Rb，保持VCC ，Rc ， 不變；,Rb 增大，,Rb 減小，,Q 點下移；,Q 點上移；,2. 改變 VCC，保持 Rb，Rc ， 不變；,升高

10、VCC，直流負載線平行右移，動態(tài)工作范圍增大，但管子的動態(tài)功耗也增大。,Q2,圖 2.4.9(a),圖 2.4.9(b),3. 改變 Rc，保持 Rb，VCC ， 不變；,4. 改變 ，保持 Rb，Rc ，VCC 不變；,增大 Rc ，直流負載線斜率改變，則 Q 點向飽和區(qū)移近。,Q2,增大 ，ICQ 增大，UCEQ 減小，則 Q 點移近飽和區(qū)。,圖 2.4.9 (c),圖 2.4.9 (d),圖解法小結,1. 能夠形象地顯示靜態(tài)工作點的位置與非線性失真的關系； 2. 方便估算最大輸出幅值的數(shù)值； 3. 可直觀表示電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響； 4. 有利于對靜態(tài)工作點 Q 的檢測等。,2.4.

11、4微變等效電路法,晶體管在小信號(微變量)情況下工作時，可以在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線，三極管就可以等效為一個線性元件。這樣就可以將非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。,微變等效條件,研究的對象僅僅是變化量,信號的變化范圍很小,一、簡化的 h 參數(shù)微變等效電路,(一) 三極管的微變等效電路,晶體管的輸入特性曲線 ,rbe ：晶體管的輸入電阻。,在小信號的條件下，rbe是一常數(shù)。晶體管的輸入電路可用 rbe 等效代替。,1. 輸入電路,Q 點附近的工作段,近似地看成直線 ,可認為 uBE 與 iB 成正比,圖 2.4.10(a),2. 輸出電路,

12、假設在 Q 點附近特性曲線基本上是水平的(iC 與 uCE無關)，數(shù)量關系上， iC 是 iB 的 倍；,從三極管輸出端看，可以用 iB 恒流源代替三極管；,該恒流源為受控源；,為 iB 對 iC 的控制。,圖 2.4.10(b),3. 三極管的簡化參數(shù)等效電路,注意：這里忽略了 uCE 對 iC與輸出特性的影響，在大多數(shù)情況下，簡化的微變等效電路對于工程計算來說誤差很小。,圖 2.4.11三極管的簡化 h 參數(shù)等效電路,4. 電壓放大倍數(shù) Au；輸入電阻 Ri、輸出電阻 RO,Ri = rbe / Rb ，,Ro = Rc,圖 2.4.12單管共射放大電路的等效電路,(二) rbe 的近似估

13、算公式,rbb ：基區(qū)體電阻。,reb ：基射之間結電阻。,低頻、小功率管 rbb 約為 300 。,UT ：溫度電壓當量。,圖 2.4.13,電流放大倍數(shù)與電壓放大倍數(shù)之間關系,1. 當 IEQ 一定時， 愈大則 rbe 也愈大，選用 值較大的三極管其 Au 并不能按比例地提高；,因：,2. 當 值一定時，IEQ 愈大則 rbe 愈小，可以得到較大的 Au ，這種方法比較有效。,(三) 等效電路法的步驟(歸納),1. 首先利用圖解法或近似估算法確定放大電路的靜態(tài)工作點 Q 。 2. 求出靜態(tài)工作點處的微變等效電路參數(shù) 和 rbe 。 3. 畫出放大電路的微變等效電路?？上犬嫵鋈龢O管的等效電路

14、，然后畫出放大電路其余部分的交流通路。 4. 列出電路方程并求解。,二、 微變等效電路法的應用,例：接有發(fā)射極電阻的單管放大電路，計算電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻。,圖 2.4.14接有發(fā)射極電阻的放大電路,根據(jù)微變等效電路列方程,引入發(fā)射極電阻后， 降低了。,若滿足(1 + ) Re rbe,與三極管的參數(shù) 、rbe 無關。,2. 放大電路的輸入電阻,引入 Re 后，輸入電阻增大了。,3. 放大電路的輸出電阻,將放大電路的輸入端短路，負載電阻 RL 開路 ，忽略 c 、e 之間的內(nèi)電阻 rce 。,圖 2.4.14(b),引入 Re 后對輸出電阻的影響。（考慮rce ）,式中,圖 2.4.1

15、5求圖 2.4.14(a)電路 輸出電阻的等效電路,將 代入 式，放大電路輸出電阻為,上式中，通常 ，故可簡化為,如果 Re = 0 ，但考慮 rce 的作用，則,顯然，接入 Re 后，三極管集電極至公共端之間的等效電阻大大提高了。,解（1）求Q點，作直流通路,例如圖，已知BJT的=100，VBE=-0.2V。 （1）試求該電路的靜態(tài)工作點； （2）畫出簡化的小信號等效電路； （3）求該電路的電壓增益AV， 輸出電阻Ro、輸入電阻Ri。,2. 畫出小信號等效電路,3. 求電壓增益,200+（1+100）26/4 =865歐,4. 求輸入電阻,5. 求輸出電阻,Ro = Rc =2K,6.非線性

16、失真判斷,底部失真即截止失真 基極電流太小，應減小基極電阻。,2.5工作點的穩(wěn)定問題,2.5.1溫度對靜態(tài)工作點的影響,三極管是一種對溫度十分敏感的元件。溫度變化對管子參數(shù)的影響主要表現(xiàn)有：,1. UBE 改變。UBE 的溫度系數(shù)約為 2 mV/C，即溫度每升高 1C，UBE 約下降 2 mV 。,2. 改變。溫度每升高 1C， 值約增加 0.5% 1 %， 溫度系數(shù)分散性較大。,3. ICBO 改變。溫度每升高 10C ，ICBQ 大致將增加一倍，說明 ICBQ 將隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升。,溫度升高將導致 IC 增大，Q 上移。波形容易失真。,T = 20 C,T = 50 C,圖 2.5.1

17、溫度對 Q 點和輸出波形的影響,2.5.2靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路,一、電路組成,分壓式偏置電路,由于 UBQ 不隨溫度變化，,電流負反饋式工作點穩(wěn)定電路,T ICQ IEQ UEQ UBEQ (= UBQ UEQ) IBQ ICQ ,說明：,1. Re 愈大，同樣的 IEQ 產(chǎn)生的 UEQ 愈大，則溫度穩(wěn)定性愈好。但 Re 增大，UEQ 增大，要保持輸出量不變，必須增大 VCC。 2. 接入 Re ，電壓放大倍數(shù)將大大降低。在 Re 兩端并聯(lián)大電容 Ce ，交流電壓降可以忽略，則 Au 基本無影響。 Ce 稱旁路電容 3. 要保證 UBQ 基本穩(wěn)定，IR IBQ，則需要 Rb1、Rb2 小一些，但

18、這會使電阻消耗功率增大，且電路的輸入電阻降低。實際選用 Rb1、Rb2 值，取 IR = (5 10)IBQ，UBQ = (5 10)UBEQ。,二、靜態(tài)與動態(tài)分析,靜態(tài)分析,由于 IR IBQ， 可得(估算),靜態(tài)基極電流,動態(tài)分析,2.6放大電路的三種基本組態(tài),三種基本接法,共射組態(tài)CE,共集組態(tài)CC,共基組態(tài)CB,2.6.1共集電極放大電路,為射極輸出器,圖 2.6.1共集電極放大電路(a)電路圖,(b )等效電路,一、靜態(tài)工作點,由基極回路求得靜態(tài)基極電流,則,(a)電路圖 圖 2.6.1共集電極放大電路,二、電流放大倍數(shù),所以,三、電壓放大倍數(shù),結論：電壓放大倍數(shù)恒小于 1，而接近

19、1，且輸出電壓與輸入電壓同相，又稱射極跟隨器。,四、輸入電阻,輸入電阻較大。,Ri,五、輸出電阻,輸出電阻低，故帶載能力比較強。,Ro,圖 2.6.2求射極輸出器 Ro 的等效電路,2.6.2共基極放大電路,圖 2.6.3共基極放大電路,(a)原理電路,VEE 保證發(fā)射結正偏；VCC 保證集電結反偏；三極管工作在放大區(qū)。,(b)實際電路,實際電路采用一個電源 VCC ，用 Rb1、Rb2 分壓提供基極正偏電壓。,一、靜態(tài)工作點(IBQ , ICQ , UCEQ),二、電流放大倍數(shù),微變等效電路,由圖可得：,所以,由于 小于 1 而近似等于 1 ，所以共基極放電電路沒有電流放大作用。,圖 2.6

20、.4共基極放大電路的等效電路,三、電壓放大倍數(shù),由微變等效電路可得,共基極放大電路沒有電流放大作用，但是具有電壓放大作用。電壓放大倍數(shù)與共射電路相等，但沒有負號，說明該電路輸入、輸出信號同相位。,四、輸入電阻,暫不考慮電阻 Re 的作用,五、輸出電阻,暫不考慮電阻 Re 的作用 Ro = rcb .,已知共射輸出電阻 rce ，而 rcb 比 rce大 得多，可認為,rcb (1 + )rce,如果考慮集電極負載電阻，則共基極放大電路的輸出電阻為,Ro = Rc / rcb Rc,2.6.3三種基本組態(tài)的比較,2.6.3三種基本組態(tài)的比較,2.7場效應管放大電路,2.7.1場效應管的特點,1.

21、 場效應管是電壓控制元件；,2. 柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；,3. 一種極性的載流子導電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；,4. 制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成；,5. 存放管子應將柵源極短路，焊接時烙鐵外殼應接地良好，防止漏電擊穿管子；,6. 跨導較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。,2.7.2共源極放大電路,圖 2.7.3共源極放大電路原理電路,與雙極型三極管對應關系,b G , e S , c D,為了使場效應管工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用，應滿足：,圖示電路為 N 溝道增強型 MOS 場效應管組成的放大電路。,(UT：開啟電壓),一、靜態(tài)分析,兩種方法,近似估算法,圖解法,(一)

22、近似估算法,MOS 管柵極電流為零，當 uI = 0 時,UGSQ = VGG,而 iD 與 uGS 之間近似滿足,(當 uGS UT),式中 IDO 為 uGS = 2UT 時的值。,則靜態(tài)漏極電流為,(二) 圖解法,圖 2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的 Q 點,VDD,IDQ,UDSQ,Q,利用式 uDS = VDD - iDRD 畫出直流負載線。,圖中 IDQ、UDSQ 即為靜態(tài)值。,二、動態(tài)分析,iD 的全微分為,上式中定義：, 場效應管的跨導(毫西門子 mS)。, 場效應管漏源之間等效電阻。,1. 微變等效電路,動態(tài)分析,如果輸入正弦信號，則可用相量代替上式中的變量。,成為：,

23、根據(jù)上式做等效電路如圖所示。,圖 2.7.5場效應管的微變等效電路,由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。,微變參數(shù) gm 和 rDS,(1) 根據(jù)定義通過在特性曲線上作圖方法中求得。,(2) 用求導的方法計算 gm,在 Q 點附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，則,一般 gm 約為 0.1 至 20 mS。 rDS 為幾百千歐的數(shù)量級。當 RD 比 rDS 小得多時，可認為等效電路的 rDS 開路。,2. 共源極放大電路的動態(tài)性能,圖 2.7.6共源極放大電路的微變等效電路,將 rDS 開路,而,所以,輸出電阻,Ro = RD,MOS 管輸入電阻高達 109 。,2.7.3分壓自偏壓式共源放

24、大電路,一、靜態(tài)分析,(一)近似估算法,根據(jù)輸入回路列方程,圖 2.7.7分壓 - 自偏式共源放大電路,解聯(lián)立方程求出 UGSQ 和 IDQ。,列輸出回路方程求 UDSQ,UDSQ = VDD IDQ(RD + RS),(二)圖解法,由式,可做出一條直線，另外，iD 與 uGS 之間滿足轉(zhuǎn)移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點為靜態(tài)工作點。確定 UGSQ， IDQ 。,根據(jù)漏極回路方程,在漏極特性曲線上做直流負載線， 與 uGS = UGSQ 的交點確定 Q，由 Q 確定 UDSQ 和 IDQ值。,UDSQ,uDS = VDD iD(RD + RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,

25、圖 2.7.8用圖解法分析圖 2.7.7 電路的 Q 點,二、動態(tài)分析,微變等效電路入右圖所示。,圖 2.7.9圖 2.7.7 電路的微變等效電路,由圖可知,電壓放大倍數(shù),輸入、輸出電阻分別為,2.7.4共漏極放大電路,源極輸出器或源極跟隨器,圖 2.7.10源極輸出器,典型電路如右圖所示。,靜態(tài)分析如下：,分析方法與“分壓-自偏壓式共源電路”類似，可采用估算法和圖解法。,動態(tài)分析,1. 電壓放大倍數(shù),圖 2.7.11微變等效電路,而,所以,2. 輸入電阻,Ri = RG + ( R1 / R2 ),3. 輸出電阻,圖 2.7.11微變等效電路,在電路中，外加 ，令 ，并使 RL 開路,因輸入

26、端短路，故,則,所以,實際工作中經(jīng)常使用的是共源、共漏組態(tài)。,2.8多級放大電路,2.8.1多級放大電路的耦合方式,三種耦合方式,阻容耦合,直接耦合,變壓器耦合,一、阻容耦合,圖 2.8.1阻容耦合放大電路,第 一 級,第 二 級,優(yōu)點：,(1) 前、后級直流電路互不相通，靜態(tài)工作點相互獨立； (2) 選擇足夠大電容，可以做到前一級輸出信號幾乎不衰減地加到后一級輸入端，使信號得到充分利用。,不足：,(1) 不適合傳送緩慢變化的信號； (2) 無法實現(xiàn)線性集成電路。,二、直接耦合,圖 2.8.2兩個單管放大電路簡單的直接耦合,特點：,(1) 可以放大交流和緩慢變化及直流信號； (2) 便于集成化

27、。,(3)各級靜態(tài)工作點互相影響；基極和集電極電位會隨著級數(shù)增加而上升； (4)零點漂移。,1. 解決合適靜態(tài)工作點的幾種辦法,改進電路(a),電路中接入 Re2，保證第一級集電極有較高的靜態(tài)電位，但第二級放大倍數(shù)嚴重下降。,改進電路(b),穩(wěn)壓管動態(tài)電阻很小，可以使第二級的放大倍數(shù)損失小。但集電極電壓變化范圍減小。,改進電路(c),+VCC,改進電路(d),可降低第二級的集電極電位，又不損失放大倍數(shù)。但穩(wěn)壓管噪聲較大。,可獲得合適的工作點。為經(jīng)常采用的方式。,(c),圖 2.8.3直接耦合方式實例,【例】,圖示兩級直接耦合放大電路中，已知：Rb1 = 240 k，,Rc1 = 3.9 k ，

28、Rc2 = 500 ，穩(wěn)壓管 VDz 的工作電壓 UZ = 4 V，三極管 VT1 的 1 = 45，VT2 的 2 = 40，VCC = 24 V，試計算各級靜態(tài)工作點。,圖 2.8.4例題的電路,解：設 UBEQ1 = UBEQ2 = 0.7 V，,則UCQ1 = UBEQ2 + Uz = 4.7 V,如 ICQ1 由于溫度的升高而增加 1%，計算靜態(tài)輸出電壓 的變化。,ICQ1 = 1 IBQ1 = 4.5 mA,IBQ2 = IRc1 ICQ1 = (4.95 4.5 ) mA = 0.45 mA,ICQ2 = 2 IBQ2 = (40 0.45 ) mA = 18 mA,UO= UCQ2 = VCC IC