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第四章:放大电路基础



第二篇 模拟电子技术
电 路 与 电

第四章
主要内容:

放大电路基础


技 术

?放大电路的组成及工作原理
?放大电路的分析方法 ?放大电路静态工作点稳定分析

第4章 放大电路基础

第一节 基本放大电路的

方框图及性能指标

4.1.1 基本放大电路的方框图 电
路 放大电路的概念: 利用BJT的电流控制作用,把微弱 与 电
的电信号不失真地放大到所需要的数值,实现将直流电 源的能量转化为按输入信号规律变化的且具有较大能量 的输出信号。
RS


技 术

+? U - S

基本放大 电路

RL

直流电源
直流电源

图6-2 基本放大电路方框图

第4章 放大电路基础

4.1.2 放大电路的性能指标
电 路 与 2、输入电阻

输入电阻是用于衡量一 个放大电路从信号源获 取信号能力大小的指标。

电 1、放大倍数 子 放大倍数是用于衡量放大电 3、输出电阻 路放大能力的主要指标。 技 ? ? Uo 输出电阻是衡量一个放大 电压放大倍数: A u ? ? 术 电路带负载能力的指标。 Ui
电流放大倍数: Ai ?
?

Ui Ri ? Ii

Io

?

Ii

?

Uo Ro ? Io

U S ?0 RL ??

第4章 放大电路基础

第二节 共发射极放大电路的组成及工作原理 一、电路原理图 电 路 与
电路组成原则 1.必须有直流电源 2.元件的安排要合适 交流 3.合理设置静态工作点 信号源

输 电 出 二、各元件的作用 电 子 VT:NPN型三极管,起放大作用,也是整个电路的核心。 压 技 VCC:直流电源,为输出信号提供能源。



Rb:基极偏置电阻,和VCC一起为基极提供静态偏流,

保证BJT不失真的放大。 Rc:为集电极负载电阻。 RL:为负载电阻。
C1 、C2 :为隔直电容或耦合电容,起“隔直通交”作用。

第4章 放大电路基础

三、放大电路的工作原理 电 路 与 电
放大电路 在正常放 大 信号时,电路中的电压、 电 流信号是 “交、直 流 并 存”,直 流是基础 , 交 流是放大 的对象。 因 此 在分析时 静态和动 态 分开来讨论。
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。


技 术

第4章 放大电路基础

第三节 放大电路的分析方法
电 路 与 电

估算法

静态分析 放大 电路 分析

图解法 图解法


技 术

动态分析 微变等效电路法 计算机仿真

第4章 放大电路基础

4.3.1 共发射极放大电路的静态分析 基本思想: 电 路 与 电 技

根据叠加定理,分别分析电路中的交、直流成分
即静态工作情况和动态工作情况
直流工作状态称为静态 (ui = 0,放大电路只有直流电源作用)

静态工作点(Q点):IB、IC和UBE、UCE

子 基本方法:
估算法: 根据直流通路来进行Q点的估算。 图解法:在三极管输出特性图上画直流负载线,分析 放大电路的工作情况,求静态工作点“Q” 。 术 画直流通路原则: 电容视为开路,电感视为短路

第4章 放大电路基础

(一)静态分析
电 路 与 电

一、用估算法确定Q点
1. 画出直流通路(电容开路) 2. 由输入回路可知:
ICQ

c
b IBQ e UCEQ

VCC=IBQRB+UBE
得:


技 术

I BQ

VCC ? U BE VCC ? ? RB RB
UBE=0.2V(锗管)

UBE=0.7V(硅管)

3. 由BJT的电流分配关系可知:

I CQ ? ? I CQ

4. 由输出回路可知: U CEQ ? VCC ? I CQ RC

由此可估算出Q点的值:IB、IC、UBE、UCE

第4章 放大电路基础

[例1] 图示单管共射放大电路中,VCC = 12 V,

电 路 与 电

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
IBQ ? VCC ? U B EQ Rb 12 ? 0.7 ?( ) mA 280 ? 40 ?A


技 术

ICQ ? ? IBQ = (50 ? 0.04) mA = 2 mA UCEQ = VCC – ICQ Rc = (12 ? 2 ? 3)V = 6 V

第4章 放大电路基础

二、 用图解法确定Q点 电 路 与
1. 先估算 IBQ

输出回路图解

iC/mA
VCC/RC ICQ
IBQ c b

ICQ

I BQ ?

VCC ? U BEQ Rb

Q
e

iB=20?A U CEQ VCC

2. 由直流通路的输出回路得

电 输出直流负载线方程: 子 uCE = VCC ? iC RC 技 术

uCE/V 直流通路 U CEQ

令iC=0,则uCE=VCC,得横轴上的点(VCC,0); 令uCE=0,则iC=VCC/RC,得纵轴上的点(0,VCC/RC);

3. 连接以上两点即得输出回路的直流负载线
4. 直流负载线与iB的输出特性曲线的交点即Q点

第4章 放大电路基础

电 路 与 电

[例2]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
Rb 12 ? 0.7 ?( )mA ? 40 μA 280 做直流负载线,确定 Q 点 IBQ ? VCC ? U B EQ




术 根据 UCEQ = VCC – ICQ Rc
iC = 0,uCE = 12 V ; uCE = 0,iC = 4 mA .

第4章 放大电路基础

iC /mA

电 路 与 电

4 3

80 ? A

60 ? A
静态工作点 40 ? A 20 ? A M iB = 0 ? A

2 1 0

Q


技 术

2

4

6

8

10

12

uCE /V

由 Q 点确定静态值为: IBQ = 40 ? A ,ICQ = 2 mA,UCEQ = 6 V.

第4章 放大电路基础

电 路 与 电

4.3.2 共射极放大电路的动态分析 基本概念:
放大电路的输入端接入输入信号 ui 后的工作状态称动态

即:ui ? 0

放大电路在ui 和VCC共同作用下工作

电路中既有直流分量又有交流分量,各极的电流和电压
如:

都在静态值的基础上叠加了一个随ui作相应变化的交流分量。


技 分析方法:

uBE ? UBE ? ube

在三极管的输出特性图上画交流负载线,分析动 图解法: 术 态波形及失真等。

微变等效电路法:将三极管近似用一个与之等效的线性电
路来等效,分析动态参数。

第4章 放大电路基础

电 路 与 电

(一) 图解法分析动态情况 一、画交流通路的原则 1. 固定不变的电压源都视为短路 2. 固定不变的电流源都视为开路 3. 视电容对交流信号短路 1 / jωC ? 0
ic ib + + ube



技 术


ui

+ uce ? ie

+
Rc

uo
RL


Rb

电路图

交流通路

第4章 放大电路基础

二、 图解法分析动态情况 电 路 与 电
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:
1 ? ? RC // RL ? ,其中 RL ? RL
iC / mA
交流负载线 静态工作点


技 术

即:tan?= -(1/RL?) 通常情况下:RL?<RC
O

Q

IB

所以:交流负载线要比直流负载线陡一些

uCE /V

第4章 放大电路基础

3. 交流负载线的画法

输出回路图解
iC / mA
交流负载线 静态工作点

电 输
出 路 回 与 路

Q
O

IB




技 术

因为:

iC = I C + i c

uCE = UCE + uce

UCE+ICRL?

uCE /V

而:uce = ? ic RL?= -(iC - IC)RL? 其中:RL?=RC // RL

所以:uCE = UCE -(iC - IC)RL?= UCE + ICRL?-iCRL?
令iC=0,则uCE=UCE+ICRL?,得横轴上的点( UCE+ICRL? ,0)

连接该点和Q点并延长即得输出回路的交流负载线

第4章 放大电路基础

交直流负载线的画法小结
电 路 与 电
1. 根据直流通路估算静态IB值;

2.在输出特性曲线的横纵坐标上连接点(0,Vcc)和
(Vcc/Rc,0)即为直流负载线;


技 术

3. IB与直流负载线的交点即为Q点;
4. 根据交流通路求出RLˊ的值;
5. 将点(UCE+ICRLˊ,0) 与Q点相连接并延长至纵轴

即为交流负载线;

第4章 放大电路基础

动态分析小结:
电 路 与 电
1. BJT各极间的电压和电流(uBE、uCE、iB、iC)

为直流分量与交流分量的叠加;
2. uo的幅度比ui的幅度大得多,说明ui经过电路


技 术

被线性放大了;
3. 对共射放大电路而言:uBE、iB、iC与ui同相,

uCE、uo与ui反相;即该电路为反相电压放大器。

第4章 放大电路基础

4.3.4 用小信号模型分析动态工作情况
电 路

(微变等效电路法)
晶体管在小信号 ( 微变量 ) 情况下工作且 Q 点在特性

与 曲线的线性区时,可以在静态工作点附近的小范围内用 电 直线段近似地代替三极管的特性曲线,三极管就可以等

子 效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所
技 组成的放大电路等效为一个线性电路。 术
微变等效条件 信号的变化范围很小 研究的对象仅仅是变化量

第4章 放大电路基础

一、BJT的简化小信号模型
电 路 与 电
b ib + ube
?

ic

c
+

b

ib

ic

c
+

+
ube
?

uce

rbe
e

? ib u ce
?


技 术

e

?

rbe 的估算公式:



26mV rbe ? 300 ? (1 ? ? ) I EQ

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。

第4章 放大电路基础

二、用微变等效电路法分析共射放大电路

电 路 与 + 电 ?
? U i

+VCC Rb C1 + Rc C2 + VT RL + +

? I b b
? U iR
? rbe

? I c

c Rc

+

? U O
?

b

? ?I b

? U RL o
?


技 术

e 单管共射放大电路的等效电路
1.电压放大倍数: 输出电压与输入电压的变化量之比。

? ?I ? r 而 U i b be

?o U ?u ? 所以 A ?? ? rbe Ui

? ? ?I ? R ? ? ? ?I ? R? U o c L b L ? ? ? Rc // RL ) ? RL ( RL

?o U ?u ? A ?i U

第4章 放大电路基础

电 路

2.输入电阻和输出电阻: +VCC
Rb C1 + Rc C2 + VT RL + +

? I b b
? U iR
? rbe

? I c

c

+

与 + 电 ?
? U i

? U O
?

b

? ?I b
e

Rc

? U RL o
?



Ri = Rb // rbe Ro = Rc

Ri

Ro

技 (1)输入电阻: 从放大电路的输入端看进去的等效电阻。
(2)输出电阻: 从放大电路的输出端看进去的等效电阻。

Ri反映放大电路对输入电压衰减程度的参数。

Ro反映放大电路的带负载能力。

第4章 放大电路基础

3.考虑信号源内阻时的电压放大倍数:

电 路 与 电
Rs +
US
? U i

+VCC Rb C1 ? + Rc C2 + VT RL + ? U ?
O

b + Rs Us
? U i

? I b
Rb rbe

? I c

c + Rc RLU o ?

?

? ?I b
e


技 术

?

源电压放大倍数: 输出电压与信号源电压之比。

uo uo ui ui Ri Au Aus ? ? ? Au ? us ui us us Rs ? Ri

第4章 放大电路基础

电 路 与

[例] ? =40, RS= 0.6k?, Rb= 300k?, Rc= 3.9k?, RL=3.9k?, Vcc =12V。用微变等效电路法求:“Q ”, Au, Aus, Ri, Ro
Rb C1 RS
+

Rc

C2
+

+Vcc + uo
?

[解] 1)画直流通路 求“Q” 值 设U = 0.7 V
BEQ

+ 电 u s

RL

I BQ ?

VC C ? U B EQ Rb


技 术

?

直流通路
Rb B

Rc
IBQ U+
BEQ ?

+Vcc UCEQ
?

12 ? 0.7 ) mA 300 ? 38 ?A ?(

ICQ +

ICQ ? ? IBQ = (40 ? 0.38) mA = 1.52 mA

UCEQ = VCC – ICQ Rc = (12?1.52 ? 3.9)V≈6 V

第4章 放大电路基础

Rb

电 与 电
?

C1
+

Rc

C2
+

+Vcc
+ uo
?

微变等效电路
ib
+ us
?

ic
?ib Rc + RL uo
?

RS + 路 u s

Rs

RL

+ rbe ui Rb
?

2)画微变等效电路 求 Au、Aus 、Ri、Ro
r be ? 300? (1 ? 40)26 / I EQ ? 300? 51(26 / 1.52) ? 1000 ?? ??


技 术

Au ?

? ? R ' L ? 40 ? 3.9//3.9 ? ? ?78 rbe 1K

Ri ? Rb // rbe ? 300//1 ? 1 (k?)

Ro = RC= 3 k?

ui Ri 1 Aus ? Au ? Au ? (?78) ? ?48.8 us Ri ? RS 1 ? 0. 6

第4章 放大电路基础

电 路

第四节 静态工作点稳定的放大电路 ——射极偏置电路
4.4.1 温度对静态工作点的影响
iC
VCC RC

三极管是一种对温度 与 十分敏感的元件。当温 电 度升高时:

T = 50 ?C T = 20 ?C

Q?
Q O

iB


技 术

1. ICBO 增大。 2. ? 增大。

3. UBE 减小。
温度升高将导致 IC 增大, Q 上移。波形容易失真。

VCC

uCE

第4章 放大电路基础

4.4.2 静态工作点稳定电路
电 路 与 电

一、电路组成
——分压式(射极)偏置电路
Rb1 i1 C1 iB +

+VCC Rc C + 2 iC

+
uo
?


技 术

uB 当选用Rb1、Rb2时,使I1 >> IBQ , + u iE E RL ui Rb2 即存在: + Ce Re R

U BQ ?

b2

Rb1 ? Rb2

VCC

?

由于 UBQ 不随温度变化, ? ? IBQ ? ? ICQ ?

分压式工作点稳定电路

T ? ? ICQ ? ? IEQ ? ? UEQ ? ? UBEQ (= UBQ – UEQ)

——稳定Q点的过程

第4章 放大电路基础

二、静态与动态分析
电 与 电
静态分析 由于 I1 >> IBQ

+Vcc

路 可得:U BQ

Rb2 ? VCC Rb1 ? Rb2
U EQ Re ? U BQ ? U BEQ Re

+

Rb1 i1 C1 iB +
uB

Rc C + 2 iC

+
uo
?

ui Rb2
?

iE

uE

则 I CQ ? I EQ ?

Re

RL + Ce


技 术

U CEQ ? VCC ? I CQ Rc ? I EQ Re ? VCC ? I CQ ( Rc ? Re )
静态基极电流

直流通路
Rb1 I1 Rc IBQ U+
BEQ ? Re

+Vcc
UCEQ
?

B

ICQ +

IB Q ?

I CQ

Rb2

?

IEQ

第4章 放大电路基础

动态性能指标分析



Rb1 C1
+

Rc

C2
+

+Vcc

1. 电压放大倍数

路 + RS Rb2 Re us 与 ? 交流通路 ic 电 ii ib

RL
+

uo
?

uo + Au ? u i

? ? ib R'L R 'L ? ? ?? ib rbe rbe

Ce + uo
?

源电压放大倍数

子 + Rc RL ui R R b1 b2 技 ? 术 微变等效电路
ii ib ic

Ri Au uo uo ui ui Aus ? ? ? Au ? Rs ? Ri us ui us us
2. 输入电阻

+ ui
?

Rb1 Rb2

rbe

?ib Rc

+ RL uo
?

ui Ri ? ? Rb1 // Rb2 // rbe ii
3. 输出电阻

Ri

Ro

Ro= Rc

第4章 放大电路基础

[例] ? =100, RS= 1k?, Rb1= 62k?, Rb2= 20k?, Rc= 3k? Re=1.5k?, RL=5.6k?, Vcc =15V。求:“Q ”, Au, Aus, Ri, Ro

电 路 与
Rb1 C1
+

Rc

+Vcc C2
+

+ RS Rb2 电 us
?

RL
+

Re

uo
?

[解] 1)画直流通路 求“Q” Rb2 值 U BQ ? VCC + Rb1 ? Rb2
20 ? 15 ? ? 3.7 ( V ) 62 ? 20

Ce


技 术

直流通路
Rb1 B Rb2 IBQ Rc

+Vcc UCEQ
?

ICQ + IEQ

I CQ ? I EQ

3.7 ? 0.7 ? ? 2 (mA) 1.5

U+

I BQ ? ICQ / ?
? 2 / 100 ? 0.02 (mA) ? 20 ?A

BEQ ? Re

UCEQ ? 15? 2(3 ?1.5) ? 6 (V)

第4章 放大电路基础

电 与

Rb1 C1
+

Rc

+Vcc C2
+

微变等效电路
+ uo
?

ii + ui
?

ib
Rb1 Rb2 rbe

ic ?ib Rc

+ Rs 路 us Rb2
?

RL
+

Re

Ce

+ RL uo
?

电 2)画微变等效电路 求 Au、Aus 、Ri、Ro


技 术

r be ? 300? 26 / I BQ ? 300? 26 / 0.02 ? 1600 ?? ??
? ? R' L ? 100? 3//5.6 Au ? ? ? ?130 rbe 1.6

输出电阻:

Ro= Rc= 3 k?

输入电阻: Ri ? RB1 // RB2 // rbe ? 20 // 62 //1.6 ? 1.36 (k?)

ui Ri 1.36(?130) Aus ? Au ? Au ? ? ?75 us Ri ? RS 1 ? 1.36

第4章 放大电路基础

第六节 多级放大电路
电 路 与
RS us ii ui
第一级

Au1 u o1 ui2

Au2
第二级

uo2 uin

Au1
末 级

RL Ro

uo

Ri

输入级

中间级

输出级

电 4.6.1 多级放大电路的耦合方式 电路简单,能放大交、直流信号, 子 直接 A1 A2 耦合 “Q”互相影响,零点漂移严重 技 阻容 各级“Q”独立,只放大交流信号 术 耦合 A1 A2 信号频率低时耦合电容大 变压器 A1 耦合
A2 用于选频放大器、功率放大器等

第4章 放大电路基础

4.6.2 多级放大电路性能指标的估算 电 路 与 电
ii

RS
us Ri

ui

第一级

Au1 u o1 ui2

Au2
第二级

uo2 uin

Au1
末级

RL Ro

uo


技 术

uo uo1 uo 2 uo3 uo ? ... Au ? = Au1· Au2 ···Aun ui ui 2 ui3 uin ui
考虑级与级之间的相互影响,计算各级电压放大倍数 时,应把后级的输入电阻为前级的负载处理!!!

Ri = Ri1

Ro = Ron

第4章 放大电路基础

4.6.3 多级放大电路的零点漂移问题

直接耦合时,输入电压为零,但输出电压离开零点, 电 并缓慢地发生不规则变化的现象。

路 与 电

原因:放大器件的参数受温度影响而使 Q 点不稳定。
uI


技 术

放大电路级数愈多, 放大倍数愈高,零点漂 移问题愈严重。

O uO

t

O 零点漂移现象

t

作业:P145题6.1~6.3、6.8、6.9、6.13、6.14



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