基本放大电路.docx

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基本放大电路

第二章基本放大电路

［教学目的］

1、了解放大电路的性能指标，掌握单管共射放大电路的工作原理，掌握放大电路的静态、动态分析与计算方法（图解法、等效电路法）

2、掌握放大电路的三种基本接法及其特点

3、掌握场效应管的等效模型及共源放大电路的原理及特点

［教学重点和难点］

1、基本共射放大电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的分析及计算

2、BJT放大电路的三种组态特点、FET放大电路的三种组态特点

［教学时数］　8学时　

［教学内容］

第一节放大的概念和放大电路的主要性能指标

一、放大的概念

二、放大电路的性能指标

第二节基本共射放大电路的工作原理

一、基本共射放大电路的组成及各元件的作用

二、设置静态工作点必要性

三、基本共射放大电路的工作原理

四、放大电路的组成原理

第三节放大电路的分析方法

一、直流通路与交流通路

二、图解法

三、等效电路法

第四节放大电路静态工作点的稳定

一、静态工作点稳定的必要性

二、典型的静态工作点稳定电路

三、稳定静态工作点的措施

第五节晶体管单管放大电路的三种基本接法

第六节晶体管放大电路的派生电路

第七节场效应管放大电路

一、场效应管放大电路的三种接法

二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法及分析估算

三、场效应管放大电路的动态分析

四、场效应管放大电路的特点

［电子教案］

本章讨论的问题：

1.什么是放大？

放大电路放大信号与放大镜放大物体意义　相同吗？

放大的特征是什么？

2.为什么晶体管的输入、输出特性说明它有放大作用？

　如何将晶体管接入电路才能起到放大作用？

组成放大　电路的原则是什么？

有几种接法？

3.如何评价放大电路的性能？

有哪些主要指标？

4.晶体管三种基本放大电路各有什么特点？

如何根据它　们的特点组成派生电路？

5.如何根据放大电路的组成原则利用场效应管构成放大　电路？

它有三种接法吗？

6.场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同处？

在不同的场合下，应如何选用放大电路？

2.1放大电路的基本概念和放大电路的主要性能指标

2.1.1放大的概念

基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。

1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。

2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。

放大电路的结构示意图见图。

放大概念示意图

2.1.2放大电路的性能指标

（1）放大倍数

输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。

对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，它们通常都是按正弦量定义的。

放大倍数定义式中各有关量如图所示。

放大倍数的定义

电压放大倍数定义为

电流放大倍数定义为

功率放大倍数定义为

（2）输入电阻Ri

输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ri大，放大电路从信号源吸取的电流则小，反之则大。

Ri的定义见图和式（03.04）

输入电阻的定义

（3）输出电阻Ro

输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。

Ro的定义见图和式（03.05）。

图（a）是从输出端加假想电源求Ro，图（b）是通过放大电路负载特性曲线求Ro。

（a）从输出端求Vo'（b）从负载特性曲线求

输出电阻的定义

根据图03.04（b），在带RL时，测得

，开路时输出为

。

根据式（03.05）有

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，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。

（4）通频带

放大电路的增益A（f）是频率的函数。

在低频段和高频段放大倍数通常都要下降。

当A（f）下降到中频电压放大倍数A0的

时，即

A（fL）=A（fH）=

（03.07）

相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率，如图03.05所示。

图03.05通频带的定义

2.2基本共射放大电路的工作原理

2.2.1基本共射放大电路的组成及各元件的作用

（1）共射组态基本放大电路

图　共射组态交流基本放大电路

基本组成如下：

三极管T——起放大作用。

负载电阻RC，RL——将变化的集电极电流转换为电压输出。

偏置电路VCC，Rb——使三极管工作在线性区。

耦合电容C1，C2——输入电容C1保证信号加到发射结，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。

（2）静态和动态

静态—

时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。

动态—

时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。

放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。

分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。

2.2.2设置表态工作点的必要性

2.2.3基本放大电路的工作原理及波形分析

放大原理

三极管放大作用

变化的

通过

转变为变化的电压输出

输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程：

2.2.4放大电路的组成原则

2.3放大电路的分析方法

2.3.1直流通路和交流通路

放大电路的直流通路和交流通路如图中（a），（b）所示。

直流通路，即能通过直流的通路。

从C、B、E向外看，有直流负载电阻、Rc、Rb。

交流通路，即能通过交流的电路通路。

如从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻、Rc//RL、Rb。

直流电源和耦合电容对交流相当于短路。

因为按迭加原理，交流电流流过直流电源时，没有压降。

设C1、C2足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零，在交流通路中，可将耦合电容短路。

（a）直流通路（b）交流通路

基本放大电路的直流通路和交流通路

2.3.2图解法

放大电路的静态分析有计算法和图解分析法两种。

（1）静态工作状态的计算分析法

根据直流通路可对放大电路的静态进行计算

（03.08）

IC=IB（03.09）

VCE=VCC－ICRc（03.10）

IB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。

在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的工作状态。

（2）静态工作状态的图解分析法

放大电路静态工作状态的图解分析如图所示。

图　放大电路静态工作状态的图解分析

直流负载线的确定方法：

1.由直流负载列出方程式VCE=VCC－ICRc

2.在输出特性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点VCC和VCC/Rc,即可画出直流负载线。

3.在输入回路列方程式VBE=VCC－IBRb

4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是Q。

5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。

例：

测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。

三极管工作状态判断

例3.2：

用数字电压表测得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，试判断三极管的工作状态。

电路如图所示

电路图

（3）放大电路的动态图解分析

　交流负载线

交流负载线确定方法：

1.通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为1/RL’。

2.RL’=RL∥Rc，是交流负载电阻。

3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。

4.交流负载线与直流负载线相交，通过Q点。

放大电路的动态工作状态的图解分析

（4）交流工作状态的图解分析

通过图所示动态图解分析，可得出如下结论：

1.vivBEiBiCvCE|-vo|；

2.vo与vi相位相反；

3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；

4.可以确定最大不失真输出幅度。

（5）最大不失真输出幅度

①波形的失真

饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。

截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。

（动画3-2）

示波器图形

（a）截止失真（b）饱和失真

放大器的截止失真和饱和失真（动画3-3）

②放大电路的最大不失真输出幅度

放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：

1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；

2.要有合适的交流负载线。

动画

放大器的最大不失真输出幅度（动画3-4）

（6）非线性失真

放大器要求输出信号与输入信号之间是线性关系，不能产生失真。

由于三极管存在非线性，使输出信号产生了非线性失真。

非线性失真系数的定义：

在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比，用THD表示，即

（7）输出功率和功率三角形

放大电路向电阻性负载提供的输出功率:

在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。

要想Po大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom和Iom都要大。

功率三角形

2.3.3等效电路法

（1）模型的建立

1.三极管可以用一个模型来代替。

2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。

3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。

三极管的低频小信号模型如图所示。

图双极型三极管h参数模型

（2）模型中的主要参数

①rbe——三极管的交流输入电阻

根据二极管的方程式

对于三极管的发射结

b'相当基区内的一个点，b才是基极。

所以其动态电导为

reb'≈VT/iE

re=reb'Q≈VT/IEQ=26mV/IEQ

rbeQ=rbb'+（1+）VT/iE≈300+（1+）26mV/IEQ

对于小功率三极管rbb’≈300，相当于基区的体电阻。

②ib——输出电流源

表示三极管的电流放大作用。

反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性。

（3）h参数

三极管的模型也可用网络方程导出。

三极管的输入和输出特性曲线如下：

，称为输入电阻，即rbe。

，称为电压反馈系数。

，称为电流放大系数，即。

，称为输出电导，即1/rce。

h参数的物理含义见图。

h11和h12的意义

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

h21和h22的意义

（4）h参数微变等效电路简化模型

简化的三极管h参数模型，如图所示。

图中作了两处忽略

①h12反映三极管内部的电压反馈，因数值很小，一般可以忽略。

②h22=1/rce具有电导的量纲，与电流源并联时，因分流极小，可作开路处理。

三极管简化h参数模型

共射组态基本放大电路微变等效电路分析法

（1）共射组态基本放大电路

共发射极交流基本放大电路如图所示。

Rb1和Rb2系偏置电阻。

C1是耦合电容，将输入信号vi耦合到三极管的基极。

Rc是集电极负载电阻。

Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容。

C2是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻RL上。

Rb1、Rb2、Rc和Re处于直流通路中，如图03.20（b）。

RC、RL相并联，处于输出回路的交流通路之中。

（a）共射基本放大电路（动画3-5）（b）h参数微变等效电路（动画3-6）

共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路

（2）直流计算

图03.20电路的直流通路如图03.21（a）所示，用戴维宁定理进行变换后如图03.21（b）所示。

因此静态计算如下：

IB=（VCC′－VBE）/[Rb′+（1+）Re]（03.12）

VCC′=VCCRb2/（Rb1+Rb2）（03.13）

Rb′=Rb1∥Rb2（03.14）

IC=IB

VC=VCC－ICRc

VCE=VCC－ICRc－IERe=VCC－IC（Rc+Re）（03.15）

（a）直流通路（b）用戴维定理进行变换

基本放大电路的直流通路

（3）交流计算

根据图03.20（b）的微变等效电路，有

RL′=Rc∥RL

电压放大倍数Av

Av=

=－βRL’/rbe（03.16）

输入电阻Ri

Ri=

=rbe//Rb1//Rb2≈rbe=rbb’+（1+β）26mV/IE

=300Ω+（1+β）26mV/IE（03.17）

根据图03.04（a）求输出电阻的原理，应将图03.20（b）微变等效电路的输入端短路，将负载开路。

在输出端加一个等效的输出电压。

于是输出电阻Ro

Ro=rce∥Rc≈Rc（03.18）

2.4放大电路静态工作点的稳定

2.4.1静态工作点的稳定的必要性

三极管是一种对温度十分敏感的元件。

温度变化对管子参数的影响主要表现有：

1.UBE改变。

UBE的温度系数约为–2mV/C，即温度每升高1C，UBE约下降2mV。

2.β改变。

温度每升高1C，β值约增加0.5%~1%，温度系数分散性较大。

3.ICBO改变。

温度每升高10C，ICBQ大致将增加一倍，说明ICBQ将随温度按指数规律上升。

结论：

温度升高将导致IC增大，Q上移。

波形容易失真。

2.4.2典型的静态工作点稳定电路

稳定Q点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使IBQ在温度变化时与ICQ产生相反的变化。

2.4.3稳定静态工作点的措施

复习：

1.如何用图解法求静态工作点？

用解析式求基极电流，

作直线UCEQ=VCC–ICQRc与BJT输出特性曲线的交点。

2.NPN管共射放大电路Q点设置太低，输出电压将会如何？

如何调节？

3.直流通路、交流通路如何绘制？

4.BJT的h参数等效模型如何？

基射极等效电阻如何计算？

5.共射放大电路静态、动态分析包括哪些参数？

6.为什么要稳定静态工作点？

如何稳定？

2.5晶体管单管放大电路的三种基本接法

2.5.1基本共集放大电路

共集组态基本放大电路如图所示，其直流工作状态和动态分析如下。

（a）共集组态放大电路（b）CC放大电路直流通路

共集组态放大电路及其直流通路

（1）直流分析

将共集组态基本放大电路的直流通路画于图03.22（b）之中，于是有

IB=（VCC′－VBE）/[Rb′+（1+）Re]

IC=IB

VCE=VCC－IERe=VCC－ICRe

（2）交流分析

将图的CC放大电路的中频微变等效电路画出，如图所示。

①中频电压放大倍数

（03.19）

比较共射和共集组态放大电路的电压放大倍数公式，它们的分子都是乘以输出电极对地的交流等效负载电阻，分母都是三极管基极对地的交流输入电阻。

CC组态微变等效电路求Ro的微变等效电路（动画3-7）

②输入电阻

Ri=Rb1//Rb2//[rbe+（1+）RL′）]（03.20）

//Re

③输出电阻

输出电阻可从图03.24求出。

将输入信号源

短路，负载开路，由所加的等效输出信号Vo′可以求出输出电流

2.5.2基本共基放大电路

共基组态放大电路如图所示，其直流通路如图所示。

共基组态放大电路共基放大电路的直流通路

（1）直流分析

与共射组态相同。

（2）交流分析

共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图所示。

CB组态微变等效电路

①电压放大倍数

Av=

=βRL′/rbe

②输入电阻

Ri=

=[rbe/（1+β）]∥Re≈rbe/（1+β）（03.22）

③输出电阻

Ro≈Rc

例题演示

2.6晶体管基本放大电路的派生电路

2.6.1复合管放大电路

2.6.2共射-共基放大电路

2.6.3共集-共基放大电路

2.7场效应三极管放大电路的分析方法

2.7.1场效应管放大电路的三种接法

2.7.2场效应管放大电路静态工作点的设置及其分析估算

对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。

共源组态的基本放大电路如图03.28所示。

与较共源和共射放大电路比较，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。

只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。

（a）采用结型场效应管（b）采用绝缘栅场效应管

共源组态接法基本放大电路

直流分析

共源基本放大电路的直流通路

将共源基本放大电路的直流通路画出，如图03.29所示。

图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，R是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。

与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。

而且只要结型场效应管栅源PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通路和交流通路是一样的。

根据图03.29可写出下列方程

VG=VDDRg2/（Rg1+Rg2）

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－（VGSQ/VGS（off））]2

VDSQ=VDD－IDQ（Rd+R）

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。

2.7.3场效应管放大电路的动态分析

（1）共漏组态基本放大电路

画出图电路的微变等效电路，如图所示。

与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。

VCCS的电流源

s还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。

其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。

微变等效电路

①电压放大倍数

输出电压为

如果有信号源内阻RS时

=－gmRL′Ri/（Ri+RS）

式中Ri是放大电路的输入电阻。

②输入电阻

Ri=

=Rg1∥Rg2

③输出电阻

为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成图的形式。

计算Ro的电路模型

将负载电阻RL开路，并想象在输出端加上一个电源

，将输入电压信号源短路，但保留内阻。

然后计算

，于是

Ro=

=rds∥Rd

（2）共漏组态基本放大电路

共漏组态基本放大电路如图03.32所示，其直流工作状态和动态分析如下。

图03.32共漏组态放大电路图03.33共漏放大电路的直流通路

（1）直流分析

将共漏组态接法基本放大电路的直流通路画于图03.33之中，于是有

VG=VDDRg2/（Rg1+Rg2）

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－（VGSQ/VGSoff）]2

VDSQ=VDD－IDQR

由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。

（2）交流分析

将图03.32的CD放大电路的微变等效电路画出，如图03.34所示。

图03.34共漏放大电路的微变等效电路

①电压放大倍数

由图03.34可知

式中RL′=

≈R//RL。

为正，表示输入与输出同相，当gmRL′>>1时，

≈1。

比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式，分子都是gmRL’，分母对共源放大电路是1，对共漏放大电路是（1+gmRL′）。

②输入电阻

③输出电阻

计算输出电阻的原则与其它组态相同，将图03.34改画为图03.35。

图03.35求输出电阻的微变等效电路

（3）共栅组态基本放大电路

共栅组态放大电路如图所示，其微变等效电路如图所示。

共栅组态放大电路　　　　　　共栅放大电路微变等效电路

（1）直流分析

与共源组态放大电路相同。

（2）交流分析

①电压放大倍数

②输入电阻

③输出电阻

Ro≈Rd

2.7.4场效应管放大电路的特点

三种基本放大电路的比较如下

组态对应关系CE/CB/CCCS/CG/CD

电压放大倍数CE：

CS：

CC：

CD：

CB：

CG：

输入电阻RiCE：

Rb//

CS：

Rg1//Rg2

CC：

Rb//

CD：

Rg+（Rg1//Rg2）

CB：

Re//[

]CG：

R//（1/gm）

输出电阻RoCE：

RcCS：

rds//Rd

CC：

Re//

CD：

R//（1/gm）

CB：

RcCG：

Rd