電子技術(shù)課件：放大電路基礎(chǔ)

放大電路基礎(chǔ)2.1共發(fā)射極放大電路2.2放大電路的靜態(tài)分析(直流分析2.3放大電路的動(dòng)態(tài)分析(交流分析)2.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共發(fā)射極放大電路2.5共集電極放大電路2.6共基極放大電路2.7多級(jí)放大電路2.8差分放大電路2.9能力訓(xùn)練習(xí)題

由晶體三極管組成的基本放大電路有三種：共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路。本章首先介紹三種基本放大電路的組成原理及分析方法，重點(diǎn)闡述共發(fā)

射極放大電路的組成及其動(dòng)靜態(tài)分析，對(duì)動(dòng)態(tài)分析方法中的難點(diǎn)———微變等效電路法作出詳細(xì)分析;其次，介紹多級(jí)放大電路的組成及分析；最后，針對(duì)多級(jí)放大電路中存在的溫漂現(xiàn)象，引入差分放大電路。

晶體三極管的一個(gè)基本應(yīng)用就是構(gòu)成放大電路，放大電路在電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。所謂放大，是指在保持信號(hào)不失真的前提下，使其由小變大、由弱變強(qiáng)。實(shí)質(zhì)上，電子電路中的放大是能量的控制和轉(zhuǎn)換，用小能量的信號(hào)通過晶體三極管的電流控制作用，將放大電路中直流電源的能量轉(zhuǎn)化成交流能量輸出。

1.基本放大電路的組成原則

基本放大電路通常是指由一個(gè)晶體三極管構(gòu)成的單級(jí)放大器。根據(jù)輸入、輸出回路公共端所接的電極不同，有共發(fā)射極、共集電極和共基極三種基本放大電路。用晶體三極管

組成放大電路時(shí)應(yīng)遵循如下原則：

(1)必須有放大器件———晶體三極管，對(duì)信號(hào)起放大作用。

(2)必須有直流電源，一方面保證信號(hào)放大的能源，另一方面保證晶體三極管具有放大能力。

(3)電路元件的連接必須保證信號(hào)的順利傳輸，即有輸入信號(hào)時(shí)，輸出端可以獲得放大后的輸出信號(hào)。

(4)電路元件參數(shù)的選擇，必須保證信號(hào)不失真地放大(即保證晶體三極管有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn))。

2)輸入電阻ri

輸入電阻是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻，定義為輸入電壓有效值Ui與輸入電流有效值Ii

之比，即

對(duì)信號(hào)源來說，放大電路相當(dāng)于它的負(fù)載，

ri則表征該負(fù)載能從信號(hào)源獲取信號(hào)的能力。ri越大，放大電路所得到的輸入電壓Ui越接近信號(hào)源電壓Us

，放大電路從信號(hào)源獲取信號(hào)的能力就越強(qiáng)。

3)輸出電阻ro

輸出電阻是從放大電路輸出端看進(jìn)去的電阻。對(duì)負(fù)載來說，放大電路相當(dāng)于它的信號(hào)源，而ro正是該信號(hào)源的內(nèi)阻。根據(jù)戴維南定理，放大電路的輸出電阻定義為

ro是一個(gè)表征放大電路帶負(fù)載能力的參數(shù)。ro越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。

4)非線性失真系數(shù)THD

由于晶體三極管輸入、輸出特性的非線性，因而放大電路輸出波形不可避免地產(chǎn)生或大或小的非線性失真。具體表現(xiàn)為，當(dāng)輸入某一頻率的正弦信號(hào)時(shí)，其輸出電流波形中除

基波成分之外，還包含有一定數(shù)量的諧波。為此，定義放大電路非線性失真系數(shù)為

此外，還有通頻帶、最大效率、最大不失真輸出功率等性能指標(biāo)。

2.1共發(fā)射極放大電路

本節(jié)以NPN型晶體三極管組成的基本共發(fā)射極放大電路為例，闡明放大電路的組成原理及放大電路的分析方法。

2.1.1放大電路的組成

圖2－1所示基本放大電路中，輸入信號(hào)在基極和發(fā)射極間輸入，輸出信號(hào)在集電極和發(fā)射極間輸出，發(fā)射極作為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端，故稱之為共發(fā)射極放大電路。圖2－1共發(fā)射極基本放大電路

圖2－1所示放大電路中，晶體三極管V是核心元件，它起著電流放大作用。為保證晶體三極管V工作在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)必須正向運(yùn)用，集電結(jié)必須反向運(yùn)用。圖中Rb

、UBB

即保證發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用；

Rc

、UCC

保證集電結(jié)反向運(yùn)用。Rs

為信號(hào)源內(nèi)阻，

us

為信號(hào)源電壓，ui為放大器輸入信號(hào)。電容C1

為耦合電容，其作用是使交流信號(hào)順利加到放大器輸入端，同時(shí)隔直流，使信號(hào)源與放大器無直流聯(lián)系。C1一般選用容量大的電解電容，它有極性，使用時(shí)它的正極與電路的高電位相連，不能接反。C1

2

的作用與C1相似，使交流信號(hào)能順利傳送至負(fù)載，同時(shí)使放大器與負(fù)載之間無直流聯(lián)系。

2.1.2直流通路和交流通路

在放大電路中，直流電源的作用和交流信號(hào)的作用總是共存的，但由于電容、電感等電抗元件的存在，使得直流量流經(jīng)的通路與交流量流經(jīng)的通路不完全相同。因此，放大電路的分析主要包含兩個(gè)部分：靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析主要分析直流電源對(duì)電路的作用，動(dòng)態(tài)分析主要分析輸入交流信號(hào)對(duì)電路的作用。為便于分析，下面引入直流通路和

交流通路。

直流通路是直流電流流經(jīng)的通路，用于求出放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。所謂靜態(tài)工作點(diǎn)，指的是在放大電路中輸入信號(hào)為零，直流電源單獨(dú)作用時(shí)晶體三極管的基極電流IB

、集電極電流IC、集電極與發(fā)射極間直流電壓UCE

以及基極與發(fā)射極間直流電壓UBE這四個(gè)物理量。應(yīng)當(dāng)指出，合適的靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)于放大電路來說極其重要，它不僅影響電路是否產(chǎn)生失真，而且影響放大電路幾乎所有的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

交流通路是交流信號(hào)流經(jīng)的通路，當(dāng)放大電路輸入信號(hào)不為零，電路中各處的電壓、電流處于變化的狀態(tài)時(shí)，電路便處于動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)。該通路主要用于動(dòng)態(tài)分析，以及求出

電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等主要性能指標(biāo);同時(shí)從該通路圖上還可直觀判斷出放大電路的接法類型。

直流通路和交流通路遵循如下兩條原則:

(1)直流通路：輸入信號(hào)源視其為零值，但保留其內(nèi)阻；電容開路；電感線圈短路。

(2)交流通路：不變的物理量視為零值(直流電源短路；大容量電容短路；大電感線圈開路)。

圖2－2所示單電源共發(fā)射極放大電路中，

us為輸入信號(hào)源，

Rs

為信號(hào)源內(nèi)阻。圖2－2基本共發(fā)射極放大電路

根據(jù)以上原則，該電路的直流通路和交流通路如圖2－3所示。圖2－3基本共發(fā)射極放大電路的直流、交流通路

直流通路和交流通路是分析放大電路的依據(jù)。在分析放大電路時(shí)，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”的原則。先分析直流通路，判斷晶體三極管是否具有合適的靜態(tài)(直流)工作點(diǎn)，然后分析交流通路，求解放大電路的主要性能指標(biāo)。

2.2放大電路的靜態(tài)分析(直流分析)

基本共發(fā)射極放大電路中，直流電源和交流信號(hào)共同作用，也就是說靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析共存。靜態(tài)分析主要分析靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))的IBQ

、ICQ

和UCEQ值，其依據(jù)是放大電路的直流通路，分析方法有解析法和圖解分析法。

2.2.1解析法

解析法分析靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為UBE

為已知量。晶體三極管導(dǎo)通時(shí)其發(fā)射結(jié)的直流壓降UBEQ=0.7V(硅管)或UBEQ

=0.2V(鍺管)。對(duì)于圖22所示電路，由圖2－3(a)所示直流通路圖可求出靜態(tài)時(shí)基極電流IBQ:

根據(jù)晶體三極管各極電流關(guān)系，可求出靜態(tài)工作點(diǎn)的集電極電流ICQ

:

再根據(jù)集電極輸出回路可求出UCEQ:

【例2－1】估算圖2－2放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。設(shè)UCC=12V，Rc=3kΩ，

Rb

=280kΩ，

β=50。

解

根據(jù)式(2－5)~式(2－7)得

2.2.2圖解法

根據(jù)電路給定的條件，利用晶體三極管的輸入、輸出特性曲線，通過作圖的方法求解放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，稱為圖解法。

圖2－2所示共發(fā)射極放大電路的輸出回路直流通路如圖2－4(a)所示，由圖中a、b兩端向左看，其iC~uCE關(guān)系由晶體三極管的輸出特性曲線確定，如圖2－4(b)所示;由圖中a、b兩端向右看，其iC~uCE關(guān)系由回路的電壓方程uCE=UCC-iCRc確定，如圖2－4(c)所示，該方程所確定的直線稱為直流負(fù)載線。在圖2－4(b)中找到

IB=IBQ的輸出特性曲線，該曲線與直流負(fù)載線的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q

，如圖2－4(d)所示。圖2－4靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解法

【例2－2】如圖2－5(a)所示電路，已知Rb=280kΩ，Rc=3kΩ，

UCC=12V。晶體三極管的輸出特性曲線如圖2－5(b)所示，試用圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)。圖2－5例2－2電路圖

解首先寫出直流負(fù)載方程，即

uCE=UCC-iCRc，并作出直流負(fù)載線:iC=0，

uCE

=UCC=12V，得與橫軸交點(diǎn)M點(diǎn);uCE=0V，

iC

=UCCRc=123=4mA，得與縱軸交點(diǎn)N點(diǎn)。連接兩點(diǎn)即可得直流負(fù)載線MN。

然后，由基極輸入回路計(jì)算IBQ:

直流負(fù)載線MN與iB=IBQ=40μA這一條特性曲線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)，如圖2－6所示。

從圖2－6中可查出:IBQ=40μA，

ICQ=2mA，

UCEQ=6V。圖2－6例2－2圖解法

圖解法可形象直觀地反映晶體三極管的工作情況。由上述分析可知，圖解法求Q

點(diǎn)的步驟如下：

(1)在輸出特性曲線中，按直流負(fù)載線方程uCE=UCC-iCRc

作出直流負(fù)載線。

(2)由基極回路求出IBQ。

(3)找出iB=IBQ這一條輸出特性曲線，與直流負(fù)載線的交點(diǎn)即為Q

點(diǎn)。讀出Q

點(diǎn)坐標(biāo)的電流、電壓值即為所求。

2.2.3電路參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響

1.Rb對(duì)Q

點(diǎn)的影響

Rb

的變化，主要影響特性曲線iB=IBQ的位置。

Rb增大，

IBQ減小，

Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線下移；Rb減小，

IBQ增大，

Q

點(diǎn)沿直流負(fù)載線上移。如圖2－7(a)所示。

2.Rc

對(duì)Q

點(diǎn)的影響

Rc

的變化，僅改變直流負(fù)載線的N點(diǎn)，即僅改變直流負(fù)載線的斜率。

Rc減小，

N點(diǎn)上升，直流負(fù)載線變陡，工作點(diǎn)沿iB=IBQ這一條特性曲線右移。Rc增大，N點(diǎn)下降，直流負(fù)載線變平坦，工作點(diǎn)沿iB=IBQ這一條特性曲線向左移。如圖2－7(b)所示。

3.UCC對(duì)Q

點(diǎn)的影響

UCC

對(duì)Q

點(diǎn)的影響較復(fù)雜，

UCC的變化不僅影響IBQ，還影響直流負(fù)載線。

UCC上升，

IBQ增大，直流負(fù)載線M點(diǎn)和N點(diǎn)同時(shí)增大，故直流負(fù)載線平行上移，所以工作點(diǎn)向右上方移動(dòng)。

UCC下降，

IBQ下降，同時(shí)直流負(fù)載線平行下移，所以工作點(diǎn)向左下方移動(dòng)，如圖2－7(c)所示。

實(shí)際調(diào)試中，主要通過改變電阻Rb來改變靜態(tài)工作點(diǎn)，而很少通過改變UCC

來改變靜態(tài)工作點(diǎn)。圖2－7電路參數(shù)對(duì)Q點(diǎn)的影響

2.3放大電路的動(dòng)態(tài)分析(交流分析)

2.3.1圖解法

1.交流負(fù)載線的作法放大電路有交流電壓輸入后，電路中各處的電壓、電流會(huì)在原有的靜態(tài)值基礎(chǔ)上疊加一個(gè)與輸入信號(hào)波形相似的變化量，由交流通路確定的負(fù)載線稱為交流負(fù)載線。交流負(fù)載線具有如下兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)交流負(fù)載線必通過靜態(tài)工作點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)輸入信號(hào)ui

的瞬時(shí)值為零時(shí)，如忽略電容C1

和C2

的影響，則電路狀態(tài)和靜態(tài)時(shí)相同。

(2)交流負(fù)載線的斜率由R′L(R′L

=Rc∥RL)表示。

交流負(fù)載線的具體作法為:首先作一條ΔU/ΔI=R′L

的輔助線(此線有無數(shù)條)，然后過Q

點(diǎn)作一條平行于輔助線的線，即為交流負(fù)載線，如圖2－8所示。圖2－8交流負(fù)載線的畫法

由于R'L

=Rc∥RL，故一般情況下交流負(fù)載線比直流負(fù)載線陡。

交流負(fù)載線也可以通過求出在uCE坐標(biāo)上的截距，即U'CC

=UCEQ+ICQR'L

再與Q點(diǎn)相連來得到。

2.交流波形的畫法

仍以例2－3為例，設(shè)輸入交流信號(hào)電壓為ui=Uimsinωt，則基極電流將在IBQ上疊加交流量ib

，即

iB=IBQ+Ibmsinωt，如電路使Ibm=20μA，則

在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)算各特征點(diǎn)并取值，如表2－1所示。

以表2－1為根據(jù)描點(diǎn)繪出波形圖如圖2－10所示。由圖可知，輸入電壓與輸出電壓相位相反。這是共發(fā)射極放大電路的特征之一。

關(guān)于圖解法分析動(dòng)態(tài)特性的步驟歸納如下：

(1)首先作出直流負(fù)載線，求出靜態(tài)工作點(diǎn)Q。

(2)作出交流負(fù)載線。根據(jù)要求從交流負(fù)載線可畫出輸出電流、電壓波形，或求出最大不失真輸出電壓值。圖2－10基極、集電極電流和電壓波形

3.放大電路的非線性失真

1)由晶體三極管特性曲線非線性引起的失真

一個(gè)理想的放大器，其輸出信號(hào)應(yīng)當(dāng)如實(shí)反映輸入信號(hào)，即它們盡管在幅度上不同，時(shí)間上也可能有延遲，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的。但是，在實(shí)際放大電路中，由于種種原因，輸出信號(hào)不可能與輸入信號(hào)的波形完全相同，這種現(xiàn)象叫做失真。由于放大器件的工作點(diǎn)進(jìn)入了特性曲線的非線性區(qū)，使輸入信號(hào)和輸出信號(hào)不再保持線性關(guān)系，這樣產(chǎn)生的失真稱為非線性失真。在共發(fā)射極放大電路中，設(shè)輸入電壓為正弦波，若靜態(tài)工作點(diǎn)合適，基極動(dòng)態(tài)電流也應(yīng)為正弦波，但是由于晶體三極管輸入特性的非線性使得基極電流不再與輸入信號(hào)的波形完全相同，從而引起不同程度的失真，如圖2－11所示。圖2－11晶體三極管特性的非線性引起的失真

2)工作點(diǎn)不合適引起的失真

由于電路元件參數(shù)選擇不當(dāng)，使靜態(tài)工作點(diǎn)位置不適也會(huì)產(chǎn)生不同程度的失真。當(dāng)Q點(diǎn)位置過低時(shí)，在輸入信號(hào)正半周時(shí)，輸出電壓無失真。但是，在輸入電流的負(fù)半周，晶體三極管將工作在截止區(qū)，從而使基極電流產(chǎn)生底部失真，集電極電流ic

和集電極電阻Rc上電壓的波形必然隨ib

產(chǎn)生同樣的失真，而由于輸出電壓uo與Rc上電壓的變化相位相反，從而導(dǎo)致uo

波形頂部被削產(chǎn)生失真。如圖2－12(a)所示。這種失真是由于放大器工作到特性曲線的截止區(qū)產(chǎn)生的，稱為截止失真。

當(dāng)Q點(diǎn)位置過高時(shí)，雖然基極電流ib

為不失真的正弦波，但是由于在輸入信號(hào)正半周時(shí)，晶體三極管進(jìn)入了飽和區(qū)，導(dǎo)致集電極電流ic

產(chǎn)生頂部失真，集電極電阻Rc上的電壓波形隨之產(chǎn)生同樣的失真。由于輸出電壓uo與Rc上電壓的變化相位相反，從而導(dǎo)致uo波形底部被削產(chǎn)生失真，如圖2－12(b)所示。這種失真是由于放大器工作到特性曲線的飽和區(qū)產(chǎn)生的，稱為飽和失真。圖2－12靜態(tài)工作點(diǎn)不合適產(chǎn)生的非線性失真

2.3.2微變電路等效法的交流分析

1.晶體三極管的h參數(shù)微變等效電路

為便于分析放大電路的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)晶體三極管處于共發(fā)射極狀態(tài)時(shí)，在低頻小信號(hào)作用下，輸入回路和輸出回路等效為圖2－13所示模型。

h12

、h22

是uCE

通過基區(qū)寬度變化對(duì)iC

及uBE

的影響，一般這個(gè)影響很小，所以可忽略不計(jì)。電壓反饋系數(shù)h12

很小，晶體三極管的輸入回路可近似等效為一動(dòng)態(tài)電阻;h22

很小，晶體三極管的輸出回路近似等效為一個(gè)受控電流源。因此，

h

參數(shù)等效模型可簡(jiǎn)化為圖2－14所示。圖2－13完整的h參數(shù)等效電路圖2－14簡(jiǎn)化的h參數(shù)等效模型

2.rbe的近似計(jì)算

圖2－15所示為晶體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2－15(a)可知，

be間電阻由基區(qū)體電阻rbb'、發(fā)射結(jié)電阻rb'e'和發(fā)射區(qū)體電阻re

三部分組成。rbb'數(shù)值較大，

rb'e'數(shù)值很小可忽略不計(jì)。因此，晶體三極管輸入回路的等效電路如圖2－15(b)所示。圖2－15rbe估算等效電路

圖2－16放大電路示意圖

在放大電路的交流通路中，利用h參數(shù)的微變等效電路可以求解電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻?，F(xiàn)以圖2－1所示基本共發(fā)射極放大電路為例，分析該電路的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。圖2－1所示共發(fā)射極基本放大電路的交流微變等效電路如圖2－17(a)所示。圖2－17基本共發(fā)射極放大電路動(dòng)態(tài)分析

4)輸出電阻ro

放大電路對(duì)外部接入的負(fù)載RL

而言，可視為一個(gè)有內(nèi)阻的等效電源。根據(jù)電源模型等效變換原理將放大電路輸出回路進(jìn)行等效變換，使之成為一個(gè)有內(nèi)阻的電壓源，如圖2－17(b)所示。根據(jù)輸出電阻定義，可得出放大電路的輸出電阻ro=Rc

。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于放大電路的分析應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”的原則。因?yàn)槔胔

參數(shù)微變等效電路分析的動(dòng)態(tài)參數(shù)與Q

點(diǎn)緊密相連，只有Q

點(diǎn)合適，動(dòng)態(tài)分析才有意義。

解(1)該電路為基本共射放大電路，估算靜態(tài)工作Q

點(diǎn)為

UCEQ大于UBEQ，說明晶體三極管工作在放大區(qū)。

(2)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析：

2.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共發(fā)射極放大電路

2.4.1溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響靜態(tài)工作點(diǎn)不僅影響電路是否產(chǎn)生失真，同時(shí)還影響著電壓放大倍數(shù)、輸入電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)，因此，保持Q點(diǎn)的穩(wěn)定極其重要。引起Q點(diǎn)的變化有諸多因素，比如元器件老化、電源電壓波動(dòng)、溫度變化等。其中，溫度變化對(duì)晶體三極管的影響最為主要。

在圖2－18中，實(shí)線為晶體三極管在20℃時(shí)的輸出特性曲線，虛線為晶體三極管在50℃時(shí)的輸出特性曲線。從圖中可看出，溫度上升對(duì)晶體三極管輸出特性的影響如下：圖2－18溫度對(duì)Q點(diǎn)和輸出波形的影響

(1)溫度上升，反向飽和電流ICBO增加，穿透電流ICEO=(1+β)I

CBO

也增加，反映在輸出特性曲線上是使其上移。

(2)溫度上升，發(fā)射結(jié)電壓UBE

下降，在外加電壓和電阻不變的情況下，基極電流IB上升。

(3)溫度上升，晶體三極管的電流放大倍數(shù)β

增大，使特性曲線間距增大。

由晶體三極管特性可知，溫度的變化主要引起集電極電流iC

的變化。因此，若電路能夠在電流iC隨溫度上升而增加時(shí)，設(shè)法自動(dòng)將iC減小;若溫度下降使iC

降低，能夠自動(dòng)

地將iC值增加上去，這樣就可以維持電流iC值近似不變，達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。

2.4.2工作點(diǎn)穩(wěn)定的典型電路

1.電流反饋式偏置電路

典型的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路如圖2－19所示。該電路通過引入直流電流負(fù)反饋的方法使IBQ在溫度變化時(shí)產(chǎn)生與ICQ相反的變化。圖2－19電流反饋式偏置電路

要保持基極電位UB

恒定，使它與IB

無關(guān)，由其直流通路可得：

為了穩(wěn)定Q點(diǎn)，通常參數(shù)的選取滿足：

得出:

該電路中晶體三極管的基極電位近似為

此式說明UB

與晶體三極管無關(guān)，不隨溫度變化而改變，故可認(rèn)為UB

恒定不變。

由于IE=UE/Re

，所以要穩(wěn)定工作點(diǎn)，應(yīng)使U

E恒定，不受UBE

的影響，因此要求滿足條件:

當(dāng)溫度升高時(shí)，集電極電流IC

增大，流過電阻Re的電流IE隨之增大，

E

點(diǎn)的電位UE升高;由于B點(diǎn)的電位UB

可認(rèn)為恒定不變，發(fā)射結(jié)壓降UBE

必然減小，導(dǎo)致基極電流IB減小，

IC

、IE

隨之相應(yīng)減小。結(jié)果，IE

隨溫度升高而增大的部分被由于IB

減小而引起的部分相互抵消，使IE

趨于平衡，從而起到穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用。

2.靜態(tài)分析

對(duì)圖2－19所示穩(wěn)定電路求解靜態(tài)工作點(diǎn)，可按下述公式進(jìn)行估算：

如果要精確計(jì)算，應(yīng)按戴維南定理，將基極回路直流等效為(如圖2－20所示)

然后按下式計(jì)算直流工作狀態(tài)：圖2－20利用戴維南定理后的等效電路

3.動(dòng)態(tài)分析

圖2－19所示電路的微變等效電路如圖2－21所示。圖2－21電流反饋式偏置電路的微變等效電路

其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下:

(1)電壓放大倍數(shù):

(2)輸入電阻ri

:由圖2－22可得

(3)輸出電阻ro

:

若圖2－19所示電路中沒有旁路電容Ce

，則其對(duì)應(yīng)的微變等效電路如圖2－22所示。圖2－22電流反饋式偏置電路無旁路電容Ce的微變等效電路

其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如下:

(1)電壓放大倍數(shù):

(2)輸入電阻ri

:由圖2－22可得

(3)輸出電阻ro

:

解(1)

(2)該電路含有旁路電容Ce

，因此其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析如下:

2.5共集電極放大電路

2.5.1電路的組成共集電極放大電路的交流信號(hào)通道是以集電極為公共端的一種放大電路，圖2－23所示為共集電極放大電路。圖2－24(a)、(b)分別為共集電極放大電路的直流通路和交流通路。從交流通路上可看出，集電極是輸入回路和輸出回路的公共端。共集電極放大電路由于從發(fā)射極輸出電壓，故又稱為射極輸出器。圖2－23共集電極放大電路圖2－24共集電極放大電路的直流通路與交流通路

2.5.2電路分析

1.靜態(tài)分析

對(duì)圖2－23所示電路求解靜態(tài)工作點(diǎn)，可按下述公式進(jìn)行估算:

2.動(dòng)態(tài)分析

圖2－23電路的微變等效電路如圖2－25所示。圖2－25圖2－23電路的微變等效電路

故常稱共集電極放大電路為射極跟隨器。

根據(jù)輸入電阻定義，

由上式可知，共集電極放大電路輸入電阻高，這是共集電極電路的特點(diǎn)之一。

圖2－26求ro等效電路

解

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)如下:

(2)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析：

綜上所述，共集電極放大電路是一個(gè)具有高輸入電阻、低輸出電阻、電壓增益近似為1的放大電路。所以共集電極放大電路可用來作輸入級(jí)和輸出級(jí)，也可作為緩沖級(jí)，用來隔離它前后兩級(jí)之間的相互影響。

2.6共基極放大電路

2.6.1電路的組成共基極放大電路的交流信號(hào)通道是以基極為公共端的一種放大器，圖2－27所示為共基極放大電路。圖2－27共基極放大電路

圖2－28(a)、(b)分別為共基極放大電路的直流通路和交流通路。從交流通路上可看出，基極是輸入回路和輸出回路的公共端。圖2－28共基極放大電路的直流通路與交流通路

2.6.2電路分析

1.靜態(tài)分析

對(duì)圖2－27所示電路求解靜態(tài)工作點(diǎn):

2.動(dòng)態(tài)分析

圖2－27電路的微變等效電路如圖2－29所示。圖2－29圖2－27電路的微變等效電路

2)輸入電阻rI

與共發(fā)射極放大電路相比，其輸入電阻減小到rbe

/(1+β)。

3)輸出電阻ro

解

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)如下:

(2)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析:

2.7多級(jí)放大電路

在電子電路中，輸入信號(hào)通常很微弱，由于單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)較低，僅靠單級(jí)放大電路常常不能滿足實(shí)際需求，因此常把兩級(jí)或兩級(jí)以上的不同組態(tài)的基本放大電路連接起來，組成多級(jí)放大電路。

2.7.1多級(jí)放大電路的組成

根據(jù)每級(jí)所處的位置和作用不同，多級(jí)放大電路一般由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)組成，如圖2－30所示。圖2－30多級(jí)放大電路的組成

輸入級(jí)一般要求有較高的輸入阻抗或較好的抗干擾能力，使它與信號(hào)源相連接時(shí)，索取較小的電流，所以常采用射極輸出器或差分放大電路；中間級(jí)又稱電壓放大級(jí)，主要完成信號(hào)的電壓放大所用，一般常用共發(fā)射極放大電路；輸出級(jí)的主要作用是輸出具有一定功率的信號(hào)，主要考慮對(duì)輸出電阻的要求。為適應(yīng)負(fù)載變動(dòng)而輸出電壓不變的要求，一般

選用輸出電阻較小的共集電極電路。

2.7.2多級(jí)放大電路的耦合方式

組成多級(jí)放大電路的每一個(gè)基本電路稱為一級(jí)。在多級(jí)放大器中各級(jí)之間、放大電路與信號(hào)源之間、放大電路與負(fù)載之間的連接方式稱為耦合方式。多級(jí)放大電路的耦合方式

通常有三種：直接耦合、阻容耦合及變壓器耦合。耦合電路應(yīng)滿足兩個(gè)要求：一是耦合電路必須保證信號(hào)暢通地、不失真地傳輸?shù)较乱患?jí)，盡量減少損失；二是保證各級(jí)均有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

1.阻容耦合

將放大電路的前級(jí)輸出端通過電容接到后級(jí)輸入端組成的多級(jí)放大電路稱為阻容耦合放大電路。圖2－31為兩級(jí)阻容耦合放大電路，第一級(jí)和第二級(jí)均為共發(fā)射極放大電路。圖2－31阻容耦合放大電路

阻容耦合多級(jí)放大電路具有如下特點(diǎn):

(1)由于電容對(duì)直流信號(hào)的“隔離”作用，使得阻容耦合多級(jí)放大電路各級(jí)之間的直流通路各不相通，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，在求解或調(diào)試Q點(diǎn)時(shí)可按單級(jí)處理，電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試簡(jiǎn)單易行。該耦合方式在分立元件電路中得到了廣泛應(yīng)用。

(2)阻容耦合放大電路的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)。

(3)在集成電路中無法制造大容量電容，該耦合方式不便于集成化。

綜上所述，只有在信號(hào)頻率很高、輸出功率很大等特殊情況下，才采用阻容耦合方式的分立元件放大電路。

2.直接耦合

將放大電路的前級(jí)輸出端直接接到后級(jí)輸入端組成的多級(jí)放大電路稱為直接耦合放大電路，如圖2－32所示。圖中，

Rc1既作為第一級(jí)的集電極電阻，又作為第二級(jí)的基極電阻，只要Rc1

取值合適，就可以為V2管提供合適的基極電流。圖2－32直接耦合放大電路

從圖2－32所示電路圖中可看出，靜態(tài)時(shí)，

V1

管的管壓降UCEQ1等于V2管的be

間電壓UBEQ2。通常情況下，若V2管為硅管，

UBEQ2約為0.7V，則V1管的靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū)，在動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)容易引起飽和失真。因此，可通過改進(jìn)電路來設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。電路中接入Re2

，如圖2－33(a)所示，保證第一級(jí)集電極有較高的靜態(tài)電位，但第二級(jí)放大倍數(shù)嚴(yán)重下降，從而影響整個(gè)電路的放大能力;用穩(wěn)壓管替代Re2

，如圖2－33(b)所示，由于穩(wěn)壓管動(dòng)態(tài)電阻很小，可以使第二級(jí)的放大倍數(shù)損失小。

但集電極電壓變化范圍減小。對(duì)圖2－33(b)進(jìn)一步改進(jìn)如圖2－33(c)所示，改進(jìn)后的放大電路可降低第二級(jí)的集電極電位，同時(shí)又不損失放大倍數(shù)，但穩(wěn)壓管噪聲較大。圖2－33(d)為直接耦合放大電路常采用的方式，它通過將NPN管和PNP管混合使用，來獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖2－33改進(jìn)直接耦合方式

直接耦合多級(jí)放大電路具有如下特點(diǎn):

(1)直接耦合放大電路的突出優(yōu)點(diǎn)是具有良好的低頻特性，可以放大變化緩慢的信號(hào)。

(2)直接耦合放大電路中沒有大容量電容，所以易于構(gòu)成集成放大電路。

(3)直接耦合放大電路各級(jí)之間的直流通路相連，因而靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，對(duì)電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來了一定的困難。

(4)直接耦合放大電路存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

3.變壓器耦合

將放大電路前級(jí)的輸出信號(hào)通過變壓器接到后級(jí)的輸入端或負(fù)載電阻上，稱為變壓器耦合。圖2－34所示為變壓器耦合放大電路。圖2－34變壓器耦合放大電路

變壓器耦合放大電路主要應(yīng)用在分立元件功率放大電路中，具有如下特點(diǎn):

(1)變壓器耦合放大電路前后級(jí)靠磁路耦合，與阻容耦合電路一樣，它的各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，便于分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試。

(2)變壓器耦合放大電路可實(shí)現(xiàn)阻抗變換，通過選擇合適的匝數(shù)比，負(fù)載可以獲得足夠大的功率。

(3)變壓器耦合放大電路的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)且不能集成化。

2.7.3多級(jí)放大電路動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的分析

一個(gè)n級(jí)放大電路的交流等效電路可用圖2－35所示框圖表示。由圖可知，放大電路中前級(jí)的輸出電壓是后級(jí)的輸入電壓。圖2－35多級(jí)放大電路方框圖

2.輸入電阻和輸出電阻

一般來說，多級(jí)放大電路的輸入電阻就是輸入級(jí)的輸入電阻，而輸出電阻就是輸出級(jí)的輸出電阻。由于多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)的乘積，所以在設(shè)計(jì)多級(jí)放大

電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)時(shí)，主要考慮輸入電阻和輸出電阻的要求，而放大倍數(shù)的要求由中間級(jí)完成。

具體計(jì)算輸入電阻和輸出電阻時(shí)，可直接利用已有的公式。但要注意，有的電路形式要考慮后級(jí)對(duì)輸入級(jí)電阻的影響和前一級(jí)對(duì)輸出電阻的影響。

【例2－8】圖2－36為三級(jí)放大電路。已知:

UCC=15V，

Rb1=150kΩ，

Rb22=100kΩ，Rb21=15kΩ，

Rb32=100kΩ，

Rb31=22kΩ，

Re1=20kΩ，

Re2=750Ω，

R'e2

=100Ω，

Re3=1kΩ，Rc2=5kΩ，

Rc3=3kΩ，

RL=1kΩ，晶體三極管的電流放大倍數(shù)均為β=50。試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。圖2－36例2－8三級(jí)阻容耦合放大電路

解

圖示放大電路，第一級(jí)是射極輸出器，第二、三級(jí)都是具有電流反饋的阻容耦合Q點(diǎn)穩(wěn)定電路，所以各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)均可單獨(dú)計(jì)算。

第一級(jí):

第二級(jí):

第三級(jí):

電壓放大倍數(shù):

第一級(jí):第一級(jí)是射極輸出器，其電壓放大倍數(shù)

第二級(jí):

第三級(jí):

電路總的電壓放大倍數(shù)

輸入電阻(即第一級(jí)輸入電阻):

輸出電阻(即第三級(jí)的輸出電阻):

2.8差分放大電路

輸入電壓ui為零而輸出電壓uo

不為零且緩慢變化的現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。溫度的變化，是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因，因此也稱零點(diǎn)漂移為溫度漂移，簡(jiǎn)稱溫漂。無論哪種耦合方式，各級(jí)都存在溫漂，但直接耦合的第一級(jí)溫漂對(duì)電路的影響最大，因?yàn)榈谝患?jí)的溫漂要經(jīng)過放大電路逐級(jí)放大后傳至輸出端。為了穩(wěn)定放大電路第一級(jí)的工作點(diǎn)，通常在直接耦合放大電路的前級(jí)采用差分放大電路。

2.8.1電路的組成

為了抑制直接耦合放大電路的溫度漂移，采用兩個(gè)特性完全相同的晶體三極管對(duì)稱組成圖2－37所示的差分放大電路，即電路由兩個(gè)參數(shù)與結(jié)構(gòu)完全相同的共發(fā)射極放大電路

對(duì)接而成。若電路參數(shù)完全相同，管子特性也完全相同，兩只管子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時(shí)也時(shí)時(shí)相等，電路以兩只管子的集電極電位差作為輸出，就克服了溫漂現(xiàn)象。圖2－37差分放大電路

差分放大電路由于參數(shù)對(duì)稱，在溫度變化時(shí)雖然集電極電位會(huì)隨溫度變化而改變，但是溫度變化引起兩只晶體三極管輸出電壓漂移的大小與方向(極性)是一致的，因而從兩集

電極輸出的電壓等于零;若輸入信號(hào)Ui1

與Ui2不等，則V1管和V2

管的集電極電位變化將不相等，電路有電壓輸出，輸出電壓為兩晶體三極管集電極電位差uo=uC1-uC2

?？梢姡瑘D2－37所示電路，只有當(dāng)輸入信號(hào)有差別時(shí)，放大電路才有輸出，因此，這個(gè)電路稱為差分放大電路。

2.8.2典型差分放大電路的分析

圖2－38所示為典型的差分放大電路，因Re接負(fù)電源－

UEE

，拖一個(gè)尾巴，故又稱為長尾式差分放大電路。圖2－38典型差分放大電路

圖2－38中的電阻Re與圖2－20所示工作點(diǎn)穩(wěn)定的電流反饋式偏置電路的電阻Re

作用相同。電路參數(shù)理想對(duì)稱:V1管和V2

管特性相同，

Rs1=Rs2=Rs

，

Rc1=Rc2=Rc

，

β1

=β2=β，

rbe1=rbe2=rbe

，

Re為公共的發(fā)射極電阻。

1.靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性

當(dāng)輸入信號(hào)Ui1=Ui2=0時(shí)，電阻Re中的電流為V1管和V2管的發(fā)射極電流之和，即

根據(jù)基極回路方程得

2.動(dòng)態(tài)分析

1)對(duì)共模信號(hào)的抑制作用

共模信號(hào)指的是大小相等極性相同的輸入信號(hào)。在差分放大電路中，當(dāng)電路輸入共模信號(hào)(ui1=ui2=ui)時(shí)，在圖2－39所示交流通路中，基極電流和集電極的電流變化量相等，集電極電位的變化也相等，因?yàn)檩敵鲭妷菏荲1

管和V2

管的集電極電位差，所以輸出電壓為零，即差分放大電路對(duì)共模信號(hào)不放大。圖2－39典型差分放大電路共模交流通路圖

實(shí)際上，差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制，不但利用了電路參數(shù)對(duì)稱性所起的補(bǔ)償作用，使兩只晶體三極管的集電極電位變化相等，而且還利用了發(fā)射極電阻Re對(duì)共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔茫种屏嗣恐痪w三極管集電極電流的變化，從而抑制了集電極電位的變化。

共模信號(hào)輸入時(shí)的電壓放大倍數(shù)記作Ac

，定義為

式中，

Δuic

為共模輸入電壓，

Δuoc

為Δuic

作用下的輸出電壓。

圖2－38所示差分放大電路中，在電路參數(shù)理想對(duì)稱的情況下，輸出電壓為零，則Ac

=0。

2)對(duì)差模信號(hào)的放大作用

差模信號(hào)指的是大小相等極性相反的輸入信號(hào)。在差分放大電路中，當(dāng)電路輸入差模信號(hào)時(shí)，在圖2－40所示交流通路中，

V1

管和V2

管產(chǎn)生的電流的變化大小相等而方向相反，因此集電極電位的變化也是大小相等變化方向相反，即ΔuC1=-ΔuC2

，這樣得到的輸出電壓Δuo=ΔuC1-ΔuC2=2ΔuC1

，從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。圖2－40典型差分放大電路差模交流通路圖

差模信號(hào)輸入時(shí)的電壓放大倍數(shù)記作Ad

，定義為

式中，

Δuid為差模輸入電壓，

Δuod為Δuid作用下的輸出電壓。

為了綜合考查差分放大電路的性能，特引入一個(gè)參數(shù)指標(biāo)———共模抑制比，記作CMRR，定義為

【例2－9】設(shè)圖2－38所示長尾式差分電路參數(shù)理想對(duì)稱，求其A

d、ri

、ro

、Ac

、CMRR

。

解畫出典型差分放大電路在差模信號(hào)作用下的微變等效電路如圖2－41所示，則圖2－41典型差分放大電路差模微變等效電路

因?yàn)殡娐穼?duì)稱，所以在共模輸入信號(hào)作用下

Uc1=Uc2，因此

2.8.3具有恒流源的差分放大器

利用工作點(diǎn)穩(wěn)定電路取代典型差分放大電路中的發(fā)射極電阻Re

，就得到圖2－42(a)所示具有恒流源的差分放大電路，工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的輸出電阻ro

即為等效的電阻Re

。該電路采用較低的電源電壓UEE和較大的等效電阻Re

，能夠有效地抑制電路的溫漂并提高共模抑制比。圖中R1

、R2

、R3

和V3

組成工作點(diǎn)穩(wěn)定電路，電源UEE取幾伏，電路參數(shù)應(yīng)滿足:

圖2－42(b)所示為恒流源的微變等效電路，計(jì)算工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的輸出電阻為ro

。圖2－42恒流源差分放大電路

設(shè)β=80，

rce=100kΩ，

rbe=1kΩ，

R1=R2=6kΩ，

R3=5kΩ

，則ro≈4.5MΩ

。用如此大的電阻作為Re

，可大大提高其對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。而此時(shí)，恒流源所要求的電壓源電壓卻不高，即

對(duì)應(yīng)的靜態(tài)電流為

2.9能力訓(xùn)練

共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路是放大電路中最基本的接法電路，它們有各自的特點(diǎn)和用途。表2－2給出了三種基本放大電路的特點(diǎn)比較。

在實(shí)際電路應(yīng)用中，為了滿足某種功放功能，通常是將三種基本放大電路組合在一起來應(yīng)用。

擴(kuò)音器是最常見的放大電路應(yīng)用，它將微弱的聲音放大成比原來強(qiáng)得多的聲音。圖2－43為某一擴(kuò)音器的音頻放大電路原理圖。圖2－43音頻放大電路原理圖

該電路為兩級(jí)直接耦合放大電路。輸入級(jí)V1

的基極工作電壓等于兩輸出級(jí)晶體三極管V2

、V3

的中點(diǎn)電壓，一般為電源電壓的一半，這個(gè)穩(wěn)定的電壓由輸出晶體三極管基極的兩個(gè)二極管控制。3.3Ω電阻串聯(lián)在輸出晶體三極管的發(fā)射極上，以穩(wěn)定偏流，減小環(huán)境、溫度、不同器件參數(shù)對(duì)電路的影響。

圖2－44所示為某擴(kuò)音器的原理圖，它由輸入級(jí)—前置放大級(jí)—中間級(jí)—輸出級(jí)—揚(yáng)聲器組成。輸入級(jí)與RW1組成回路，前置放大級(jí)由V1、R1

、RW2

、R2、R3、R4、R5

、C1

、C2

、C3

、C4

等組成，連接成共發(fā)射極放大電路，該電路采用分壓式電流負(fù)反饋偏置穩(wěn)壓電路。中間級(jí)采用直接耦合方式，它由V2

、R6

、RW4

、R7

、R8、R9

、VD1

、VD2

、RW3

、R10

、C5、C6

、C7

組成，連接成共發(fā)射極分壓式偏置穩(wěn)壓電路。輸出級(jí)有向負(fù)載輸出信號(hào)的任務(wù)，它由V3

、V4組成的NPN型復(fù)合管，

V5

、V6

組成的PNP型復(fù)合管以及

R11

、R12

、R13

、R14、C8

共同組成互補(bǔ)對(duì)稱電路。圖2－44擴(kuò)音器原理圖

習(xí)題

[題2.1]選擇題。

1.電路如圖2－45所示，設(shè)晶體三極管工作在放大狀態(tài)，欲使靜態(tài)電流IC減小，則應(yīng)（）。

A.保持UCC

，

Rb

一定，減小Rc

B.保持UCC

，

Rc一定，減小Rb

C.保持Rb

，

Rc

一定，減小UCC

圖2－45[題2.1]1圖

3.基本共發(fā)射極放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)Q如圖2－46所示，欲使工作點(diǎn)移至Q′，需（）。

A.增大電阻Rb

B.減小電阻Rb

C.減小電阻Rc

4.分壓式偏置單管放大電路的發(fā)射極旁路電容Ce

因損壞而斷開，則該電路的電壓放大倍數(shù)將（）。

A.增大B.減小C.不變

圖2－46[題2.1]3圖

5.兩級(jí)放大電路，

Au1=-40，

Au2=-50，若輸入電壓Ui=1mV，則輸出電壓Uo

為（）。

A.10mV

B.-90mV

C.2V

6.晶體三極管組成的三種基本接法電路中，（）

既能放大電壓又能放大電流。

A.共發(fā)射極電路

B.共集電極電路

C.共基極電路

7.選用差分放大電路的原因是（）。

A.克服溫漂

B.提高輸入電阻

C.穩(wěn)定放大倍數(shù)

[題2.2]說明圖2－47所示電路對(duì)正弦交流信號(hào)有無放大作用，其原因是什么?圖2－

47[題2.2]圖

[題2.3]某硅晶體三極管的輸出特性曲線和用該晶體三極管組成的放大電路及其直流、交流負(fù)載線如圖248所示。由此求解:

(1)電源電壓UCC

、靜態(tài)電流ICQ和靜態(tài)電壓UCEQ;

(2)電路參數(shù)Rc

、RL

;

(3)為了獲得更大的不失真輸出電壓，

Rb

應(yīng)增大還是減小?圖2－48[題2.3]圖

[題2.4]如圖2－49(a)所示電路，已知:UCC=12V，

UBB=1V，

Rb=15kΩ，

Rc=3kΩ，晶體三極管導(dǎo)通時(shí)U

BEQ=0.7V。圖2－49(b)為晶體三極管的輸出特性曲線。試?yán)脠D解法分別求解RL