第二章放大电路分析基础.docx

1、第二章放大电路分析基础第二章 放大电路分析基础本章主要内容本章重点讲述基本放大电路的组成原理和分析方法， 三种组态基本放大电路 的特点和应用场合。 多级放大电路的耦合方式和分析方法， 差动放大器的分析方 法。首先介绍基本放大电路的组成原则。 三极管的低频小信号模型。 固定偏置共 射放大电路的图解法和等效电路法静态和动态分析， 最大不失真输出电压和波形 失真分析。 分压式偏置共射放大电路的分析以及稳定静态工作点的方法。 共集和 共基放大电路的分析， 由 BJT 构成的三种组态放大电路的特点和应用场合。 然后 介绍多级放大电路的两种耦合方式、 直接耦合多级放大电路的静态偏置以及多级 放大电路的静态

2、和动态分析， 差动放大器的分析方法。 通过习题课掌握放大电路 的静态偏置方法和性能指标的分析计算方法。学时分配本章有 6 讲，每讲两个学时。第四讲 放大电路的工作原理一、主要内容1、放大的概念 在电子电路中， 放大的对象是变化量， 常用的测试信号是正弦波。 放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件（ BJT或FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量， 比信号源向放大电路提供的能量大的多。 因此， 电子 电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流， 或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件， 即有源元

3、件，如BJT和FET等。放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。2、电路的主要性能指标1） 输入电阻 Ri ：从输入端看进去的等效电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大 小。2） 输出电阻 Ro ：从输出端看进去的等效输出信号源的内阻，说明放大电路带负载的 能力。3） 放大倍数（或增益） ：输出变化量幅值与输入变化量幅值之比。或二者的正弦交流 值之比，用以衡量电路的放大能力。根据放大电路输入量和输出量为电压或电流的 不同，有四种不同的放大倍数：电压放大倍数、电流放大倍数、互阻放大倍数和互 导放大倍数。Aii电压放大倍数定义为：I 0AiIiU i电流放大倍数定义为：互阻放大倍数定

4、义为：Ai UoUiI iAu Io互导放大倍数定义为： Ui注意:放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大AuuAuU o电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。4）最大不失真输出电压：未产生截止失真和饱和失真时，最大输出信号的正弦有效值 或峰值。一般用有效值 Uom表示；也可以用峰一峰值 UOPP表示。5） 上限频率、下限频率和通频带：由于放大电路中存在电感、电容及半导体器件结电容，在输入信号频率较低或较高时， 放大倍数的幅值会下降并产生相移。一般，放大电路只适合于放大某一特定频率范围内的信号。如 P75图2.1.4所示。上限频率fH （或称为上限截止频

5、率）：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值 等于中频段的0.707倍时的频率值即为上限频率。下限频率fL （或称为下限截止频率）：在信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值 等于中频段的0.707倍时的频率值即为上限频率。通频带fBW： fBW = fH - fL通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。6） 最大输出功率 Pom与效率 ：Pom是在输出信号基本不失真的情况下， 负载能够从放大电路获得的最大功率， 是负载从直流电源获得的信号功率。此时，输出电压达到最大不失真输出电压。Ppm为直流电源能量的利用率。 巳 式中Pv为电源消耗的功率7）非线性失真系数 D :在某一正

6、弦信号输入下，输出波形因放大器件的非线性特性而 产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比。即电路、放大电路与负载之间均直接相连。适合于放大直流信号和变化缓慢的交流信号。 2）阻容耦合共射放大电路： 信号源与放大电路、 放大电路与负载之间均通过耦合电容相连。 不能放大直流信号和变化缓慢的交流信号； 只能放大某一频段范围的信号。 如P72图2.7所示。3）放大电路中元件及作用（1） 三极管T 起放大作用。（2） 集电极负载电阻 FC将变化的集电极电流转换为电压输出。（3） 偏置电路Vcc, Fb使三极管工作在放大区， Vx还为输出提供能量。（4） 耦合电容C, C2输入电容 C保证信号加到发射

7、结，不影响发射结偏置。输出 电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。4、静态工作点设置的必要性对放大电路的基本要求一是不失真， 二是能放大。只有保证在交流信号的整个周期内三极管均处于放大状态，输出信号才不会产生失真。故需要设置合适的静态工作点。 Q点不仅电路是否会产生失真，而且影响放大电路几乎所有的动态参数。5、基本共射放大电路的工作原理及波形分析对于基本放大电路， 只有设置合适的静态工作点， 使交流信号驮载在直流分量之上， 以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态， 输出电压波形才不会产生非线性 失真。波形分析见 P74 图 2.8 所示。 基本共射放大电路的电压放大作用是

8、利用晶体管的电流放大作用， 并依靠将电流的变化 转化为电压的变化来实现的。6、放大电路的组成原则1） 为了使BJT工作于放大区、FET工作于恒流区，必须给放大电路设置合适的静态工作 点，以保证放大电路不失真。2） 在输入回路加入 Ui应能引起UBE的变化,从而引起iB和ic的变化。3） 输出回路的接法应当使 ic尽可能多地流到负载 Rl中去，或者说应将集电极电流的变 化转化为电压的变化送到输出端。二、本讲重点1、 放大的本质；2、 放大电路工作原理及静态工作点的作用；3、 利用放大电路的组成原则判断放大电路能否正常工作；三、本讲难点1、 放大电路静态工作点的设置方法；2、 利用放大电路的组成原

9、则判断放大电路能否正常工作；四、教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示放大电路的组成原理、信号传输过程和设置合适 Q点的必要性等，便于学生理解和掌握。判断放大电路能否正常工作举例可以启发讨论。五、课后习题见相应章节的“习题指导” 。第五讲 放大电路的基本分析方法一、主要内容1、直流通路、交流通路及其画法（1） 直流通路：在直流电源的作用下，直流电流流经的通路，用于求解静态工作点 Q 的值。（2） 直流通路的画法：电容视为开路、电感视为短路；信号源视为短路，但应保留内 阻。（3） 交流通路： 在输入信号作用下， 交流信号流经的通路，用于研究和求解动态参数。（4） 交流通路的画法：耦合电容视

10、为短路；无内阻直流电源视为短路；2、 放大电路的静态分析和动态分析（1） 静态分析：就是求解静态工作点 Q在输入信号为零时，BJT或FET各电极间的电 流和电压就是 Q点。可用估算法或图解法求解。（2） 动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。通常，利用三极管 h 参数等效模 型画出放大电路在小信号作用下的微变等效电路， 并进而计算输入电阻、 输出电阻与电压放 大倍数。或利用图解法确定最大不失真输出电压的幅值、分析非线性失真等情况。放大电路的分析应遵循“先静态，后动态” 。的原则，只有静态工作点合适，动态分析 才有意义；Q点不但影响电路输出信号是否失真，而且与动态参数密切相关。3、 图解法确

11、定Q点和最大不失真输出电压（1）用图解法确定 Q点的步骤：已知晶体管的输出特性曲线族t由直流通路求得 Ibq t列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线t在输出特性曲线平面上作出直流负载线t 由Ibq所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为 Q点。（ 2）输出波形的非线性失真 非线性失真包括饱和失真和截止失真。饱和失真是由于放大电路中三极管工作在饱和 区而引起的非线性失真。 截止失真是由于放大电路中三极管工作在截止区而引起的非线性失 真。放大电路要想获得大的不失真输出，需要满足两个条件：一是 Q 点要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；二是要有合适的交流负载线。（ 3）直流负载线和交流负载线

12、由放大电路输出回路电压方程所确定的直线称为负载线。 由直流通路确定的负载线为直流负载线；由交流通路确定的负载线为交流负载线，可通过Q、 B UcEQ IcQ(RcRl),0两点作出。对于放大电路与负载直接耦合的情况，直流负载线 与交流负载线是同一条直线；而对于阻容耦合放大电路，只有在空载情况下，两条直线才合 二为一。 (4)最大不失真输出电压有效值 UomI BQ .1 BQ可求得I CQ ；U CEQ .即利用直流通路估算静态工作点 U beq、Ibq、Icq和U CEQ。其中硅管的U BEQ 0-7v ；锗管的Ubeq 05v，无须求解；其余三个参数的求解方法为：(1)列放大电路输入回路电

13、压方程可求得(2) 根据放大区三极管电流方程 Icq(3)列放大电路输出回路电压方程可求得5、BJT的h参数等效模型(1)BJT等效模型的建立：三极管可以用一个二端口模型来代替；对于低频模型可以不考虑结电容的影响；小信号意味着三极管近似在线性条件下工作， 微变也具有线性同样的含义。(2)BJT的h参数方程及等效模型U be h|1e I b 人任 U ceI c h?1e I b h?2e U ceBJT的h参数等效模型如 P31图2h12e电压反馈系数：反映三极管内部的电压反馈，因数值很小，一般可以忽略。3h21e :在小信号作用时，表示晶体管在 Q点附近的的电流放大系数 。4h22e：三极

14、管输出电导，反映输出特性上翘的程度。常称1/ h22e为c-e间动态电阻ce。 通常h22e的值小于10-5s，当其与电流源并联时，因分流极小，可作开路处理。注意：h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 h参数与工作点有关，在放大区基本不变。h参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析6、等效电路法求解放大电路的动态参数将BJT的h参数等效模型代入放大电路的交流通路，即为放大电路的微变等效电路。放大电路的动态分析就是利用放大电路的微变等效电路计算输入电阻、 输出电阻与电压放大倍数。举例：如P86例2.3图2.20所示放大电路静态工作点的求解和性能指标计算。二、本讲重点1、基本放大电路

15、静态工作点的估算；2、BJT的h参数等效模型及放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；三、 本讲难点1、 放大电路的微变等效电路的画法；2、 放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；四、 教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示图解法求 Q点、Uom及分析非线形失真；用直流通路估算Q点；BJT的h参数模型建立、微变等效电路的画法及动态参数计算等，便于学生理 解和掌握。五、 课后习题见相应章节的“习题指导”。第六讲 放大电路静态工作点的稳定一、主要内容1、 静态工作点稳定的必要性静态工作点不但决定了电路是否产生失真， 而且还影响着电压放大倍数和输入电阻等动态参数。实际上，电源

16、电压的波动、 元件老化以及因温度变化所引起的晶体管参数变化，都会造成静态工作点的不稳定， 从而使动态参数不稳定， 有时甚至造成电路无法正常工作。 在引起Q点不稳定的诸多因素中，温度对晶体管的影响是最主要的。2、 温度变化对静态工作点产生的影响温度变化对静态工作点的影响主要表现为，温度变化影响晶体管的三个主要参数：Icbo、卩和Ube。这三者随温度升高产生变化，其结果都使 Icq值增大。硅管的Icbo小，受温度影响小，故其 卩和Ube受温度影响是主要的；锗管的Icbo大，受温度影响是主要的。3、 稳定静态工作点的原则和措施为了保证输出信号不失真，对放大电路必须设置合适的静态工作点，并保证工作点的

17、稳 定。(1)采用不同偏置电路稳定静态工作点的原则是：当温度升高使Ic增大时，Ib要自动减小以牵制Ic的增大。(2)稳定静态工作点可以归纳为三种方法： P89图2.21所示。(1)温度补偿；(2)直流负反馈；(3)集成电路中采用恒流源偏置技术；4、 典型静态工作点稳定电路 分压式偏置电路的分析1 ) Q点稳定原理分压偏置电路如 P90图2.22所示。稳定静态工作点的条件为：I 1 I b和Vb UBe；此时，Rb1Ubq b1 Vcc uRb1 Rb2 ，即当温度变化时，U Bq基本不变。静态工作点的稳定过程为：T(C) Ic f( Ie U E 1 E Re f (因为 U Bq 基本不变U

18、 be 1 b JIc J Ibe,或者（1 ）Re Rb。3 ）分压式偏置电路的动态分析 动态分析时, 射极旁路电容应看成短路。 画放大电路的微变等效电路时, 要特别注意射 极电阻有无被射极旁路电容旁路, 正确画出 “交流地” 的位置,根据实际电路进行计算即可。二、本讲重点1、 放大电路稳定静态工作点的原理和常用方法；2、 分压式偏置电路 Q 的估算；3、 分压式偏置电路动态性能指标的计算；三、本讲难点1、 稳定静态工作点的原理和措施；2、 分压式偏置电路微变等效电路画法及动态性能指标的计算；四、教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示稳定静态工作点的原理和常用方法、分压式偏置电 路 Q

19、 的估算、动态性能指标的计算等,便于学生理解和掌握。五、课后习题见相应章节的“习题指导” 。第七讲 共集放大电路和共基放大电路一、主要内容1、 三极管放大电路的基本接法三极管放大电路的基本接法亦称为基本组态,有共射（包括工作点稳定电路） 、共基和共集三种。共射放大电路以发射极为公共端,通过 iB 对 ic 的控制作用实现功率放大。共集 放大电路以集电极为公共端，通过 iB对iE的控制作用实现功率放大。共基放大电路以基极为公共端，通过iE对iB的控制作用实现功率放大。2、 共集放大电路的组成及静态和动态分析1） 共集放大电路的组成共集放大电路亦称为射极输出器如 P92图2.23 （ a）所示，为

20、了保证晶体管工作在放大区，在晶体管的输入回路， Rb、Re与VCc共同确定合适的静态基极电流；晶体管输出回路中，电源Vcc,提供集电极电流和输出电流，并与 Re配合提供合适的管压降 UCe。2）共集放大电路的静态分析与共射电路静态分析方法基本相同。可求得 IEQ ；（ 3）列放大电路输出方程可求得3）共集放大电路的动态分析 共集放大电路的动态分析方法与共射电路基本相同, 只是由于共集放大电路的 “交流地” 是集电极，一般习惯将“地”画在下方，所以微变等效电路的画法略有不同， 如P92图2.23（d）所示。3、共基放大电路的静态和动态分析1）共基放大电路的静态分析 与共射电路静态分析方法基本相同

21、。 I EQ1 BQ |U CEQ ；(2)根据放大区三极管电流方程 1 可求得Ibq(3)列放大电路输出回路电压方程可求得2 )共基放大电路的动态分析共基放大电路的动态分析方法与共射电路基本相同， 只是由于共基放大电路的 “交流地”是基极，一般习惯将“地”画在下方，所以微变等效电路的画法略有不同。如 P94图2.24所示。4、三种接法的比较共射放大电路既有电压放大作用又有电流放大作用，输入电阻居三种电路之中，输出 电阻较大，适用于一般放大。共集放大电路只有电流放大作用而没有电压放大作用， 因其输入电阻高而常做为多级放大电路的输入级，因其输出电阻低而常做为多级放大电路的输出 级，因其放大倍数接

22、近于 1而用于信号的跟随。 共基放大电路只有电压放大作用而没有电流 放大作用，输入电阻小，高频特性好，适用于宽频带放大电路。二、 本讲重点1、 共集和共基放大电路的性能指标计算；2、 三种接法放大电路的特点及应用场合；三、 本讲难点1、 共集和共基放大电路微变等效电路的画法；2、 共集和共基放大电路微变等效电路的输入、输出电阻计算； ；四、 教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示三种接法电路的构成方法，便于学生理解和掌握。 启发讨论三种不同接法电路各自特点及应用场合。五、课后习题见相应章节的“习题指导”第八讲多级放大电路一、主要内容1、 单管放大电路的局限性和多级放大电路的提出在实际应用

23、中，一般对放大电路的性能有多方面的要求：如输入电阻大于 2M Q、电压放大倍数大于2000、输出电阻小于100 Q等，依靠单管放大电路的任何一种， 都不可能同时满足要求。这时，就可以选择多个基本放大电路， 并将它们合理连接， 从而构成多级放大电路。组成多级放大电路的每一个基本单管放大电路称为一级， 级与级之间的连接称为级间耦合。2、 多级放大电路的基本耦合方式及其特点1)直接耦合：耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。直接耦合放大电路存在温度漂移问题， 但因其低频特性好，能够放大变化缓慢的信号且便于集成， 而得到越来越广泛的应用。但直接耦合电路各级静态工作点之间会相互影响， 应注意

24、静态工作点的稳定问题。2)阻容耦合：将放大电路前一级的输出端通过电容接到后一级的输入端。阻容耦合放大电路利用耦合电容隔离直流， 较好地解决了温漂问题， 但其低频特性差，不便于集成，因此仅在分立元件电路中采用。3)变压器耦合：将放大电路前一级的输出端通过变压器接到后一级的输入端或负载电阻上。采用变压器耦合也可以隔除直流， 传递一定频率的交流信号， 各放大级的Q互相独立。但低频特性差， 不便于集成。 变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配， 以获得有效的功率传输。常用作调谐放大电路或输出功率很大的功率放大电路。 4)光电耦合：以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递。光电 耦合放大电路利用

25、光电耦合器将信号源 与输出回路隔离，两部分可采用独立电源且分别接不同的 “地”，因而， 即使是远距离传输， 也可以避免各种电干扰。 3、直接耦合多级放大电路静态工作点的设置直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响， 这是构成直接耦合多级放大电路时 首先要加以解决的问题。(1) 电位移动直接耦合放大电路如果将基本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，则 Vci = Vb2 , Vc2 = Vb2+ VcB2VB2 (VC1)这样，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要加入较大的发射极电阻或 在后级的发射极加稳压管，如 P108 图 2.32 所示。由于集电极电位逐级升高，以至于接近 电源

26、电压，从而使后级无法设置正确的工作点。这种方式只适用于级数较少的电路。NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路级间采用 NPN 管和 PNP 管搭配的方式，由于 NPN 管集电极电位高于基极电位， PNP 管集电极电位低于基极电位， 它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高， 如P109图2.33所示。(3)电流源电平移动放大电路 在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路， 电流源在电路中的作用实际上是个 有源负载，其上的直流压降小，通过 Ri上的压降可实现直流电平移动。但电流源交流电阻大，在 R1 上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时，输出端的直流电平并 不高，实现了直流

27、电平的合理移动。如图 2.34 所示。4、 直接耦合多级放大电路的零点漂移问题1)零点漂移： 当放大器的输入信号 ui 0时，其输出电压 uo 往往不为常数， 或者三极 管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。2)产生零点漂移的原因：电路中参数变化，如电源电压波动、元件老化、半导体元件 参数随温度而变化。其中主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表 示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。一般将在一定时间内， 或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数， 即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如 V/ c 或 V/min 。5、 多级放大电路的静态分析1

28、 )直接耦合放大电路的静态分析直接耦合放大电路各级之间的直流通路相连， 静态工作点相互影响，因而在求解Q点时，应写出直流通路中各个回路的方程， 然后求解。 使用各种计算机辅助分析软件可使电路设计 和Q点的求解过程大大简化。2)阻容耦合多级放大电路的静态分析阻容耦合多级放大电路中，由于级间耦合电容的隔直作用，所以，每一级 Q点都可以按单管放大电路求解。6、 多级放大电路的动态分析多级放大电路的总电压放大倍数等于组成它的各级放大电路电压放大倍数的乘积，即 Au Au1Au2 Aun ，其输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是末级的输出电阻。在求 解某一级电压放大倍数时， 有两种处理方法： 一是将后

29、一级的输入电阻作为前一级的负载考 虑（后级的 Ri 就是前级的 RL ），简称输入电阻法；二是将后一级与前一级之间开路，计算前一级的开路电压和输出电阻，作为后一级的信号源和内阻，简称开路电压法。 举例：两级放大电路的分析，如 P110 图 2.35 所示。二、本讲重点 1、多级放大电路的耦合方式及其特点、直接耦合放大电路静态工作点的设置； 2、两级阻容耦合电路的动态分析；三、本讲难点1、 直接耦合放大电路静态工作点的设置；2、 多级放大电路的动态分析方法；四、教学组织过程 本讲以教师讲授为主。 用多媒体演示直接耦合放大电路静态工作点的设置、 两级阻容耦 合电路的动态分析方法等， 便于学生理解和

30、掌握。 启发讨论多级放大电路的耦合方式及其特 点。五、课后习题见相应章节的“习题指导” 。第九讲 差动放大器一、主要内容1、直接耦合放大电路的零点漂移 直接耦合放大电路的零点漂移主要是晶体管的温漂造成的。在基本差动放大电路 中，利用参数的对称性进行补偿来抑制温漂。 在长尾电路和具有恒流源的差动放大电路 中，还利用共模负反馈或恒流源抑制每只放大管的温漂。2、差动放大电路组成及特点1）电路组成 差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。“对称”的 含义是两个三极管的特性一致， 电路参数对应相等， 即 Rc1=Rc2，Rb1=Rb2， 1= 2，VBE1=VBE2 ， rbe1= rbe2， I CBO1 = ICBO2 。2）电路特性 （1）差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用； （2）差动放大电路对差模信号有放大作用；（3）共模负反馈电阻 Re的作用：稳定静态工作点。对差模信号无影响。对共模 信号有负反馈作用：Re越大对共模信号的抑制作用越强；也可能使电路的放大能力变差。3、