現(xiàn)代電子電路基礎(chǔ)趙捷第03章放大電路

1、2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.1 第三章：放大電路 本章內(nèi)容： 3.1放大器的組成與性能指標(biāo) 3.2放大器的圖解分析法 3.3放大器的微變等效電路分析法 3.4放大器的工作點(diǎn)穩(wěn)定 3.5共集電極放大器 3.6放大器的頻率特性和多級(jí)級(jí)聯(lián) 3.7直流放大器 3.8功率放大器 3.9集成運(yùn)算放大器 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.2 3.1放大器的組成與性能指標(biāo) 一、放大(amplification)的概念 放大是對(duì)差異的程度或變化量而言的。電子學(xué)

2、中放 大的目的是將微弱的變化信號(hào)放大成較大的信號(hào)。 放大電路 電源 輸入輸出 放大電路的作用是把電源的能量轉(zhuǎn)化為變化的輸出量， 而這些輸出量的變化情況與輸入量的變化成比例。 放大的本質(zhì)是能量的控制與轉(zhuǎn)換。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.3 二、放大器的性能指標(biāo)（characteristics） 測(cè)試方法：用正弦波信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)。 放大器方框圖 線性有源雙口網(wǎng)絡(luò) RS uS + - ui RL uo ioii 放大器 Ri Ro 輸入端 輸出端 2021-7-23 School of Physics, Peking

3、University 第三章 No.4 1、電壓放大倍數(shù)Au（voltage gain） 是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。 源電壓放大倍數(shù)Aus： 注意：測(cè)量時(shí)應(yīng)監(jiān)視輸出波形，若輸出波形出現(xiàn)明顯失真， 則得到的比值就失去意義了。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.5 2、輸入電阻Ri（input resistance） 輸入端看進(jìn)去的等效電阻。反映放大器對(duì)信號(hào)源的影響程度。 3、輸出電阻Ro（output resistance） 輸出端看進(jìn)去的等效電阻。反映放大器帶負(fù)載能力的大小。 測(cè)輸出電阻時(shí)，須將輸入信號(hào)源置零 （us

4、=0，保留內(nèi)阻）、負(fù)載開路。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.6 4、通頻帶fBW (bandwidth) 一般情況下，放大器只適用于放 大一個(gè)特定頻率范圍的信號(hào)，當(dāng) 信號(hào)頻率太高或太低時(shí)，放大倍 數(shù)都會(huì)有大幅度的下降。 0 f Au Aum 0.707Aum fLfH fBW 當(dāng)信號(hào)頻率升高或降低使放大器的放大倍數(shù)下降到中頻段放大倍數(shù) Aum的0.707倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率分別記為放大器的上限截止頻率fH 和下限截止頻率fL，則fBW= fH- fL。通頻帶反映放大器對(duì)信號(hào)頻率的 適應(yīng)能力。 5、最大輸出幅值Uom (

5、maximum output amplitude) 指當(dāng)輸入信號(hào)再增大，就會(huì)使輸出波形的非線性失真系數(shù)超過(guò) 額定數(shù)值（如10）時(shí)的輸出幅值。 (upper cut-off frequency) (lower cut-off frequency) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.7 6、最大輸出功率Pom和效率 最大輸出功率指在輸出信號(hào)基本不失真的情況下能輸出的最大功 率。效率則反映對(duì)電源能量的利用率。 7、非線性失真系數(shù)D (nonlinear distortion factor) 指在單一頻率的正弦輸入信號(hào)下，輸出波

6、形的諧波成分總量與 基波成分之比。 直流電源提供的功率 D與放大器的工作點(diǎn)以及輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。 (maximum output power)(efficiency) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.8 三、共射極基本放大電路的組成 穩(wěn)壓電源 + (common emitter basic amplifier) 基本電路 B C E ui uo C1 C2 RB VBB RC VCC 18V 200k 2k =50 10 10 習(xí)慣畫法 + + B C Eui uo C1 C2 RB VCC RC 3DG6 + +

7、2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.9 基極偏置電阻RB：使BE間構(gòu)成直流通路，提供固定的基極偏置電 流IB（由VCC、RB決定）；另一方面使B點(diǎn)電位 可以變化。 集電極電阻RC：使CE間構(gòu)成直流通路；另一方面使C點(diǎn)電位可以 變化。 耦合電容C1 、C2：也稱為隔直電容，傳送交流信號(hào)，隔離直流信 號(hào)。 要保證晶體管正常工作，直流電源的極性必須與晶體管的類型 相配合。即基極與發(fā)射極之間為正向偏置，基極與集電極之間 為反向偏置。 電阻的取值也應(yīng)與直流電源相配合，以使晶體管工作在放大區(qū)。 (fixed-base bias cur

8、rent) (base biasing resistance) (collector resistance) (coupling capacitance) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.10 3.2放大器的圖解分析法 分析放大器電路時(shí)，要處理的信號(hào)通常是交直流的混合量， 在計(jì)算時(shí)可以交直流量統(tǒng)一處理（圖解法 graphical method）， 也可以分開進(jìn)行（等效電路法 equivalent circuit ）。 圖解法是利用晶體管的特性曲線來(lái)表示其電壓電流的關(guān)系， 電路的電壓和電流的關(guān)系也用曲線（或直線）來(lái)表示，

9、然后 再利用作圖的方法來(lái)求解。（這里的電壓、電流都是交直流 混合量） 圖解法的思路：先找出電路中電壓和電流的一般關(guān)系，然后 由這些關(guān)系定出相應(yīng)的曲線，再分析無(wú)信號(hào)輸入（靜態(tài)）及 有信號(hào)輸入（動(dòng)態(tài)）的情況。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.11 一、靜態(tài)分析 IC IB UBE UCE 非線性 部分 線性 部分 線性 部分 輸入 回路 輸出 回路 輸入回路：(input circuit) 線性部分 非線性部分 輸出回路：(output circuit) 線性部分 非線性部分 晶體管為3DG6，=50。 + + 200k

10、2k 18V 10 10 ui uo C1 C2 RB VCC RC 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.12 輸入回路方程： UBE IB 0(V) (A) 0.20.8 60 120 90 0.40.6 UCE 1V P(IBP,UBEP) 由圖解法，可以得到P點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的IBP、UBEP即為輸入回路的解。 先假定晶體管工作在放大區(qū)，并設(shè) UCE1V，則選擇輸入曲線時(shí)，只需 選取UCE1V的輸入曲線，使問(wèn)題簡(jiǎn) 單化。等解出輸出回路后再來(lái)驗(yàn)證。 2021-7-23 School of Physics, Peking Uni

11、versity 第三章 No.13 UCE IC 0 (V) (mA) 18 9 9 4.5 Q(ICQ,UCEQ) 輸出回路方程： IB=IBP 選取IB=IBP的輸出特性曲線，用作圖 法可以求得Q點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電壓、電流 值為ICQ、UCEQ 。 Q點(diǎn)所代表的IBP、UBEP、ICQ、UCEQ同時(shí)滿足輸入、輸出方程，反映了在 給定電源電壓下電路的工作狀態(tài)，而此時(shí)沒有輸入信號(hào)，故稱Q點(diǎn)為靜態(tài) 工作點(diǎn)，記作Q(IBP，ICQ，UCEQ)。 直流負(fù)載線以靜態(tài)工作點(diǎn)Q為基準(zhǔn)，斜率為-1/RC的直線，即 VCC=ICRC+UCE所描述的直線。也稱為RC線。 (quiescent point) (DC l

12、oad line) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.14 二、動(dòng)態(tài)分析 1、輸入回路，設(shè)輸入信號(hào)ui=0.02sint (V) UBE IB 0(V) (A) 0.20.8 60 120 90 0.40.6 P t 0.02 ui(t) 0 uBE(t) P1 P2 UBEP t t 0 iB(t) IBP1 IBP IBP2 (V) -0.02 0 1 2 3 4 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.15 2、輸出回路 UCE IC 0 (V)

13、(mA) 18 9 9 4.5 Q IB=IBP 6 3 126 Q2 Q1 IB=IBP 2 IB=IBP 1 t Uom uo(t) 0 uCE(t) UCEQ t t 0 iC(t) ICQ1 ICQ ICQ2 (V) 0 -Uom 1 2 3 4 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.16 3、電壓放大倍數(shù) t Uom uo(t) (V) 0 -Uom t 0.02 ui(t) (V) -0.02 0 ui=0.02sint，uo=-Uomsint 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反， 即反相。 則電壓放大倍數(shù)Au為： 20

14、21-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.17 + + 200k 2k 18V 10 10 ui uo C1 C2 RB VCC RC 2k RL UCE IC 0 (V) (mA) 18 9 9 4.5 Q IB=IBP 6 3 126 Q2 Q1 IB=IBP 2 IB=IBP 1 t Uom uo(t) 0 uCE(t) UCEQ t (V) 0 -Uom 若電路接負(fù)載RL，動(dòng)態(tài)時(shí)的輸出回路 將會(huì)改變，工作點(diǎn)將沿著交流負(fù)載線 移動(dòng)。輸出電壓降減小。 直流負(fù)載線( ) 交流負(fù)載線( ) 2021-7-23 School of P

15、hysics, Peking University 第三章 No.18 三、放大器的非線性失真 非線性失真：由于晶體管特性曲線的非線性而使輸出信號(hào)相對(duì)輸 入信號(hào)發(fā)生畸變，稱為非線性失真。 如果放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的位置不合適，將很容易產(chǎn)生非線性失真。 1、飽和失真由于放大電路的 工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的飽和區(qū)而引起 的非線性失真。 原因：工作點(diǎn)過(guò)高。在ui上半 周會(huì)使ic進(jìn)入飽和區(qū)，使輸出 波形的下半周出現(xiàn)削波。 UCE IC 0 交流負(fù)載線 Q ic uo 輸入端沒有飽和失真。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.19 2、截止

16、失真由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管的截止區(qū)而引 起的非線性失真。 原因：工作點(diǎn)過(guò)低。在ui負(fù)半周會(huì)使ib、ic進(jìn) 入截止區(qū)，使輸出波形的正半周出現(xiàn)削波。 UBE IB 0 P ib 輸入曲線 UCE IC 0 交流負(fù)載線 Q ic uo 輸出曲線 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.20 3、放大器最大動(dòng)態(tài)范圍 負(fù)載線與臨界飽和線及IB=0所對(duì) 應(yīng)的輸出曲線的交點(diǎn)之間的區(qū)域 為放大器的最大動(dòng)態(tài)范圍。 UCE IC 0 交流負(fù)載線 Q 最大動(dòng)態(tài)范圍 最佳工作點(diǎn) 最佳工作點(diǎn)：若工作點(diǎn)處于放大 器動(dòng)態(tài)范圍的中點(diǎn)，則稱放大器 處

17、于最佳工作狀態(tài)，此時(shí)放大器 不失真輸出幅值最大。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.21 3.3放大器的微變等效電路分析法 由于晶體管的非線性使電路的分析變得復(fù)雜，因此試圖 對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕铺幚?，使晶體管在一定條件下表現(xiàn) 為線性特性，以便于計(jì)算建立等效模型。 對(duì)于分析的問(wèn)題不同，要根據(jù)不同的要求，對(duì)晶體管的參 數(shù)進(jìn)行不同的取舍和近似，從而得到不同的等效模型。 等效電路法的思路：把電路中總的電量看成是直流量和交 流量線性疊加的結(jié)果，而分別處理，建立不同的模型。 靜態(tài)（直流量）Q點(diǎn)，直流通路，即ui=0時(shí)形成的電流通路。

18、動(dòng)態(tài)（交流量）交流通路，所以量都是變化量，只考慮交流信號(hào) 所形成的電流通路，此時(shí)凡是固定不變的量均為 零，即恒定的電壓短路，恒定的電流開路。 (small signal model) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.22 一、靜態(tài)模型 晶體管為3DG6，=50。 直流通路 RB VCC RC 18V 200k 2k IC IB UBE UCE 對(duì)于直流信號(hào)，電 容相當(dāng)于斷路。 (DC path) ui uo C1 C2 RB VCC RC 18V 200k 2k 10 10 + + 2021-7-23 School o

19、f Physics, Peking University 第三章 No.23 靜態(tài)模型：（條件：晶體管工作在放大區(qū)） 對(duì)于輸入回路：非線性部分為晶體管的發(fā)射結(jié)，使用恒壓源模型； 對(duì)于輸出回路：晶體管工作在放大區(qū)，滿足ICIB，用流控電流源等效 非線性部分。 等效 IC IB UBE UCE b c e IB bc e IC UCE UD IB UBE 代入原電路 計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)Q： 則靜態(tài)工作點(diǎn)為Q(86.5A，4.3mA，9.4V) RB VCC RC 18V 200k 2k IB UCEIB UD 2021-7-23 School of Physics, Peking University

20、 第三章 No.24 二、動(dòng)態(tài)模型（H參數(shù)小信號(hào)模型） 交流通路 對(duì)于交流信號(hào)，電容相 當(dāng)于短路；不變量置零， 即將恒壓源VCC短路。 1、交流通路 ui + RB RC uo IC IB RL UBE UCE ic ib b c e ube uce (AC path) ui uo C1 C2 RB VCC RC 18V 200k 2k 10 10 RL + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.25 2、雙口網(wǎng)絡(luò)混合方程(hybrid equation)與H參數(shù)(h parameter) 雙口網(wǎng)絡(luò) u1 u2 i2 i

21、1 以i1、u2為自變量， i2、u1為因變量。 各參數(shù)的意義： h11輸出端短路時(shí)的輸入阻抗； h12輸入端開路時(shí)的反向電壓傳輸系數(shù)； h21輸出端短路時(shí)的正向電流傳輸系數(shù)； h22輸入端開路時(shí)的輸出導(dǎo)納。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.26 3、晶體管H參數(shù)小信號(hào)模型(hybrid model) ic ib b c e ube uce 、網(wǎng)絡(luò)方程（共射極接法） + - ubeuce ib ic h11 h12uce 1/h22 h21 ib 2021-7-23 School of Physics, Peking

22、University 第三章 No.27 各參數(shù)的物理意義： 輸出端交流短路時(shí)，晶體管的輸入電阻，即三 極管發(fā)射結(jié)的動(dòng)態(tài)電阻，常記作rbe或hie； 輸入端交流開路時(shí)，晶體管的反向電壓傳輸系數(shù)， 即晶體管內(nèi)部電壓反饋系數(shù)； 輸出端交流短路時(shí)，晶體管的正向電流傳輸系數(shù)， 即晶體管的電流放大系數(shù)（也可記作hfe）； 輸入端交流開路時(shí)，晶體管的輸出導(dǎo)納，其倒 數(shù)為晶體管輸出電阻rce。 103 10-4 102 10-5 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.28 + - ubeuce ib ic rbe h12uce rce i

23、b 、方程的等效電路 ic ib b c e ube uce 由于h12的數(shù)量級(jí)較小、rce的 數(shù)量級(jí)較大，?？珊雎?，故 等效電路可以簡(jiǎn)化為： 簡(jiǎn)化 電路中，一般作為已知條件 給出，而rbe可以由近似計(jì)算 得到。 ubeuce ib ic rbeib 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.29 、晶體管輸入電阻的計(jì)算 如圖，將晶體管內(nèi)部等效為三個(gè)體電阻 和兩個(gè)結(jié)電阻的形式，通常發(fā)射區(qū)與集 電區(qū)的體電阻比相應(yīng)的結(jié)電阻小很多， 即滿足rcrc、re0 2021-7-23 School of Physics, Peking Uni

24、versity 第三章 No.36 3.4放大器的工作點(diǎn)穩(wěn)定 一、溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響 溫度對(duì)放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的影響體現(xiàn)在三個(gè)方面：ICBO、Uon。 1、反向飽和電流ICBO ICBO是集電區(qū)與基區(qū)的少數(shù)載流子形成的，少子的濃度隨溫度升高 成指數(shù)增大，故ICBO與T之間也存在類似關(guān)系： k= 0.08/ 鍺 0.12/ 硅 2、電流放大系數(shù) 隨著溫度升高，載流子擴(kuò)散速度增大，使基區(qū)內(nèi)的復(fù)合幾率減小， 導(dǎo)致增大。一般情況下，溫度每升高1， 增大0.51。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.37 3、發(fā)射結(jié)開啟電壓Uon

25、 隨著溫度升高，管內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致Uon減小。 UCE IC QQ 由于IC=IB+(1+)ICBO，隨著溫 度的升高， ICBO增大、增大、 Uon減?。↖B增大），都將使IC增 大，即靜態(tài)工作點(diǎn)Q向飽和區(qū)移 動(dòng)，從而容易出現(xiàn)飽和失真而 使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.38 二、穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的方法 設(shè)計(jì)思想： 針對(duì)ICBO，設(shè)法使基極電流IB隨溫度升高而自動(dòng)減??； 針對(duì)Uon，設(shè)法使發(fā)射結(jié)的外加電壓隨溫度升高而自動(dòng)減小。 1、溫度補(bǔ)償法 思路：在電路中添加溫度敏感元件（如 二極管、三極管、溫敏

26、電阻），對(duì)溫度 產(chǎn)生的影響進(jìn)行補(bǔ)償。 若能找到與晶體管的溫度特性相匹配的溫敏元 件，將可使放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)保持穩(wěn)定。 ui uo C1 C2 RB VCC Rc D IRB IB IR + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.39 當(dāng)溫度升高時(shí)，IC增大的同時(shí)，二極管D的反 向飽和電流也增大，將使IB減小，從而讓IC減 小，起到穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。 溫度補(bǔ)償法電路簡(jiǎn)單，但要挑選到參數(shù)匹配的溫敏元件卻很困難。 ui uo C1 C2 RB VCC Rc D IRB IB IR + + 2021-7-23 School

27、 of Physics, Peking University 第三章 No.40 、分壓式供電： 利用Rb1和Rb2組成分壓 器，穩(wěn)定基極電位。 若滿足I1Ib，可以認(rèn)為 。 2、直流負(fù)反饋法 分壓式射極偏置電路 (biasing circuit) 思路：將輸出回路IC的變化反饋至輸入 回路，對(duì)IB進(jìn)行調(diào)整。 、電路結(jié)構(gòu) ui uo C1 C2 Rb1 VCC Rc Rb2 Re Ce I1 Ib + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.41 、Re的作用：穩(wěn)定Ic。 TIcIe Ie Re UbeIbIc 穩(wěn)定I

28、c的過(guò)程相當(dāng)于信號(hào)的回送過(guò)程（即反饋 feedback），該 電路是典型的電流串聯(lián)負(fù)反饋， Re是反饋電阻。 、Ce(射極旁路電容 emitter bypass capacitance)的作用： 旁路（短路）交流信號(hào)，消除Re對(duì)信號(hào)交流成分的影響，保證 放大器的放大效果。 條件：應(yīng)滿足Re1/Ce。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.42 、電路分析 、靜態(tài)分析 ui uo C1 C2 Rb1 VCC Rc Rb2 Re Ce + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking Unive

29、rsity 第三章 No.43 、動(dòng)態(tài)分析 Re交流旁路 工作點(diǎn)穩(wěn)定的阻容耦合放大器克服晶體管的離散性，是定 型的放大器電路。 uiuo ibic rbe ib Rb1RC ii RiRo Rb2 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.44 1、電路如圖，晶體管為3DG6， =50。求Aus、Ri、Ro。 靜態(tài)： 得靜態(tài)工作點(diǎn)Q（40A，2mA，4V）。 三、應(yīng)用舉例 ui uo C1 C2 Rb1 VCC Rc Rb2 ReCe us Rs RL +12V 22.5k 10k 800 2.5k 5.1k 10 10 1.5

30、k 50 + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.45 動(dòng)態(tài)： 源電壓放大倍數(shù)： uoui ibic rbe ib Rb1RC Ri Ro Rb2RL 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.46 2、電路如圖，晶體管為3DG6， =50。求Aus、Ri、Ro。 靜態(tài)： 得靜態(tài)工作點(diǎn)Q（40A，2mA，4V）。 ui uo C1 C2 Rb1 VCC Rc Rb2 Re2Ce us Rs RL Re1 +12V 22.5k 10k 800 200

31、2.5k 5.1k 10 10 1.3k 50 + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.47 動(dòng)態(tài)： 源電壓放大倍數(shù)： uoui ibic rbe ib Rb1RC Ri Ro Rb2 Re1 RL 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.48 3.5共集電極放大器(common collector amplifier) 射極輸出器 一、靜態(tài)分析 (emitter follower) us Rs uo C1 C2 Rb VCC ReRL ui +

32、+ 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.49 二、動(dòng)態(tài)分析 交流通路 等效電路 簡(jiǎn)化、變形后的等效電路 共集電極h參數(shù)等效電路 ib rbe ib ReRL uce Rb us Rs Rb ui us Rs ib rbe ibReRL uo b e c uo Rb Re RL ui us Rs 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.50 Au0，說(shuō)明uo、ui同相。Au略小于1，說(shuō)明電路不能進(jìn)行電壓放 大，但輸出電流是輸入電流的1倍，因此電路有功率放大作

33、 用，故共集電極放大器常用作功率放大器（屬于甲類功放）。 可見電路輸入電阻較大。 Ri Ro Rb ui us Rs ib rbe ibReRL uo ie 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.51 ib Ro計(jì)算電路 求Ro，將信號(hào)源關(guān)閉，保留Rs，在輸 出端加電壓，測(cè)流進(jìn)去的電流。 可見電路輸出電阻較小，一般只有幾十歐。 則： 共集電極放大器特點(diǎn)：Au略小于1，uo、ui同相；Ri大；Ro小。 共集電極放大器多用于多級(jí)放大器的輸出級(jí)和中間隔離級(jí)。 Rb Rs ibRe Ro rbe uo ioio1 ro 2021-7

34、-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.52 Rb1 VCC Rc Rb2 Re 共基極放大器 (common base amplifier)* 一、靜態(tài)分析 us Rs uo C1 C2 Rb1 VCC Rb2 RLui + + Rc Re Cb 直流通路 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.53 us Rs uo C1 C2 Rb1 VCC Rb2 RLui + + Rc Re Cb 二、動(dòng)態(tài)分析 交流通路 us Rs uo RLui ReRc Ri Ro ib

35、ib ie us Rs uo RLui ReRcrbe 微變等效電路 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.54 Ri Ro ib ib ie us Rs uo RLui ReRcrbe ri 共基極放大器常用于寬頻帶放大器， 如無(wú)線電通訊等。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.55 放大電路的組成原則： 靜態(tài)時(shí)要保證晶體管有合適的工作點(diǎn)； 動(dòng)態(tài)時(shí)要使信號(hào)能通過(guò)晶體管實(shí)現(xiàn)不失真的放大。 在放大電路的實(shí)際應(yīng)用中，常出現(xiàn)單級(jí)放大器的放大倍數(shù)不夠大， 或性能

36、不穩(wěn)定，或某些指標(biāo)達(dá)不到要求等情況，所以實(shí)際電路一般 是由幾級(jí)基本電路或它們的改進(jìn)型組合而成。則級(jí)與級(jí)之間就存在 一個(gè)如何連接的問(wèn)題。實(shí)際上單級(jí)放大器也存在與信號(hào)源及負(fù)載的 連接問(wèn)題。這類問(wèn)題統(tǒng)稱為耦合問(wèn)題。 (multistage amplifier) 3.6放大器的頻率特性和多級(jí)級(jí)聯(lián) (frequency response) 常見的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合三種。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.56 電路中各級(jí)之間 以及與信號(hào)源和 負(fù)載之間都是通 過(guò)電容連接的放 大電路稱為阻容 耦合放大電路。 特點(diǎn)

37、： 由于電容的隔直作用，各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立； 電路低頻特性差，只能放大交流信號(hào)； 不易于集成，硅片中不易制作幾十pF以上的電容。 uo C2 R5 R6RLui C1 C R1 VCC R4 R2 R3C3 T1 T2 放大級(jí)輸出級(jí) + + + + 一、阻容耦合方式(RC-coupled) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.57 二、阻容耦合放大電路的頻率響應(yīng) 一般情況下，放大器只適用于放大 一個(gè)特定頻率范圍的信號(hào)，當(dāng)信號(hào) 頻率太高或太低時(shí)，放大倍數(shù)都會(huì) 有大幅度的下降。放大倍數(shù)和頻率 的函數(shù)關(guān)系稱為放大器的頻率響應(yīng)

38、 或頻率特性，頻率響應(yīng)包括幅頻響 應(yīng)和相頻響應(yīng)兩部分。 頻率特性的物理原因： 低頻端：C1、C2及Ce； 高頻端：晶體管結(jié)電容Cbe 、 Cbc及分布電容。 0 f Au(f) Aum 0.707Aum fLfH fBW 0 f (f) -90 -180 -270 幅頻響應(yīng) 相頻響應(yīng) 中頻段低頻段高頻段 1、頻率響應(yīng)的概念 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.58 2、放大器的低頻響應(yīng) 當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)，C1、C2、Ce的容 抗不能被忽略，而使Au減小，當(dāng)信號(hào) 頻率為放大器下限截止頻率fL時(shí)，放 大器的放大倍數(shù)為：AuL=

39、0.707Aum。 以耦合電容C1為例： 考慮C1對(duì)放大器低頻響應(yīng)的影響時(shí)， 可將C1右邊的電路部分用放大器輸入 電阻Ri等效，即： ui C1 Ri us Rs + ui uo C1 C2 Rb1 VCC Rc Rb2 Re Ce us Rs RL + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.59 定義：為電壓傳遞系數(shù) 在中頻段，有 則： 當(dāng)時(shí)， 可見，受耦合電容C1影響，放大器的下限截止頻率fL1為： 此時(shí)， 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No

40、.60 3、放大器的高頻響應(yīng) b c e rbb b rc re rbe rbc Cbc Cbe e c b c e 晶體管高頻等效模型 當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，晶體管級(jí)間 電容會(huì)將級(jí)間電阻旁路掉，使信 號(hào)無(wú)損通過(guò)，得不到放大，導(dǎo)致 放大倍數(shù)減小。 、晶體管級(jí)間電容的影響 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.61 、電路分布電容的影響 除了晶體管級(jí)間電容外，電路還 存在分布電容（也稱耦合電容）， 它對(duì)信號(hào)構(gòu)成高通電路，如圖中 Cp所示，當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)， 它會(huì)將一部分信號(hào)旁路掉，使負(fù) 載得到的信號(hào)減小。 uLRL uo Ro C

41、p 將負(fù)載RL右邊的電路部分用放大器輸 出電阻Ro等效，即： ui uo C1 C2 Rb1 VCC Rc Rb2 Re Ce us Rs RL Cp 分布 電容 + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.62 由此可知，放大器的上限截止頻率fH為： 此時(shí)， 綜合低、高頻響應(yīng)，可得單管阻容耦合放大器的放大倍數(shù)為： 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.63 4、波特圖 用對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)描述頻率響應(yīng)曲線 時(shí)，得到的圖形稱為波特圖。 畫波特圖時(shí)，橫軸采用對(duì)

42、數(shù)刻 度lgf，幅頻響應(yīng)曲線的縱軸采 用20lgAu(f)表示，單位是分貝 (dB)；相頻響應(yīng)曲線的縱軸不 變。 為簡(jiǎn)單起見，常將波特圖的曲線 畫成折線，稱為近似的波特圖。 0 lgf 20lgAu(f)/dB 20lgAum fLfH (f) -90 -180 -225 單級(jí)放大器的波特圖 lgf -135 -270 3dB -20dB/十倍頻 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.64 三、多級(jí)放大電路 設(shè)放大器各級(jí)的電壓放大倍數(shù)為Au1、Au2、Aun， 則AuAu1Au2 Aun。即多級(jí)放大器的電壓放大倍 數(shù)等于各級(jí)

43、放大倍數(shù)的乘積。 在計(jì)算各級(jí)放大倍數(shù)時(shí)，要考慮級(jí)間的相互影響。處理級(jí)間相互 影響的方法有兩種：一是將后級(jí)的輸入電阻作為前級(jí)的負(fù)載；一 是將前級(jí)的輸出電阻作為后級(jí)信號(hào)源的內(nèi)阻，計(jì)算后級(jí)的源電壓 放大倍數(shù)作為后級(jí)的電壓放大倍數(shù)。 1、多級(jí)放大器的放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻 多級(jí)放大電路的輸入電阻是第一級(jí)的輸入電阻，輸出電阻是最后 一級(jí)的輸出電阻。計(jì)算時(shí)也要考慮前后級(jí)的影響。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.65 例：電路如圖，晶體管均為3DG6，=50。求Au、Ri、Ro。 、靜態(tài)分析 uo C2 R5 R6RLui C1

44、C R1 VCC R4 R2 R3C3 +12V 8.2k 3.8k 3k 3k T1 T2 3k3k 300k + + + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.66 、動(dòng)態(tài)分析 ib2 、將第二級(jí)的輸入電阻看作第一級(jí)的負(fù)載 Ro R5 rbe2 2ib2 R6RL uo ui ib1 rbe1 1 ib1 R1R4 Ri R2 Ri2 Ro1 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.67 、將第一級(jí)的輸出電阻看作第二級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻 輸入電阻： 輸出電

45、阻： 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.68 2、多級(jí)放大器的頻率響應(yīng) 多級(jí)放大器的頻帶寬度小于任何一級(jí)的頻帶寬度。 設(shè)放大器各級(jí)的上限截止頻率分別為fH1、fH2、fHn，下限 截止頻率分別為fL1、fL2、fLn，則： 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.69 1、直接耦合式放大電路 各級(jí)之間用導(dǎo)線或電阻連接。 、直接導(dǎo)線耦合 直接導(dǎo)線耦合 電平轉(zhuǎn)移電路 、電平轉(zhuǎn)移電路 前級(jí)C級(jí)電壓等于后級(jí)B級(jí)電壓（0.7V）。 UCEQ1偏小，容易使晶體管進(jìn)入

46、飽和區(qū)而 產(chǎn)生失真。 利用電阻Rb或穩(wěn)壓二極管DZ兩端壓降提 高和調(diào)節(jié)IB2。比較而言，DZ的動(dòng)態(tài)電阻 較小，對(duì)后級(jí)的放大倍數(shù)影響不大。 (direct-coupled) 3.7直流放大器 一、直接耦合方式及零點(diǎn)漂移 (DC amplifier) uo Rb1 VCC Rc1Rc2 Rb DZ ui Rb2 uo Rb1 VCC Rc1Rc2 ui Rb2 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.70 級(jí)間為直接耦合，能放大信號(hào)的直流 成分，低頻特性好，應(yīng)用廣泛； 電路中不含大電容，易于集成； 各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響。當(dāng)前級(jí)Q

47、點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)會(huì)影響到后面各 級(jí)的Q點(diǎn)，而且由于放大作用，第一級(jí)Q點(diǎn)的微弱變化將在多級(jí)放大 器的輸出端產(chǎn)生很大的變化。 、NPN管與PNP管的耦合 利用PNP管C級(jí)電壓比B級(jí)低的特點(diǎn)， 克服了電平轉(zhuǎn)移電路C級(jí)電壓逐級(jí)提 高的缺點(diǎn)。 、直接耦合放大器的特點(diǎn) ui uo Rb1 VCC Rc1 Re2 Rb2 Rc2 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.71 例：電路如圖。已知T1為硅管，T2為鍺管； 1=2=30，Rc25.6k。調(diào)節(jié)Rw，已使輸入端 和輸出端靜態(tài)電位為0，即uo=ui=0。 靜態(tài)分析： ui uo VCC R

48、c1 Rb1 Rc2 Vee R Rw Re1 T1 T2 +6V 3k 100 6V 3k 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.72 動(dòng)態(tài)分析： 將后級(jí)輸入電阻看作前級(jí)的負(fù)載，則： 故： ib2 ui ib1ic1 rbe1 1 ib1 Rb1 RC1 Ri Ro Re1RRw uo rbe2 2 ib2 RC2 ic2 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.73 產(chǎn)生溫漂的原因： ICBO、Uon隨溫度的變化。 抑制溫漂的措施： 溫度補(bǔ)償：用具有相同

49、溫度系數(shù)的器件（如熱敏電阻） 去抵消溫度對(duì)晶體管的影響，保持晶體管Q點(diǎn)基本不變； 采用負(fù)反饋（直流負(fù)反饋）； 采用差分放大器作為多級(jí)放大器的輸入級(jí)，減小第一級(jí) 的溫度漂移。 2、直接耦合放大器的零點(diǎn)漂移 (temperature drift) 零點(diǎn)漂移：放大器在沒有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端會(huì)圍繞著零點(diǎn)上 下波動(dòng)，出現(xiàn)不規(guī)則變化的小信號(hào)。簡(jiǎn)稱零漂。 由于溫度變化是引起零漂的主要原因，故零漂也稱溫度漂移， 簡(jiǎn)稱溫漂。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.74 (differential amplifier)二、典型差分放大器 ui

50、1、電路組成 完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，雙電源供電； 兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端。 RE為兩管公共的發(fā)射極電阻， 若將RE看作兩個(gè)電阻并聯(lián)，則 電路可完全對(duì)稱的兩部分。 RE 2RE2RE 長(zhǎng)尾電路 RC1RC2 T1T2 +VCC -VEE RE RB2RB1 uo ui2 ui1 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.75 2、靜態(tài)分析 電路左右對(duì)稱，T1與T2的發(fā)射極 電位相等，I0，可視作斷路。 則電路可分成兩部分單獨(dú)處理。 T2管的靜態(tài)工作點(diǎn)與T1相同。 RC1RC2 T1T2 +VCC -VEE 2RE RB2RB1 uo ui

51、2 ui1 2RE I 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.76 3、動(dòng)態(tài)分析 、差模輸入(differential input) 差模信號(hào)：ui1-ui2 設(shè)ui10，各點(diǎn)電壓變化如圖。 T1、T2發(fā)射極電流變化相互抵消， 即： ，則RE可視為交流短路。 此時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)AD為： 輸入電阻： 輸出電阻： RC1RC2 T1T2 +VCC -VEE RE RB2RB1 uo ui2 ui1 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.77 接負(fù)載情況：

52、由于負(fù)載兩端極性相反，則負(fù)載 的中點(diǎn)電位為零，相當(dāng)于接地。 故此時(shí)： ui RC1RC2 T1T2 +VCC -VEE RL RB2RB1 uo ui2 ui1 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.78 、共模輸入(common-mode input) 共模信號(hào)：ui1ui2 各點(diǎn)電壓變化如圖。 T1、T2集電極電壓變化相等，則 共模電壓放大倍數(shù)AC為： RC1RC2 T1T2 +VCC -VEE RE RB2RB1 uo ui2 ui1 2021-7-23 School of Physics, Peking Univer

53、sity 第三章 No.79 、共模抑制比KCMR(common mode rejection ratio) 共模抑制比：差分放大器的差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比。 共模抑制比常用分貝(decibel)表示： (dB) 對(duì)于雙端輸入、雙端輸出的差分放大器來(lái)說(shuō)， 共模抑制比是衡量差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)（溫漂）抑制能力的指 標(biāo)，其值越大，放大器抑制溫漂的性能越好。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.80 三、差分放大器的四種接法 1、雙端輸入、單端輸出 RC RC T1T2 +VCC -VEE RE RBRBuo ui RL

54、 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.81 2、單端輸入、雙端輸出 共模信號(hào)uC差模信號(hào)uD 輸入電阻： 輸出電阻： RCRC T1T2 +VCC -VEE RL RBRB uo ui ui1ui2 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.82 3、單端輸入、單端輸出 輸入端的處理與單端輸入、 雙端輸出方式相同； 動(dòng)態(tài)分析與雙端輸入、單端 輸出方式相同。 T1T2 -VEE RBRB ui RC RC +VCC uo RL 2021-7-23 School

55、 of Physics, Peking University 第三章 No.83 不對(duì)稱輸入(dissymmetrical input) 不對(duì)稱輸入信號(hào)：ui1ui2 令： 其中uiD用差模放大倍數(shù)計(jì)算， uiC用共模放大倍數(shù)計(jì)算，再疊加。 即： 差模信號(hào) 共模信號(hào) 差動(dòng)放大 RC1RC2 T1T2 +VCC -VEE RE RB2RB1 uo1 ui2 ui1 uo2 uo 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.84 共模抑制比是衡量差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)（溫漂）抑制能力的指 標(biāo)，其值越大，放大器抑制溫漂的性能越好。 由于，

56、要提高共模抑制比，就要加大RE的 值，但隨著RE的加大，為保證晶體管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，就 要加大電壓源VEE的值。 改進(jìn)方法：使用恒流源代替RE。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.85 四、改進(jìn)型差分放大器 圖中二極管D為T3的溫度補(bǔ)償， R1、R2、R3調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)。 當(dāng)溫度補(bǔ)償效果較好時(shí)，IC3基 本不變，對(duì)于共模信號(hào)體現(xiàn)出 非常大的電阻，故可以得到很 大的共模抑制比。 RCRC T1T2 +VCC -VEE R3 RBRB uo ui2 ui1 R1 R2 D T3 恒流源 2021-7-23 School

57、of Physics, Peking University 第三章 No.86 3.8功率放大器 一、功率放大器的主要指標(biāo) 向負(fù)載提供功率的放大電路，簡(jiǎn)稱功放。用于激勵(lì)揚(yáng)聲器、控制電機(jī)等。 1、輸出功率Po 是指功率放大電路向負(fù)載提供的交流功率。最大輸出功率Pom是指 在輸入為正弦信號(hào)且輸出基本不失真的情況下，負(fù)載上可以得到的 最大交流功率。 為了獲得大的輸出功率，要求大輸出電壓、大輸出電流，功放管的 動(dòng)態(tài)范圍接近極限。 電路分析時(shí)只能用圖解法。 (power amplifier) 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.87

58、 2、效率 最大輸出功率 直流電源提供的功率 是指最大輸出功率與電源提供功率之比。即 盡可能把電源提供的功率轉(zhuǎn)換為輸出給負(fù)載的功率，即應(yīng)盡量減小 功放管的耗損功率。管耗會(huì)使功放管結(jié)溫升高，當(dāng)結(jié)溫上升到一定 程度時(shí)，晶體管有燒毀的可能。功放管要有妥善的散熱措施。 鍺管允許結(jié)溫：85 硅管允許結(jié)溫：120180 以低頻大功率管3AG6為例，不加散熱片時(shí)，PCM1W，加上適當(dāng)?shù)?散熱片后，PCM可達(dá)10W。 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.88 3、非線性失真 功率放大器工作在大信號(hào)輸出方式，非線性失真比小信號(hào)放大器 嚴(yán)重得

59、多。 輸出功率越大，非線性失真越嚴(yán)重。 輸出功率與非線性失真是功率放大器的主要矛盾。 最大輸出功率Pom、效率、非線性失真，功放性能 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.89 二、功率放大器的工作狀態(tài) 1、甲類工作狀態(tài) UCE IC 0 Q VCC UCEQ ICQ 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè) 在放大區(qū)中點(diǎn) 的功放。 在沒有信號(hào)輸 入的情況下， 功放管也有較 大的管耗。射極輸出功率放大器 uo C1 C2 RB VCC RE RL ui + + 2021-7-23 School of Physics, Peking University

60、 第三章 No.90 調(diào)變壓器匝數(shù)比使交流負(fù) 載線與橫軸交點(diǎn)為2VCC。 特點(diǎn)：效率較低（低于50%）；晶體管工作在放大區(qū)，以聲音靚著稱， 無(wú)明顯失真（失真產(chǎn)生二次諧波，與基波組成音樂上的純八度音程，和 諧、動(dòng)聽）；功率一般不大，多用于電子管放大器（俗稱膽機(jī)，音色細(xì) 膩、平滑流暢）。 交流負(fù)載線(RC線) UCE IC 0 Q 2VCC VCC 直流負(fù)載線 變壓器耦合甲類功放* ui C RB VCC RL N1 N2 RC + 2021-7-23 School of Physics, Peking University 第三章 No.91 2、乙類工作狀態(tài) 提高效率的辦法：降低靜態(tài)工作點(diǎn)，減