分立元件組成的基本放大電路

電工電子技術(shù)福建工程學(xué)院2013年陳佳新主編

周理陳炳煌盧光寶鄢仁武編第7章分立元件組成的基本放大電路7.2射極輸出器7.1共發(fā)射極放大電路7.3差分放大電路7.4互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路7.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路2模擬電子電路中的晶體三極管通常都工作在放大狀態(tài)，它和其他元件構(gòu)成了各種用途的放大電路，而基本放大電路又是構(gòu)成各種復(fù)雜放大電路和線性集成電路的基本單元。將微弱的電信號(hào)（電壓、電流、功率）增強(qiáng)以滿足負(fù)載需要的電路稱為放大電路。晶體管低頻放大電路有共發(fā)射極、共集電極和共基極3種組態(tài)。最常用的小信號(hào)低頻交流放大電路多采用共發(fā)射極接法。37.1共發(fā)射極放大電路

7.1.1電路組成及電壓放大原理

1．放大電路基本工作情況

放大電路未加輸入信號(hào)ui時(shí)的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)，加入ui后的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)ui不為0時(shí)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的基極電流iB、集電極電流iC；iC的變化使管壓降uCE產(chǎn)生變化，管壓降的變化量就是輸出動(dòng)態(tài)電壓uo，從而實(shí)現(xiàn)了電壓放大。直流電源UCC為輸出提供了所需能量。4

2．放大電路的組成元件及其作用

UCC是放大電路的能源，晶體管VT是放大電路的核心元件。

RC是集電極負(fù)載電阻，將電流變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，實(shí)現(xiàn)電壓放大作用?；鶚O電阻RB使晶體管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。耦合電容C1、C2起隔直流通交流的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，將基極和集電極兩個(gè)電源合并成一個(gè)，同時(shí)簡(jiǎn)化電路的畫法，如圖所示。5

7.1.2放大電路的靜態(tài)分析放大電路的靜態(tài)分析就是確定靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q（IB、IC、UCE）表示。

1．由放大電路的直流通路確定靜態(tài)工作點(diǎn)畫出共發(fā)射極放大電路的直流通路，由電路可得由式可近似估算靜態(tài)工作點(diǎn)。在晶體管導(dǎo)通后，硅管UBE約為0.6～0.7V（鍺管約為0.2～0.3V）。62．由圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)Q

（1）用輸入特性曲線確定IBQ和UBEQ

由輸入回路，晶體管輸入特性曲線，有用作圖法，則兩曲線的交點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q，Q點(diǎn)坐標(biāo)就是靜態(tài)時(shí)的基極電流IBQ和基-射極間電壓UBEQ?；鶚O電流的大小影響靜態(tài)工作點(diǎn)的位置。若IBQ偏低，則靜態(tài)工作點(diǎn)Q靠近截止區(qū)；若IBQ偏高，則Q靠近飽和區(qū)。7

（2）用輸出特性曲線確定ICQ和UCEQ

由輸出回路，以及晶體管的輸出特性曲線，有作圖法得靜態(tài)工作點(diǎn)Q，Q點(diǎn)的坐標(biāo)就是靜態(tài)時(shí)晶體管的集電極電流ICQ和集-射極間電壓UCEQ。87.1.3放大電路的動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析就是對(duì)放大電路中信號(hào)的傳輸過程、放大電路的性能指標(biāo)等問題進(jìn)行分析討論。微變等效電路法和圖解法是動(dòng)態(tài)分析的基本方法。9

1．信號(hào)在放大電路中的傳輸與放大（1）無輸入信號(hào)時(shí)，晶體管的電壓、電流都是直流分量。有輸入信號(hào)后，都在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)交流分量。瞬時(shí)值是變化的，但方向始終不變，即均為脈動(dòng)直流量。（2）輸出uo與輸入ui頻率相同、反相，且uo幅度大。即共發(fā)射極放大電路具有“倒相”的作用。

2．微變等效電路法（1）晶體管的微變等效電路即晶體管在小信號(hào)（微變量）的情況下工作在特性曲線直線段時(shí)，將晶體管（非線性元件）用一個(gè)線性電路來代替。10在小信號(hào)作用下，靜態(tài)工作點(diǎn)Q鄰近工作范圍內(nèi)的曲線可視為直線，兩變量的比值稱為晶體管的輸入電阻，即工程中低頻小信號(hào)下的rbe可用下式來估算由晶體管的特性曲線求rbe、和rce11晶體管的輸出電阻rce，即簡(jiǎn)化后的晶體管的微變等效電路12（2）共射放大電路的微變等效電路對(duì)于圖示的共射放大電路，將交流通路中的晶體管用微變等效電路來代替，可得共射放大電路的微變等效電路。13

3．動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算（1）電壓放大倍數(shù)Au

設(shè)輸入為正弦信號(hào)，用相量法計(jì)算，可列出

Au為復(fù)數(shù)，反映了輸出電壓與輸入電壓之間的大小和相位關(guān)系，負(fù)號(hào)表示共射放大電路的輸出電壓與輸入電壓相位相反。當(dāng)放大電路輸出端開路時(shí)，可得空載時(shí)的電壓放大倍數(shù)Auo

則14在實(shí)際應(yīng)用中，RB

rbe，所以ri≈rbe。（3）輸出電阻ro

一般輸出電阻越小越好。輸出內(nèi)阻就是從放大電路輸出端看進(jìn)去的戴維寧等效電路的等效內(nèi)阻。采用外加電源法時(shí)，則有（2）放大電路的輸入電阻ri

一般輸入電阻越高越好。由等效電路可知計(jì)算輸出電阻的另一種方法是假設(shè)放大電路負(fù)載開路（空載）時(shí)的輸出電壓為，接上負(fù)載后的輸出電壓為，則15【例7.1.1】在圖示的共射放大電路中，已知UCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，RL=4kΩ，RS=100Ω，晶體管的=40。（1）估算靜態(tài)工作點(diǎn)；（2）計(jì)算電壓放大倍數(shù)；（3）計(jì)算輸入電阻和輸出電阻。解（1）估算靜態(tài)工作點(diǎn)。由直流通路得（2）計(jì)算電壓放大倍數(shù)。由交流通路和微變等效電路可得16（3）計(jì)算輸入電阻和輸出電阻。由，得17

7.1.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定（a）分壓式偏置共射放大電路（b）直流通路（c）交流通路（d）含CE

的微變等效電路（e）不含CE

的微變等效電路RB=RB1//RB218

1．靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定原理晶體管參數(shù)隨溫度變化對(duì)工作點(diǎn)的影響，設(shè)法使IC在溫度變化時(shí)能維持恒定，則靜態(tài)工作點(diǎn)就可以得到穩(wěn)定。（1）利用RB1、RB2的分壓式偏置為基極提供一個(gè)固定電壓。（2）在發(fā)射極串接電阻RE，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)起穩(wěn)定作用。由于RE的存在，使得uo減小，造成Au的減小，故在RE兩端并聯(lián)一個(gè)旁路電容CE。

2．靜態(tài)工作點(diǎn)分析由分壓式偏置放大電路的直流通路得則19

3．動(dòng)態(tài)分析（1）電路中接交流旁路電容CE③輸出電阻

ro=RC

①電壓放大倍數(shù)

（2）電路中不接交流旁路電容CE

對(duì)于交流信號(hào)而言，RE保留在電路中②輸入電阻①電壓放大倍數(shù)②輸入電阻③輸出電阻

ro=RC

20

【例7.1.2】在分壓式偏置共射放大電路中，已知UCC=24V，RB1=33kΩ，RB2=10kΩ，RC=3.3kΩ，RE=1.5kΩ，RL=5.1kΩ，晶體管的=66，設(shè)RS=0。（1）估算靜態(tài)工作點(diǎn)；（2）計(jì)算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻；（3）當(dāng)RE兩端未并聯(lián)旁路電容時(shí)，計(jì)算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。解（1）估算靜態(tài)工作點(diǎn)21（2）由微變等效電路得輸出電阻

ro=RC=3.3kΩ

電壓放大倍數(shù)輸入電阻（3）當(dāng)RE兩端未并聯(lián)旁路電容時(shí)，由微變等效電路得輸出電阻

ro=RC=3.3kΩ

電壓放大倍數(shù)輸入電阻227.1.5多級(jí)放大電路

1．多級(jí)放大電路的組成

2．多級(jí)放大電路的級(jí)間耦合耦合方式是指信號(hào)源和放大器之間、放大器中各級(jí)之間、放大器與負(fù)載之間的連接方式。常用的耦合方式有3種：阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合。阻容耦合應(yīng)用于分立元件多級(jí)交流放大電路中；放大緩慢變化的信號(hào)或直流信號(hào)則采用直接耦合的方式；變壓器耦合在放大電路中的應(yīng)用逐漸減少。23由于后級(jí)的輸入電阻就是前級(jí)放大電路的負(fù)載電阻，因此計(jì)算各級(jí)電壓放大倍數(shù)時(shí)必須考慮后級(jí)的輸入電阻對(duì)前級(jí)的負(fù)載效應(yīng)。多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)為各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積。若多級(jí)放大電路的級(jí)數(shù)為n，則總的電壓放大倍數(shù)為24

3．阻容耦合放大電路兩級(jí)間的連接通過電容C2將前級(jí)的輸出電壓加在后級(jí)的輸入電阻上（即前級(jí)的負(fù)載電阻）。由于電容有隔直作用，每一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)各自獨(dú)立。多級(jí)放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析與單級(jí)放大電路一樣。只能放大交流信號(hào)。25【例7.1.3】圖示為一阻容耦合兩級(jí)放大電路，其中RB1=300kΩ，RE1=3kΩ，RB2=40kΩ，RC2=2kΩ，RB3=20kΩ，RE2=3.3kΩ，RL=2kΩ，UCC=12V。晶體管VT1和VT2的

=50，UBE=0.7V。各電容容量足夠大。（1）計(jì)算各級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；（2）計(jì)算Au、ri

和ro。（a）放大電路（b）直流通路26第一級(jí)解（1）由各級(jí)直流通路計(jì)算其靜態(tài)工作點(diǎn)。

第二級(jí)27

（2）由兩級(jí)放大電路的微變等效電路有

（c）微變等效電路放大電路第二級(jí)的輸入電阻就是第一級(jí)的負(fù)載電阻，有28則各級(jí)電壓放大倍數(shù)總的電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻29

7.2射極輸出器

（a）共集電極放大電路（b）直流通路（c）交流通路由直流通路可確定靜態(tài)值，有

7.2.1靜態(tài)分析由交流通路可見，射極輸出器為共集電極放大電路。307.2.2動(dòng)態(tài)分析

1．電壓放大倍數(shù)

由射極輸出器的微變等效電路及電壓放大倍數(shù)的定義得可以看出，射極輸出器的電壓放大倍數(shù)恒小于1，但接近于1。輸出電壓緊緊跟隨輸入電壓的變化而變化，因此，射極輸出器也稱為電壓跟隨器。則31

2．輸入電阻3．輸出電阻外加電源法來計(jì)算輸出電阻有輸出電阻32

7.3差分放大電路差分放大器也稱為差動(dòng)放大器。差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路，又是集成運(yùn)算放大器的基本組成單元。

7.3.1靜態(tài)分析抑制零點(diǎn)漂移的過程

差分放大電路利用電路的對(duì)稱性、采用雙端輸出的方式抑制零點(diǎn)漂移，又利用發(fā)射極公共電阻RE的作用抑制每個(gè)三極管的零點(diǎn)漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。即使采用單端輸出，零點(diǎn)漂移也能得到有效抑制。337.3.2動(dòng)態(tài)分析（1）共模輸入在兩個(gè)管的基極加上一對(duì)大小相等、極性相同的共模信號(hào)（ui1=ui2），稱為共模輸入。輸出電壓uo=ΔuC1-ΔuC2=0。（2）差模輸入在兩個(gè)管的基極加上一對(duì)大小相等、極性相反的差模信號(hào)（ui1=-ui2），輸出電壓Δuo=ΔuC1-（-ΔuC2）=2ΔuC1。（3）差動(dòng)輸入（任意輸入）當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)中既有共模信號(hào)又有差模信號(hào)時(shí)，稱為差動(dòng)信號(hào)?？梢苑纸鉃橐粚?duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)的組合。

差分放大電路可以抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)。347.4互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路有兩種形式：采用單電源及大容量電容器與負(fù)載和前級(jí)耦合，而不用變壓器耦合的互補(bǔ)對(duì)稱電路，稱為OTL（OutputTransformerLess）無輸出變壓器互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器；采用雙電源不需要耦合電容的直接耦合互補(bǔ)對(duì)稱電路，稱為OCL（OutputCapacitorLess）無輸出電容耦合互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器。下面將對(duì)OCL電路做重點(diǎn)討論。7.4.1對(duì)功率放大電路的基本要求功率要大、效率要高、合理地設(shè)置功率放大電路的工作狀態(tài)、失真要小。35

3種功放電路：甲類、甲乙類、乙類。甲類狀態(tài)，效率很低；乙類狀態(tài)，效率較高，但負(fù)半周截止，波形嚴(yán)重失真；甲乙類狀態(tài)，有助于提高效率，但存在波形失真。由此可以看出，提高效率的途徑是降低靜態(tài)工作點(diǎn)。三極管從甲類工作狀態(tài)改為乙類或甲乙類工作狀態(tài)，降低了靜態(tài)工作電流，但存在失真問題，即交越失真。推挽電路和互補(bǔ)對(duì)稱電路較好地解決了乙類工作狀態(tài)下的失真問題。36

1.電路的組成及工作原理圖示OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，由一對(duì)特性及參數(shù)完全對(duì)稱、類型卻不同（NPN和PNP）的兩個(gè)晶體管組成的射極輸出器電路。7.4.2OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器靜態(tài)時(shí)，兩管均未設(shè)置直流偏置，兩管處于乙類。動(dòng)態(tài)時(shí)，VT1、VT2在正、負(fù)半周交替導(dǎo)通，互相補(bǔ)充，故稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。37

2.交越失真及其消除方法工作在乙類狀態(tài)的互補(bǔ)電路，由于發(fā)射結(jié)存在“死區(qū)”，使輸出波形在正、負(fù)半周交接處出現(xiàn)失真，稱為交越失真。圖示電路中，為了克服交越失真，靜態(tài)時(shí)，給兩個(gè)管子提供較小的能消除交越失真所需的正向偏置電壓，使兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，因而放大電路處在接近乙類的甲乙類工作狀態(tài)，因此稱為甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路。383.輸出功率及轉(zhuǎn)換效率（1）輸出功率Po

設(shè)輸入信號(hào)為正弦波，輸出電壓幅度為Uom，則（2）電源提供的功率PE

電源電壓與平均電流的乘積，即

PE=UCCIdc

輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，每個(gè)電源提供兩個(gè)電源提供的總功率為（3）轉(zhuǎn)換效率

OCL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)78.5%。39

7.4.3OTL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器電路中放大元件仍是兩個(gè)不同類型但特性和參數(shù)對(duì)稱的晶體管，其特點(diǎn)是由單電源供電，輸出端通過大電容量的耦合電容CL與負(fù)載電阻RL相連。

OTL電路的工作原理與OCL電路基本相同。動(dòng)態(tài)時(shí)，VT1、VT2在正、負(fù)半周交替導(dǎo)通，互相補(bǔ)充。40

7.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路與晶體管放大電路相對(duì)應(yīng)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路有共源極、共漏極和共柵極3種接法。下面僅對(duì)低頻小信號(hào)共源極場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路進(jìn)行分析。7.5.1共源極放大電路靜態(tài)分析

圖示為N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管放大電路。電路結(jié)構(gòu)和晶體三極管共射極放大電路類似。其中源極對(duì)應(yīng)發(fā)射極，漏極對(duì)應(yīng)集電極，柵極對(duì)應(yīng)基極。41由于場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電流為零，所以RG中無電流通過，兩端壓降為零?？傻脰艠O電位為

參數(shù)選取得當(dāng)，可使UGS為負(fù)值。在UGS(off)≤UGS≤0的范圍內(nèi)，可計(jì)算ID為聯(lián)立上式，可求得直流工作點(diǎn)ID、UGS，而427.5.2共源