2.1 放大器的組成及工作原理

●

什么是放大?●

組成放大電路的原則是什么?●

晶體管的三種基本放大電路各有何特點(diǎn)?●

場效應(yīng)管放大電路與晶體管放大電路有何不同之處?●

在不同場合下，應(yīng)如何選用基本放大電路?第二章

放大器基礎(chǔ)§2.1放大器的組成及工作原理1.

放大器的功能及組成一、放大的概念：聲音

放大電路

聲

音話

簡

揚(yáng)聲器圖2.1.1

擴(kuò)音機(jī)示意圖由分析可知：放大電路的放大本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換放

大：在輸入信號作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)載從電源獲得的能量大于信號源所提供的能量。因

此，電子電路放大的基本特征是功率放大，即負(fù)載上總是獲得比輸入信號大得多的電壓或電流，有時兼而有之。這樣在放大電路中必須存在能

夠控制能量的元件，即有源元件。如晶體管和場效應(yīng)管等。二、放大器的功能：放大器的主要功能是放大信號，即將微弱的電信號(電壓、電流或功率)通過電子器件的控制作用，將直流電源功率轉(zhuǎn)換成一定幅度

的、隨輸入信號變化的輸出信號。直流電源及相應(yīng)的偏置電路圖2.1.2放大器的基本組成輸入信號源RsVs三、放大器的組成：半導(dǎo)體器件輸出負(fù)載RL圖2.1.2'共發(fā)射極基本放大器2共發(fā)射極放大器組成：晶體管、基極直流電源V、基極電阻Rg、集電極直流電源Vc、集電極電阻Rc、耦合電容C。工作原理：輸入回路加入信號AV,時，VB變?yōu)閂g+AV/,Ig

變?yōu)镮g+AIg;通過晶體管將基極電流放大h

倍，Ic變?yōu)镮c+∠Ic,V?變?yōu)閂?+AV?;只要適當(dāng)?shù)倪x取Rc的大小，就可以使AV?比

AV;大很多倍電容C是耦合電容并起隔直作用。所以在

輸出端只存在變化的電

壓AV。結(jié)論：在輸入回路加入一個能量微小的信號，通過基極電流的改變量去控制集電極電流，從而將直流電源Vcc

所提供的能量轉(zhuǎn)化為與輸入

信號變化規(guī)律相同而能量較大的輸出信號傳給負(fù)載。圖2.1.2'共發(fā)射極基本放大器△V?3

放大器的性能指標(biāo)任何一個放大電路均可表示為有源線性四端網(wǎng)絡(luò)。左邊為輸入端口。當(dāng)內(nèi)阻為Rs的正弦波信號源Vs作用時，放大電路得到輸入電壓V,

同時產(chǎn)生輸入電流I。右邊為輸出端口，輸出電壓V。,

同時產(chǎn)生輸出電流I

。,R?為負(fù)載電阻。圖2.1.4

放大器的雙口網(wǎng)絡(luò)模型一、放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)：

電流放大倍數(shù)：

電流對電壓放大倍數(shù)：

電壓對電流放大倍數(shù)：

二、輸入電阻RR是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。

R,不是一個實(shí)際電阻，而是一個等效的視在電阻。對信號源而言，

R可視為它的負(fù)載。三

、輸出電阻R。從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效內(nèi)阻稱為輸出電阻。圖2.1.5

放大器示意圖輸出電阻R。的求法：在放大器輸入端施加一正弦信號電壓，在放大不失真的情況下，分別測出負(fù)載開路的輸出電壓和帶上負(fù)載的輸出電壓，可求得輸出電阻。具體求法如下。未接負(fù)載時測得輸出電壓：V。=V。接入負(fù)載時測得輸出電壓：V。

并有回路電流R。越小，負(fù)載電阻變化時輸出電壓的變化越小。稱為放大電路

的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。圖2.1.6

放大器的輸出等效電路圖2.1.7

兩個放大器相連接的等效電路當(dāng)兩個放大電路互相連接時，放大電路Ⅱ的輸入電阻R。是放大電路I

的輸出電阻，而放大電路

I

可看成放大電路Ⅱ的信號源；

內(nèi)阻就是放大

電路

I

輸出電阻R。。

因此，輸入電阻和輸出電阻均會直接影響或間接地

影響放大電路的放大能力。輸入電阻與輸出電阻是描述電子電路在相互連接時所產(chǎn)生的影響而引入的參數(shù)。如圖2.1.7所示。四、通頻帶通頻帶用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。圖2.1.8所示為某放大電路放大倍數(shù)的數(shù)值與信號頻率的關(guān)系曲線。下限截止頻率f,;上限截止頻率fμ。通頻帶(中頻帶)fgw。通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率的適應(yīng)能力越強(qiáng)。圖2.1.8

放大器的幅頻特性五、非線性失真系數(shù)非線性失真系數(shù)是衡量放大器非線性失真程度的指標(biāo)。用作圖的方法定量的分析放大器的基本性能稱為放大器的圖解分析法。重要特點(diǎn)：交流和直流共存于電路之中。放大器的圖解分析法：1、先找出直流分量(確定靜態(tài)工作點(diǎn))。2、

確定交流分量(給出各電流、電壓波形)。在分析放大電路時，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，求解靜態(tài)工作點(diǎn)時應(yīng)利用直流通路，

求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)利用交流通路。

兩種通路

切不可混淆。§2.2

放大器的圖解分析法1.直流通路和交流通路對放大器進(jìn)行分析時，可分成直流通路和交流通路。直流通路是在直流電源作用下直流電流流經(jīng)的路徑。直流通路可確定出晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。對于直流通路：1、

電容視為開路；2、

電感線圈視為短路，即忽略線圈電阻；3、信號源視為短路，但應(yīng)保留其內(nèi)阻。交流通路是在輸入信號作用下交流信號流經(jīng)的路徑。交流通路可分析電路中各交流信號的關(guān)系，并可以用公式表示出放大器的性能指標(biāo)。對于交流通路：1、容量大的電容(耦合電容)視為短路；2、

無內(nèi)阻的直流電源(如+Vcc)視為短路；由圖2.2.1畫出其直流通路和交流通路。圖2.2.1

共發(fā)射極基本放大器直流通路交流通路AV?例1:單管放大電路，繪出其直流通路和交流通路。共發(fā)射極放大電路(b)

交流通路(a)

直流通路例

2:阻容耦合放大電路，繪出其交直流通路。阻容耦合共發(fā)射極放大電路(b)

交流通路(a)

直流通路2.

用圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)(直流分析)靜態(tài)工作狀態(tài)：沒有輸入信號時，放大器所處的狀態(tài)，如圖2.2.2所示。在未加JV,時，輸入回路由于靜態(tài)工作點(diǎn)對放大器的放大倍數(shù)、失真和管耗都有影響，所以，分析靜態(tài)工作點(diǎn)的目的就在于選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使放大器工作在較佳的狀態(tài)。根據(jù)基爾霍夫定理可列方程：輸入回路：Vgμ=VB-I?R?輸出回路：

Vce=Vcc-lcRc圖2.2.2'共發(fā)射極基本放大器AV?通過Ig

、VgE

、I

、Vcr

來確定靜態(tài)工作點(diǎn)。解決VBEo

、IBo

、VcEo

、Ico值的問題。已知晶體三極管的輸入和輸出特性曲線如2.2.3所示。圖2.2.3輸入、輸出特性曲線令：Ig=0

時，

VBE=VBBVg=0

時，

Ig=VBB/R。在輸入特性曲線上作直線(負(fù)載線)負(fù)載線與輸入特性曲線的交點(diǎn)Q即為輸入回路的靜態(tài)工作點(diǎn)。Q

點(diǎn)坐標(biāo)VpEφ和I?

分別為晶體管靜態(tài)時的發(fā)射極電壓和基極電流。輸入回路方程：

Vg=V?

1gRg,

此式代表一直線—負(fù)載線，

其斜率：-1/Rg。圖2.2.4輸入回路圖解VBB/Rg輸出回路方程：

Vcr=Vcc-IcRc此式為輸出回路的負(fù)載線方程，其斜率：

-I/Rc。令：

Ic=0

時，

Vcg=VccVcg=0時，

Ie=Vcc/Rc在輸出特性曲線上作直線(負(fù)載線)負(fù)載線與Ig一條輸出特性曲線的交點(diǎn)Q

即為輸出回路的靜態(tài)工作點(diǎn)。Q點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)Vcxφ和Ico分別為晶

體管靜態(tài)時的集電極—發(fā)射極電壓和集

電極電流。圖2.2.5

輸出回路圖解3.

用圖解法分析動態(tài)工作情況(交流分析)在圖2.2.6電路的輸入回路中，接入一個輸入信號電壓AV,,

則有：VsB+△V,=(Ig+△lg)Rg+(VE+△V)VE+△VE=(Vp+△V)-(Ig+△l

。)R。輸入回路方程為：Vg=(V…+

△V)-igR令：ig=0VE

=VB+△V,VE=0圖2.2.6'共發(fā)射極基本放大器下在輸入特性曲線上負(fù)載線。負(fù)載線與輸入特性曲線交點(diǎn)Q’即為輸入回路的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖中Q’點(diǎn)坐標(biāo)Vgp+AVBE和I+I

分別為晶體管加入信號電壓AV,時后的發(fā)射極電壓和

基極電流。輸入回路方程為：

Vg=(VR+△V)-igRVg+△V=(V+△V,)-(Ig+N)R令：

ig=0

VE

=V+△VVE+

AVBE圖2.2.7輸入回路圖解Vg

=0此時：

Vcr=VcE+AVcEic=lc+△Ic若IV,負(fù)值，則輸出回

路的工作點(diǎn)將從Q點(diǎn)沿負(fù)載

線下移。若輸入信號為一正弦電壓，則同樣可按上述方

法進(jìn)行圖解分析。輸出回路負(fù)載線方程：

Vcp=Vcc-IcRc基極電流由Ig變?yōu)镮g+AIg,所以，應(yīng)由Ig+AI?即ig的輸入特性曲線與輸

出回路的負(fù)載線的交點(diǎn)Q’來確定其工作狀態(tài)。圖2.2.8輸出回路圖解Vcc

Vce(V)Ic+AIc若輸入信號為一正弦電壓，則分析圖如2.2.9圖所示圖2.2.9

輸入回路圖解作負(fù)載線(1)根據(jù)v;在輸入特性上繪出ig的波形。BEQ圖2.2.10由輸入特性上繪出ig的波形圖2.2.11由輸出特性上繪出ic的vcg的波形(2)根據(jù)ig的擺動范圍繪出ic的vcg的波形。(3)各極電流、電壓波形的特點(diǎn)和相位關(guān)系。如圖2.2.6所示的基本放大電路中，靜態(tài)時Igg、Ico、Vceg如圖2.2.13中虛線所標(biāo)注。當(dāng)有輸入電壓v;時，基極電流是在直流分量Ig的基礎(chǔ)上疊加一正弦交流電流i,,因而

基極總電流ig=Ig+i,,見圖中實(shí)線波形。同理可得：ic=lco+i;因?yàn)閕c=hig,所以：ic=Ico+hgig;圖2.2.13ig和ic波形分析圖2.2.12

V;的波形電路的實(shí)際電壓和電流是靜態(tài)值與動態(tài)值之“和”。圖2.2.13ig和ic波形分析圖2.2.14ig和ic波形分析tt4、用圖解法分析放大器的非線性失真由晶體管的非線性引起的波形失真，稱為非線性失真。原因：(1)晶體管的非線性；(2)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置；(3)輸入信號的大小。在放大