電子線路第02章

第2章基本放大電路2.1單管共射極放大電路2.2基本放大電路的分析方法2.3工作點(diǎn)穩(wěn)定電路2.4共集和共基放大電路2.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.6多級(jí)放大電路及復(fù)合管2.7放大電路的頻率響應(yīng)2.8放大電路中的噪聲與干擾2.9實(shí)際應(yīng)用電路舉例2.1單管共射極放大電路2.1.1三極管在放大電路中的三種連接方式三極管有三個(gè)電極，它在組成放大電路時(shí)便有三種連接方式，即放大電路的三種組態(tài)：共發(fā)射極、共集電極和共基極組態(tài)放大電路。圖2.1所示為三極管在放大電路中的三種連接方式：圖（a）從基極輸入信號(hào)，從集電極輸出信號(hào)，發(fā)射極作為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端，此即共發(fā)射極（簡(jiǎn)稱共射極）放大電路；圖（b）從基極輸入信號(hào)，從發(fā)射極輸出信號(hào)，集電極作為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端，此即共集電極放大電路；圖（c）從發(fā)射極輸入信號(hào)，從集電極輸出信號(hào)，基極作為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端，此即共基極放大電路。圖2.1三極管的三種連接方式2.1.2組成和工作原理1.電路結(jié)構(gòu)及各部分作用在三種組態(tài)放大電路中，共發(fā)射極電路用得比較普遍。這里就以NPN共射極放大電路為例，討論放大電路的組成、工作原理以及分析方法。圖2.2所示為NPN型共射極放大電路的原理性電路。圖2.2基本共射極原理性電路電路中各元件的作用如下:

（1）三極管（2）隔直耦合電容C1和C2（3）基極回路電源UBB和基極偏置電阻Rb（4）集電極電源UCC（5）集電極負(fù)載電阻Rc2.工作原理圖2.4放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的工作過(guò)程放大器放大的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)小能量對(duì)大能量的控制和轉(zhuǎn)換作用。根據(jù)能量守恒定律，在這種能量的控制和轉(zhuǎn)換中，電源UCC為輸出信號(hào)提供能量。需要特別注意的是，信號(hào)的放大僅對(duì)交流量而言。3.基本放大電路的組成原則三極管具有三個(gè)工作狀態(tài)，截止、放大和飽和。在放大電路中為實(shí)現(xiàn)其放大作用，三極管必須工作在放大狀態(tài)。從上面放大電路的工作過(guò)程可概括放大電路的組成原則為：（1）外加電源的極性必須保證三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。（2）放大電路工作時(shí)，直流電源UCC要為三極管提供合適的靜態(tài)工作電流IBQ、ICQ和電壓UCEQ，即電路要有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。（靜態(tài)）（3）輸入電壓ui要能引起三極管的基極電流iB作相應(yīng)的變化。（4）三極管集電極電流iC的變化要轉(zhuǎn)為電壓的變化輸出。

（動(dòng)態(tài)）2.1.3放大電路的主要性能指標(biāo)1.放大倍數(shù)Au、

放大倍數(shù)是衡量放大電路對(duì)信號(hào)放大能力的主要技術(shù)參數(shù)。電壓放大倍數(shù)Au

放大電路輸出電壓與輸入電壓的比值。常用分貝（dB）來(lái)表示電壓放大倍數(shù)，這時(shí)稱為增益。

電壓增益=20lg|Au|（dB）2.輸入電阻Ri

對(duì)于一定的信號(hào)源電路，輸入電阻Ri越大，放大電路從信號(hào)源索取得到的輸入電壓ui就越大。圖2.6放大電路的輸入電阻3.輸出電阻Ro

圖2.7為放大電路輸出電阻的示意圖。圖2.7放大電路的輸出電阻

當(dāng)放大電路作為一個(gè)電壓放大器來(lái)使用時(shí)，其輸出電阻Ro的大小決定了放大電路的帶負(fù)載能力。Ro越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)，即放大電路的輸出電壓uo受負(fù)載的影響越小。2.2基本放大電路的分析方法

2.2.1圖解分析法圖解分析方法是指根據(jù)輸入信號(hào)，在三極管的特性曲線上直接作圖求解的方法。1.靜態(tài)工作情況分析（1）靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工作點(diǎn)的概念①

靜態(tài)——直流信號(hào)②

動(dòng)態(tài)——交流信號(hào)③靜態(tài)工作點(diǎn)Q

圖2.9靜態(tài)工作點(diǎn)Q

（2）直流通路直流通路：是指靜態(tài)（ui=0）時(shí)，電路中只有直流量流過(guò)的通路。畫直流通路有兩個(gè)要點(diǎn)：①電容視為開路，電感視為短路②交流電壓源視為短路圖2.10和2.11所示分別為共射極放大電路及其直流通路。估算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q時(shí)必須依據(jù)直流通路。圖2.10共射極放大電路圖2.11共射電路的直流通路（3）Q點(diǎn)的估算根據(jù)直流通路，估算Q點(diǎn)有兩種方法。①

公式估算法確定Q點(diǎn)(計(jì)算公式)②

圖解法確定Q點(diǎn)如圖2.12所示，此直線由直流通路獲得，稱為直流負(fù)載線Uce=Ucc-Ic*Rc。圖2.12圖解法確定Q點(diǎn)2.動(dòng)態(tài)工作情況分析（1）交流通路它是指動(dòng)態(tài)（ui≠0）時(shí)，電路中交流分量流過(guò)的通路。畫交流通路時(shí)有兩個(gè)要點(diǎn)：①耦合電容視為短路。②直流電壓源視為短路。圖2.15所示為圖2.10共射極放大電路的交流通路。圖2.15共射極電路的交流通路（2）放大電路的動(dòng)態(tài)工作圖2.17所示為電路的動(dòng)態(tài)工作情況。圖2.17動(dòng)態(tài)工作情況注意：三極管各電極的電壓和電流瞬時(shí)值是在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上疊加了交流分量，但瞬時(shí)值的極性和方向始終固定不變。（3）非線性失真所謂失真，是指輸出信號(hào)的波形與輸入信號(hào)的波形不一致。三極管是一個(gè)非線性器件，有截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)三個(gè)工作區(qū)，如果信號(hào)在放大的過(guò)程中，放大器的工作范圍超出了特性曲線的線性放大區(qū)域，進(jìn)入了截止區(qū)或飽和區(qū)，集電極電流ic與基極電流ib不再成線性比例的關(guān)系，則會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)非線性失真。非線性失真分為截止失真和飽和失真兩種。①

截止失真當(dāng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q選取比較低時(shí)，IBQ較小，輸入信號(hào)的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)而造成的失真稱為截止失真。圖2.18所示為放大電路的截止失真，輸出電壓頂部被削平。解決措施：減小基極偏置電阻Rb

圖2.18截止失真②

飽和失真

當(dāng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q選取比較高時(shí)，IBQ較大，UCEQ較小，輸入信號(hào)的正半周進(jìn)入飽和區(qū)而造成的失真稱為飽和失真。圖2.19所示為放大電路的飽和失真。ui正半周進(jìn)入飽和區(qū)造成ic失真，從而使uo失真，輸出電壓底部被削平。解決措施：增大基極偏置電阻Rb圖2.19飽和失真2.2.2放大電路的微變等效電路分析法微變等效電路分析法指的是在三極管特性曲線上Q點(diǎn)附近，當(dāng)輸入為微變信號(hào)（小信號(hào)）時(shí)，可以把三極管的非線性特性近似看為是線性的，即把非線性器件三極管轉(zhuǎn)為線性器件進(jìn)行求解的方法。1.三極管的微變等效電路圖2.20三極管的交流輸入電阻rbe

圖2.21三極管的電流放大系數(shù)β

結(jié)論：當(dāng)輸入為微變信號(hào)時(shí)，對(duì)于交流微變信號(hào)，三極管可用如圖2.22（b）所示的微變等效電路來(lái)代替。圖2.22（a）所示的三極管是一個(gè)非線性器件，但圖2.22（b）所示的是一個(gè)線性電路。這樣就把三極管的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題。圖2.22三極管的微變等效電路模型交流輸入電阻rbe=rbb’+26mv/Ib(mA)2.放大器的微變等效電路（1）用微變等效電路分析法分析放大電路的求解步驟①

用公式估算法估算Q點(diǎn)值，并計(jì)算Q點(diǎn)處的參數(shù)rbe值。②

由放大電路的交流通路，畫出放大電路的微變等效電路。③

根據(jù)等效電路直接列方程求解Au、Ri、Ro。（2）具體分析共射放大電路①

作微變等效電路對(duì)于圖2.10所示共射極放大電路，從其交流通路圖2.15可得電路的微變等效電路，如圖2.23所示。uS為外接的信號(hào)源，RS是信號(hào)源內(nèi)阻。圖2.23圖2.10所示共射放大電路的微變等效電路②

求解電壓放大倍數(shù)AuAu=uo

/

ui

=-Rc//RL/rbe負(fù)號(hào)表示輸出電壓uo與輸入電壓ui反相位。③

求解電路的輸入電阻Ri

Ri=Rb∥rbe

一般基極偏置電阻Rb>>rbe，Ri≈rbe。④

求解電路的輸出電阻Ro

圖2.24所示為求解輸出電阻的等效電路。Ro≈Rc輸出電阻Ro越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。輸出電阻Ro中不應(yīng)包含負(fù)載電阻RL。⑤

求解輸出電壓uo對(duì)信號(hào)源電壓uS的放大倍數(shù)AuS

由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，AuS＜Au，電路的輸入電阻越大，輸入電壓ui越接近uS。2.2.3兩種分析方法特點(diǎn)比較放大電路的圖解分析法：其優(yōu)點(diǎn)是形象直觀，適用于Q點(diǎn)分析、非線性失真分析、最大不失真輸出幅度的分析，能夠用于大、小信號(hào)；其缺點(diǎn)是作圖麻煩，只能分析簡(jiǎn)單電路，求解誤差大，不易求解輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)。微變等效電路分析法：其優(yōu)點(diǎn)是適用于任何復(fù)雜的電路，可方便求解動(dòng)態(tài)參數(shù)如放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等；其缺點(diǎn)是只能用于分析小信號(hào)，不能用來(lái)求解靜態(tài)工作點(diǎn)Q。實(shí)際應(yīng)用中，常把兩種分析方法結(jié)合起來(lái)使用。2.3基極分壓射極偏置式放大器一、電路結(jié)構(gòu)如圖2.27所示工作點(diǎn)穩(wěn)定電路

圖2.27分壓偏置式的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路二、參數(shù)計(jì)算1.靜態(tài)參數(shù)圖2.28所示為分壓偏置式工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的直流通路。求出Ib、Ic、Uce(先求基極分壓，再求射極偏置，然后求Q點(diǎn))圖2.28穩(wěn)定電路的直流通路2.動(dòng)態(tài)參數(shù)圖2.29（a）所示為工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的交流通路，圖2.29（b）所示為其微變等效電路。因?yàn)榕月冯娙軨e的交流短路作用，電阻Re被短路掉。求出Au、Ri、Ro思考：無(wú)射極旁路電容Ce時(shí)的參數(shù)計(jì)算圖2.29穩(wěn)定電路的交流通路及其微變等效電路2.4共集放大電路前面討論的兩個(gè)放大電路均是共射極組態(tài)放大電路。另兩種組態(tài)電路分別為共集電極和共基極組態(tài)電路。2.4.1共集電極放大電路1.電路組成共集電極放大電路應(yīng)用非常廣泛，其電路構(gòu)成如圖2.32所示。其組成原則同共射極電路一樣，外加電源的極性要保證放大管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，同時(shí)保證放大管有一個(gè)合適的Q點(diǎn)。圖2.32共集電極電路及其交流通路交流信號(hào)ui從基極b輸入，uo從發(fā)射極e輸出，集電極c作為輸入、輸出的公共端，故稱為共集電極組態(tài)，此電路也叫射極輸出器。2.靜態(tài)工作點(diǎn)Q的估算圖2.33直流通路及其微變等效電路3.動(dòng)態(tài)參數(shù)Au、Ri、Ro（1）電壓放大倍數(shù)Au（2）輸入電阻Ri（3）輸出電阻Ro圖2.33直流通路及其微變等效電路共集電極電路的輸出電阻很小，其帶負(fù)載的能力比較強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中，射極跟隨器常常用在多級(jí)放大電路的輸出級(jí)，以提高整個(gè)電路的帶負(fù)載能力。共集電極電路的輸入電阻很大，輸出電阻很小。實(shí)際應(yīng)用中，常常用作緩沖級(jí)，以減小放大電路前后級(jí)之間的相互影響。2.6多級(jí)放大電路實(shí)際應(yīng)用中，放大電路的輸入信號(hào)通常很微弱（毫伏或微伏數(shù)量級(jí)），為了使放大后的信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載，僅僅通過(guò)單級(jí)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，很難達(dá)到實(shí)際要求，常常需要采用多級(jí)放大電路。采用多級(jí)放大電路可有效地提高放大電路的各種性能，如提高電路的電壓增益、電流增益、輸入電阻、帶負(fù)載能力等。多級(jí)放大電路是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的單級(jí)放大電路所組成的電路。圖2.43所示為多級(jí)放大電路的組成框圖。通常稱多級(jí)放大電路的第一級(jí)為輸入級(jí)。對(duì)于輸入級(jí)，一般采用輸入阻抗較高的放大電路，以便從信號(hào)源獲得較大的電壓輸入信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。中間級(jí)主要實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大，一般要用幾級(jí)放大電路才能完成信號(hào)的放大。通常把多級(jí)放大電路的最后一級(jí)稱為輸出級(jí)，主要用于功率放大，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。圖2.43多級(jí)放大電路的組成框圖2.6.1多級(jí)放大電路的耦合方式在多級(jí)放大電路中，各級(jí)放大電路輸入和輸出之間的連接方式稱為耦合方式。常見(jiàn)的連接方式有三種：電容耦合、直接耦合和變壓器耦合。1.電容耦合它是指各單級(jí)放大電路之間通過(guò)隔直耦合電容連接。圖2.44所示為電容耦合兩級(jí)放大電路。圖2.44阻容耦合兩級(jí)放大電路阻容耦合多級(jí)放大電路具有以下特點(diǎn)：（1）各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響，利于放大器的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修。（2）低頻特性差，不適合放大直流及緩慢變化的信號(hào),只能傳遞具有一定頻率的交流信號(hào)。（3）輸出溫度漂移比較小。（4）阻容耦合電路具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，分立元件電路中應(yīng)用較多。但在集成電路中，不易制作大容量的電容，因此阻容耦合放大電路不便于做成集成電路。2.直接耦合它是指各級(jí)放大電路之間通過(guò)導(dǎo)線直接相連接。圖2.45所示為直接耦合兩級(jí)放大電路。前級(jí)的輸出信號(hào)uo1，直接作為后一級(jí)的輸入信號(hào)ui2。圖2.45直接耦合兩級(jí)放大電路直接耦合電路的特點(diǎn)：（1）各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，不利于電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修。（2）頻率特性好，可以放大直流、交流以及緩慢變化的信號(hào)。（3）輸出存在溫度漂移，可采用差動(dòng)放大電路改進(jìn)。（4）電路中無(wú)大的耦合電容，便于集成化。3.變壓器耦合它是指各級(jí)放大電路之間通過(guò)變壓器耦合傳遞信號(hào)。圖2.46所示為變壓器耦合放大電路。通過(guò)變壓器T1把前級(jí)的輸出信號(hào)uo1，耦合傳送到后級(jí)，作為后一級(jí)的輸入信號(hào)ui2。變壓器T2將第二級(jí)的輸出信號(hào)耦合傳遞給負(fù)載RL。圖2.46變壓器耦合放大電路變壓器具有隔離直流、通交流的特性，因此變壓器耦合放大電路具有如下特點(diǎn)：（1）各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響，利于放大器的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修。（2）同阻容耦合一樣，變壓器耦合低頻特性差，不適合放大直流及緩慢變化的信號(hào),只能傳遞具有一定頻率的交流信號(hào)。（3）可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流和阻抗的變換，容易獲得較大的輸出功率。（4）輸出溫度漂移比較小。（5）變壓器耦合電路體積和重量較大，不便于做成集成電路。2.6.2多級(jí)放大電路的分析1.多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)Au

圖2.47所示為多級(jí)放大電路的框圖圖2.47多級(jí)放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)框圖2.多級(jí)放大電路的輸入電阻Ri