交流小信號(hào)放大器

交流小信號(hào)放大器模擬電子技術(shù)用來(lái)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大的電路稱為放大電路，習(xí)慣上稱為放大器。根據(jù)用途以及采用的有源（具有直流電源供電）放大器件的不同，放大電路的種類很多，它們的電路形式以及性能指標(biāo)不完全相同，但它們的基本工作原理是相同的。必須指出，這里所指的“放大”是指在輸入信號(hào)的作用下，利用有源器件的控制作用將直流電源提供的部分能量轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)成比例的輸出信號(hào)。交流小信號(hào)放大器1.1放大器的基本組成1.1.1各元件的作用圖1.1所示為NPN型共射極放大電路的原理性電路。圖1.1基本共射放大電路原理圖1.1放大器的基本組成（1）三極管——電流放大器件。（2）隔直耦合電容C1和C2。（3）基極回路電源UBB和基極偏置電阻Rb。（4）集電極電源UCC——提供三極管集電結(jié)反偏的偏置電壓。（5）集電極負(fù)載電阻Rc——不可短路，否則無(wú)輸出電壓信號(hào)。電路中各元件的作用如下。電流的方向：對(duì)NPN型三極管基極電流iB、集電極電流iC流入電極為正，發(fā)射極電流iE流出電極為正，這和NPN型三極管的實(shí)際電流方向相一致。1.1.2電壓、電流等符號(hào)的規(guī)定將圖1.1兩個(gè)直流電源合并為一個(gè)電源UCC，簡(jiǎn)化電路如圖1.2所示。1.1放大器的基本組成圖1.2單電源共射極電路各量的符號(hào)規(guī)定如下。（1）直流分量。UCC、UBE、UCE、IB、IC、IE。（2）交流分量。ui、uo、ube、uce、ib、ic、ie。（3）瞬時(shí)值。ui、uo、uBE、uCE、iB、iC、iE。（4）交流有效值。Ui、Uo、Ube、Ue、Ib、Ic、Ie。（5）交流峰值。Uim、Uom、Ubem、Uem、Ibm、Icm、Iem。1.1放大器的基本組成1.1.3放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的實(shí)質(zhì)圖1.3

放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的工作過(guò)程放大器放大的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)小能量對(duì)大能量的控制和轉(zhuǎn)換作用。1.1放大器的基本組成1.1.4基本放大電路的組成原則（1）外加電源的極性必須保證三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）輸入電壓ui要能引起三極管的基極電流IB作相應(yīng)的變化。（3）三極管集電極電流IC的變化要盡可能的轉(zhuǎn)為電壓的變化輸出。（4）放大電路工作時(shí)，直流電源UCC要為三極管提供合適的靜態(tài)工作電流IBQ、ICQ和電壓UCEQ，即電路要有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。1.1.5放大電路的主要性能指標(biāo)1、放大倍數(shù)Au、Ai放大倍數(shù)是衡量放大電路對(duì)信號(hào)放大能力的主要技術(shù)參數(shù)。（1）電壓放大倍數(shù)Au。（2）電流放大倍數(shù)Ai。1.1放大器的基本組成2、輸入電阻Ri。圖1.4為放大電路輸入電阻的示意圖。對(duì)于一定的信號(hào)源電路，輸入電阻RI越大，放大電路從信號(hào)源得到的輸入電壓ui就越大，放大電路向信號(hào)源索取電流的能力也就越小。圖1.4放大電路的輸入電阻1.1放大器的基本組成3、輸出電阻Ro

圖1.5為放大電路輸出電阻的示意圖。當(dāng)放大電路作為一個(gè)電壓放大器來(lái)使用時(shí)，其輸出電阻Ro的大小決定了放大電路的帶負(fù)載能力。Ro越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)，即放大電路的輸出電壓uO受負(fù)載的影響越小。圖1.5放大電路的輸出電阻1.1放大器的基本組成圖1.6所示為求解輸出電阻的等效電路，uS短路，UT為探察電壓，IT為探察電流，RO＝UT/IT。圖1.6輸出電阻的求解電路1.1放大器的基本組成圖解分析方法是指根據(jù)輸入信號(hào)，在三極管的特性曲線上直接作圖求解的方法。1.2.1靜態(tài)工作點(diǎn)Q1、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工作點(diǎn)的概念。（1）（ui＝0）靜態(tài)。（2）（ui≠0）動(dòng)態(tài)。（3）靜態(tài)工作點(diǎn)Q。圖1.7靜態(tài)工作點(diǎn)Q

1.2圖解分析法2、直流通路。直流通路：是指靜態(tài)（ui＝0）時(shí)，電路中只有直流量流過(guò)的通路。畫(huà)直流通路有兩個(gè)要點(diǎn)：（1）電容視為開(kāi)路 （2）電感視為短路圖1.8共射極放大電路圖1.9共射電路的直流通路1.2圖解分析法3、Q點(diǎn)的估算（1）公式估算法確定Q點(diǎn)。在圖1.9所示直流通路中，若UBEQ≈0.7V，并忽略此數(shù)值。圖1.10圖解法確定Q點(diǎn)則IBQ＝（UCC－UBEQ）/Rb≈UCC/Rb；ICQ＝βIBQ；UCEQ＝UCC－ICQRC。1.2圖解分析法（2）圖解法確定Q點(diǎn)。在三極管的輸出伏安特性曲線上以直線方程UCEQ＝UCC－ICQRC作直流負(fù)載線，得到一個(gè)交點(diǎn)Ｑ，即為靜態(tài)工作點(diǎn)，其坐標(biāo)（UCEQ，ICQ）位置如圖1.10所示，圖中直流負(fù)載線由直流通路，并用兩點(diǎn)式直線方程獲得。1.2.2交流負(fù)載線1、交流通路指動(dòng)態(tài)（ui≠0）時(shí)，電路中交流分量流過(guò)的通路。（1）耦合電容視為短路。（2）直流電壓源（內(nèi)阻很小，忽略不計(jì)）視為短路。圖1.11所示為圖1.8共射極放大電路的交流通路。1.2圖解分析法畫(huà)交流通路時(shí)有兩個(gè)要點(diǎn)：圖1.11共射極電路的交流通路計(jì)算動(dòng)態(tài)參數(shù)Au、Ri、Ro時(shí)必須依據(jù)交流通路。2、交流負(fù)載線圖1.11中有關(guān)系式：uo

=ΔuCE=－ΔiC（Rc∥RL)=－icRL′。（1.1）其中，RL′＝Rc∥RL稱為交流負(fù)載電阻，負(fù)號(hào)表示電流ic和電壓uo的方向相反。1.2圖解分析法交流變化量在變化過(guò)程中一定要經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，此時(shí)ui＝0，與靜點(diǎn)Q相符合。所以Q點(diǎn)也是動(dòng)態(tài)過(guò)程中的一個(gè)點(diǎn)。交流負(fù)載線和直流負(fù)載線在Q點(diǎn)相交，如圖1.12所示。交流負(fù)載線由交流通路獲得，且過(guò)Q點(diǎn)，因此交流負(fù)載線是動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)移動(dòng)的軌跡。圖1.12交流負(fù)載線1.2圖解分析法1.1.3動(dòng)態(tài)工作范圍圖1.13動(dòng)態(tài)工作情況1.2圖解分析法1.1.4非線性失真所謂失真，是指輸出信號(hào)的波形與輸入信號(hào)的波形不一致。1、截止失真當(dāng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q選取比較低時(shí)，IBQ較小，輸入信號(hào)的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)而造成的失真稱為截止失真。圖1.14截止失真1.2圖解分析法2、飽和失真當(dāng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q選取比較高時(shí)，IBQ較大，UCEQ較小，輸入信號(hào)的正半周進(jìn)入飽和區(qū)而造成的失真稱為飽和失真。圖1.15飽和失真1.2圖解分析法1.3.1三極管微變等效電路模型微變等效電路分析法指的是在三極管特性曲線上Q點(diǎn)附近，當(dāng)輸入為微變信號(hào)（如圖1.16所示）時(shí)，可以把三極管的非線性特性近似看為是線性的，如圖1.17所示；即把非線性器件三極管轉(zhuǎn)為線性器件進(jìn)行求解的方法。圖1.16三極管的交流輸入電阻rbe圖1.17三極管的電流放大系數(shù)β

1.3微變等效電路1、三極管的微變等效電路結(jié)論：當(dāng)輸入為微變信號(hào)時(shí)，對(duì)于交流微變信號(hào)，三極管可用如圖1.18（b）所示的微變等效電路來(lái)代替。圖1.18（a）所示的三極管是一個(gè)非線性器件，但圖1.18（b）所示的是一個(gè)線性電路。這樣就把三極管的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題。(a)三極管(b)三極管的微變等效電路圖1.18三極管的微變等效電路模型1.3微變等效電路2、交流輸入電阻rbe。rbe＝＝rbb`＋其中rbb`表示基區(qū)體電阻，室溫下取rbb`≈300Ωrbe＝300＋(1+β)（1.2）3、有關(guān)微變等效電路的說(shuō)明。微變等效電路分析法只適用于小信號(hào)放大電路的分析，主要用于對(duì)放大電路動(dòng)態(tài)性能的分析。1.3微變等效電路1.3.2共射放大器微變等效電路1、用微變等效電路分析法分析放大電路的求解步驟（1）用公式估算法估算Q點(diǎn)坐標(biāo)值，并計(jì)算Q點(diǎn)處的參數(shù)rbe值。（2）由放大電路的交流通路，畫(huà)出放大電路的微變等效電路。（3）根據(jù)等效電路直接列方程求解Au、Ri、Ro。2、用微變等效電路分析法分析共射放大電路（1）放大電路的微變等效電路圖1.19共射放大電路的微變等效電路uS為外接的信號(hào)源，RS是信號(hào)源內(nèi)阻。1.3微變等效電路（2）求解電壓放大倍數(shù)Au。負(fù)號(hào)表示輸出電壓uo與輸入電壓ui反相位。Au＝＝－（1.3）（3）求解電路的輸入電阻Ri。Ri＝Rb∥rbe

（1.4）一般基極偏置電阻Rb>>rbe，Ri≈rbe（1.5）（4）求解電路的輸出電阻Ro。圖1.20所示為求解輸出電阻的等效電路。Ro≈Rc

（1.6）輸出電阻Ro越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。輸出電阻Ro中不應(yīng)包含負(fù)載電阻RL。1.3微變等效電路圖1.20求解輸出電阻的等效電路由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，AuS＜Au，電路的輸入電阻越大，輸入電壓ui越接近uS。（5）求解輸出電壓uo對(duì)信號(hào)源電壓uS的放大倍數(shù)AuS1.3微變等效電路3、兩種分析方法特點(diǎn)比較放大電路的圖解分析法：其優(yōu)點(diǎn)是形象直觀，適用于Q點(diǎn)分析、非線性失真分析、最大不失真輸出幅度的分析，能夠用于大、小信號(hào)；其缺點(diǎn)是作圖麻煩，只能分析簡(jiǎn)單電路，求解誤差大，不易求解輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是適用于任何復(fù)雜的電路，可方便求解動(dòng)態(tài)參數(shù)如放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等；其缺點(diǎn)是只能用于分析小信號(hào)，不能用來(lái)求解靜態(tài)工作點(diǎn)Q。1.3微變等效電路微變等效電路分析法：1.4.1溫度變化對(duì)Q點(diǎn)的影響（1）溫度升高，三極管的反向電流增大。（2）溫度升高，三極管的電流放大系數(shù)β增大。（3）溫度升高，相同基極電流IB下，UBE減小，三極管的輸入特性具有負(fù)的溫度特性。溫度每升高1℃，UBE大約減小1.2mV。Q點(diǎn)的影響因素有很多，如電源波動(dòng)、偏置電阻的變化、管子的更換、元件的老化等等，不過(guò)最主要的影響則是環(huán)境溫度的變化。三極管是一個(gè)對(duì)溫度非常敏感的器件，隨溫度的變化，三極管參數(shù)會(huì)受到影響，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.4.2分壓式偏置放大器1、工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的組成1.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定措施如圖1.21所示為靜點(diǎn)穩(wěn)定放大電路。圖1.21分壓偏置式的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路1.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定措施2、穩(wěn)定Q點(diǎn)的原理UB不隨溫度變化；溫度升高，即T↑→IEQ↑→UE↑→UBEQ(UB－UE)↓→IBQ↓↓→ICQ↓→IEQ↓，Q點(diǎn)得到穩(wěn)定。分壓偏置式放大電路具有穩(wěn)定Q點(diǎn)的作用，在實(shí)際電路中應(yīng)用廣泛。實(shí)際應(yīng)用中，為保證Q點(diǎn)的穩(wěn)定，要求電路：I1>>IBQ。一般對(duì)于硅材料的三極管：I1=（5～10）IBQ。3、工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的分析（1）靜態(tài)工作點(diǎn)Q的估算UB＝UCC，IC≈IE＝UCEQ＝UCC－IC（RC+RE）（1.7）1.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定措施，圖1.22穩(wěn)定電路的直流通路1.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定措施（2）微變等效電路圖1.23(a)所示為工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的交流通路，圖1.23(b)所示為其微變等效電路。因?yàn)榕月冯娙軨e的交流短路作用，電阻Re被短路掉。(a)交流通路(b)微變等效電路圖1.23穩(wěn)定電路的交流通路及其微變等效電路1.4靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定措施1.5放大器三種組態(tài)放大電路的三種組態(tài)：共發(fā)射極、共集電極和共基極組態(tài)放大電路。圖1.24三極管的三種連接方式1.5.1共集放大器1、電路組成組成原則同共射極電路一樣，外加電源的極性要保證放大管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，同時(shí)保證放大管有一個(gè)合適的Q點(diǎn)。圖1.25共集電極電路及其交流通路1.5放大器三種組態(tài)交流信號(hào)ui從基極b輸入，uo從發(fā)射極e輸出，集電極c作為輸入、輸出的公共端，故稱為共集電極組態(tài)，此電路也叫射極輸出器。2、靜態(tài)工作點(diǎn)Q的估算圖1.26為共集電路的直流通路及其微變等效電路。圖1.26直流通路及其微變等效電路1.5放大器三種組態(tài)1.5放大器三種組態(tài)IBQ＝UCEQ≈VCC－IEQRE

（1.8），ICQ＝βIBQ3、動(dòng)態(tài)參數(shù)Au、Ri、RouO＝＝（1.9）ui＝＝（1.10）（1）電壓放大倍數(shù)Au＝＝≈1（2）輸入電阻Ri＝Rb∥[rbe+]（1.11）（1.12）（3）輸出電阻Ro＝

（1.13）1.5.2共基放大器1.5放大器三種組態(tài)1、電路組成(a)共基放大電路(b)共基電路的交流通路圖1.27共基極電路及其交流通路交流信號(hào)ui從發(fā)射極e輸入，uo從集電極c輸出，基極b作為輸入、輸出的公共端，因此稱為共基極組態(tài)。2、靜態(tài)工作點(diǎn)Q的估算。UBQ≈ＵCC

（1.14）ICQ≈IEQ＝ＵCEQ≈UCC－ICQ(RC＋RE)（1.15）（1.16）3、動(dòng)態(tài)參數(shù)Au、Ri、Ro

（1）電壓放大倍數(shù)Au

ui＝－ibrbe；uO＝－βib；Au＝＝

（1.17）其中＝//

1.5放大器三種組態(tài)（2）輸入電阻Ri

＝＝＝（1.18）1.5放大器三種組態(tài)

（3）輸出電阻Ro

Ro≈Rc

（1.19）（1.20）共基極電路具有電壓放大作用，uo與ui同相位。放大管輸入電流為ie，輸出電流為ic，沒(méi)有電流放大作用，ic≈ie，因此電路又稱為電流跟隨器。其輸入電阻很小，輸出電阻很大。共基極電路的頻率特性比較好，一般多用于高頻放大電路。1.5.3三種組態(tài)的性能比較

詳見(jiàn)表2-1放大電路三種組態(tài)的性能比較1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器1.6.1場(chǎng)效應(yīng)管微變等效電路(a)場(chǎng)效應(yīng)管(b)微變等效電路圖1.28場(chǎng)效應(yīng)管及其微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和源極之間電阻很大，電壓為ugs，電流近似為零，可視為開(kāi)路。1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器1.6.2自偏壓電路的動(dòng)態(tài)分析1、自偏壓電路圖1.29自偏壓電路UGS=UG－US=－IDRS。（1.21）1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器2、自偏壓電路的動(dòng)態(tài)分析圖1.30所示為圖1.29自偏壓電路的微變等效電路，由此可求電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。圖1.30自偏壓電路的微變等效電路1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器1.6.3分壓式自偏壓電路1、分壓式自偏壓電路圖1.31所示為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管分壓式自偏壓放大電路。

圖1.31分壓式自偏壓放大電路2、分壓式自偏壓電路的動(dòng)態(tài)分析圖1.32所示為圖1.31分壓式自偏壓電路的微變等效電路，圖1.29也為共源極放大電路。圖1.32分壓式自偏壓電路的微變等效電路1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器1.6.4共漏極放大電路共漏極放大電路與三極管共集電極放大電路的性能特點(diǎn)相一致。圖1.33和圖1.34分別為共漏極電路及其微變等效電路。圖1.33共漏極電路1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器圖1.34共漏極電路的微變等效電路同三極管共集電極放大電路一樣，共漏極電路沒(méi)有電壓放大作用，Au≈1，且uo與ui同相位；電路的輸入電阻比較大，輸出電阻比較小。另外，場(chǎng)效應(yīng)管放大電路還有共柵極電路，其性能特點(diǎn)同共基極放大電路相一致，具有電壓放大作用，uo與ui同相位，電路的輸入電阻小，輸出電阻較大等。1.6場(chǎng)效應(yīng)管放大器多級(jí)放大電路是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的單級(jí)放大電路所組成的電路。圖1.35所示為多級(jí)放大電路的組成框圖。圖1.35多級(jí)放大電路的組成框圖通常稱多級(jí)放大電路的第一級(jí)為輸入級(jí)，最后一級(jí)稱為輸出級(jí)。

1.7多級(jí)放大器1.7.1多級(jí)放大器的耦合方式1、阻容耦合它是指各級(jí)放大電路之間通過(guò)隔直電容耦合連接。圖1.36所示為阻容耦合兩級(jí)放大電路。圖1.37直接耦合兩級(jí)放大電路1.7多級(jí)放大器特點(diǎn)..（1）各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，不利于電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修。（2）頻率特性好，可以放大直流、交流以及緩慢變化的信號(hào)。（3）輸出存在溫度漂移。（4）電路中無(wú)大的耦合電容，便于集成化。3、變壓器耦合它是指各級(jí)放大電路之間通過(guò)變壓器耦合傳遞信號(hào)。圖1.38變壓器耦合放大電路1.7多級(jí)放大器（1）各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響，利于放大器的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修。（2）同阻容耦合一樣，變壓器耦合低頻特性差，不適合放大直流及緩慢變化的信號(hào),只能傳遞具有一定頻率的交流信號(hào)。（3）可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流和阻抗的變換，容易獲得較大的輸出功率。（4）輸出溫度漂移比較小。（5）變壓器耦合電路體積和重量較大，不便于做成集成電路。1.7.2三個(gè)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)1、多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)Au

圖1.39多級(jí)放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)框圖1.7多級(jí)放大器特點(diǎn)..2、多級(jí)放大電路的輸入電阻Ri多級(jí)放大電路的輸入電阻Ri等于從第一級(jí)放大電路的輸入端所看到的等效輸入電阻Ri1。即：Ri＝Ri1。（1.22）

3、多級(jí)放大電路的輸出電阻Ro多級(jí)放大電路的輸出電阻Ro等于從最后一級(jí)（末級(jí)）放大電路的輸出端所看到的等效電阻Ro末，即：

Ro=Ro末。（1.23）

1.7多級(jí)放大器復(fù)合管是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的三極管按照一定的連接方式組成的等效三極管,又稱為達(dá)林頓管。1.8.1復(fù)合管的結(jié)構(gòu)復(fù)合管可以由相同類型的管子復(fù)合而成，也可以由不同類型的管子復(fù)合連接，其連接的方法有多種。連接的基本規(guī)律為小功率管放在前面，大功率管放在后面；連接時(shí)要保證每管都工作在放大區(qū)域，保證每管的電流通路。1.8復(fù)合管圖1.40四種常見(jiàn)的復(fù)合管結(jié)構(gòu)圖1.40四種常見(jiàn)的復(fù)合管結(jié)構(gòu)1.8.2復(fù)合管的特點(diǎn)（1）復(fù)合管的類型與組成復(fù)合管的第一只三極管的類型相同。（2）復(fù)合管的電流放大系數(shù)β近似為組成該復(fù)合管的各三極管電流放大系數(shù)的乘積。 即：β≈β1β2β3…1.8復(fù)合管1.9頻率響應(yīng)特性1.9.1單級(jí)頻率響應(yīng)特性1、頻率響應(yīng)放大倍數(shù)隨信號(hào)頻率變化的關(guān)系稱為放大電路的頻率特性，也叫頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)包含幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)兩部分。用關(guān)系式Au=Au(f)∠φ(f)來(lái)描述放大電路的電壓放大倍數(shù)與信號(hào)頻率的關(guān)系。其中Au(f)表示電壓放大倍數(shù)的模與信號(hào)頻率的關(guān)系，叫做幅頻響應(yīng)；φ(f)表示放大電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui的相位差與信號(hào)頻率的關(guān)系，叫做相頻響應(yīng)。2、上、下限頻率和通頻帶圖1.41所示為阻容耦合放大電路的幅頻響應(yīng)。從圖中可以看出，在某一段頻率范圍內(nèi)，放大電路的電壓增益|