1、第二章 放大电路分析,模拟电子技术,2.1 放大电路的主要技术指标 2.2 放大电路工作原理 2.3 放大电路的分析方法,1. 电压放大倍数 Au,放大器输出端的开路电压Uo与放大器净输入端电压Ui的比值,2.1 放大电路的主要技术指标,3. 电流放大倍数 Ai,放大器输出短路电流Io 与放大器的输入电流Ii的比值,2.源电压放大倍数 Aus,放大器,输入端,输出端,US= Ui Rs Ii,信号源,放大器输出开路端电压Uo与放大器的信号源电压Us的比值,4. 输入电阻 ri,放大电路由信号源US为其提供信号，输入电阻是衡量放大电路从信号源（或前级放大电路）获取信号电流大小的参数。它表明了放大
2、电路对信号源的影响。ri 越大越好（理想ri ）,若信号源电压US一定，输入电阻ri 越大，输入电流Ii 就越小，净输入电压Ui 就越接近US = Ui Rs Ii ，信号源的电流Is负担就越小,输出端开路,将输入端短接，从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为放大器的输出电阻。,5a. 输出电阻 ro,不考虑信号源内阻Rs,将信号源Us短接，从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为有信号源接入的放大器输出电阻ros。,5b. 输出电阻 ros,考虑信号源内阻Rs,输出电阻的意义,当Us一定，负载RL变化时，输出电压Uo会发生变化。当RL值变小（负载增大）时，输出电压Uo会降低。我们将这种变化
3、程度表示为放大器的带负载能力。所谓带负载能力强，是指当负载变化时，其放大器输出电压Uo基本保持不变。（理想情况ro=0),输出电阻ro的大小表明了放大电路带负载能力的弱强，输出电阻越小，放大电路带负载能力越强。,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为一个信号源电路，这个等效电路的内阻就是输出电阻ro 。 即总希望 ro 越小越好（理想情况ro=0),6. 通频带 fbw放大器频率特性,频带宽度：fbw fH fL,幅频特性曲线,相频特性曲线,下限截止频率：fL 上限截止频率：fH,当Aum随频率 f 的变化降为 时对应截止频率（在波特图中对应20lg|Aum|坐标的下降3dB(
4、分贝)）,当随频率 f 的变化偏移45o角时对应截止频率,当由0随频率 f 的增加而减小45o角时对应下限截止频率fL,当随频率 f 的继续增加而减小45o角时对应上限截止频率fH,2.2 放大电路工作原理,基本概念直流和交流通路 静态和动态工作点直流和交流负载线 饱和和截止失真放大倍数 输入电阻 输出电阻,分析计算方面直流静态工作点的计算（图解法和解析法）放大电路指标计算（图解法和微变等效电路法）非线性失真的类型判断和消除办法（图解法),2.1.1 放大电路的组成,电子学中提到的信号放大是指将幅值微弱变化的信号放大到可以测量和利用的程度，其实质是能量的转换。即由一个能量很小的输入信号通过晶体
5、管电流放大作用来控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。,晶体管具有电流放大的特性，因此可用来组成放大电路。,晶体管放大电路有三种形式,为保证三极管工作在放大区，就必须要集电结反偏，发射结正偏。,共射极,直流偏置提供合适的静态工作点Q：IB、 IC 和UCE,共射极基本放大电路,1.放大条件,b,e,c,Rb,+UCC,UBB,Rc,C1,C2,T,基极电源UBB与基极电阻Rb,作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,集电极电源UCC作用：为电路提供能量，并保证集电结反偏。,集电极电阻Rc 作用：将变化的电流转变为变化的电压。,2.各元件作用,三极管作用：电流放大,IB,IC,R
6、b,+UCC,UBB,Rc,C1,C2,T,耦合电容：通常是 电解电容，有极性 大小为10F50F,作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使变化信号顺利地输入输出,+,+,单电源供电电路,双电源供电电路,共射极基本放大电路的改进,不妨调UBB= Ucc， Rb Rb 保持 Ib不变,连接两点,Ib,Ic,2.2.2 放大原理,放大电路中各点的电压或电流可看作 是直流分量和交流分量累加的结果,ui=0,ui=Vsint,静态,动态,2.3 放大电路的分析方法,2.3.1 放大电路的静态分析 2.3.2 放大电路的动态分析 2.3.3 静态工作点的稳定电路 2.3.4 共集电极和共基极放大电路
7、 2.3.5 三种基本放大电路的特点和用途 2.3.6 多级放大电路 2.3.7 放大电路的频率特性简介,放大电路分析方法,静态分析,动态分析,放大电路分析方法,混合信号的不同分量可以分别在不同的通道分析,直流分析 分析放大电路的直流工作状态，即基极直流电流、集电极直流电流和集射极直流电压。又称静态分析,交流分析 分析放大电路的动态性能指标，即电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。又称动态分析,2.3.1 放大电路的静态分析,直流通路 只考虑直流信号的分电路,由于电容对交、直流的作用不同（“隔直传交”）。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流相当于短路；而对直流可视为开路。这样，交
8、、直流信号各自的通路是不同的。,交流通路 只考虑交流信号的分电路,电容视为开路 电感视为短路,电容视为短路 电感视为开路 电压源视为短路,1. 直流通路,例：求该电路的直流通路,RL,例：求该电路的交流通路,Rb、Rc翻叠接地,ui,对地短接,2.解析法估算静态工作点,电路处于静态时，三极管各极的电压、电流在特性曲线上可对应找到一点，称为静态工作点，又称为Q点。用IBQ 、ICQ 和UCEQ表示,直流通道,Rb,+UCC,Rc,采用该方法，必须已知三极管的 值,求静态工作点：,UCEQ,例一：,解：,已知: UCC=12V，Rc=4k，=50， Rb=300k，求该电路静态工作点,静态工作点,
9、静态工作点在输入和输出特性曲线上的图示,输入特性曲线,输出特性曲线,3. 图解法估算静态工作点,IB（uA),uCE怎么变化,？,假设uBE有一微小的变化,ic与ib 、ui同相,uce与ui反相!,直流通道中,电流iC 、电压uCE与电阻Rc 的关系曲线称为直流负载线。它反映了静态工作点Q 移动的规律。,满足以下方程式,uCE = UCCiC Rc,直线的斜率由Rc决定,4. 电路参数对静态工作点的影响,uce相位如何,？,uce与ui反相！,uCE的变化沿一条直线进行，称为直流负载线。其斜率为1 /Rc,uCE = UCCiC Rc,Rb 、 Rc和 UCC的变化对Q点（及负载线）的影响？
10、,iC,uCE,2.3.1 图解法在动态分析中的应用2.3.2 微变等效电路法在动态分析中的应用,2.3 放大电路的动态分析,1. 交流通路,交流通道,Rb,Rc,RL,uo,ui,交流负载线,交流通道中uce 与ic 的关系曲线称为交流负载线，它是交流信号输入时工作点的运动轨迹,相交于原静态工作点Q,满足以下方程式,uce= - ic (Rc /RL)= - ic RL,RL= RcRL 称为交流负载电阻,交流通道,Rb,Rc,RL,uo,ui,2.图解法 （求交流负载线）,在输出特性上做直流负载线，得到Q点,过Q点做一条斜率为-1/RL 的直线，就得到交流负载线,(任取V ， 求I=V/
11、RL，连I 作辅助线，平移交Q点）,交流通道,Rb,Rc,RL,uo,ui,Q,iC,uCE,UCC =UCEQ+ICEQ RL,交流负载线，斜率1/RL,uCE= UCC iCRL,图解法 （求交流负载线）,UCC,UCC,UCC / RC,RL RC/ RL,IBQ,带负载RL后, 放大倍数降低（uo输出范围变小）,取：uCE / iC= RL作一过Q点的斜线,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区
12、或饱和区，则造成非线性失真，即截止失真和饱和失真。,放大电路的非线性失真,可输出的最大不失真信号,Q,不失真波形,UCC,UCC / RC,空载RL,调节Rb 使得UCE Q1/2UCC,uCE = UCCiC Rc= Ucc ib Rc,iB（uA),UBE,Q,iC （mA),UCE,uBE正弦，由于三极管输入特性的非线性引起的Ib ,ic和uCE失真,ib,t,ic,t,ic与ib 、ui同相,ib,t,uce,t,三极管输入特性的非线性引起的失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真称为截止失真。,对于NPN管共射极放大电路，输出电压uo（电流ic ）表现为顶（底
13、）部失真,1。截止失真波形,截止失真时静态工作点Q： IB0, IC0, UCEUCC,uo,静态工作点不合适产生的非线性失真,UCC/RC,UCC,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真称为饱和失真。,对于NPN管共射极放大电路，输出电压uo（电流 ic）表现为底（顶）部失真,2。饱和失真波形,Q,饱和失真时静态工作点Q： IBUCC/RB, ICUCC/RC, UCE0.3v,UCC/RB,UCC,Q,交流负载线,ib,UCEQ: 静态工作值,最大不失真电压的确定,输入过大将发生线性失真！,IB=0,3. 解析法,建立小信号模型,针对放大电路的输入信号电压很小，可以把晶
14、体管的特性曲线在小范围内近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,小信号模型的引出,三极管的输入输出特性曲线如下：,1）简化的三极管微变等效电路,UT 很小，一般为10-3 10-4，可短接,rce很大，约为100k，可开路,于是得到三极管简化等效电路及模型,三极管微变等效电路的简化,三极管模型,其微变电路等效简化模型,三极管微变等效简化电路模型,一般用公式估算 rbe,rbe= rbb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管基区体电阻 rbb200300 一般取 rbb为300 ,2) rbe 的近似公式,3）放大器的微变电路等效变换,1、做出交
15、流通路,2、将三极管用微变等效电路代替,4）共射极放大电路动态参数的计算,（1a）电压放大倍数的计算,rbe,Rb,Rc,（空载RL 时）,e,b,c,(1b)电压放大倍数的计算 (带负载RL 时),RL,rbe,Rb,Rc,(2)电流放大倍数,Ii=IRb+Ib Ib（ Rb rbe ), Io=Ic ,为三极管的电流放大倍数,共射极放大电路的指标计算,（3）输入电阻的计算,rbe,Rb,Rc,RL,ri,( Rb rbe ),共射极放大电路的指标计算,（4）输出电阻的计算（负载电阻RL断开）,因 r0 是放大器的输出电阻（与负载电阻RL无关），其大小反映了放大器带负载的能力，因此求 r0
16、时不考虑负载RL，应将其断开,rbe,Rb,Rc,ro,用加压求流法求输出电阻：,（输入端无信号源接入）,（电流源IC为0等效两端断开）,（4）输出电阻的计算 （考虑信号源内阻Rs）,RS和Rb并联，用RS代替,rbe,Rb,Rs,输入端有信号源接入：,共射极放大电路的指标计算,（输入端有信号源接入）,roRc,ro,Rc,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，半导体器件受温度影响比较大。,UBE,ICEO,T,Q,IC,2.3.3 静态工作点稳定电路,1、温度对静态工作点的影响 主要体现在以下3方面：,IB,ICBO,输入特性左移,2、静态工作点稳定电路,分压偏置
17、电路工作原理,Re作用：形成负反馈过程,偏置电路静态工作点算法,算法一（估算法）：,分压偏置电路,射极直流负反馈电阻,交流旁路电容,偏置电路动态分析,偏置电路动态分析,2.3.4 共集电极和共基极放大电路,1） 共集电极放大电路静态分析,1. 共集电极（C）放大电路,2）共集电极放大电路动态分析,共集电极放大电路指标参数计算,（1）电压放大倍数的计算,（2）电流放大倍数的计算,rbe,RE,Rb,RL,共集电极放大电路指标参数计算,（3）输入电阻的计算,rbe,RE,Rb,射极跟随器的输入电阻较大，当作为前一级负载时，对前一级放大倍数的影响较小,共集电极放大电路指标参数计算,（3）输入电阻的计
18、算(若考虑负载电阻RL）,rbe,RL,Rb,射极跟随器的输入电阻较大，当作为前一级负载时，对前一级放大倍数的影响较小,RE,共集电极放大电路指标参数计算,（4）输出电阻的计算,共集电极放大电路指标参数计算,输入端无信号源接入：,为计算方便，将原 Ib的方向反向,rbe,Re,ro,射极跟随器的输出电阻ro很小，带负载能力强,一般：,Ib,共集电极放大电路指标参数计算,（4）输出电阻的计算 （考虑信号源内阻Rs）,RS和Rb并联，用RS代替,共集电极放大电路指标参数计算,输入端有信号源接入：,为计算方便，将原 Ib的方向反向,射极跟随器的输出电阻ro很小，带负载能力强,一般：,Ib,共集电极放
19、大电路指标参数计算,共集电极放大电路的应用特点,共集极放大电路是一个具有高输入阻抗、低输出电阻、电压增益近似为1的同相放大电路,2. 共基极(b)放大电路,1）共基极放大电路静态分析,2）共基极放大电路动态分析,共基极放大电路的指标参数计算,(1) 电压放大倍数的计算,共基极放大电路的指标参数计算,(2) 输入电阻的计算,共基极放大电路的指标参数计算,(3) 输出电阻ro的计算,则Ic0，受控电流源开路，输出电阻：,共基极放大器的电流放大倍数约为1（略小）, 故又称电流跟随器(反相）,(4) 电流放大倍数,Ii Ie ，（Re rbe） Io Ic ,2.3.6 三种基本放大电路的特点与用途,
20、2.3.6 多级放大电路,输入级,信号源,负载,中间级,输出级,输入级： 减少对信号源的影响,中间级： 实现电压放大,输出级： 驱动负载,1. 阻容耦合,各级工作点之间互相独立，调整 Q 时互不影响由于电容的存在，无法放大变化缓慢的信号或直流信号,2.5.1 多级放大电路的耦合方式,(利用电容器“隔直传交”特性）,2. 直接耦合,各级工作点之间互相影响，调整困难 不仅能放大交流信号，也能放大直流信号 存在“零点漂移”现象（当输入 Ui为0时,输出 Uo不为0）便于集成制造,多级放大电路的耦合方式,3. 变压器耦合,工作点互相独立，便于调整 只能放大交流信号 能进行阻抗匹配 成本高，体积重.不便
21、 于集成制造,多级放大电路的耦合方式,4. 多级放大电路的指标参数计算,1、电压放大倍数的计算,多级放大电路的电压放大倍数Au等于各级电压放大倍数Aui的乘积,在计算各级放大倍数时，通常是将后一级的输入电阻Rin当作本级的负载电阻RL(n-1)考虑。,2、输入电阻和输出电阻的计算,多级放大电路的输入电阻是从第一级看进去的输入电阻,多级放大电路的输出电阻是从最后一级看进去的输出电阻,2.7.3 多级放大电路的计算,前一级的输出电阻可被视为后一级的信号源内阻,例 三级放大电路,求静态工作点、电压放大倍数、输入和输出电阻。(画微变等效电路） 1级：射极输出器；2、3级：带电流反馈的分压式放大电路,第
22、n级放大器的输入电阻就是第n1级放大器的负载电阻：如r2RL1, r3RL2,微变等效电路,三级放大电路,Re1= Re1/ri2,ri2=Rb2/rbe2+(1+) Re2,其中：Rb2= Rb21/ Rb22,ri3=Rb3/rbe3,其中：Rb3= Rb31/ Rb32,Rc2= Rc2/ri3,ri=ri1=Rb1/ rbe1+ (1+) Re1,基本概念,分析计算方面,频率特性（幅频和相频特性）的意义 三极管的频率参数（上、下限截止频率和通频带）,晶体管频率特性（波特图）的绘制 多级放大电路频率参数（放大倍数、截止频率）的估算,2.3.7 放大电路的频率特性简介,放大电路的频率特性是
23、指放大电路对不同频率输入信号的响应特性，是放大器的一个重要性能指标,频率响应,频率特性的概念,由于三极管本身具有电容效应，在放大电路中也存在耦合电容、旁路电容等元件。这使得放大电路对于不同频率的输入信号，其放大倍数和相位移均不同。,容抗,1. 三极管混合参数型等效电路,2.共射极放大电路及其混合型等效电路,放大电路频率响应分析思路,低频段：只考虑（串联）耦合电容 影响，其它（并联）电容开路。,容抗,中频段：所有电容均不考虑，与微变电路等效,高频段：只考虑结电容影响，其它电容短路,3. 共射极放大电路的频率特性,放大电路性能指标,共射极(e)放大电路 频率特性,频带宽度：fbw fH fL,幅频
24、特性曲线,相频特性曲线,下限截止频率：fL 上限截止频率：fH,当Aum随频率 f 的变化降为 时对应截止频率（在波特图中对应20lg|Aum|坐标的下降3dB(分贝)）,当随频率 f 的变化偏移45o角时对应截止频率,当由0随频率 f 的增加而减小45o角时对应下限截止频率fL,当随频率 f 的继续增加而减小45o角时对应上限截止频率fH,频率响应的描述方法（波特图）,在分析频率响应时，通常要绘制频率特性曲线图，我们称之为波特图。,由幅频关系图和相频关系图组成,横坐标即频率轴的坐标采用f或lg f,在幅频特性中，纵坐标即放大倍数轴采用Gu=20lg|Aus|表示，单位为分贝（dB)；,三极管
25、的频率参数,共射极电流放大倍数 的截止频率 f,影响放大器频率特性的参数： 低频段：受外电路器件及耦合电容和旁路电容影响使放大器放大倍数A将下降。 中频段：所有电容均无影响与微变电路等效, = o=常数 高频段：需考虑三极管内部极间(结)电容影响使值将下降共射极电流放大倍数 的截止频率 f ：,0.707o,f,fT,fT为三极管的特征频率,的幅频特性,1,三极管的特征频率,当 随频率f 增高而减小至1时，即时所对应的频率f T 为三极管的特征频率。 当f f T 时有 即： 特征频率f T 0 f (截止频率 f ),共射极放大电路的完整频率特性,其中，fh为上限频率，fl 为下限频率，,定
26、义上下限频率之间的差值为放大电路的带宽（或通频带）fbw, 即：fbw = fh - fl,（1） 中频放大倍数（flffh）,（2） 低频放大倍数（ f fl fh ）,（3） 高频放大倍数（ fl fh f ）,幅频特性图,共射极放大电路完整的频率特性,全频域放大倍数：,共射极放大电路的幅频特性图特性曲线,共射极放大电路的相频特性图特性曲线,增益带宽积,当晶体管制成后，其放大倍数与带宽的乘积基本保持不变，在手册中用增益带宽积GBW表示：,对于晶体管而言，放大倍数与带宽是相互矛盾的，因此在设计电路时要综合考虑。,放大电路的增益带宽积,上、下限频率的估算公式,当其中某一级的下限频率 flk 高于其他各级的下限频率时，或某一级的上限频率fhk 低于其他各级的上限频率时，多级放大电路整个的下限频率 fl flk （某一级）或上限频率 fh fhk （某一级）,多级放大电路的频率特性,多级放大电路的通频带fbw窄于其中单级放大器 的通频带fbwi 。即fbw fH fL fbwi fH ifLi,上、下限频率的计算,多级放大电路的通频带fbw,作业： P66第 6题；P67第 8（b）、11题 P68第 12、14题；P69第 16题 P70第 19题； P71第 25题,
