1、第2章 放大电路,三极管的结构和放大作用 共射放大电路组成、工作原理、性能特点及分析方法 射极输出器基本特点 多级放大电路组成及分析,学习要点,2.1 共射放大电路,2.1.1 单管共射放大电路的组成,放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。,共发射极放大电路的实用电路,2.2 共射放大电路的分析,静态是指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。,直流通路：耦合电容可视为开路。,2.2.1 放大电路的静态分析,(IB,UBE) 和( IC,U
2、CE )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,为什么要设置静态工作点？,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。,动态是指放大电路在接入交流信号后，电路中的各处电流、电压的变化情况，动态分析是为了了解放大信号的传输过程和波形变化。,结论在动态工作时,放大电路中的各处电流、电压都是在静态(直流)工作点的基础上叠加一个正弦交流分量。电路中同时存在直流分量和交流分量，这是放大电路的特点。,2.2.2 放大电路的动态分析,符号说明,交流通路：（ui单独作用下的电路）。由于电容C1、C2足够大，容抗近似为零（相当于短路），直流电源UCC去掉（短接）。,
3、（1）用估算法求出基极电流IBQ（如40A）。 （2）根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。 （3）作直流负载线。根据集电极电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC，其斜率为1/ RC ，只与集电极负载电阻RC有关，称为直流负载线。 （4）求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB=40A的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q，该点就是静态工作点。由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ。,1 静态图解法,IB=40A的
4、输出特性曲线,由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线,两者的交点Q就是静态工作点,过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为ICQ,过Q点作垂线，在横轴上的截距即为ICQ,图解步骤： （1）根据静态分析方法，求出静态工作点Q。 （2）根据ui在输入特性上求uBE和iB。 （3）作交流负载线。 （4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。,动态图解法,从图解分析过程，可得出如下几个重要结论： （1）放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。 （2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔开，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce，且与输入电压
5、ui反相。 （3）放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载电阻RL也越小，交流负载线就越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。 （4）静态工作点Q设置得不合适，会对放大电路的性能造成影响。若Q点偏高，当ib按正弦规律变化时，Q进入饱和区，造成ic和uce的波形与ib（或ui）的波形不一致，输出电压uo（即uce）的负半周出现平顶畸变，称为饱和失真；若Q点偏低，则Q“进入截止区，输出电压uo的正半周出现平顶畸变，称为截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,非线性失真,用微变等效法分析放大电路,基本思路,把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成
6、一个线性电路，就是放大电路的微变等效电路，然后用线性电路的分析方法来分析，这种方法称为微变等效电路分析法。等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内，用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,（1）三极管的微变等效电路,输入特性曲线在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的。当uBE有一微小变化UBE时，基极电流变化IB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示，即：,微变等效电路法,输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线，集电极电流的微小变化IC仅与基极电流的微小变化IB有关，而与电压uCE无关，故集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即：
7、,（2）放大电路微变等效电路,放大电路的微变等效电路,电压放大倍数,式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时,动态性能指标,输入电阻,Ri,输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流（输入电流）的大小。为了减轻信号源的负担，总希望Ri越大越好。另外，较大的输入电阻Ri，也可以降低信号源内阻Rs的影响，使放大电路获得较高的输入电压。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不理想。,输出电阻,对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式中Ro在几千欧到
8、几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。,求：1. 静态工作点。2.电压增益AU、输入电阻Ri、输出电阻R0 。3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截止还是饱和失真？应调节哪个元件？如何调节？,解：1 .,2. 思路：微变等效电路,AU、Ri 、R0,温度对静态工作点的影响,温度升高,UBE减小,ICBO增大,增大,IC增大,2.3 静态工作点的稳定电路,温度对UBE的影响,T,UBE曲线左移,IB,IC,温度对值及ICEO的影响,总的效果是：,温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。,常采用分压偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,条件：I2IB，则,与温度基本无关。,调节过程：,
9、静态工作点稳定的放大电路,电容短路,直流电源短路，画出交流通道,交流通道及微变等效电路,交流通道,微变等效电路,微变等效电路及电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算,Ri= Rb1/ Rb2/ rbe,Ro= RC,电容CE的作用：,例题：,例：图示电路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻和输出电阻,2.4 基本放大电路,2.4.1 共集电极放大电路,静态分析,直流通道及静态工作点分析：,VCC
10、=IBRb+ UBE +IERe=IBRb+ UBE +(1+ ）IBRe,IC= IB,2.6.2 动态分析,交流通道及微变等效电路,交流通道及微变等效电路,2、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器，或者射极跟随器。,讨论,输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。,Au,（2）输入电阻,（3）、输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,输出电阻,（加电压求流法）,ro=Re/,rbe,1+ ,当RS=0时,r,o,b,+,+,=,1,R,r,/,R,s,be,E,射极输出器的特点：电压放大倍数=1，输入阻抗高，输出阻抗小。,例 在射极
11、输出器中已知 UCC = 12V，RB = 240k，RE = 3k， RL = 6k，RS = 150，= 50 。,RS,uS,+,RL,iC,iB,T,C2,C1,+,+,RB,RE,+UCC,+,uO,（1）静态工作点,（2）Au、ri 和 r0,ri = RB / rbe+ （1+）RL ,= 240 / 1.2+ （1+50）（2/6） = 72.17k,= 1.20k,例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100 ，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,共基放大电路的微变等效电
12、路,电路图 (b) 交流通路,2.4.2 共基电路,2.5 多级放大电路,2.5.1 多级放大电路的组成,2.8.2 多级放大电路的耦合,各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。,1阻容耦合放大电路,阻容耦合放大电路分析,（1）静态分析：各级单独计算。,（2）动态分析 电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。,注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其
13、负载电阻就是第二级的输入电阻。 输入电阻就是第一级的输入电阻。 输出电阻就是最后一级的输出电阻。,2.5.3 直接耦合放大电路,优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。 缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。 零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。 产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。,2.5.4 差动放大电路,4.3.1 基本差动放大电路,抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。,在发射极电
14、阻RE的作用：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。,负电源UEE的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。,静态时，uil=ui20 ，此时由负电源UEE通过电阻RE和两管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对称性，两管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即： IC1= IC2 UC1= UC2 输出电压： uo UC1 UC2=0 温度变化时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即： IC1= IC2 UC1= UC2 输出电压： uo (UC1 + UC1)( UC2 +UC2 )=0 即消除了零点漂移
15、。,1抑制零点漂移的原理,2信号输入,共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。,共模电压放大倍数：,说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。,（1）共模输入,因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则：,差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。,差模电压放大倍数：,可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。,（2）差模输入,（3）比较输入,比较
16、输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，又非差模。 比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即：,式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：,对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：,上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值特性。 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。,
17、共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。,在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac0。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：,或用对数形式表示：,恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。,差动放大电路的改进,差动放大电路的四种接法及应用,双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。,单端输入式差动放大
18、电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入。,单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端
19、输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。,2.5.5 多级放大电路的频率特性和频率失真,中频段：电压放大倍数近似为常数。 低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。 高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。,除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特性，相位移与频率的函数关系称为相频特性，二者统称为频率特性或频率响应。放大电路呈现带通
20、特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上限频率和下限频率，其差值称为通频带。 一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真。,2.6 场效应晶体管放大电路,2.6.1 场效应管的偏置电路,1.自偏压电路,N沟道耗尽型常用的自偏压电路,在VDD的作用下,ID在RS上产生压降,即US=IDRS,而IG=0,即UG=0,因此UGS= - IDRS,这就是自偏压。只要调整合适的RS，就可以获得合适的静态工作点。,静态分析,2.分压式自偏压电路,2.6.2 放大电路动态分析,
