第二章 放大电路分析基础

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第二章 放大电路分析基础

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在生产和生活实践活动中，常常需要把微弱的电 在生产和生活实践活动中， 信号加以放大，用以推动执行机构， 信号加以放大，用以推动执行机构，以便有效地 进行观察、测量和控制。例如， 进行观察、测量和控制。例如，收音机中来自天 线的微弱信号被其内部放大以后推动扬声器发声； 线的微弱信号被其内部放大以后推动扬声器发声； 来自各种探测器(如传感器) 来自各种探测器(如传感器)的微弱信号经放大 以后再作处理，使显示器显示有关信息或者推动 以后再作处理， 控制设备动作，以达到自动控制的目的。 控制设备动作，以达到自动控制的目的。放大电 信号是电子电路的基本用途之一， 信号是电子电路的基本用途之一，将微弱电信号 放大成较大信号的电路称为放大电路或放大器， 放大成较大信号的电路称为放大电路或放大器， 其工作示意图如图2所示 所示。 其工作示意图如图 所示。

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图2 放大电路工作示意图

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“放大 是放大器的一种特定的工作性能，它将微 放大”是放大器的一种特定的工作性能 放大 是放大器的一种特定的工作性能， 弱小信号加以放大再输出。 放大 放大”的实质是以微 弱小信号加以放大再输出。“放大 的实质是以微 弱小信号控制放大电路工作， 弱小信号控制放大电路工作，将电源能量转化为 与微弱小信号相对应的大信号能量输出， 与微弱小信号相对应的大信号能量输出，驱动负 这里反映的“放大 是一种以小控大的能力。 放大”是一种以小控大的能力 载。这里反映的 放大 是一种以小控大的能力。 三极管具有电流放大作用(即三极管可利用控制 三极管具有电流放大作用( 基极电流从而控制集电极电流以实现放大目的), 基极电流从而控制集电极电流以实现放大目的), 利用此特性可组成放大电路。 利用此特性可组成放大电路。放大电路的作用表 面上是将信号的幅度由小增大， 面上是将信号的幅度由小增大，即输出信号的电 压或电流在幅度上得到了放大， 压或电流在幅度上得到了放大，但其实质是能量 转换，即利用三极管的控制作用将直流电源能量 转换， 转换成交流能量输出， 转换成交流能量输出，使输出信号的能量得到了 加强。 加强。

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2.1 放大电路工作原理 单管放大电路(或称单级放大电路)是构成各种 单管放大电路(或称单级放大电路) 复杂放大电路的基本单元， 复杂放大电路的基本单元，特别是单管共发射极 放大电路， 放大电路，各种不同类型的放大电路均从这里演 派生或者进一步组合。 变、派生或者进一步组合。本节将

以单管共发射 极放大电路为例，介绍放大电路的基本组成、 极放大电路为例，介绍放大电路的基本组成、工 作原理和基本分析方法。 作原理和基本分析方法。

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2.1.1 电路组成 单管共发射极放大电路的原理图如图 单管共发射极放大电路的原理图如图2.1.1所示。 所示。 所示 电路中只有一个三极管作为放大元件， 电路中只有一个三极管作为放大元件，且电路的 输入回路(基极回路)和输出回路( 输入回路(基极回路)和输出回路(集电极回路 的公共端是发射极， )的公共端是发射极，故称为单管共发射极放大 电路(简称单管共射放大电路或者共射电路)。 电路(简称单管共射放大电路或者共射电路)。 放大电路应具备以下条件： 放大电路应具备以下条件： 1)放大器件应工作在放大区，对三极管而言，发 )放大器件应工作在放大区，对三极管而言， 射结应正向偏置，集电结应反向偏置； 射结应正向偏置，集电结应反向偏置； 2)输入信号能输送至放大器件的输入端，即三极 )输入信号能输送至放大器件的输入端， 管的发射结，以控制三极管的集电极电流； 管的发射结，以控制三极管的集电极电流； 3)输出端有信号电压输出送至负载。 )输出端有信号电压输出送至负载。

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Rc C1 + Us Rs + Rb Ui VBB iE iB + iC + VT

C2 + VCC

RL

Uo

-

图2.1.1 单管共发射极放大电路原理图

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放大电路中各元件的作用为： 放大电路中各元件的作用为： 1)NPN型三极管 ：起能量控制作用(电流放 ) 型三极管VT:起能量控制作用( 型三极管 大作用),是放大电路的核心元件。 ),是放大电路的核心元件 大作用),是放大电路的核心元件。 2)基极直流电源VBB和基极电阻 b:为VT的发射 )基极直流电源 和基极电阻R 的发射 结提供合适的正向偏置电压U 保证e结正向运 结提供合适的正向偏置电压 BE ,保证 结正向运 一般V 数值较小，只有几伏， 用。一般 BB数值较小，只有几伏，Rb数值很大 为几十千欧至几百千欧。 ,为几十千欧至几百千欧。

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3)集电极直流电源VCC和集电极负载电阻 c:为 )集电极直流电源 和集电极负载电阻R VT提供适当的 CE,保证 结反向运用。一般 CC 提供适当的U 保证c结反向运用 一般V 结反向运用。 提供适当的 数值为几伏至几十伏， 数值为几千欧。 数值为几伏至几十伏，Rc数值为几千欧。 4)电容 1、C2:称为耦合电容，也称为隔直电 称为耦合电容， )电容C 容，其作用是阻隔放大电路与信号源和负载的直 流联系，同时使交流信号畅通无阻。 流联系，同时使交流信号畅通无阻。为使交流信 号顺利通过，要求C 的

容抗很小， 号顺利通过，要求 1、C2的容抗很小，其信号压 降可以忽略(对交流信号可视为短路),因此C ),因此 降可以忽略(对交流信号可视为短路),因此 1 的电容值要很大， 、C2的电容值要很大，一般为几微法至几十微法 通常采用有极性的电解电容， ,通常采用有极性的电解电容，使用时注意正确 联接。由于采用了电容作信号的耦合， 联接。由于采用了电容作信号的耦合，图2.1.1所 所 示的电路又称为阻容耦合单管共射放大电路。 示的电路又称为阻容耦合单管共射放大电路。

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5)Us为信号源电压，RS为信号源内阻，Ui为放 ) 为信号源电压， 为信号源内阻， 大电路输入信号(严格来说为输入交流信号u 大电路输入信号(严格来说为输入交流信号 i的 有效值，为方便起见， 有效值，为方便起见，本章放大电路的输入输出 信号均用有效值表示), 为输出电压信号， ),U 信号均用有效值表示), o为输出电压信号，RL 为负载，接放大电路的输出端。 为负载，接放大电路的输出端。 图2.1.1是一个原理性电路，由于它需要两个直流 2.1.1是一个原理性电路 是一个原理性电路， 电源V 既不方便又不经济， 电源 BB和VCC,既不方便又不经济，于是常常省 去基极直流电源V 将基极电阻R 去基极直流电源 BB,将基极电阻 b改接到电源 Vcc的正端，如图 的正端， 的正端 如图2.1.2(a)所示。由图可见， ( )所示。由图可见， VCC既能保证集电结反偏，也能保证发射结正偏， 既能保证集电结反偏，也能保证发射结正偏， 只要R 取得比βR 为了简化画图过程， 只要 b取得比 c大。为了简化画图过程，通常 不画电源V 的符号，而只标出其正端电位V 不画电源 CC的符号，而只标出其正端电位 CC, 如图2.1.2(b)所示。 如图 ( )所示。

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Rb C1 + Us Rs + + iB

Rc iC +

C2 + VCC

VT RL Uo

Ui

iE -

(a)完整画法 ) 图2.1.2 单管共射放大电路

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VCC Rb C1 + Us Rs + RL Ui iE Uo + Rc iB iC C + 2 VT +

(b)简化画法 ) 图2.1.2 单管共射放大电路

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在放大电路中，既有直流分量，又有交流分量， 在放大电路中，既有直流分量，又有交流分量， 还有它们的总量。为了便于区分， 还有它们的总量。为了便于区分，现以不同的符 号来标注它们， 号来标注它们，用大写字母加大写下标表示直流 分量，用小写字母加小写下标表示交流分量， 分量，用小写字母加小写下标表示交流分量，用 小写字母加大写下标表示总量， 小写字母加大写下标表示总量，用大写字母加小 写下标表示有效值，如表2.1.1所示。 所示。 写下标表示有效值，如表 所示

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表2.1.1 放大电路中电压和电流的符号 名 称 晶体

管 基极电流 集电极电流 发射极电流 直流分量 交流分量 静态值) (静态值) 瞬时值 有效值 IB ib Ib IC ic Ic IE ie Ie UBE UCE ube uce Ube Uce 总量瞬时 值 iB(=IB+ ib) iC(=IC+ cb) iE(=IE+ ie) uBE(=UBE+ ube) uCE(=UCE+ uce) — —

基 – 射极电 压 集 – 射极电 压 放大电 输入电压 路 输出电压

— —

ui uo

Ui Uo

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2.1.2 直流通路与交流通路 由于放大电路中存在着电抗元件，因而交、直 由于放大电路中存在着电抗元件，因而交、 流分量的通路是不一样的。在分析、 流分量的通路是不一样的。在分析、计算具体 放大电路之前， 放大电路之前，有必要先弄清楚直流通路和交 流通路。 流通路。 直流通路是在直流电源作用下直流信号流经的 通路。直流通路中，电容相当于开路， 通路。直流通路中，电容相当于开路，电感相 当于短路；信号源不起作用，按零值处理， 当于短路；信号源不起作用，按零值处理，只 保留其内阻。 保留其内阻。因此单管共射放大电路的直流通 路如图2.1.3(a)所示。 路如图 ( )所示。

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IB Rb Rc

IC

+VCC

+ + UBE -

UCE -

(a)直流通路 ) 图2.1.2 单管共射放大电路

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交流通路是在交流信号源的作用下，交流信号流 交流通路是在交流信号源的作用下， 经的通路。在交流通路中，电容(电容值较大) 经的通路。在交流通路中，电容(电容值较大) 相当于短路，电感相当于开路； 相当于短路，电感相当于开路；直流电压源不起 作用(用叠加定律思考之), ),按零值处理相当于 作用(用叠加定律思考之),按零值处理相当于 短路(忽略其内阻)。 )。因此单管共射放大电路的 短路(忽略其内阻)。因此单管共射放大电路的 交流通路如图2.1.3(b)所示。 交流通路如图 ( )所示。

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ic ib + Us Rs + Ui Rb + ube + uce Rc RL Uo +

(b)交流通路 ) 图2.1.3共射电路的直流通路和交流通路 共射电路的直流通路和交流通路

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利用直流通路和交流通路可分别对放大电路进行 静态分析和动态分析。 静态分析和动态分析。静态分析主要是估算电路 中各处的直流电压和直流电流，即静态工作点Q 中各处的直流电压和直流电流，即静态工作点 比较简单； ,比较简单；动态分析主要是估算放大电路的各 项动态技术指标，如电压放大倍数、输入电阻、 项动态技术指标，如电压放大倍数、输入电阻、 输出电阻、通频带、最大输出功率等。两种通路 输出电阻、通频带、最大输出功率等。 的应用不可混淆。 的应用不可混淆。 在分析放大电路时，有必要弄清放大电路接收信 在分析放大电路时， 号的过程是怎样的。 号的过程是怎样的。 放大电路有两种工作

状态，一种是静态，即电路 放大电路有两种工作状态，一种是静态， 中没有信号输入时的工作状态；一种是动态， 中没有信号输入时的工作状态；一种是动态，即 电路中有信号输入时的工作状态。 电路中有信号输入时的工作状态。

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– 1. 没有信号输入时电路的工作状态 在图 在图2.1.2(b)中，当Ui=0时，称电路处于静态 ( ) 时 基极回路的电压U 基极电流I 。基极回路的电压 BE,基极电流 B和集电极回路 的电压U 集电极电流I 的电压 CE,集电极电流 C的关系为U BE VCC U BE IB = I C = β I B U CE = VCC I C Rc Rb

在电路参数确定以后，它们均为直流量，其波形 在电路参数确定以后，它们均为直流量， 如图2.1.4(虚线)所示。这些直流量称为放大电 如图 (虚线)所示。 路的静态工作点Q,分别标记为U 路的静态工作点 ，分别标记为 BEQ、IBQ、UCEQ 、ICQ。

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ui/mV 0 uBE/mV UBEQ 0 iB/µA IBQ 0 iC/mA ICQ 0 UCE 0 uo/V t t t t t

图2.1.4 单管共射放 大电路的工作波形

0

t

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