第二章 放大电路分析基础

第三章 放大电路

实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。

所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。

第二讲 共射极放大电路

§1、放大电路的组成原理

1．放大电路的组成的原则是： ⑴为保证三极管工作在放大区，发射结必须正向偏置；集电结必须反向运用。

⑵电路中应保证输入信号能加至三极管的发射结，以控制三极管的电流。同时，也要保证放大了的信号从电路中输出。

耦合电容(隔直电容)的作用：使

交流信号顺利通过，而无直流联系。

实际中，为了方便，采用单电源，如下左图。习惯画法如下右图。

2．、直流通路和交流通路

直流通路：电容视为开路，电感视为短路

交流通路：电容和电感作为电抗元件处理，一般电容按短路处理，电感按开路处理。直流电源因为其两端的电压固定不变，内阻视为零，故在画交流通路时也按短路处理。

放大电路的分析也包含两部分

直流分析：又称为静态分析，用于求出电路的直流工作状态， 即基极直流电流IB；

集电极直流电流IC；

集电极与发射极间的直流电压UCE。 交流分析：又称为动态分析，用来求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

§2 放大电路的直流工作状态

放大电器核心器件是具有放大能力的三极管，而三极管要保证在放大区，其e结应正向偏置，c结应反向偏置，即要求对三极管设置正常的直流工作状态，

直流工作点，又称静态工作点，简称Q点。

一、解析法确定静态工作点

根据放大电路的直流通路，可以估算出该放大电路的静态工作点。 求静态工作点就是求IB IC UCE 1. 求IB

IBQ

U

CC

URb

BE

由于三极管导通时，UBE变化很小，可视为常数。一般地 硅管 UBE＝0.6～0.8V 取0.7V 锗管 UBE＝0.1～0.3V 取0.2V 当UCC、Rb已知，可求出IBQ 2. 求IC

ICQ IBQ

3. 求UCE

U

CEQ

U

CC

ICRC

二、图解法确定静态工作点

三极管电流、电压关系可用其输入特性曲线和输出特性曲线表示。我们可以在特性曲线上，直接用作图的方法来确定静态工作点。

图解法求Q点的步骤：

1. 在输出特性曲线所在坐标中，按直流负载线方程

uCE U

CC

iCRC

,作出

直流负载线。

2. 由基极回路求出IBQ

3. 找出iB IBQ这一条输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点的电流、电压即为所求。

【例】如下图电路，已知Rb=280kΩ，Rc=3kΩ，Ucc=12V，三极管的输出特性曲线也如下图所示，试用图解法确定静态工作点。

解：首先写出直流负载方程，并做出直流负载线

uCE=UCC－iCRc

iC=0，uCE=UCC=12V，得M点；uCE=0，iC=UCC/Rc=12/3=4mA，得N点；连接MN，即得直流负载线。

直流负载线与iB=IBQ=40μA这一条特性曲线的交点，即为Q点，从图上可得ICQ=2mA，UCEQ=6V。

IBQ

U

CC

URb

BE

12 0.7280 10

3

0.04mA 40 A

三、电路参数对静态工作点的影响

在后面我们将看到静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数Rb、Rc、UCC对静态工作点的影响，为调试电路给出理论指导。

1. Rb对Q点的影响

Rb↑→IBQ↓→工作点沿直流负载线下移

Rb↓→IBQ↑→工作点沿直流负载线上移 2. RC对Q点的影响

RC的变化，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。 RC↓→N点上升→直流负载线变陡→工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线右移 RC↑→N点下降→直流负载线变平坦→工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线左移 3. UCC对Q点的影响

UCC的变化不仅影响IBQ，还影响直流负载线，因此，UCC对Q

点的影响较

复杂。

UCC↑→IBQ↑→M↑→N↑→直流负载线平行上移→工作点向右上方移动 UCC↓→IBQ↓→M↓→N↓→直流负载线平行下移→工作点向左下方移动 实际调试中，主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点，而很少通过改变UCC来改变工作点。

§3 放大电路的动态分析

我们讨论当输入端加入信号ui时，电路的工作情况。由于加进了输入信号，输入电流iB不会静止不动，而是变化的。这样三极管的工作状态将来回移动，故又将加进输入交流信号时的状态称为动态。

一、图解法分析动态特性

通过图解法，我们将画出对应输入波形时的输出电流和输出电压的波形。 由于交流信号的加入，此时应按交流通路来考虑。交流负载。在信号的作用下。三极管的工作状态的移动不再沿直流负载线，而是按交流负载线移动。因此，分析交流信号前。应先画出交流负载线。 1. 画交流负载线

交流负载线具有如下两个特点

⑴交流负载线必通过Q点，因为当输入信号ui的瞬时值为零时，如忽略电容C1和C2的影响，则电路状态和静态相同。

⑵交流负载线的斜率由RL

'

RL RC//RL

'

决定。

点，作一条 U/ I RL

'

因此，按上述特点，可做出交流负载线，即通过Q的直线，就是交流负载线。

具体作法如下： 首先作一条 U/ I RL的辅助线(此线有无数条)，然后过Q点作一条平行于辅助线的直线即为交流负载线。

由于，所以，故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。

交流负载线的另外一种作法： 交流负载线也可以通过求出交流负载线在uCE坐标的截距，再与Q点相连即可得到。设截距点为

推导过程如下：

U I

'

'

RL RC//RL

'

RL RC

'

U

'CC

，则有：

UCC UCEQ ICQRL

'CC

''

'

U U

CEQ

0 ICQ

RL

'

UCC

UCEQ ICQRL

例：如下图所示电路，做出交流负载线。已知Rb=280kΩ，Re=3kΩ，UCC=12V，RL=3kΩ。

解：

⑴首先做出直流负载线，求出Q点。 ⑵做出交流负载线的辅助线

RL RC//RL 1.5k

'

UCC UCEQ ICQRL

'

U I

取ΔU=6V可得ΔI=4mA，连接这两点即为交流负载线的辅助线。

⑶过Q点做辅助线的平行线，即为交流负载线。 也可以用：

UCC UCEQ ICQRL 6 2 1.5 9V

'

'

RL 1.5k

'

做出交流负载线。 2. 画输入输出的交流波形图

ui U

im

sin t

BEQ

BEQ

uBE U ui U

U

im

sin t

iB IBQ ib IBQ Ibmsin t

设电路使 则：

Ibm 20 A

从图2—

iB 40 20sin t( A)

ui UuBE U

im

U

sin t

sin t

BEQ

im

BEQ

ui U

iB IBQ ib IBQ Ibmsin t

sin( t )

i

C I

CQ ic ICQ Icmsin tuCE U

CEQ

uce U

CEQ

U

cem

ic、ib、ube三者同相，uce与它们的相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的，这是共发射极放大电路的特征之一。

二、放大电路的非线性失真

作为对放大电路的要求，应使输出电压尽可能的大，但它受到三极管非线性的限制，当信号过大或工作点选择不合适，输出电压波形将产生失真。这些失真是由于三极管的非线性(特性曲线的非线性)引起的失真，所以称为非线性失真。 1. 由三极管特性曲线非线性引起的失真 非线性失真。

⑴输入特性曲线弯曲引起的失真。 ⑵输出曲线簇上疏下密引起的失真。 ⑶输出曲线簇上密下疏引起的失真。

⑷输出曲线弯曲也引起失真。 2. 工作点不合适引起的失真 截止失真和饱和失真。 ⑴截止失真

当工作点设置过低(IB过小)，在输入信号的负半周，三极管的工作状态进入截止区。因而引起iB、iC、uCE的波形失真，称为截止失真。

对于NPN型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。对于PNP型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。

⑵饱和失真

当工作点设置过高(IB过大)，在输入信号的正半周，三极管的工作状态进入饱和区。因而引起iC、uCE的波形失真，称为饱和失真。

对于NPN型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。对于PNP型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失

真。

3．最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰—峰Up-p

)

由于存在截止失真和饱和失真，放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰—峰Up-p)

最大不失真输出电压：当直流工作状态已定的前提下，逐渐增大输入信号，三极管尚未进入截止或饱和时，输出所能获得的最大不失真电压。

如ui增大首先进入饱和区，则最大不失真输出电压受饱和区限制，则

如ui增大首先进入截止区，则最大不失真输出电压受截止区限制，则

cem

CEQ

ces

U U U

Ucem ICQ RL

'

最大不失真输出电压值，选取其中小的一个。

三、微变等效电路

微变等电路法的基本思想是：当输入信号变化的范围很小时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的。即在一个很小的范围内，输入特性输出特性均可近似地看作是一段直线。给三极管建立一个小信号的线性模型。这就是微变等效电路。利用微变等效电路，可以将含三极管的放大电路，转化为我们熟悉的线性电路，然后，就可利用电路分析的有关方法求解。 1. 三极管的h参数微变等效电路

三极管处于共发射极状态时，输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示。

输入特性：

uBE f(iB,uCE)iC f(iB,uCE)

⑴ ⑵

输出特性：

式中iB、iC、uBE、uCE代表各电量的总瞬时值，为直流分量和交流瞬时值之和，即：

iB IBQ ib

，uBE

U

BE

ube

，iC

ICQ ic

，uCE

U

CEQ

uce

用全微分形式表示uBE和iC，则有

du

BE

uBE iB iC iB

U

CEQ

diB

U

CEQ

uBE uCE

IBQ

du

CE

diC

⑶

CE

diB

iC uCE

IBQ

du

令

⑷

h11

uBE iB

U

CEQ

h12

uBE uCE

IBQ

h22

h21

iC iB

U

CEQ

iC uCE

IBQ

则：

du

BE

h11diB h12du

CECE

diC h21diB h22du

前已指出iB

IBQ ib

，而diB，同理

代表其变化量，故diB

ib

有duBE ube，diC ic，duCE uce

当输入为正弦量并用有效值表示时，则有

U

be

h11Ib h12U

ce

ce

⑸

⑹

根据上两式可以画出共e极时的三极管的微变等效电路。 2. h

Ic h21Ib h22U

h11

uBE iB

U

CEQ

uBE iB

CEQ

rbe

三极管输出交流短路时输入电阻。

h12

uBE uCE iC iB

U

CEQ

IBQ

uBE uCE iC iB

CEQ

IBQ

三极管输入交流开路时电压反馈系数

h21

三极管输出交流短路时的电流放大系数

β

h22

iC uCE

IBQ

iC uCE

IBQ

三极管输入开路时的输出导纳

由于h12、h22、是uCE变化通过基区宽度变化很小，可忽略不计。⑸、⑹式可简化为

U

be

对iC及uBE

的影响，一般这个影响

h11Ib

令rbe h11， ＝h21，并用有效值代替各变化量，可得三极管的简化等效电路。

U

be

Ic h21Ib

rbeIb

Ic Ib

求rbe

U

be

Ibrbb'

Iere

Ie (1 )Ib

U

BE

Ibrbb' (1 )Ibre Ib[rbb' (1 )re]

rbe

U

be

Ib

rbb' (1 )re

re

26(mV)IEQ(mA)

26IEQ

( )

rbe

U

be

Ib

rbb' (1 )

26IEQ

( )

四、三种基本组态放大电路的分析

放大电路的性能指标 ⑴电压放大倍数Au

电压放大倍数，是衡量放大电路的电压放大能力的指标。它定义为输出电压的幅值或有效值与输入电压幅值或有效值之比，有时也称为增益。

有时亦定义源电压放大倍数Aus，它表示输出电压与信号源电压幅值或有效值之比。显然，当信号源内阻Rs=0时，Aus=Au，Aus就是考虑了信号源内阻Rs影响时的电压放大倍数。

i

Au

UU

o

Aus

UU

os

⑵电流放大倍数Ai

电流放大倍数定义为输出电流与输出电流幅值或有效值之比。

Ai

IoIi

⑶功率放大倍数Ap

功率放大倍数定义为输出功率与输入功率之比

Ap

PoPi

oIoiIi

AuAi

⑷输入电阻ri

放大电路由信号源提供输入信号，当放大电路与信号源相连，就要从信号源索取电流。索电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度。所以定义输入电阻来衡量放大电路对信号源的影响。电压放大时，希望输入电阻要高，进行电流放大时，又希望输入电阻要低；有的时候又要求阻抗匹配，希望输入电阻为某一特殊的数值。

ri

UIi

i

⑸输出电阻ro

输出电阻是从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为输出电阻ro。输出电阻高低表明了放大器所能带动负载的能力。Ro越小，表明带负载能力越强。

由微变等效电路求输出电阻的方法，一般是将输入信号源Us短路（电流源开路），注意应保留信号源内阻。然后在输出端外接电源U2，并计算出该电压源供给的电流I2，则输出电阻由下式算出。

ro

U

2

I2

实验测ro方法：

Uo为开路电压

,Uo为接有

'

RL的输出电压

U

'

'o

U

o

ro RL

RL

Uo(ro RL) UoRL

ro (

UU

o'o

1)RL

1. 共e极放大电路

根据共发射极放大电路画出微变等效电路，画微变等效电路时，把C1、C2和直流电源Ucc视为短路。三极管用微变等效电路代替。

⑴电压放大倍数

Au U

UU

oi

'

o

IbRL

式中RL Rc//RL 从输入回路得

U

i

'

Ibrbe

'

Au

RL

rbe

⑵电流放大倍数A

i

Ai

IoIi

IcIb

Ib

Ib

⑶输入电阻ri

ri Rb//ri

'

rbe

ri

'

UiIb

'

UiIb

IbrbeIb

当Rb

rbe

时，

ri Rb//rbe rbe

⑷输出电阻

由于当Uo=0时，Ib=0，从而受控源βIb=0，因此可直接得出

ro=Rc

注意：因ro常用来考虑带负载RL的能力，所以求ro时不应含RL，应将其断开。

⑸源电压放大倍数

Aus

UU

os

UU

is

UU

is

U U

ri

oi

UU

is

Au

Rs ri

Aus

riRs ri

Au

3. 共c极放大电路

电路如下图所示，信号从基极输入，射极输出，故又称为射极输出器，等效电路如下图所示。

注意共集电极的理解，不能当共发射极。

⑴电压放大倍数

Au U

UU

oi

'

o

(1 )IbRe

'

式中Re

'

Re//RL

U

i

Ibrbe (1

)Re Ib

Au

'

UoUi

(1 )Rerbe (1 )Re

'

'

通常(1 )Re rbe，所以Au<1且Au≈1。即共集电极放大电路的电压放大倍数小于1而接近于1，且输入电压的输出电压同相位，故又称为射极跟随器。

⑵电流放大倍数Ai

Ai

IoIi

IeIb

(1 )Ib

Ib

'

(1 )

⑶输入电阻ri

ri Rb//ri

'

ri

'

U

i

Ib

rbe (1 )Re

'

共c极放大电路输入电阻高，这是共c极电路的特点之一。 ⑷输出电阻ro

按输出电阻的计算办法，信号源Us短路，在输出端加入U2，求出电流I2，则有：

ro

U

2

ri Rb//[rbe (1 )Re]

I2

其等效电路如图。可得

I2 I I I

I U

''

''''''

U

2

Re

I

''

2

Rs rbe

Ib

式中Rs

'

Rs//Rb

U

'

2

I

'''

Ib U

2

Rs rbe

2

'

ro

U

2

I2

Re

(1 )URs rbe

ro是一个很小的值。输出电阻小，这是共c极电路的又一特点。 4. 共b极放大电路

I2

Re//

Rs rbe1

'

共b极电路是从发射极输入信号，从集电极输出信号。电路和等效电路如下： 注意共基极的理解，是交流信号共基极。 ⑴电压放大倍数Au

定义：

U

o

Au

'

UU

‘

oi

U

i

IbRL

RL Rc//RL Ib rbe

'

Au

UoUi

IbRL Ibrbe

'

RL

rbe

式子与共发射极相同，但输出与输入同相。 ⑵输入电阻ri

ri Re//ri

'

U

I

'

i'

ri

'

UIi

i'

U

i

Ib rbeIi Ie (1 )Ib

i'

ri

'

rbe1

rbe1

ri Re//ri Re//

rbe1

与共e极放大电路相比，其输入电阻减小 ⑶输出电阻ro

当Us=0时，Ib=0，βIb=0，故 ro=Rc

§4 静态工作点的稳定及其偏置电路

一、温度对晶体管的影响

⑴℃↑→ICBO↑→ICEO↑→输出特性曲线上移。 ⑵℃↑→UBE↓→IB↑

⑶℃↑→β↑→输出特性曲线间距增大 可见，℃↑→IC↑

二、电流反馈式偏置电路

我们知道，工作点的变化集中在集电极电流Ic的变化。因此，工作点稳定的具体表现就是Ic的稳定。为了克服Ic的漂移，可将集电极电流或电压变化量的一部分反过来馈送到输入回路，影响基极电流Ib的大小，以补偿IC的变化，这就是反馈法稳定工作点。反馈法中常用的电路有电流反馈式偏置电路、电压反馈式偏置电路和混合反馈

式偏置电路三种，其中最常用的是电流反馈式偏置电路，电路如上图 原理：

℃↑→IC↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓ 电路上要满足

⑴要保持基极电位UB恒定，使它与IB无关 UCC=(IR+IB)RB2+IRRB1

IR>>IB

IR

U

CC

Rb1 Rb2

U

B

Rb1Rb1 Rb2

U

CC

说明UB与晶体管无关，不随温度而改变。

⑵由于IE=UE/Re，所以要稳定工作点，应使UE恒定，不受UBE的影响，因此要求满足条件

UB>>UBE

具备上述条件，就可以认为工作点与三极管参数无关，达到稳定工作点的目的。同时，当选用不同β值的三极管时，工作点也近似不变，有利于调试和生产。

稳定工作点的过程可表示如下：

IE

U

E

Re

U

B

URe

BE

U

B

Re

℃↑→IE↑→IERe↑→UBE↓→IE↓ 实际公式中应满足如下关系

IR≥(5～10)IB (硅管可以更小) UB≥(5～10)UBE

对于硅管，UB=3～5V；锗管，UB=1～3V。

三、静态工作点的计算

1．近似算法

U

B

Rb1Rb1 Rb2

U

CC

U

E

UU

BE

U

BE

IEQ

Re

ICQIEQ

IBQ

U

CEQ

1

U

CC

ICQ(Rc Re)

2．应用戴维宁定理可以更精确地计算 基极回路等效为

U

BB

Rb1Rb1 Rb2

U

CC

Rb Rb1//Rb2

直流工作点的计算

IB

U

BB

U

BE

Rb (1 )Re

IC IB

U

CE

U

CC

IC(Rc Re)

四、动态分析

首先画出微变等效电路图，和原来的电路相比只是多了一个电阻，只对输入电阻有影响。其它不变。

⑴电压放大倍数

Au

U

o

Ui

IbRL

Ibrbe

'

RL

rbe

'

⑵输入电阻

ri Rb1//Rb2//rbe

⑶输出电阻

ro Rc

五、举例

例1：如图 UCC=24V，Rb1=20kΩ，Rb2=60kΩ，Re=1.8kΩ，Rc=3.3kΩ，β=50， UBE=0.7V，求其静态工作点

U

解：

B

Rb1Rb1 Rb2

E

U

CC

2060 20

24 6V

U U

B

U

E

BE

6 0.7 5.3V

5.31.8

2.9mA

IEQ

U

Re

ICQ IEQ1

IBQ

U

CEQ

58 A

U

CC

ICQ(Rc Re) 24 2.9 5.1 9.21V

例2：如图(a)、(b)为两个放大电路。已知三极管的参数均为β=50，=200Ω，UBEQ=0.7V，电路的其它参数如图所示。

⑴分别求出两个放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。

⑵如果三极管的β值均增大一倍，分析两个电路的Q点各将发生什么变化。 ⑶三极管的β值均增加一倍，两个放大电路的电压放大倍数如何变化。

rbb

'

解：⑴求Au，ri和ro

图(a)是共发射极基本放大电路，图(b)是具有电流负反馈的工作点稳定电路。它们的微变等效电路分别如下图所示。

为求出动态特性参数，首先得求出它们的静态工作点。 放大电路(a)的静态工作点：

IBQ

U

CC

URb

BE

12 0.7560 10

3

0.02mA 20 A

ICQ IBQ 50 0.02 1mAU

CEQ

U

CC

ICQRc 12 1 5 7V

放大电路(b)的静态工作点：

U

B

Rb1U

CC

Rb1 Rb2

B

20 1220 50

3.4

U

E

U U

BEE

ICQ

IEQ

U

Re

3.4 0.7 2.7V 2.7 1mA2.7

U

CEQ

U

CC

ICQ(Rc Re) 12 1 7.7 4.3V

IBQ

ICQ

150

0.02mA

放大电路(a)的动态特性参数：

rbe rbb (1 )

'

26IEQ

200

51 26

1

1.5k

Au

RL

rbe

'

50 (5//5)

1.5

83.3

ri Rb//rbe 560//1.5 1.5k ro Rc 5k

放大电路(b)的动态特性参数：

rbe rbb (1 )

'

26IEQ

200

51 26

1

1.5k

Au

RL

rbe

'

50 (5//5)

1.5

83.3

ri Rb1//Rb2//rbe 20//50//1.5 1.36k ro Rc 5k

⑵β变为100时，两个电路的工作点将发生什么变化。 (a)

IBQ

U

CC

URb

BE

12 0.7560 10

3

0.02mA 20 A

IBQ不变

ICQ IBQ 100 0.02 2mAU

CEQ

U

CC

ICQRc 12 2 5 2V

(b)

其它都没有变

IBQ

ICQ

1100

0.01mA

⑶β变为100时，两个放大电路的电压放大倍数如何变化

rbe rbb (1 )

'

26IEQ

200

101 26

2

1.5k

(a)

Au

RL

rbe

'

100 (5//5)

1.5

167

(b)

Au

rbe 200

'

101 26

1

2826 2.8k

RL

rbe

100 (5//5)

2.8

89.3

§5 多级放大电路

一、多级放大电路的组成

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