模拟电路第二章 放大电路基础

第2章 放大电路基础

2.1 教 学 要 求

1、掌握放大电路的组成原理，熟练掌握放大电路直流通路、交流通路及交流等效电路的画法并能熟练判断放大电路的组成是否合理。

2、熟悉理想情况下放大器的四种模型，并掌握增益、输入电阻、输出电阻等各项性能指标的基本概念。

3、掌握放大电路的分析方法，特别是微变等效电路分析法。

4、掌握放大电路三种基本组态（CE、CC、CB 及CS、CD、CG）的性能特点。 5、了解放大电路的级间耦合方式，熟悉多级放大电路的分析方法。

2.2 基本概念和内容要点

2.2.1 放大电路的基本概念

1、放大电路的组成原理

无论何种类型的放大电路，均由三大部分组成，如图2.1所示。第一部分是具有放大作用的半导体器件，如三极管、场效应管，它是整个电路的核心。第二部分是直流偏置电路，其作用是保证半导体器件工作在放大状态。第三部分是耦合电路，其作用是将输入信号源和输出负载分别连接到放大管的输入端和输出端。

（1）偏置电路

① 在分立元件电路中，常用的偏置方式有分压偏置电路、自偏置电路等。其中，分压偏置电路适用于任何类型的放大器件；而自偏置电路只适合于耗尽型场效应管（如JFET及DMOS管）。

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输 入 信 号 耦合电路 耦合电路 输出负载 T 偏 置 电 路 外 围 电 路 图2.1 下面简述偏置电路和耦合电路的特点。

② 在集成电路中，广泛采用电流源偏置方式。

偏置电路除了为放大管提供合适的静态点（Q）之外，还应具有稳定Q点的作用。 （2）耦合方式

为了保证信号不失真地放大，放大器与信号源、放大器与负载、以及放大器的级与级之间的耦合方式必须保证交流信号正常传输，且尽量减小有用信号在传输过程中的损失。实际电路有两种耦合方式。

① 电容耦合，变压器耦合

这种耦合方式具有隔直流的作用，故各级Q点相互独立，互不影响，但不易集成，因此常用于分立元件放大器中。

② 直接耦合

这是集成电路中广泛采用的一种耦合方式。这种耦合方式存在的两个主要问题是电平配置问题和零点漂移问题。解决电平配置问题的主要方法是加电平位移电路；解决零点漂移问题的主要措施是采用低温漂的差分放大电路。 2、放大电路的主要性能指标及其意义 （1）输入和输出电阻

输入电阻Ri是从放大器输入端口视入的等效电阻，它定义为放大器输入电压Vi和输入电流I i的比值，即

Ri= Vi Ii （2—1） Ri与网络参数、负载电阻RL有关，表征了放大器对信号源的负载特性。 输出电阻Ro是表征放大器带负载能力的一个重要参数。它定义为输入信号电压源vs短路或电流源is开路并断开负载时，从放大器输出端口视入的一个等效电阻，即

Ro= V2 I2 RL=∞ vs=0 （2—2）

式中V2为负载断开处加入的电压，I2表示由V2引起的流入放大器输出端口的电流，Ro不仅与网络参数有关，还与源内阻Rs有关。若要求放大器具有恒定的电压输出，Ro

应越小越好；若要求放大器具有恒定的电流输出，Ro应越大越好。 （2）放大倍数或增益

它表示输出信号的变化量与输入信号的变化量之比，用来衡量放大器的放大能力。根据需要处理的输入和输出电量的不同，有四种不同的增益定义，它们分别是：

① 电压增益 Vo Av = Vi （2—3） 43

② 电流增益

互阻增益 ③ ④ 互导增益

Io Ai = Ii Vo Ar = Ii Io Ag = Vi （2—4） （2—5） （2—6）

为了表征负载对增益的影响，引入负载RL开路和短路时的增益。负载RL开路时的电压增益定义为

Vot Avt = = Av R L= ∞ Vi （2—7）

它与电压增益Av的关系为

RL短路时的电流增益定义为

它与电流增益Ai的关系为

RL Av = Av t Ro+RL （2—8） Ion Ain= = Ai =0 RL Ii （2—9） （2—10）

为了表征输入信号源对放大器激励的大小，常常引入源增益的概念。其中，源电压增益定义为

源电流增益定义为

（3）失真

它是评价放大器放大信号质量的重要指标，常分为线性失真和非线性失真两大类。

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Ro Ai = Ain Ro+RL Vo Ri Avs = = Av Vs Rs+Ri （2—11） Io Rs Ais = = Ai Is Rs+Ri （2—12） 线性失真又有频率失真和瞬变失真之分，它是由于放大器是一种含有电抗元件的动态网络而产生的。前者是由于对不同频率的输入信号产生不同的增益和相移所引起的信号失真；后者是由于电抗元件对电压或电流不能突变而引起的输出波形的失真。线性失真不会在输出信号中产生新的频率分量。

非线性失真则是由于半导体器件的非线性特性所引起的。它会引起输出信号中产生新的频率分量。 3、放大电路的类型

根据输入和输出电量的不同，放大器有四种增益表达式，相应有四种类型的放

大器，它们的区别集中表现在对Ri和Ro的要求上。如表2.1所示。

表2.1 放大器的类型

类 型 模 型 增 益 + vo 对Ri的要求 对Ro的要求 电压放大器 Rs vs + + vi Ri + vot R L － Ro Av , Avs Ri＞＞Rs (Ri →∞ ) Ro＜＜RL (Ro →0 ) － － － 电流放大器 is ii Rs Ri ion io Ro RL Ai , Ais Ri＜＜Rs (Ri →0 ) Ro＞＞RL (Ro →∞ ) 互导放大器 Rs vs + + vi Ri ion io Ro RL Ag , Ags Ri＞＞Rs (Ri →∞ ) Ro＞＞RL (Ro →∞ ) － － 互阻放大器 is ii Rs Ri + vot RL － Ro + vo Ar , Ars Ri＜＜Rs (Ri →0 ) Ro＜＜RL (Ro →0 ) － 4、放大电路的分析方法

放大电路的分析分静态（直流）分析和动态（交流）分析，静态分析是动态分析的基础，动态性能的分析则是放大器分析的最终目的。目前，常用的放大器的分析方法有以下三种：

（1）图解分析法：利用晶体管的输入、输出特性曲线对放大器进行分析。其关键在于作放大器的直流负载线及交流负载线。该方法适宜分析电路参数对Q点的影响以及Q点对放大器性能的影响，分析放大器的非线性失真问题，确定放大器的最大不失真动

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态范围Vom等。该方法形象、直观，但输入信号过小时，分析误差较大。

（2）等效电路分析法：利用晶体管的直流及交流小信号模型对放大器进行分析。其关键在于作放大器的直流交流通路，尤其是交流微变等效电路。该方法是工程上常用的分析方法，利用它可获得放大器各项性能指标的工程近似值。

（3）计算机仿真分析法：利用电路仿真程序进行分析。如利用PSPICE程序对电路进行分析，它可对电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、孟特卡罗（Monte Carlo）分析和最坏（Worst Case）情况分析。

2.2.2 BJT放大电路

1、放大电路的基本组态

放大电路的组态是针对交流信号而言的。对于晶体三极管（或场效应管）放大器，观察输入信号作用在哪个电极，输出信号又从哪个电极取出，除此之外的另一个电极即为组态形式。例如：若输入信号加在晶体三极管基极，输出信号从集电极取出，则该电路为共发射极组态电路。BJT放大电路的三种基本组态为：共发射极、共集电极和共基极。

2、三种基本组态放大电路的性能比较

见表2.2。

表2.2 BJT放大电路

共 发 电 路 VCC RB1 C1 T Rs vs + RB2 RE RC C2 RL CE + vo 共 基 电 路 共 集 电 路 Rs + vs C1 T RB1 RB2 CB C2 + RC RL VCC vo C1 Rs v + RB2 RB1 VCC T C2 + vo RE － － － － RE RL － － Av － (大) rbe RB1∥RB2∥rbe(中) βRL′ βRL′ (大) rbe rbe RE∥ (小) 1+β RC(大) (考虑rce) －α≈－1 输入、输出同相 有电压放大作用 无电流放大作用 作电流接续器 构成组合放大电路 46

(1+β)RL′ ≈1 rbe+(1+β)RL′ Ri (1+β)RL′］RB1∥RB2∥［rbe+(大) rbe+RB1∥RB2∥Rs RE∥ (小) 1+β －(1+β) (大) 输入、输出同相 有电流放大作用 无电压放大作用 作多级放大器的输入级、中间级、隔离级 Ro Ain 特点 RC(中) (考虑rce) β (大) 输入、输出反相 既有电压放大作用 又有电流放大作用 作多级放大器 的中间级，提供增益 应用

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