第五章 基本放大電路

第5章基本放大電路5.1

晶體管單管放大電路5.2工作點(diǎn)的穩(wěn)定的放大電路5.3射極輸出器5.4多級(jí)放大電路5.5

差動(dòng)放大電路5.6互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路5.1.1

共發(fā)射極放大電路的組成電路中各元件的作用如下：C1RS+ui

RCRB+UCCC2RL+es

+uo

++iB+uBE

iC+uCE

VT

晶體管VT

晶體管是放大元件，利用它的電流放大作用，在集電極電路獲得放大了的電流iC，該電流受輸入信號(hào)的控制。集電極電源電壓UCC電源電壓UCC除為輸出信號(hào)提供能量外，它還保證集電結(jié)處于反向偏置，以使晶體管具有放大作用。共發(fā)射極放大電路5.1晶體管單管放大電路

集電極負(fù)載電阻RC

集電極負(fù)載電阻簡稱集電極電阻，它主要是將電流的變化變換為電壓的變化，以實(shí)現(xiàn)電壓放大。

偏置電阻RB

它的作用是提供大小適當(dāng)?shù)幕鶚O電流，以使放大電路獲得合適的工作點(diǎn)，并使發(fā)射結(jié)處于正向偏置。

耦合電容C1和C2

它們一方面起到隔直作用，C1用來隔斷放大電路與信號(hào)源之間的直流通路，而C2用來隔斷放大電路與負(fù)載之間的直流通路，使三者之間無直流聯(lián)系互不影響。另一方面又起到交流耦合的作用，其電容值應(yīng)足夠大，以保證在一定的頻率范圍內(nèi)，耦合電容上的交流壓降小到可以忽略不計(jì)，即對(duì)交流信號(hào)可視為短路。5.1.2共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)分析

放大電路沒有輸入信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)分析是要確定放大電路的靜態(tài)值(直流值)

IB，

IC

，

UBE和UCE。1.用放大電路的直流通路確定靜態(tài)值

可用右圖所示的直流通路來計(jì)算靜態(tài)值RCRB+UCCIB+UBE

IC+UCE

T

硅管的UBE約為0.6V，比UCC小得多，可以忽略不計(jì)。直流通路[例1]

在共發(fā)射極基本交流放大電路中，已知UCC=12V，RC=4k

，RB=300k

，，試求放大電路的靜態(tài)值。[解]2.用圖解法確定靜態(tài)值根據(jù)可得出：

在晶體管的輸出特性曲線組上作出一直線，它稱為直流負(fù)載線，與晶體管的某條(由IB確定)輸出特性曲線的交點(diǎn)

Q稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，由它確定放大電路的電壓和電流的靜態(tài)值。

基極電流IB的大小不同，靜態(tài)工作點(diǎn)在負(fù)載線上的位置也就不同，改變IB的大小，可以得到合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，IB稱為偏置電流，簡稱偏流。通常是改變RB的阻值來調(diào)整IB的大小。OIB

=0μA20μA40μA60μA80μA123UCCRCN24681012UCCMQ直流負(fù)載線圖解過程:IC

/mAUCE

/VQ1Q2[例2]在共發(fā)射極基本交流放大電路中，已知UCC=12V，RC=4k

，RB=300k

，晶體管的輸出特性曲線如上圖。(1)作出直流負(fù)載線，(2)求靜態(tài)值。[解]

(1)

由IC=0時(shí)，UCE=UCC=12V，和UCE=0時(shí)，可作出直流負(fù)載線(2)

由得出靜態(tài)工作點(diǎn)Q，靜態(tài)值為OIB

=0μA20μA40μA60μA80μA1231.524681012MQ靜態(tài)工作點(diǎn)求得靜態(tài)值為:IB=40

A，IC=1.5mA,UCE=6VIC

/mAUCE

/V5.1.3共發(fā)射極放大電路的動(dòng)態(tài)分析

放大電路有輸入信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)，動(dòng)態(tài)分析是在靜態(tài)值確定后，分析信號(hào)的傳輸情況，確定放大電路的電壓放大倍數(shù)Au

，輸入電阻ri和輸入電阻ro1.微變等效電路法

晶體管在小信號(hào)(微變量)情況下工作時(shí)，可以在靜態(tài)工作點(diǎn)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(gè)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(gè)線性電路。(1)

晶體管的微變等效電路OIB

UBE

UCEIB

Q

IB

UBE

在晶體管的輸入特性曲線上，將工作點(diǎn)Q

附近的工作段近似地看成直線，當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí)，

UBE與

IB之比稱為晶體管的輸入電阻，在小信號(hào)的條件下，rbe是一常數(shù)，由它確定ube和ib之間的關(guān)系。因此，晶體管的輸入電路可用rbe等效代替。低頻小功率晶體管輸入電阻的常用下式估算Rbe是對(duì)交流而言的一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。QIC

UCE

IB

ICICUCE

晶體管輸出特性曲線的線性工作區(qū)是一組近似等距離的平行直線，當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí)，

IC與

IB之比即為晶體管的電流放大系數(shù)，在小信號(hào)的條件下，

是一常數(shù)，由它確定ic受ib的控制關(guān)系。因此，晶體管的輸出電路可用一受控電流源ic=

ib等效代替。QIC

UCE

IB

ICIC

UCEUCE

晶體管的輸出特性曲線不完全與橫軸平行，當(dāng)IB為常數(shù)時(shí)，

UCE與

IC之比

稱為晶體管的輸出電阻，在小信號(hào)的條件下，rce也是一常數(shù)，在等效電路中與

ib并聯(lián)，由于rce的阻值很高，可以將其看成開路。由以上分析可得出晶體管的微變等效電路EBCrceicrbe

ib

ib+uce

+ube

CBE+ube

+uce

icibT(2)

放大電路的微變等效電路

先畫出下圖所示放大電路的交流通路，對(duì)交流分量而言，電容可視作短路；一般直流電源的內(nèi)阻很小，可忽略不計(jì)，對(duì)交流講直流電源也可以認(rèn)為是短路的。將交流通路中的三極管用其微變等效電路來代替，即得到放大電路的微變等效電路。

C1RS+ui

RCRB+UCCC2RL+es

+uo

++iBiCT基本放大電路+ube

TRCiiibicRLRSRBEBC+ui

+es

+uo

+uce

交流通路基本放大電路的微變等效電路rbe

EBCRCRLRBRSiiib+ui

+es

+uo

ui=

ubeuo=

uceic

ib當(dāng)輸入的是正弦信號(hào)時(shí)，各電壓和電流都可用相量表示。(3)

電壓放大倍數(shù)的計(jì)算rbe

EBCRCRLRBRS+

+

+

由上圖可列出故放大電路的電壓放大倍數(shù)當(dāng)放大電路輸出端開路(未接RL)時(shí)比接RL時(shí)高，可見RL越小，電壓放大倍數(shù)越低。式中[例3]

在共發(fā)射極基本交流放大電路中，已知UCC=12V，RC=4k

，RB=300k

，，試求電壓放大倍數(shù)Au。[解]

在例1中已求出(4)

放大電路輸入電阻的計(jì)算如果放大電路的輸入電阻較?。旱谝?，將從信號(hào)源取用較大的電流，從而增加信號(hào)源的負(fù)擔(dān)；第二，經(jīng)過內(nèi)阻Rs和ri的分壓，使實(shí)際加到放大電路的輸入電壓Ui減小，從而減小輸出電壓；第三，后級(jí)放大電路的輸入電阻，就是前級(jí)放大電路的負(fù)載電阻，從而將會(huì)降低前級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)。因此，通常希望放大電路的輸入電阻能高一些。

放大電路對(duì)信號(hào)源(或?qū)η凹?jí)放大電路)來說，是一個(gè)負(fù)載，可用一個(gè)電阻來等效代替。這個(gè)電阻是信號(hào)源的負(fù)載電阻，也就是放大電路的輸入電阻ri，即它是對(duì)交流信號(hào)而言的一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。以共發(fā)射極基本放大電路為例，其輸入電阻為共發(fā)射極基本放大電路的輸入電阻基本上等于晶體管的輸入電阻，是不高的。注意：ri與rbe意義不同不能混淆。(5)

放大電路輸出電阻的計(jì)算

如果放大電路的輸出電阻較大(相當(dāng)于信號(hào)源的內(nèi)阻較大)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓的變化較大，也就是放大電路帶負(fù)載的能力較差。因此，通常希望放大電路輸出級(jí)的輸出電阻低一些。

放大電路對(duì)負(fù)載(或?qū)蠹?jí)放大電路)來說，是一個(gè)信號(hào)源，其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻ro，它也是一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。

放大電路的輸出電阻可在信號(hào)源短路()，和輸出端開路的條件下求得。從基本放大電路的微變等效電路看，當(dāng)，電流源相當(dāng)于開路，故2.圖解法RC一般為幾千歐，因此，共發(fā)射極放大電路的輸出電阻較高。

首先在輸入特性上作圖，由輸入信號(hào)ui確定基極電流的變化量ib，再在輸出特性上作圖，得到交流分量ic和uce即(uo)。由圖解分析可得出:(1)交流信號(hào)的傳輸情況：OuBE/VQ1QQ2604020OO6040200.580.60.62UBEttiB/

A在輸入特性上作圖(ui)uBE/ViB/

AIB(ib)OIB=40

A2060803Q1.5612N0MtOOQ22.250.752.251.50.75IC39369交流負(fù)載線Q1接負(fù)載后，Uom減小,Au下降。tQ1Q2空載輸出電壓iC

/mAuCE/VuCE/ViC

/mA(ic)UCEuo=

uce(2)電壓和電流都含有直流分量和交流分量，即(3)輸入信號(hào)電壓ui和輸出電壓uo相位相反。

此外，還要求放大電路輸出信號(hào)盡可能不失真，所謂失真,是指輸出信號(hào)的波形不像輸入信號(hào)的波形。引起失真最常見的原因是由于靜態(tài)工作點(diǎn)不合適或者信號(hào)太大，使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍。這種通常稱為非線性失真。OQ15ibOttOuBE/ViB/mAuBE/ViB/mA(a)

工作點(diǎn)偏低引起ib失真①工作點(diǎn)偏低引起截止失真(ui)OIB=5μA20608031.5612tOOQ

2.250.752.251.50.7539400(b)工作點(diǎn)偏低引起

ic、uce

(uo)失真0.250.25正半周變平t截止失真uo波形iC

/mAuCE/VuCE/ViC

/mA(iC)uo=

uceO20A40A80A123IB=0QtOO②

靜態(tài)工作點(diǎn)偏高引起飽和失真iC正半周被削平

IB=60

A

uo波形tuce負(fù)半周被削平飽和失真iC

/mAuCE/VuCE/ViC

/mAuo=

uceib(不失真）5.2工作點(diǎn)的穩(wěn)定放大電路

放大電路不僅要有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，而且要保持靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。由于某種原因，例如溫度的變化，將使集電極電流的靜態(tài)值IC發(fā)生變化，從而影響靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。上一節(jié)所討論的基本放大電路偏置電流

當(dāng)RB一經(jīng)選定后，IB也就固定不變，這種稱為固定偏置放大電路，它不能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。為此，常采用分壓式偏置放大電路。+UCCRCC1C2TRLRE+CE++RB1RB2RS+ui

+es

+uo

iBiC+uCE

+uBE

分壓式偏置放大電路+UCCRCTRERB1RB2IBIC+UCE

+UBE

I1I2IE直流通路由直流通路可列出若使則基極電位可認(rèn)為VB與晶體管的參數(shù)無關(guān)，不受溫度影響，而僅為RB1和RB2的分壓電路所固定。若使則

因此，只要滿足和兩個(gè)條件，VB和IE或IC就與晶體管的參數(shù)幾乎無關(guān)，不受溫度變化的影響，使靜態(tài)工作點(diǎn)能得以基本穩(wěn)定。對(duì)硅管而言，在估算時(shí)一般可取I2=(5~10)

IB和VB=(5~10)UBE。

這種電路穩(wěn)定工作點(diǎn)的實(shí)質(zhì)是：當(dāng)溫度升高引起IC增大時(shí)，發(fā)射極電阻RE上的壓降增大，使UBE減小，從而使IB減小，以限制IC的增大，工作點(diǎn)得以穩(wěn)定。

電容CE的作用是使交流旁路，防止RE上產(chǎn)生交流壓降降低電壓放大倍數(shù)，CE稱為交流旁路電容。

[例1]

在分壓式偏置放大電路中，已知UCC=12V，RC=2k

，RE=2k

，RB1=20k

，RB2=10k

，RL=6k

，晶體管的。(1)試求靜態(tài)值；(2)畫出微變等效電路；(3)計(jì)算該電路的Au，ri和ro

。[解](1)(2)rbe

EBCRCRLRB2RS+

+

+

RB1(3)5.3射極輸出器射極輸出器是從發(fā)射極輸出。在接法上是一個(gè)共集電極電路。5.3.1靜態(tài)分析RERB+UCCIB+UBE

+UCE

TICIE直流通路C1RS+ui

RERB+UCCC2RL+es

+uo

++iB+uBE

iE+uCE

T射極輸出器用直流通路確定靜態(tài)值：5.3.2動(dòng)態(tài)分析由射極輸出器的微變等效電路可得出1.電壓放大倍數(shù)式中rbe

EBRERLRBRS+

+

+

C2.輸入電阻射極輸出器的輸入電阻很高。3.輸出電阻rbe

EBRERBRS+

計(jì)算ro的等效電路C

可用右圖計(jì)算輸出電阻，將信號(hào)源短路，保留其內(nèi)阻RS，RS與

RB并聯(lián)后的等效電阻為

。在輸出端將RL取去，外加一交流電壓

，產(chǎn)生電流

。因rbe<<(1+

)RL，故，兩者同相，大小基本相等，但Uo略小于Ui，即接近1，但恒小于1。通常故例如，

=40，rbe=0.8k，RS=50，RB=120k，由此得可見射極輸出器的輸出電阻是很低的。

射極輸出器的主要特點(diǎn)是：電壓放大倍數(shù)接近1；輸入電阻高；輸出電阻低。因此，它常被用作多級(jí)放大電路的輸入級(jí)或輸出級(jí)。

[例1]

用射極輸出器和分壓式偏置放大電路組成兩級(jí)放大電路，如下圖所示。已知：UCC=12V，

1=60，RB1=200k

，RE1=2k

，RS=100

。后級(jí)的數(shù)據(jù)同例15.3.1，即RC2=2k

，RE2=2k

，R

B1=20k

，R

B2=10k

，RL=6k

，

2=37.5，試求：(1)前后級(jí)放大電路的靜態(tài)值；(2)放大電路的輸入電阻ri和輸出電阻ro；(3)各級(jí)電壓放大倍數(shù)Au1，Au2及兩級(jí)電壓放大倍數(shù)Au。

[解]

由于電容有隔直作用，各級(jí)放大電路的靜態(tài)值可以單獨(dú)考慮。同時(shí)耦合電容上的交流壓降可以忽略不計(jì)，使前級(jí)輸出信號(hào)電壓差不多無損失地傳送到后級(jí)輸入端。5.4多級(jí)放大電路由單級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成。其耦合形式的阻容耦合,變壓器耦合和直接耦合等。C1RSRE1RB1C2+es

++T1+UCCRC2C3T2RLRE2+CE2+R

B1R

B2(1)

前級(jí)靜態(tài)值為后級(jí)靜態(tài)值同例1，即(2)放大電路的輸入電阻式中為前級(jí)的負(fù)載電阻，其中ri2為后級(jí)的輸入電阻，已在15.3節(jié)例1中求得，ri2=0.79k

，于是輸出電阻(3)

計(jì)算電壓放大倍數(shù)前級(jí)后級(jí)(見例1)兩級(jí)電壓放大倍數(shù)5.5

差分放大電路T1T2RCRB+UCC+ui1

iBiCRCRB+ui2

iBiCRPREEEiEiE+uO

差分放大電路用兩個(gè)晶體管組成，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，在理想情況下，兩管的特性及對(duì)應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相同，因此，兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)也必然相同。5.5.1

靜態(tài)分析在靜態(tài)時(shí)，ui1=ui2=0，則IC1=IC2

，VC1=VC2

，故輸出電壓

uO=VC1

VC2=0

差分放大電路的優(yōu)點(diǎn)是具有抑制零點(diǎn)漂移的能力。什么是零點(diǎn)漂移？一個(gè)理想的放大電路，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，其輸出電壓應(yīng)保持不變(不一定是零)。但實(shí)際上，主要由于環(huán)境溫度的變化，輸出電壓并不保持恒定，而在緩慢地、無規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移(或稱零漂)，它影響放大電路的工作。

對(duì)差分放大電路，由于電路的對(duì)稱性，當(dāng)溫度變化時(shí)，兩邊的變化量相等，即

IC1=

IC2

，

VC1=

VC2

雖然每個(gè)管子都產(chǎn)生了零點(diǎn)漂移，但是，由于兩集電極電位的變化是互相抵消的，所以輸出電壓依然為零，即

uO=VC1+

VC1

(VC2+

VC2)

=

VC1

VC2=0零點(diǎn)漂移完全被抑制了。電位器RP起調(diào)零作用，因?yàn)殡娐凡豢赡芡耆珜?duì)稱，靜態(tài)時(shí)輸出電壓不一定等于零，可通過調(diào)節(jié)RP使靜態(tài)輸出電壓為零。

在靜態(tài)時(shí)，設(shè)IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC，忽略阻值很小的RP可列出上式中前兩項(xiàng)較第三項(xiàng)小得多，可略去，則每管的集電極電流發(fā)射極電位VE

0每管的基極電流每管的集—射極電壓

接入RE是為了穩(wěn)定和獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，負(fù)電源EE用來抵償RE上的直流壓降。5.5.2

動(dòng)態(tài)分析1.共模輸入兩個(gè)輸入信號(hào)電壓的大小相等，極性相同，即ui1=ui2

，這樣的輸入稱為共模輸入。在共模輸入信號(hào)的作用下，若電路完全對(duì)稱時(shí)，兩管集電極電位的變化相同，因而，輸出電壓等于零，所以對(duì)共模信號(hào)沒有放大能力，亦即放大倍數(shù)為零。2.差模輸入兩個(gè)輸入電壓的大小相等，而極性相反，即ui1=

ui2

，這樣的輸入稱為差模輸入。設(shè)ui1>0，ui2<0，則

IC1>0，

IC2<0，

VC1<0，

VC2>0。故uO=

VC1

VC2可見，在差模輸入時(shí)，輸出電壓為兩管各自輸出電壓變化量的兩倍。T1RCibic+ui1

+uo1

RB單管差模信號(hào)通路

由于差模信號(hào)使兩管的集電極電流一增一減，其變化量相等，通過RE的電流近于不變，RE上沒有差模信號(hào)壓降，故RE對(duì)差模信號(hào)不起作用，可得出下圖所示的單管差模信號(hào)通路。單管差模電壓放大倍數(shù)同理可得雙端輸出電壓為雙端輸入—雙端輸出差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為當(dāng)在兩管的集電極之間接入負(fù)載電阻時(shí)式中兩輸入端之間的差模輸入電阻為兩集電極之間的差模輸出電阻為

[例1]

在前圖所示的差分放大電路中，已知UCC=12V，EE=12V，

=50，RC=10k

，RE=10k

，RB=20k

，RP=100

，并在輸出端接負(fù)載電阻RL=20k

，試求電路的靜態(tài)值和差模電壓放大倍數(shù)。[解]式中3.比較輸入

兩個(gè)輸入信號(hào)電壓既非共模，又非差模，它們的大小和相對(duì)極性是任意的，這種輸入常作為比較放大來運(yùn)用。差值電壓(ui1

ui2

)經(jīng)放大后，輸出電壓為

為了便于分析，可將這種信號(hào)分解為共模分量和差模分量，例如ui1=10mV=2mV+8mVui2=6mV=2mV

8mV其中，2mV

是共模分量，8mV

和(

8mV)是差模分量。為了全面衡量差分放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力，通常引用共模抑制比KCMRR來表征其值越大越好。5.6互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路5.6.1對(duì)功率放大電路的基本要求在多級(jí)放大電路的末級(jí)或末前級(jí)是功率放大級(jí)，對(duì)功率放大電路的基本要求是：

(1)

在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。