第七章交流放大電路 附習題(完整版)

1、第七章 基本交流放大電路 模擬信號是時間的連續(xù)函數(shù)，處理模擬信號的電路稱為模擬電子電路。模擬電子電路中的晶體三極管通常都工作在放大狀態(tài)，它和電路中的其它元件構成各種用途的放大電路。而基本放大電路又是構成各種復雜放大電路和線性集成電路的基本單元。晶體管基本放大電路按結構有共射、共集和共基極三種，本章主要討論第一種放大電路。7.1放大電路基礎放大電路是電子信息處理過程中最常用的電路，它由一級或多級基本放大電路組成，其功能是將電流、電壓或功率信號放大到所需的強度，同時它也是構成各種復雜電路的基礎。本章首先講述放大的概念，三極管的連接方式，基本放大電路的組成，靜態(tài)工作點的概念，分析計算共射放大電路的靜

2、態(tài)、動態(tài)指標。然后討論其他兩種放大電路及其應用，并對三種放大電路進行對比。最后介紹這些放大電路可以組成的派生電路及各種接法的選用。7.1.1放大的概念現(xiàn)代電子信息處理中，需要將微弱電信號（電流、電壓或功率信號）放大到所需的強度。例如收音機、電視機、計算機顯示器和各種測量儀表、自動控制系統(tǒng)等，無一例外地都設計有各種類型的放大電路。所以，放大電路是最基本的常用電路。從本質上講，放大電路是一種能量控制和轉換裝置，放大的過程就是用能量較小的輸入信號控制直流電源能源并轉換成輸出負載上能量較大的信號。負載上信號的變化受輸入信號的控制，而負載上得到較大的信號能量則由直流電源能源獲得。這種小能量控制大能量的過

3、程即為放大。因此，電子電路放大的基本特征是功率放大。能夠控制能量的元件稱為有源元件，因而在放大電路中必須存在有源器件，如晶體三極管和場效應管。放大的前提是不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義。晶體管和場效應管是放大電路的核心元件，只有它們工作在合適的區(qū)域（三極管工作在放大區(qū)、場效應管工作在恒流區(qū)），才能使輸出量和輸入量保持線性關系，即電路才不會產生失真。半導體三極管及相關外圍元件可構成基本放大電路。放大器由一級或多級基本放大電路組成。半導體放大器具有體積小、耗電省、便于集成化等優(yōu)點而在信息處理過程中被廣泛使用。本章節(jié)主要介紹以三極管為核心的放大電路。三極管為三端器件，作為四端網絡時，必定

4、有一個極作為輸入輸出端口的公共端口，按其三個極的連接方式不同而基本放大器可分為三類：（1）若基極、發(fā)射極作為輸入端口，集電極、發(fā)射極作為輸出端口，輸入輸出共用發(fā)射極，則稱為共發(fā)射極放大電路（簡稱共射放大器（圖7-1-1(a)）。（2）若發(fā)射極、基極作為輸入端口，集電極、基極作為輸出端口，輸入輸出共用基極，則稱為共基極放大電路（簡稱共基放大器（圖7-1-1(b)）。（a）共發(fā)射極（b） 共基極（c）共集電極圖7-1-1三極管的三種連接方式（3）若基極、集電極作為輸入端口，發(fā)射極、集電極作為輸出端口，輸入輸出共用集電極，則稱為共集電極放大電路（簡稱共集放大器（圖7-1-1(c)）。以后將學的射極跟

5、隨器即為共集放大器。共射、共集放大器在低頻電子電路中應用較廣泛，而共基放大器則多用于高頻電子電路。以下分別討論三種基本放大電路。7.1.2共發(fā)射極放大電路的組成1.共射放大電路的的組成及各元件的作用共發(fā)射極放大電路的組成如圖7-1-2所示。由圖可見，放大電路由NPN型三極管V和外圍元器件Rb、RC、C1、C2 及基極電源、集電極電源UCC組成。us、Rs是輸入信號源及其內阻，AO為放大電路的輸入端。BO為放大電路的輸出端，外接負載RL。顯然，電路的輸入輸出回路共用三極管的發(fā)射極，是為共發(fā)射極放大電路。iBiC-+-RsRc uoiEc beC1+-ORb-+-C2RL uiUBBUCCus+O

6、ABV圖7-1-2 共發(fā)射極放大電路 + 電路中各元器件作用如下： （1）三極管V , 具有電流放大作用，是放大電路的核心元件。（2），為發(fā)射結提供正向偏置所需要的直流電壓。（3）基極偏置電阻，它和電源一起給基極提供一個合適的基極電流。 （4）集電極直流電源, 它為集電結提供反向偏置電壓，同時為輸出信號提供能量。（5）集電極負載電阻, 它將交變的集電極電流轉變成交變的電壓，從而引起三極管集電極電壓的變化，該電壓就是輸出電壓，經電容C2耦合到負載電阻上。（6）耦合電容C1、C2 , 也稱隔直電容，起隔直流、通交流的作用。低頻情況下，耦合電容一般采用電解電容。使用時應注意其極性，正極接高電位，負極

7、接低電位。（7）圖中符號“”表示接機殼或接底板，常稱“接地”。表示電路的參考零電位。當 =0時，稱放大電路處于靜態(tài)。在輸入回路中基極電源使三極管b-e間電壓大于開啟電壓，并與基極電阻共同決定基極電流；在輸出回路中，集電極電源應足夠高，使三極管的集電極結反向偏置，以保證三極管工作在放大狀態(tài)，因此集電極電流；集電極電阻上的電流等于，因而其電壓為,從而確定了c-e間電壓。當0時，在輸入回路中，必將在靜態(tài)值的基礎上產生一個動態(tài)的基極電流；當然，在輸出回路就等到動態(tài)電流；集電極電阻將集電極電流的變化轉化成電壓的變化，使得管壓降產生變化，管壓降的變化量就是輸出動態(tài)電壓，從而實現(xiàn)了電壓放大。直流電源為輸出提

8、供所需能量。2. 放大電路組成原則 通過對基本共射放大電路的簡單分析可以總結出，組成放大電路應遵循的原則是：（1）必須有直流電源，且電阻取值得當，同時電源的極性必須使發(fā)射結處于正向偏置而集電結處于反向偏置。在沒有外加信號時，應使三極管處于放大狀態(tài)(有合適的靜態(tài)工作電流和工作電壓），稱為合理設置靜態(tài)工作點。正確地設置靜態(tài)工作點可保證輸出信號不產生明顯的非線性失真。（2）輸入信號必須能夠作用于放大管的輸入回路，即輸入回路的接法，應使輸入的變化電壓能產生變化的電流。（3）輸出回路的接法，應產生受控制的，并且盡可能多地流到負載上去。以上組成原則適用于所有的基本放大電路。（4）當負載接入時，必須保證放大

9、管輸出回路的動態(tài)電流（晶體管的 ）能夠作用于負債，從而使負載獲得比輸入信號大得多的信號電流或信號電壓。3. 放大電路的簡化和電壓電流符號的規(guī)定（1）放大電路的簡化圖7-1-2中，若令等于,則電路可省去。因為電源負極接地，所以可只標出其極性和大小而不必畫出電源符號。據此，圖7-1-2可簡為圖7-1-3。這也是電路的習慣畫法。以后將經常采用這種畫法。圖7-1-3所示電路也稱為固定偏置式共射基本放大電路。圖7-1-3 固定偏置式共射放大電路UCC RcC2VTC1+-ui+uo-RLRb（2）放大電路電壓、電流符號的規(guī)定放大電路傳輸?shù)男盘枺话闶墙恢绷骰旌闲盘?。為方便分析，將放大電路的電壓電流符號?/p>

10、如下規(guī)定：大寫字母大寫下標表示直流量，如UCC、等表示直流電壓電流量。小寫字母小寫下標表示交流量，如、等表示交流電壓電流量。小寫字母大寫下標表示交直流電壓電流量（又稱瞬時值），如、等表示瞬時電壓電流量。一般有瞬時值直流量交流量，如 。注意電壓量中雙下標的含義，它代表電壓的極性。例如代表基極對發(fā)射極的瞬時電壓，代表集電極對發(fā)射極的交流電壓等等，不可混淆。7.1.3 直流通路和交流通路如上所述，放大電路中傳輸?shù)氖撬矔r量，電路中既有直流信號又有交流信號。根據疊加原理，分析電路時可將直流信號和交流信號的傳輸過程分別予以考慮。由此，電路可分為直流通路和交流通路。1. 直流通路所謂直流通路是指輸入信號ui

11、=0時，在直流電源作用下，直流電流所流過的路徑。UCEQRcICQUCC（a）直流通路RbIBQUBEQIEQ+-ibicui-+-RbRc RL uoc beii+ui（b） 交流通路io 圖7-1-4共射放大電路的直流通路和交流通路畫直流通路時，電路中電容開路，電感短路，直流電源保留。如圖7-1-4(a)所示。直流通路中分析直流工作狀態(tài)（即確定放大電路的工作狀態(tài)），即為直流分析，目的確定三極管工作在放大區(qū)的中間。2. 交流通路（交流等效電路）交流通路也稱交流等效電路。所謂交流通路是在輸入信號的作用下，只有交流電流流過的路徑。畫交流通路時，電路中耦合電容短路，直流電源對地（只考慮交流時直流電

12、源內阻很小，可以忽略）。共射放大電路的交流通路如圖7-1-4(b)所示。交流通路中主要求出放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等性能指標，稱為交流分析，又稱動態(tài)分析。這些動態(tài)指標是設計放大電路的根本目的。7.1.4分析放大電路的方法 分析計算放大電路時，首先要計算電路的靜態(tài)直流工作點（簡稱Q點）。工程估算法是最簡單實用的方法。根據三極管的直流特性與電路結構，使用電路分析理論可以方便地求出三極管的靜態(tài)工作點、和。估算法中一般（硅管）取0.7V。據此，可知三極管是否處于合適的工作狀態(tài)即放大狀態(tài)。當然，也可以在三極管特征曲線上用作圖的方法求出三極管的靜態(tài)直流工作點，此即圖解法。圖解法的優(yōu)點是三

13、極管的電流、電壓之間關系明確，物理意義清楚。下節(jié)將詳講圖解法。 共射放大電路主要用于放大交流信號，基于電路的交流通路，使用圖解法和小信號等效電路法（又稱微變等效電路法）可以計算諸如電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等相關的交流指標。圖解法可清晰地知道電路中各點的交流波形，判斷電路輸出是否失真等。方法簡單明了，物理意義清楚。缺點是誤差較大，適用于大信號電路分析，例如功率放大電路。由于放大電路放大的多為小信號，所以小信號等效電路法可以精確計算有關交流指標，是常用方法之一。缺點是計算稍嫌復雜，物理意義不是很清晰。兩種方法各有千秋，讀者應根據需要而熟練掌握之。一、放大電路的靜態(tài)分析放大電路的核心器件是具

14、有放大作用的三極管。要保證三極管工作在放大區(qū)，使信號得到不失真地放大，其直流工作狀態(tài)有一定的要求，即保證發(fā)射結正向偏置、集電結反向偏置。如何根據放大電路計算出直流工作狀態(tài)，或者說如何改變電路的參數(shù)保證三極管工作在放大區(qū)，是本節(jié)討論的主要問題。當=0時，在直流電源、和共同作用下，流過三極管的基極電流和基極電壓、集電極電流和集電極電壓來確定值、和，稱之為三極管的直流工作點（又稱靜態(tài)工作點quiescent point），簡稱Q點。它是保證電路能工作在放大狀態(tài)的初始條件。正確設置靜態(tài)工作點可保證放大電路處于放大狀態(tài)且輸出信號無明顯的由三極管PN結非線性產生的失真（非線性失真）。通過靜態(tài)工作點的計算，

15、可判斷電路是否處于所需的放大（或其他）狀態(tài)。它既可以通過解析的方法求出，也可以通過作圖的方法求出。圖解法形象直觀，是對放大電路進行定性分析，有助于理解放大電路；工程估算法（解析法）邏輯清晰，是對放大電路進行定量分析，可以得到放大電路的具體參數(shù)。1. 設置靜態(tài)工作點的必要性既然放大電路要放大的對象是變化的動態(tài)信號，那為什么要設置靜態(tài)工作點呢？為了假設這一點，不防將圖7-1-2中基極電源去掉，只有電源工作。靜態(tài)時=0，即輸入端A與C短路，必然得出=0、=0、=的結論，因而三極管處于截止狀態(tài)。當輸入電壓0時，若其峰值小于b-e間開啟電壓，則信號在整個周期內三極管始終處于截止狀態(tài)，因而毫無變化，輸出電

16、壓為零；即使的幅值足夠大，三極管也只能在信號正半周期大于的時間間隔內導通，所以輸出電壓必然嚴重失真。2. 靜態(tài)工作點的工程估算法（解析法） 工程估算法是估算靜態(tài)工作點最簡單實用的方法。根據直流通路，由電路結構與三極管的直流特性，使用電路分析理論可方便地求出三極管的靜態(tài)工作點UBEQ、IBQ、ICQ和UCEQ。估算法中一般取UBEQ0.7V。UCEQRcUCCRbIBQUBEQIEQ圖7-1-5 例7.1-1圖ICQ+-例7.1-1電路如圖7-1-3，Rb=470k, Rc=5.6 k, UCC=20V。求三極管靜態(tài)工作點UBEQ、IBQ、ICQ和UCEQ。設 = 50，UBEQ0.7V。解：去

17、掉C1、C2 , 保留UCC， 電路的直流通路如圖7.1.5 所示。 因為 ： UBEQ0.7V 所以有： 綜上所述，可以總結共射放大電路估算靜態(tài)工作點的步驟：首先可求出基極回路靜態(tài)時的基極電流IBQ： （7.1-1） 由于三極管導通時，UBE變化很小，可視為常數(shù)，一般 當UCC、Rb已知，則由（7.1-1）式可求出IBQ。根據三極管各極的電流關系，可求出靜態(tài)工作點的集電極電流ICQ。 （7.1-2）再根據集電極輸出回路可求出UCEQ （7.1-3）至此，靜態(tài)工作點的電流、電壓都已估算出來。通常當UCEQ=(1/2)UCC可以大致認為靜態(tài)工作點較為合適（請思考為什么？）。3. 圖解法確定靜態(tài)工

18、作點三極管電流、電壓關系可用其輸入特性(input characteristics)和輸出特性(output characteristics)曲線來表示。圖解法(graphical method)就是在特性曲線上直接用作圖的方法來確定靜態(tài)工作點。仍然以圖7-1-3為例，同工程估算法一樣，使用圖解法時也應畫出電路的直流通路如圖7-1-5，然后再確定靜態(tài)工作點。用圖解法求靜態(tài)工作點時，一般將直流通路分為三極管V和V以外兩部分。靜態(tài)工作點UBEQ、IBQ、ICQ和UCEQ為四個未知量，需建立四元方程組求解。在輸入端可建立二元方程組如下： 同理，在輸出端也可建立如下二元方程組 在三極管輸入輸出特征曲線

19、上,使用作圖法求解上述方程,可求得靜態(tài)工作點的四個量,具體方法如下：a) 設UBEQ0.7V，則在三極管輸入特征曲線圖的橫坐標上可確定一點UBEQ=0.7V，過該點作垂線交特征曲線于Q點，取Q點縱坐標即為IBQ，如圖7-1-6 (a) 所示。b) 直流通路的輸出回路中，由KVL得知： （7.1-4） 這是一直線方程，先令UCE0，可得 （7.1-5）再令IC =0，又可得 （7.1-6）（b）iC/mA1234iB= 80A60iB=iBQ200O4681012142Q UCEQNM，UCC圖 7-1-6 圖解法求靜態(tài)工作點（a）ICQUBEQuBEOQIBQiBuCE/Vc) 在輸出特征曲線

20、圖的橫坐標上確定一M點使uCEUCC，縱坐標上確定另一N點使，過此二點作直線MN，MN與iB=IBQ的曲線交Q點，Q點的橫坐標UCEQ和縱坐標ICQ即為所求 (見圖7-1-6 (b) 。例7.1-2 電路如圖7-1-7，用圖解法求靜態(tài)工作點。解：由例7.1-1計算可知： IBQ40 A ， 三極管輸出特征曲線如圖7-1-8所示。令式（7.1-4）中的UCC20V, RC=5.6K。按上述第（c）步方法，分別求得點M（20V，0）和點N（0，3.6mA)。在輸出特征曲線圖中標出M、N點，連接直線MN，MN與IBQ40A的曲線相交于Q點，Q點的橫坐標為（9V，0），縱坐標為（0，2mA)，見圖7-

21、1-8。 所以靜態(tài)工作點分別為：UCEQ9V , ICQ =2 mA ; UBEQ0.7V， IBQ40 A 。圖7-1-8中的Q點即靜態(tài)工作點，有時也簡稱靜態(tài)工作點為Q點。經計算，直線MN的斜率為： 圖7-1-7例7.1-2電路圖C2VC1+-ui+uo-RLRb470kIC+UCC(20V)RC5.6kiC/mAuCE/V1234168912iB= 80A60iB=40A2003.6O20Q UCEQNM 圖7-1-8 由輸出特征曲線求Q點ICQ 4 （7.1-7） 一般稱RC為三極管集電極直流負載電阻，MN為直流負載線。直流負載線MN僅表示放大器輸出回路中各直流量間的關系，其斜率k僅取決

22、于RC。顯然，改變RC就改變了斜率k，也就改變了靜態(tài)工作點Q點。因此改變RC可改變靜態(tài)工作點Q。實用中如果需要調整靜態(tài)工作點，大多使用調整RB的方法改變IBQ，從而改變ICQ和UCEQ來調整靜態(tài)工作點。當然改變UCC也可以用來改變靜態(tài)工作點。4. 電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響靜態(tài)工作點的位置對放大電路的性能十分重要，它對放大電路的性能有很大影響，而靜態(tài)工作點與電路參數(shù)有關。下面分析電路參數(shù)Rb、Rc、UCC對靜態(tài)工作點的影響，為調試電路給出理論指導。（1） Rb對Q點的影響 iC N UCC2UCC Q Q2 IBQ Q1 UCC1UCC CE0 M (c) UCC變化對Q點的影響 iCN Q2

23、 Rb2Rb Q1 IBQ1 uCE0 M (a) Rb變化對Q點的影響 iCN RcRc2 Q1 Q Q2 IBQ Rcrbe，于是rirbe。有時只考慮be間的輸入電阻ri，則ri rbe。 （c）輸出電阻ro 輸出電阻ro是指ui=0，輸出端開路，即時，從負載RL處向左看進去的電阻，顯然： （7.1-20） 例7.1-4 在圖7-1-20所示電路中，設Rb560k， RC3k，RL3k，C1C220F，UCC+12V，UBEQ 0.7V，100，。求： （1）靜態(tài)工作點參數(shù)IBQ 、ICQ、UCEQ的值； （2）計算動態(tài)指標Au、ri、ro的值； （3）若斷開RL（空載），再求Au。 解

24、：（1）求靜態(tài)工作點參數(shù)RC3 kC2VC1+-ui+uo-RL3 kRb560kIC圖7-1-20 例7.1-4圖+UCC (12V)（2）計算動態(tài)指標 因為 RL= RC /RL=3/3=1.5k所以電路的交流微變等效圖如圖7.1.19所示，三極管輸入電阻=1600電壓放大倍數(shù) 輸入電阻 ri = Rb/rce1.6 k輸出電阻 ro RC = 3k空載時 RLRC3k 式中Aut為空載電壓放大倍數(shù)。由式可見，空載電壓放大倍數(shù)的值大于有負載時電壓放大倍數(shù)的值。這是由于放大電路存在輸出電阻ro的原故。這也與圖解法的結論一致。綜上所述，微變等效電路分析方法的優(yōu)點是，電路在小信號工作情況下，能使用電路分析理論較精確地計算電路的某些性能指標。在分析計算比較復雜的電路時，大多采用微變等效電路分析方法。其缺點是不能從計算結果看出電路的非線性失真。因此在大信號工作情況下以及需要討論電路輸出幅度和波形失真時，如功率放大器電路，一般使用圖解法。7.2放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定7.2.1 射極偏置電路如前所述，半導體器件是溫度敏感器件。實驗表明，當溫度變化時，三極管的ICBO、UBE和都會變化，例如溫度每升高10，ICBO約增加一倍，UBE降低約25mV，溫度每升高1，相對值增加（0.51.0）。由于UBE和變化，將使得放大