《電工電子學(xué)》課件第10章

第10章基本放大電路

10.1基本放大電路簡介

10.2放大電路的靜態(tài)分析

10.3放大電路的動(dòng)態(tài)分析

10.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

10.5射極輸出器

10.6多級放大電路

10.7差分放大電路

10.8功率放大電路

10.9場效應(yīng)管放大電路

10.1基本放大電路簡介

1.共發(fā)射極基本放大電路的組成

圖10-1是一個(gè)簡單的單管共發(fā)射極基本放大電路。輸入端接需要放大的信號(hào)(通?？捎靡粋€(gè)電動(dòng)勢eS與電阻RS串聯(lián)表示)，它可以是收音機(jī)自天線收到的包含聲音信號(hào)的微弱電信號(hào)，也可以是某種傳感器根據(jù)被測量轉(zhuǎn)換出的微弱電信號(hào)。信號(hào)源的輸出電壓即放大器的凈輸入電壓為ui，放大器的輸出端接負(fù)載電阻RL，輸出電壓為uo。圖10-1共發(fā)射極基本放大電路

2.共發(fā)射極基本放大電路各元件的作用

放大器中各元件的作用如下：

(1)晶體管V：

(2)集電極電源EC：

(3)集電極負(fù)載電阻RC：

(4)基極電源EB和基極電阻RB：

(5)耦合電容C1和C2：

(6)負(fù)載電阻RL：

3.放大電路中各變量的表示方法

由圖10-1電路可見，由于放大電路中同時(shí)存在著直流電壓源(EB、EC)和交流電壓源(es)，因此晶體管各極之間的電壓、電流既含有直流分量，又含有交流分量。為了分析方便，特規(guī)定用下列表示方法加以區(qū)別：

用大寫字母及大寫字母腳標(biāo)表示直流量。例如：IB、IC、UBE，UCE等。

用小寫字母及小寫字母腳標(biāo)表示交流量的瞬時(shí)值。例如：ib、ic、ube、uce等。

用大寫字母及小寫字母腳標(biāo)表示交流量的有效值。例如：Ib、Ic、Ube、Uce等。

用小寫字母及大寫字母腳標(biāo)表示既含有直流分量又含有交流分量的總電壓或總電流。例如：iB=IB+ib，iC=IC+ic，uBE=UBE+ube等。

4.放大電路的習(xí)慣畫法

在如圖10-1所示的放大電路中，用了EC和EB兩個(gè)直流電源，使用不便。在實(shí)際的放大電路中都采用單電源供電，可將RB的一端改接到EC的正極上，只用EC供電，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整RB的阻值，仍可保證發(fā)射結(jié)正向偏置，產(chǎn)生合適的基極偏置電流。此外，在放大電路中，通常把公共端設(shè)為參考點(diǎn)，設(shè)其為零電位，而該端常接“地”。同時(shí)為了簡化電路的畫法，習(xí)慣上常不畫電源EC的符號(hào)，而只在連接其正極的一端標(biāo)出它對參考點(diǎn)“地”的電壓值UCC和極性(“+”或“-”)。如忽略電源EC的內(nèi)阻，則UCC=EC，因此圖10-1可改畫為圖10-2所示的習(xí)慣畫法形式。圖10-2單電源供電時(shí)常用的畫法

10.2放大電路的靜態(tài)分析

1.用放大電路的直流通路確定靜態(tài)值

做靜態(tài)分析是在放大電路的直流通路中進(jìn)行的。在畫直流通路時(shí)，令輸入信號(hào)為零，es=0(保留內(nèi)阻RS)，所有電容視為開路。圖10-3所示的電路是圖10-2所示基本共發(fā)射極放大電路的直流通路。這種方法也稱為估算法，使用此方法的條件：已知電路中各元件的參數(shù)值，以及晶體管的β值。從直流通路可以看出，由于C1、C2的“隔直”作用，靜態(tài)工作點(diǎn)與信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻無關(guān)。圖10-3基本共射放大電路的直流通路由圖10-3所示的直流通路可得出靜態(tài)時(shí)的基極電流為

(10-1)

由IB可得出靜態(tài)時(shí)的集電極電流為

(10-2)

靜態(tài)時(shí)的集-射極電壓則為

UCE=UCC－RCIC(10-3)

【例10-1】在圖10-2所示的放大電路中,設(shè)UCC=12V,RC=3kΩ，RB=280kΩ，β=50，試求放大電路的靜態(tài)值。

解根據(jù)圖10-3的直流通路可得出

2.用圖解法確定靜態(tài)值

根據(jù)圖10-3的輸入回路，UBE和IB之間的關(guān)系既要符合輸入特性曲線，又要滿足電路的基本電壓方程：

(10-4)

這是一條關(guān)于UBE與IB關(guān)系的直線方程，稱為輸入直流負(fù)載線。在輸入特性曲線上作出這條直線，則這條直線與輸入特性曲線交于Q點(diǎn)(如圖10-4所示)，由Q點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值可得到電路的UBE和IB。圖10-4用圖解法求IB、UBE同理，在輸出回路中，IC與UCE間的關(guān)系既要符合對應(yīng)上面求出的IB的這條輸出特性曲線，又應(yīng)滿足電路的基本電壓方程：

(10-5)這是一條關(guān)于IC與UCE關(guān)系的直線方程，稱之為輸出直流負(fù)載線，其斜率為tanα=，僅與集電極電阻RC有關(guān)。分別令I(lǐng)C=0，得UCE=UCC，即M點(diǎn)，令UCE=0，得，即N點(diǎn)，連接MN的直線與對應(yīng)于iB=IB的這條輸出曲線交于Q點(diǎn)，把Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖10-5所示，其中坐標(biāo)值IC與UCE及IB統(tǒng)稱為靜態(tài)值。圖10-5用圖解法求IC和UCE

【例10-2】在圖10-3所示的放大電路中，已知UCC=

12V，RC=3kΩ，RB=280kΩ。晶體管的輸出特性曲線如圖10-5所示。用圖解法求靜態(tài)值。

解根據(jù)式(10-1)可算出根據(jù)圖10-3所示的直流通路，可得

則直流負(fù)載線與電壓軸的交點(diǎn)M的坐標(biāo)為與電流軸的交點(diǎn)N的坐標(biāo)為

這樣就可在圖10-5所示的晶體管輸出特性曲線上作出直流負(fù)載線。由此得出靜態(tài)工作點(diǎn)Q(見圖10-5)的靜態(tài)值為

10.3放大電路的動(dòng)態(tài)分析

當(dāng)放大電路有輸入信號(hào)，即ui≠0時(shí)的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)分析的目的主要是獲得用元件參數(shù)表示的放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro這三個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，以便知道該放大電路對輸入信號(hào)的放大能力以及與信號(hào)源及負(fù)載進(jìn)行最佳匹配的條件。10.3.1圖解分析法

畫出放大電路的交流通路。方法是令UCC=0，并把所有電容視為短路?；竟舶l(fā)射極放大電路圖10-2的交流通路如圖10-6所示。根據(jù)交流通路求出以混合量uCE、iC為變量的

交流負(fù)載線方程，進(jìn)而在晶體管輸出特性曲線上繪制交流負(fù)載線。圖10-6基本共射放大電路的交流通路圖由圖10-6可知，晶體管c、e之間的交流電壓分量

uce=－icRL′，其中RL′=RC∥RL。

又因?yàn)閡ce=uCE－UCE和ic=iC－IC，通過運(yùn)算，可以求得交流負(fù)載線方程為

(10-6)知道了方程，就不難作出它的圖像。令iC=0，則uCE=

UCC′，可求出曲線上的一個(gè)點(diǎn)M′。另外，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，放大電路仍應(yīng)工作在靜態(tài)工作點(diǎn)Q，可見，交流負(fù)載線也要通過Q點(diǎn)。畫出通過M′、Q兩點(diǎn)的直線即可得到交

流負(fù)載線，如圖10-7所示。圖

10-7直流負(fù)載線和交流負(fù)載線把ΔiB移植到輸出曲線上，從而確定輸出信號(hào)變化范圍，如圖10-8中Q1、Q2兩點(diǎn)之間線段所示。讀出ΔiC和ΔuCE的坐標(biāo)值，則交流電壓放大倍數(shù)為

(10-7)

通過上述作圖，可以清楚地觀察到，Q點(diǎn)在交流負(fù)載線上的位置不同時(shí)，對輸出信號(hào)的影響。圖10-8用圖解法求ΔuCE10.3.2微變等效電路法

1.晶體管的微變等效電路

如圖10-9(a)所示為晶體管的輸入特性曲線，當(dāng)uCE為常數(shù)時(shí)，ΔuBE與ΔiB為線性關(guān)系，它們之比近似為一常數(shù)，用rbe表示。由于輸入信號(hào)ui很小，ΔuBE與ΔiB可用交流量ube和ib來代替，即

(10-8)

由式(10-8)可見，用rbe可確定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，如圖10-10(b)所示。圖10-9從晶體管的特性曲線求rbe、β和rce低頻小功率晶體管的輸入電阻常用下式來進(jìn)行估算：

(10-9)

式中，IE是發(fā)射極電流的靜態(tài)值，rbb′為基區(qū)體電阻，常取100～300Ω，如不加以說明可取200Ω；UT為電壓當(dāng)量，常取26mV。在室溫下，上述公式可改寫為

(10-10)由圖10-9(b)所示晶體管的輸出特性曲線可以看出，在輸入信號(hào)微小變化時(shí)，輸出特性在線性工作區(qū)是一組近似與橫軸平行且等距離的直線。當(dāng)uCE為常數(shù)時(shí)，ΔiC只受ΔiB的控制，與ΔuCE無關(guān)，即

(10-11)在小信號(hào)的條件下，β近似為一常數(shù)，由β來確定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=βib來代替，以表示晶體管的電流控制作用，如圖10-10(b)所示。β即為晶體管的電流放大倍數(shù)。圖10-10晶體管及其微變等效電路另外，從圖10-9(b)中還可見到，晶體管的輸出特性曲線并不完全與橫軸平行，當(dāng)IB為常數(shù)時(shí)，ΔuCE與ΔiC之比稱為晶體管的輸出電阻，用rce表示。即

(10-12)

在小信號(hào)的條件下，rce也是一個(gè)常數(shù)，由它表示uce與ic之間的關(guān)系。rce的阻值很高，約為幾十千歐到幾百千歐，所以其在微變等效電路中通常忽略不計(jì)。圖10-10晶體管及其微變等效電路

2.放大電路的微變等效電路

由放大電路的交流通路和晶體管的微變等效電路可得出放大電路的微變等效電路。首先畫出放大電路的交流通路，對交流分量來說，電容C1和C2可視作短路，直流電源也可以認(rèn)為是短路的。據(jù)此就可畫出交流通路，如圖10-11(a)是圖10-2所示放大電路的交流通路。再把交流通路中的晶體管用它的微變等效電路來代替，即可得到放大電路的微變等效電路，如圖10-11(b)所示。電路中的電壓和電流都是交流分量，標(biāo)出的是參考方向。當(dāng)輸入的是正弦信號(hào)時(shí)，圖10-11(b)中的電壓和電流也可用相量來表示。

分析圖10-11(b)所示電路,計(jì)算放大電路的主要性能指標(biāo)。圖10-11放大電路及其微變等效電路

3.電壓放大倍數(shù)的計(jì)算

以基本共發(fā)射極放大電路為例，用它的微變等效電路10-11(b)來計(jì)算電壓放大倍數(shù)。

根據(jù)微變等效電路，有

ui=ibrbe

uo=－icRC∥RL=－βibRC∥RL=－βibRL′

由電壓放大倍數(shù)的定義，可得

(10-13)當(dāng)放大電路RL=∞(未接RL)時(shí)，

(10-14)

比較式(10-14)與式(10-13)可見，接入負(fù)載RL會(huì)使共發(fā)射極放大電路的放大倍數(shù)降低，且RL愈小，則電壓放大倍數(shù)

愈低。

【例10-3】在圖10-2中，UCC=12V，RC=3kΩ，

RB=280kΩ，β=50，RL=6kΩ，試求電壓放大倍數(shù)Au。

解在例10-1中已求出由式(10-10)可得

則

4.輸入電阻的計(jì)算

由輸入電阻的定義及圖10-11(b)所示電路，可得

(10-15)

它是對交流信號(hào)而言的一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻?？梢娺@種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。在實(shí)際電路中，輸入電阻ri與信號(hào)源內(nèi)阻RS是串聯(lián)關(guān)系，由于

所以

Aus稱為源電壓的放大倍數(shù)，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻Rs=0時(shí)，

Aus=Au。

5.輸出電阻的計(jì)算

通常計(jì)算ro的方法是將信號(hào)源短路(如es=0，但要保留信號(hào)源內(nèi)阻)，將負(fù)載RL開路，在輸出端加一交流電壓uo，以產(chǎn)生一個(gè)電流io，則放大電路的輸出電阻為ro=uo/io。共發(fā)射極放大電路的輸出電阻是從放大電路的輸出端看進(jìn)去的一個(gè)電阻。從圖10-11(b)所示的微變等效電路看，當(dāng)ui=0時(shí)，ib=0，βib和ic也為零。故

ro≈RC

(10-16)

【例10-4】如圖10-12所示為發(fā)射極加電阻的共發(fā)射極放大電路，試求該放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri及輸出電阻ro。

解利用微變等效電路法求解該放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。該放大電路的微變等效電路如圖10-13(a)所示。圖10-12例10-4圖由圖10-13(a)可得

則電壓放大倍數(shù)又由圖可得

則輸入電阻圖10-13例10-4中計(jì)算ri和ro用圖10.3.3放大電路的非線性失真

1.由晶體管特性曲線非線性引起的失真

這主要表現(xiàn)在輸入特性的起始彎曲部分，輸出特性間距不均勻，當(dāng)輸入信號(hào)又比較大時(shí)，將使ib、uce和ic正、負(fù)半周不對稱，即產(chǎn)生了非線性失真。

2.工作點(diǎn)不合適引起的失真

設(shè)輸入信號(hào)ui為正弦電壓，靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置選擇太低，在ui的負(fù)半周靠近峰值的某段時(shí)間內(nèi)，晶體管進(jìn)入截止區(qū)工作，iB、uCE和iC都嚴(yán)重失真了，對于NPN型晶體管共發(fā)射極放大電路，iB、iC的負(fù)半周和輸出電壓uCE的正半周將被削平，如圖10-14(a)所示。這是由于工作點(diǎn)進(jìn)入晶體管的截止區(qū)而引起的，故稱為截止失真。只有減小基極電阻RB，才能消除截止失真現(xiàn)象。圖10-14靜態(tài)工作點(diǎn)不合適產(chǎn)生的非線性失真在圖10-14(b)中，靜態(tài)工作點(diǎn)Q太高，在輸入電壓ui的正半周靠近峰值的某段時(shí)間內(nèi)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)工作，此時(shí)，iB繼續(xù)增大，而iC不再隨之增大。這時(shí)iB不失真，但是uCE和iC都嚴(yán)重失真了。對于NPN型晶體管共發(fā)射極放大電路，集電極動(dòng)態(tài)電流iC產(chǎn)生頂部失真，輸出電壓uCE的波形出現(xiàn)底部失真。這是由于工作點(diǎn)進(jìn)入晶體管的飽和區(qū)而引起的失真，故稱為飽和失真。

10.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

前面介紹的共發(fā)射極放大電路(見圖10-2)的Q點(diǎn)是由IB來決定的，電路的偏置電流為

當(dāng)RB一經(jīng)選定后，IB也就基本固定不變，故稱為固定偏置放大電路，但這種電路在環(huán)境溫度變化時(shí)，Q點(diǎn)也隨之移動(dòng)，而使放大電路不能穩(wěn)定工作。10.4.1穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理

圖10-15所示為分壓式偏置放大電路，上偏置電阻RB1和下偏置電阻RB2構(gòu)成一個(gè)分壓電路，以固定晶體管基極的電位VB。再利用回路中的電阻RE獲得反映集電極電流變化的電壓VE，使之與VB相比較得出差值來控制IB，以維持IC的基本穩(wěn)定。圖10-15分壓式偏置放大電路

1.靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的條件

由圖10-15(b)所示的直流通路可知

I1=I2+IB

(1)若使I1≈I2>>IB，則可忽略IB的分流作用，這時(shí)基極電位基本不變，即

可認(rèn)為VB與晶體管的參數(shù)無關(guān)，不受溫度的影響，而僅由RB1和RB2的分壓電路所固定。

(2)若使VB>>UBE，則可忽略UBE，這時(shí)發(fā)射極電流基本不變，即

而IC≈IE，可認(rèn)為IC也不受溫度的影響。

2.穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的物理過程

若溫度升高，則會(huì)引起IC增大，發(fā)射極電流IE及發(fā)射極電位VE也會(huì)隨之增加，由于VB是固定的，因此VE的增加將會(huì)導(dǎo)致UBE的減小，從而使IB自動(dòng)減小以限制IC的增大，即IC隨溫度的升高而增大的部分幾乎被由于IB減小而減小的部分相抵消，使IC和UCE保持基本不變，從而使靜態(tài)工作點(diǎn)Q得以穩(wěn)定。此過程可簡寫為10.4.2分壓式偏置電路的計(jì)算

1.靜態(tài)分析

靜態(tài)分析通常采用估算法，如圖10-15(b)所示的分壓偏置電路的直流通路，在已知電源電壓UCC、RB1、RB2、RC、RE及晶體管的電流放大倍數(shù)β的情況下，當(dāng)滿足穩(wěn)定工作點(diǎn)的條件時(shí)，可以求出它的靜態(tài)值?；鶚O電位

(10-17)

(10-18)基極電流

(10-19)

(10-20)

2.動(dòng)態(tài)分析

在估算動(dòng)態(tài)值時(shí)，可以畫出電路的微變等效電路，如圖10-16所示。圖10-16圖10-15(a)電路的微變等效電路當(dāng)輸入信號(hào)電壓為時(shí)，電壓放大倍數(shù)為

(10-21)

當(dāng)放大電路輸出端開路(未接RL)時(shí)，電壓放大倍數(shù)為

(10-22)當(dāng)考慮信號(hào)源有內(nèi)阻RS時(shí)，電源電壓放大倍數(shù)為

(10-23)

由微變等效電路圖10-16可知，放大電路輸入電阻為

ri=RB1∥RB2∥rbe(10-24)

從微變等效電路圖中的負(fù)載左邊看進(jìn)去，輸出電阻仍等于集電極電阻，即

ro≈RC(10-25)

【例10-5】在圖10-15(a)的分壓式偏置放大電路中，已知：UCC=12V，RB1=48kΩ，RB2=20kΩ，RC=3kΩ，RE=1.5kΩ，RL=6kΩ，β=50。

(1)求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。若更換β=100的同類管子，靜態(tài)工作點(diǎn)是否發(fā)生了變化?如果將例10-1中的固定偏壓式的共發(fā)射極放大電路更換β=100的同類管子，將會(huì)怎樣？

(2)計(jì)算放大電路電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro。

(3)如果將旁路電容CE去掉，再求解(2)。

解

(1)由直流通路確定靜態(tài)工作點(diǎn)。若更換β=100的同類管子，靜態(tài)工作點(diǎn)不變。如果將例10-1中的固定偏壓式的共發(fā)射極放大電路更換β=100的同類管子，則靜態(tài)工作點(diǎn)可變?yōu)槎鼡Qβ之前，電路的集電極電流為

由此可見，更換β后，集電極電流IC比原來增大一倍，UCE大大減小，Q點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)。說明固定偏壓式的共射極放大電路在元件參數(shù)改變時(shí)，將不能正常工作。

(2)從如圖10-16所示的微變等效電路可以計(jì)算電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro。

式中，RL′=RC∥RL。

(3)將發(fā)射極電容CE去掉后，其微變等效電路如圖10-17所示，計(jì)算Au、ri、ro。圖10-17帶RE的共射放大電路的微變等效電路因?yàn)?/p>

式中，所以

(1+β)RE表示RE折算到輸入端時(shí)擴(kuò)大了(1+β)倍，如圖10-18所示。若(1+β)RE>>rbe且β>>1，則例題中的

可見，雖然在交流通路中引入了RE使Au減小了，但由于Au僅取決于電阻值，所以不受環(huán)境溫度的影響，而且可以使ri大大增加。圖10-18

RE折算到輸入端時(shí)擴(kuò)大了(1+β)倍10.4.3穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的措施

分壓式偏置電路中是利用負(fù)反饋穩(wěn)定Q點(diǎn)，而圖10-19(a)中則采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉矸€(wěn)定Q點(diǎn)。圖10-19靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路使用溫度補(bǔ)償方法穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，必須在電路中采用對溫度敏感的器件，如二極管、熱敏電阻等。在圖10-19(a)所示電路中，電源電壓UCC遠(yuǎn)大于晶體管b-e間導(dǎo)通電壓UBEQ，因此RB中的靜態(tài)電流為

節(jié)點(diǎn)B的電流方程為

式中，IZ為二極管的反向電流，IBQ為晶體管基極靜態(tài)電流。當(dāng)溫度升高時(shí)，一方面IC增大，另一方面由于IZ增大而導(dǎo)致

IB減小，從而IC隨之減小。當(dāng)參數(shù)合適時(shí)，IC可基本不變。其過程簡述如下：從上述分析可知，溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ强繙囟让舾衅骷苯訉鶚O電流產(chǎn)生影響，使之產(chǎn)生與IC相反方向的變化。圖10-19(b)所示電路同時(shí)使用引入直流負(fù)反饋和溫度補(bǔ)償兩種方法來穩(wěn)定Q點(diǎn)。設(shè)溫度升高時(shí)二極管內(nèi)電流基本不變，因此其壓降UD必然減小，穩(wěn)定過程簡述如下：

10.5射極輸出器

前面所講的放大電路都是從集電極輸出，采用共發(fā)射極接法。而圖10-20所示電路，它的輸出是從發(fā)射極取出的，故稱之為射極輸出器。

如果畫出射極輸出器的交流通路，因直流電源相對于交流信號(hào)來說是短路的，則可以看到，電路的輸入回路和輸出回路共用的電極是集電極，因此射極輸出器在接法上是一個(gè)共集電極電路。圖10-20射極輸出器10.5.1靜態(tài)分析

靜態(tài)分析采用估算法，由圖10-21所示的射極輸出器的直流通路可以確定靜態(tài)值。圖10-21射極輸出器的直流通路由輸入回路可列出電壓方程為

UCC=RBIB+UBE+RE(1+β)IB

由上式可求出

(10-26)

則

IC=βIB

(10-27)

由輸出回路則可求得集-射極電壓為

UCE=UCC－REIE(10-28)10.5.2動(dòng)態(tài)分析

動(dòng)態(tài)分析采用微變等效電路法。射極輸出器的微變等效電路如圖10-22所示。

圖10-22射極輸出器的微變等效電路

1.電壓放大倍數(shù)

由圖10-22可知

其中則電壓放大倍數(shù)為

(10-29)

2.輸入電阻

從圖10-22所示的微變等效電路輸入端看進(jìn)去求射極輸出器的輸入電阻，即有

(10-30)

由此可見，射極輸出器的輸入電阻較高，可高達(dá)幾十千歐到幾百千歐。

3.輸出電阻

計(jì)算射極輸出器輸出電阻ro的等效電路如圖10-23所示，由輸出電阻的定義式出發(fā)來求得。將信號(hào)源短路，保留其內(nèi)阻RS。在輸出端將負(fù)載電阻RL去掉，外加一交流電壓

產(chǎn)生電流則可得其中，RS′=RS∥RB。則輸出電阻為圖10-23計(jì)算ro的等效電路

通常，且β>>1。故有

(10-31)

10.6多級放大電路

實(shí)際上，放大器的輸入信號(hào)都很微弱，一般為毫伏級或微伏級，輸入功率常在1mW以下。單級放大電路的放大倍數(shù)是不夠的，必須將多個(gè)放大電路連接起來對微弱信號(hào)進(jìn)行連續(xù)放大，方可在輸出端獲得必要的電壓幅值或足夠的輸出功率，去驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。多級放大電路組成的方框圖如圖10-24所示，含有輸入級、中間級和輸出級。圖10-24多級放大電路組成的方框圖10.6.1多級放大電路的耦合方式

1.阻容耦合

圖10-25為兩級共發(fā)射極阻容耦合放大電路，兩級之間通過耦合電容C2及下級輸入電阻連接。C1為信號(hào)源與第一級放大電路之間的耦合電容，C3是第二級放大電路與負(fù)載(或下一級放大電路)之間的耦合電容。耦合電容通常取幾微法到幾十微法。信號(hào)源或前級放大電路的輸出信號(hào)在耦合電阻上產(chǎn)生壓降，作為后級放大電路的輸入信號(hào)。圖10-25兩級共發(fā)射極阻容耦合放大電路

2.直接耦合

將前一級的輸出端直接連接到后一級的輸入端的方式稱為直接耦合。兩級直接耦合放大電路如圖10-26所示。圖10-26兩級直接耦合放大電路

1)前級與后級靜態(tài)工作點(diǎn)的相互影響

提高后級V2的發(fā)射極電位，是兼顧前、后級工作點(diǎn)和放大倍數(shù)的簡單有效的措施。在圖10-26中，是利用電阻RE2上的壓降來提高發(fā)射極的電位。這樣一方面能提高V1的集電極電位，增大其輸出電壓的幅度，另一方面又能使V2獲得合適的工作點(diǎn)。RE2的大小可根據(jù)靜態(tài)時(shí)前級的集-射極電壓UCE1和后級的發(fā)射極電流IE2來決定，即

(10-32)

2)零點(diǎn)漂移

理想的直接耦合放大電路是當(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，把一個(gè)多級直接耦合放大電路的輸入端短接(ui=0)，其輸出端電壓卻會(huì)如圖10-27中記錄儀所顯示的那樣，在緩慢地、無規(guī)則的變化，它并不保持恒值，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。所謂漂移，就是指輸出電壓偏離原來的初始值而上下波動(dòng)，看上去像個(gè)輸出信號(hào)。其實(shí)它是個(gè)假“信號(hào)”。圖10-27零點(diǎn)漂移現(xiàn)象為了比較放大電路由于溫度造成的零點(diǎn)漂移，應(yīng)排除電壓放大倍數(shù)的影響，把溫度每變化1℃時(shí)，放大電路輸出端的漂移電壓折算到輸入端的電壓作為評價(jià)放大電路零點(diǎn)漂移的指標(biāo)，即

(10-33)10.6.2多級放大電路的分析方法

以阻容耦合放大電路為例，阻容耦合放大電路畫出直流通路后，各級Q點(diǎn)相互獨(dú)立，可以分別按單級放大電路計(jì)算即可。這里主要討論其動(dòng)態(tài)分析。

圖10-28是圖10-25所示阻容耦合的兩級共發(fā)射極放大電路的微變等效電路。圖10-28圖10-25電路的微變等效電路對兩級或多級放大電路的分析方法是前一級的輸出是后一級的信號(hào)源，后一級的輸入電阻看做是前一級的負(fù)載。所以兩級放大電路的電壓放大倍數(shù)為

(10-34)

若擴(kuò)大到n級放大電路，則總的電壓放大倍數(shù)為

Au=Au1Au2…Aun

(10-35)

多級放大電路的輸入電阻就是第一級的輸入電阻，輸出電阻就是末級(最后一級)的輸出電阻。即

ri=ri1

ro=ron

(10-36)

【例10-6】如圖10-29所示是阻容耦合兩級放大電路。已知：UCC=12V，β1=60，RB1=200kΩ，RE1=2kΩ，Rs=100Ω，RC2=2kΩ，RE2=2kΩ，RB1′=2kΩ，RB2′=

10kΩ，RL=6kΩ，β2=37.5。試求：

(1)前后級放大電路的靜態(tài)值；

(2)放大電路的輸入電阻ri和輸出電阻ro；

(3)各級電壓放大倍數(shù)Au1、Au2及兩級電壓放大倍數(shù)Au。圖10-29阻容耦合兩級放大電路

解

(1)各級的靜態(tài)值:

前一級后一級

(2)放大電路的輸入電阻:晶體管V1的輸入電阻為

晶體管V2的輸入電阻為后級輸入電阻為

前級負(fù)載電阻為

后級負(fù)載電阻為則放大電路的輸入電阻為

輸出電阻為

(3)計(jì)算電壓放大倍數(shù):

前級

后級兩級電壓放大倍數(shù)為

由此可見，輸入級采用射極輸出器主要是為了提高放大電路的輸入電阻。

10.7差分放大電路

10.7.1差分放大電路的工作原理

差分放大電路的基本形式如圖10-30所示。電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相同，因而它們的靜態(tài)工作點(diǎn)也相同。輸入信號(hào)ui1和ui2由兩管基極輸入，輸出電壓uo則取自兩管的集電極電位之差。這種輸入輸出方式稱為雙端輸入-雙端輸出。圖10-30差分放大電路原理電路圖

1.零點(diǎn)漂移的抑制

在靜態(tài)時(shí)，ui1=ui2=0，即在圖10-30中將兩邊輸入端短路，由于電路對稱，則兩管的集電極電流相等，集電極電位也相等,即IC1=IC2，VC1=VC2,所以輸出電壓uo=VC1－VC2=0。

當(dāng)溫度變化等原因引起兩個(gè)管子的基極電流變化時(shí)，兩管的集電極電流的變化量必然相等，方向相同，集電極電位的變化量也相同，即溫度變化引起兩個(gè)管子的集電極電流變化時(shí)(如溫度上升)，電路中的變量有下列變化過程：

所以輸出電壓為

(10-37)

2.信號(hào)輸入

1)共模輸入

當(dāng)晶體管V1和V2的輸入端加入的信號(hào)電壓的大小相等、極性相同時(shí)，這樣的輸入稱為共模輸入信號(hào)，用uic表示，即ui1=ui2=uic。

2)差模輸入

差模信號(hào)是指差分放大電路兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓之差，用uid表示。在電路完全對稱時(shí)，V1和V2管輸入信號(hào)電壓的大小相等，而極性相反，這樣的輸入稱為差模輸入信號(hào)，即當(dāng)uid增大時(shí)，則ui1也增大，同時(shí)使V1的集電極電流

增大了ΔiC1，V1的集電極電位因而下降了ΔVC1；而ui2卻下降，同時(shí)也使V2的集電極電流減小了ΔiC2，V2的集電極電位因而上升了ΔVC2。這樣，兩個(gè)集電極電位變化量大小相同，極性相反，則輸出電壓為

3)任意輸入

若兩個(gè)輸入信號(hào)電壓的大小和相對極性是任意的，這種輸入稱為任意輸入信號(hào)。因它們通常作為比較放大來運(yùn)用，故又稱為比較輸入。

例如，ui1是給定信號(hào)電壓(或稱基準(zhǔn)電壓)，ui2是一個(gè)緩慢變化的信號(hào)，兩者在放大電路的輸入端進(jìn)行比較后得出偏差值，經(jīng)放大后，輸出電壓為

(10-38)由疊加原理，任意信號(hào)總可以分解成共模信號(hào)uc和差模信號(hào)ud的組合，即

(10-39)

其中，

(10-40)10.7.2長尾式差分放大電路

長尾式差分放大電路又稱為發(fā)射極耦合放大電路，如圖10-31所示。兩管通過公共的發(fā)射極電阻RE和負(fù)電源－UEE耦合，拖一個(gè)尾巴，故稱為長尾式放大電路。電位器RP的作用是調(diào)零，以改善電路的不對稱情況，在靜態(tài)時(shí)用它來將輸出電壓調(diào)為零。RP值在幾十歐到幾百歐之間。圖10-31長尾式差分放大電路

RE的主要作用是限制每個(gè)管子的漂移范圍，進(jìn)一步減小零點(diǎn)漂移，穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。例如，當(dāng)溫度升高使IC1和IC2均增加時(shí)，則有如下抑制漂移的過程：

可見，由于RE上電壓

的增高，使每個(gè)管子的漂移得到抑制。

1.典型差分放大電路對共模信號(hào)的抑制作用

為了描述差分放大電路對共模信號(hào)的抑制能力，引入了共模電壓放大倍數(shù)，記為Ac，定義為

2.典型差分放大電路對差模信號(hào)的放大作用

由于差模信號(hào)使兩管的集電極電流產(chǎn)生相反方向的變化，只要電路的對稱性足夠好，兩管發(fā)射極差模電流一增

一減，其變化量相等，通過RE中的電流就幾乎不變，這樣

RE兩端無差模電壓降，即RE對差模信號(hào)不起作用，基本上

不影響放大電路對它的放大效果。因此，在畫差模交流通路時(shí)，應(yīng)將RE視為短路。10.7.3差分放大電路的靜態(tài)分析

圖10-31是雙端輸入-雙端輸出的差分放大電路。由于電路對稱，故只需計(jì)算一個(gè)管的靜態(tài)值即可。圖10-32是圖

10-31所示電路的單管直流通路。因?yàn)镽P很小，故可略去。

又因兩個(gè)管子合用一個(gè)發(fā)射極電阻RE，所以流過它的電流

為二倍的IE。圖10-32單管直流通路在靜態(tài)時(shí)，設(shè)

IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC

則由基極電路可列出電壓方程為

RBIB+UBE+2REIE=UEE

則得則每管的集電極電流為

每管的集-射極電壓是差分放大電路常作為電路的輸入級，通常IB很小，當(dāng)

2REIE>>UBE+RBIB時(shí)，則有

(10-41)

(10-42)

(10-43)10.7.4差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析

因差分放大電路對共模信號(hào)具有抑制作用，而對差模信號(hào)具有放大作用，故對差分放大電路的動(dòng)態(tài)分析是指當(dāng)輸入信號(hào)方式為差模輸入時(shí)的分析。由于電路的對稱性，調(diào)零電位器忽略其電阻值，差模信號(hào)在RE上不產(chǎn)生壓降，這樣差模放大電路可看成兩個(gè)單管電壓放大電路。輸入差模信號(hào)時(shí)的放大倍數(shù)稱為差模放大倍數(shù)，記作Ad。圖10-33是單管差模信號(hào)通路，由圖可得出每個(gè)管子的差模電壓放大倍數(shù)為

(10-44)圖10-33單管差模信號(hào)通路同理可得

(10-45)

雙端輸出電壓為則雙端輸入-雙端輸出差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為

(10-46)

Ad與單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相等?？梢娊映刹罘址糯箅娐分皇菫榱四芤种屏泓c(diǎn)漂移。當(dāng)在兩管的集電極之間接入負(fù)載電阻RL時(shí)，由于uo2=

－uo1，一管的集電極電位減低，另一管增高，必有RL的中心位置為差模電壓輸出的交流“地”。因此對每個(gè)單管放大電路而言，負(fù)載為則

(10-47)兩輸入端之間的差模輸入電阻為

(10-48)

兩集電極之間的差模輸出電阻為

(10-49)對共模信號(hào)，因?yàn)榱鬟^RE上的發(fā)射極電流是同方向的，所以在RE兩端的反饋電壓為2iERE，在計(jì)算時(shí)必須考慮這一項(xiàng)，則共模電壓的放大倍數(shù)為

(10-50)10.7.5差分放大電路輸入、輸出的連接方式

差分放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)因放大的是差模信號(hào)，故輸入信號(hào)可從一個(gè)輸入端加入，另一個(gè)輸入端接地，也可從兩個(gè)輸入端同時(shí)加入，因此形成了單端輸入和雙端輸入兩種方式。而輸出也可有雙端輸出和單端輸出兩種方式。所以組合起來有四種輸入、輸出方式。

四種差分放大電路的比較見表10-1。10.7.6共模抑制比

對差分放大電路來說，差模信號(hào)是有用信號(hào)，要求它有較大的放大倍數(shù)；而共模信號(hào)是需要抑制的，要求它的放大倍數(shù)要越小越好。對共模信號(hào)的放大倍數(shù)越小，就意味著零

點(diǎn)漂移越小，抗共模干擾能力越強(qiáng)，當(dāng)用做比較放大時(shí)，就越能準(zhǔn)確、靈敏地反映出信號(hào)的偏差值。為了定量說明差分放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力，引入了共模抑制比KCMRR。其定義為：放大電路對差模信號(hào)的放大倍數(shù)Ad和對共模信號(hào)的放大倍數(shù)Ac之比稱為共模抑制比，即

(10-51)工程上常用對數(shù)形式來表示KCMRR，符號(hào)為KCMR，即

(10-52)

其單位為分貝(dB)。

10.8功率放大電路

1.功率放大電路的特點(diǎn)

通常功率放大電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，與工作在小信號(hào)狀態(tài)下的電壓放大電路相比，有其自身的特點(diǎn)。

(1)輸出盡可能大的功率。

(2)非線性失真較小。

(3)效率較高。

(4)要考慮功率管的散熱和保護(hù)問題。

2.功率放大電路的工作狀態(tài)

1)甲類工作狀態(tài)

如圖10-34(a)所示，靜態(tài)工作點(diǎn)Q大致在交流負(fù)載線的中點(diǎn)，功放管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為甲類工作狀態(tài)。前面所講的電壓放大電路就是工作在這種狀態(tài)。這種狀態(tài)的特點(diǎn)是靜態(tài)電流IC大，故管耗大，功率放大電路效率低，波形無失真?？梢宰C明，在理想的情況下，甲

類功率放大電路的最高效率也只能達(dá)到50%。圖10-34放大電路的工作狀態(tài)

2)乙類工作狀態(tài)

如圖10-34(b)所示，靜態(tài)工作點(diǎn)Q大致設(shè)在截止區(qū)的邊緣上，功放管在輸入信號(hào)的正(或負(fù))半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為乙類工作狀態(tài)。其特點(diǎn)是靜態(tài)電流IC≈0，故管耗小，功率放大電路效率高，非線性失真嚴(yán)重。

3)甲乙類工作狀態(tài)

如圖10-34(c)所示，靜態(tài)工作點(diǎn)Q介于甲類和乙類之間，功放管在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)有半個(gè)以上的周期導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為甲乙類工作狀態(tài)。其特點(diǎn)是靜態(tài)電流較小，效率較高，非線性失真介于甲類和乙類之間。

3.無輸出變壓器(OTL)的互補(bǔ)對稱功率放大電路

無輸出變壓器(OTL)的互補(bǔ)對稱功率放大電路的原理圖如圖10-35(a)所示，V1(NPN型)和V2(PNP型)是兩個(gè)不同類

型的晶體管，兩管特性基本相同。電路把負(fù)載電阻RL作為兩個(gè)晶體管的共同負(fù)載，可看成是由兩個(gè)射極輸出器組合而

成的。當(dāng)輸入正弦交流信號(hào)ui，在它的正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2

因反偏截止，電容CL充電，電流iC1流過負(fù)載RL，RL兩端獲