第三節(jié)基本放大電路

第三節(jié)基本放大電路1第1頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月一.基本放大電路的組成放大元件iC=iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。uiuo輸入輸出RB+ECEBRCC1C2T第2頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合電容隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時能使信號順利輸入輸出。RB+ECEBRCC1C2T第3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。RB+ECEBRCC1C2T第4頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。RB+ECEBRCC1C2TRC的值一般為幾千歐到幾十千歐。第5頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當?shù)撵o態(tài)工作點?；鶚O電源與基極電阻RB+ECEBRCC1C2TRB的值一般為幾十千歐到幾百千歐。第6頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月可以省去電路改進：采用單電源供電RB+ECEBRCC1C2T第7頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月單電源供電電路+ECRCC1C2TRBRB需要相應地提高阻值。參考點在晶體管電路中，通常將輸入電壓、輸出電壓以及電源的公共端稱為“地”用⊥表示，但并不見得真的接到大地，只是以“地”端為零電位，作為電路中各點電位的參考點。換句話說，電路中各點電位的極性和數(shù)值，如不特殊注明，都是指該點相對于“地”的電位差。

第8頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二.放大電路的靜態(tài)工作點放大電路沒有輸入信號時的工作狀態(tài)稱為直流工作狀態(tài)或靜止狀態(tài)，簡稱靜態(tài)。靜態(tài)分析的目的就是確定放大電路的靜態(tài)（直流）值，IB、IC和UCE。這些值可以在晶體管特性曲線上確定一個點，稱為靜態(tài)工作點(quiescentpoint)，用Q表示，分別記為IBQ、ICQ和UCEQ。第9頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月開路開路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC1.用直流通路法確定靜態(tài)工作點第10頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月直流通道RB+ECRC計算公式如下：第11頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月在本放大電路中，電源電壓EC和集電極電阻RC的大小確定后，靜態(tài)工作點的位置就僅取決于偏置電流IBQ的大小。而IBQ≈EC／RB，因此當RB一經(jīng)選定，IBQ也就固定不變，故該電路又稱為固定偏置電路。第12頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.用圖解法確定靜態(tài)工作點利用晶體管的特性曲線，通過作圖來分析放大器基本性能的方法，稱為圖解法。圖解法既可求取放大器的靜態(tài)工作點，又可分析放大器的動態(tài)過程。第13頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管是一非線性元件，即其集電極電流IC與集-射電壓UCE之間不是直線關系，而是圖2-13所示的輸出特性曲線的關系，但UCE=EC-ICRC則是一線性方程。這就要求靜態(tài)值既要符合非線性元件晶體管T的電壓與電流的關系，同時又要符合電路中線性元件上的電壓與電流的關系。顯然，只有曲線與直線的交點才能同時滿足兩者要求。這一交點即為靜態(tài)工作點。第14頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月ICUCE根據(jù)UCE=EC–ICRC確定橫軸上的點N（IC=0）和縱軸上的點M（UCE=0），直線MN即為直流負載線。直流通道RB+ECRC（1）在給出的輸出特性曲線上作直流負載線ICUCEECQ直流負載線與輸出特性的交點就是Q點IBMN第16頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月由于它是由直流通路得出的，且與集電極負載電阻Rc有關，故稱為直流負載線。其斜率為tga=1／Rc，Rc愈小直線愈陡。（2）求基極偏流IB：IB≈EC/RB。（3）直流負載線MN與曲線IB的交點Q即為放大器的靜態(tài)工作點，它所對應的值即為靜態(tài)值IBQ、ICQ和UCEQ。第17頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月三.放大電路的動態(tài)分析當有交流信號輸入時放大器的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)分析是在靜態(tài)值確定以后分析信號的傳輸情況，主要考慮電流和電壓的交流分量。常用的分析方法有圖解法和微變等效電路法。第18頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1.圖解法輸出端開路時的工作狀態(tài)確定靜態(tài)工作點后，根據(jù)輸入信號ui的變化，可得到uBE及iB的變化曲線。uBE波形iBE波形第19頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)iB的變化，可得到iC及uCE的變化曲線。uCE中的交流分量輸出，即為uo。iC波形uce波形第20頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月從上述討論可知：①當輸入交流信號電壓ui加到放大器的輸入端后，晶體管基極和集電極的電壓uB、uCE和iB、iC電流都是由兩部分疊加而成：一部分是靜態(tài)直流分量IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ；另一部分是輸入交流信號后引起的交流分量ube、ib、ic、uce、uo。②由圖可見，uo>ui，輸入信號ui通過放大器后被放大了，而且放大后沒有改變原來的形狀，但在相位上相差180°。第21頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)交流通路和交流負載線：實際應用中，放大器總是帶負載的，如帶下一級放大器，也可能帶一個表頭或喇叭、顯示裝置中的偏轉(zhuǎn)板等。對于低頻交流信號，這些負載可簡化為一個負載電阻RL。放大器帶負載時，相當于圖2-17(b)中接入了虛線部分。第22頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月交流通路：由于電容器C2的隔直作用，接入RL對靜態(tài)工作點和直流負載線均無影響。集電極電流iC中的直流成分不能到達負載RL。但其交流成分iC，除了通過RC和EC構成的支路外，還通過由C2和RL組成的支路。對交流信號而言，電容和直流電源均可視為短路，因此可畫出放大器帶負載時的交流通路，uiuoRBRCRL交流通路第23頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月交流負載線：由交流通路可以看到，輸出電壓uo實際上加于R’L上，R’L就是放大器交流通路的等效負載，簡稱交流負載，為RC//RL。有交流輸入時，反應輸出回路中總的電壓與電流關系的直線稱為交流負載線。ICUCEECQIB交流負載線過Q點作一條直線，斜率為：Q1Q2第24頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月比較放大器的直、交流負載線可知：①根據(jù)電阻并聯(lián)的規(guī)律知，R’L<RC，故應有tga’>tga，因此交流負載線比直流負載線陡。②從輸出電壓波形看到，帶載后，輸出交流信號電壓uo要減小。③在外接負載RL趨向于無窮大(相當于開路)時，R’L≈RC，交、直流負載線重合為同一條直線。第25頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)電壓放大倍數(shù)：放大器的放大對象是變化量，其放大能力常用電壓的放大倍數(shù)Ku來描述。電壓放大倍數(shù)是指在不失真的條件下，輸出電壓的變化量ΔUo與輸入電壓的變化量ΔUi之比，即

Ku=ΔUo/ΔUi第26頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)放大電路的非線性失真：利用圖解法可以在特性曲線上清楚地觀察到波形失真的情況。前面說過，對放大電路的基本要求，就是輸出信號盡可能不失真。所謂失真，是指輸出信號的波形不像輸入信號。引起失真的原因很多，其中最基本的一個，是由于工作點不合適或信號太大，使放大電路的工作范圍超出了晶體管特性曲線上的線性范圍，這種失真通常稱為非線性失真(non-lineardictortion)。非線性失真有兩種情況，一種是飽和失真，另一種是截止失真。第27頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月a.Q點過高，即IB偏大，工作點接近飽和區(qū)，產(chǎn)生飽和失真。iCuCEib輸入波形uo輸出波形Q第28頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月b.Q點過低，即IB偏小，工作點接近截止區(qū)，信號進入截止區(qū)，產(chǎn)生截止失真。輸出波形iCuCEuo輸入波形ibQ第29頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.微變等效電路法利用圖解法能直觀、形象、全面地分析放大器的工作情況，易于理解。但相當麻煩，因作圖誤差而難以保證Ku的精度，且不易求解放大器的其它指標(如輸入電阻、輸出電阻等)，分析復雜電路更為困難。因此有必要研究更有效的方法。第30頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)三極管的微變等效電路：如果研究的對象僅僅是變化量，而且信號的變化范圍很小，就可以用微變等效電路來處理三極管的非線性問題。由于在一個微小的工作范圍內(nèi)，三極管電壓、電流的變化量之間的關系基本上是線性的，因此可以用一個等效的線性電路來代替這個三極管。所謂等效就是從線性電路的三個引出端看進去，其電壓、電流的變化關系和原來的三極管一樣。這樣的線性電路稱為三極管的微變等效電路。第31頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月微變等效電路等效ibiccberbeibibbce

圖中rbe稱為晶體管的輸入電阻。對于低頻小功率三極管，其值可由下式估算：rbe≈300Ω+(1+β)26(mV)/IE(mA)

式中，IE為靜態(tài)值發(fā)射極電流。第32頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)放大器的微變等效電路法求解的具體步驟：畫出交流通路→用微變等效電路替換交流通路中的三極管→計算電路參數(shù)。圖2-17(b)共射極放大器的微變等效電路如圖2-23所示。從圖中可以看出，輸入和輸出部分分為了兩個相互獨立的回路。第33頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)電壓放大倍數(shù)Ku的計算：由微變等效電路可以看出ui=ibrbe,uo=-icR’L=-βibR’L其中R’L=Rc//RL，負號表示ic與uo的參考方向相反。放大器的電壓放大倍數(shù)為：第34頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月負號表示共射極放大電路中，輸出電壓與輸入電壓位相相反。

上式表示：增加晶體三極管的電流放大系數(shù)β和輸出端的總負載電阻RL以及減小晶體三極管的輸入電阻rbe，都可以在一定程度上提高放大器的電壓放大倍數(shù)。但由于rbe和β都與晶體管的靜態(tài)工作電流有關，所以放大倍數(shù)實際上還是與靜態(tài)工作電流有密切關系。當輸出端開路(即RL未接入，空載)時，Ku比接RL時高?？梢?，負載電阻RL愈小，則電壓放大倍數(shù)愈低。第35頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)輸入電阻：一個放大電路的輸入端總是與信號源(或前級放大器)相聯(lián)的，因此放大電路對信號源(或前級放大器)來說，是一個負載，可等效為一個電阻，即放大電路的輸入電阻(inputresistance)ri。ri=ui/ii，是對交流信號而言的一個動態(tài)電阻。在微變等效電路中，

ri=RB//rbe即從輸入端口AO看進去的等效電阻。第36頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)輸出電阻：放大器對負載(或后級放大電路)來說是一個信號源，其內(nèi)阻即為放大器的輸出電阻(outputresistance)ro，它也是一個動態(tài)電阻。由微變等效電路看，輸出電阻ro是一個從放大器輸出端BO看進去的等效電阻。由于電流源內(nèi)阻為無窮大，所以

ro≈RC

第37頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月微變等效電路法簡單方便，適用于任何復雜或簡單的電路。它的局限性在于只能解決交流分量的計算問題，不能用來確定靜態(tài)工作點，也無法分析非線性失真等問題。因此，在解決放大器的具體問題時，兩種方法可以結(jié)合起來使用，這樣常常使分析過程更為簡便。第38頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月四.靜態(tài)工作點的穩(wěn)定由于晶體管對溫度十分敏感，盡管選擇的靜態(tài)工作點在正常溫度條件下是合適的，但當溫度升高時，集電極反向飽和電流ICBO將增大(大約每升高10℃，ICBO增加一倍)。對于上述固定偏置放大電路，ICBO增大又使穿透電流ICEO增大，從而引起Ic的增大、輸出特性曲線的上移，最終導致原來設置好的工作點發(fā)生偏移，嚴重時會使原來工作良好的放大器產(chǎn)生非線性失真。因此必須采取措施，提高放大器對溫度的穩(wěn)定性，減小工作點的漂移。第39頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月TUBEIBICT、ICEOICiCuCEQQ′溫度上升時，輸出特性曲線上移，造成Q點上移。第40頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)工作點穩(wěn)定的分壓式電流負反饋偏置放大電路，是交流放大器中應用最廣泛的基本單元電路。其中三個偏置元件RBI、RB2、RE起著穩(wěn)定工作點的作用。uoIB1IB2IB分壓式偏置電路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiICIEUE第41頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月IB1IB2IB分壓式偏置電路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiICIEUE保持基極對地的靜態(tài)電位UB基本固定，即IB1>>IBQ發(fā)射極保持有足夠大的電流負反饋，即UE>>UBE第42頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月分壓式偏置電路能穩(wěn)定靜態(tài)工作點的物理過程可表示如下：

T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE（=UB-UE）↓→IB↓

IC↓

即溫度T上升導致IC上升，而IE≈IC也上升；IE上升又導致了UE上升。但UB固定不變，所以UE的上升使得UBE下降；UBE的下降導致IB下降，從而使IC下降。最終結(jié)果使得IC趨于穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了靜態(tài)工作點。這種減小IC變化的方法，稱為電流負反饋。第43頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)以上分析，由于要求滿足IB2>>IB，似乎IB2越大越好。其實不然，還要考慮到其它影響。IB2不能太大，否則RB1和RB2就要取得較小，這不但要增加功率損耗，而且從信號源取用較大的電流，使信號源的內(nèi)阻壓降增加，加在放大器輸入端的電壓ui減小。一般RB1和RB2為幾十千歐?；鶚O電位UB也不能太高，否則UE增高將使UCE相應地減小(Ec一定)，因而減小了放大電路輸出電壓的變化范圍。一般硅管取IB2=(5-10)IB和UB=(5-10)UBE。第44頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月接入發(fā)射極電阻RE，雖然使射極電流的直流分量IE通過它，起到了負反饋自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用；但發(fā)射極電流的交流分量iC也通過它產(chǎn)生交流壓降，產(chǎn)生負反饋作用，使電壓放大倍數(shù)下降。為此，可在RE兩端并聯(lián)電容CE，只要CE足夠大，即可對交流分量視為短路，對交流信號不起負反饋作用，故CE稱為發(fā)射極交流旁路電容，其值一般取為10～100uF。第45頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月計算分壓式電流負反饋偏置電路的電壓放大倍數(shù)Ku、輸出電阻ro同前面一樣，但輸入電阻則改為ri=RB1//RB2//rbe。另外，靜態(tài)工作點的求取與固定偏置式電路也不同，分壓式偏置放大器應先求出IEQ≈ICQ，再計算UCQ=EC-ICQ(Rc+RE)和IBQ=ICQ/β。第46頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)放大器的主要性能指標放大倍數(shù)與增益表示放大器放大性能的參數(shù)。除了電壓放大倍數(shù)Ku外，還有電流放大倍數(shù)Ki和功率放大倍數(shù)Kp，分別定義為

Ki=io/ii，KP=po/pi由于電子設備的各種放大倍數(shù)往往很大，特別是多級放大器總的放大倍數(shù)計算不便，故常用它們的對數(shù)來表示，稱為增益(gain)。功率增益的定義是

Gp=101gKp

單位為分貝(dB)。由于在同一電阻上消耗的功率與電流(或電壓)的有效值I(或U)的平方成正比，所以電流增益Gi和電壓增益Gu分別為

Gi=201gKi(dB)

Gu=20lgKu(dB)第47頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2．輸入阻抗前面已介紹了輸入電阻的概念，實際上由于電容、電感等的影響，從放大器輸入端看進去的，應為輸入阻抗(inputimpedance)。不過，對于低頻交流信號，輸入阻抗可看作是純阻性的，所以常用輸入電阻表示。如果放大器的輸入電壓為ui、輸入電流為ii，則其輸入電阻ri=ui/ii。第48頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月如果信號源的電動勢為es、內(nèi)阻為rs，則信號源供給放大器的信號電壓，即放大器的輸入電壓ui為

可見，放大器的輸入電阻ri越大，輸入放大器的信號電壓ui就越大。另外，輸入阻抗越大，輸入電流越小，放大器對信號源的影響也小。因此，通常希望放大器的輸入阻抗越大越好。

第49頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3．輸出阻抗放大器的輸出阻抗(outputimpedance)規(guī)定為：當輸入信號不變、負載改變時，輸出電壓改變量?uo與輸出電流改變量?io之比，即ro=?uo/?io對于低頻交流信號，輸出阻抗是純電阻性，故ro又稱為輸出電阻。當信號電壓加在放大器的輸入端時，如果改變接到輸出端的負載，則輸出電壓uo也要隨之改變，這種情況就相當于從輸出端看進去好像有一個具有內(nèi)阻ro的電壓源uo。當ro小時，在它上面損失的壓降就小些，所以要求ro盡量小些，這時放大器的負載能力就強。第50頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月4．通頻帶放大器是用來放大電信號的，而信號既有大小不同，又有頻率不同。在實際中，要放大的各種電信號往往都不是單一頻率的正弦信號，而是由許多不同頻率的正弦信號組成的。如生物電信號的頻率大多在0~200Hz。音頻信號約為20~20000Hz。理想的放大器對各種頻率的信號應具有相同的放大倍數(shù)。然而實際的放大器，其放大倍數(shù)與頻率有關。第51頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月放大倍數(shù)Ku與f之間的關系曲線，稱為幅頻特性；輸出與輸入的相位差隨頻率變化的關系，稱為相頻特性，統(tǒng)稱為頻率響應特性。一般情況下，當頻率過高或過低時，放大倍數(shù)都要下降，而在中間一段頻率范圍內(nèi)，放大倍數(shù)基本不變。在低頻部分，當放大倍數(shù)下降到中頻段放大倍數(shù)Ko的0.707倍時所對應的頻率fL，叫做下限頻率；在高頻部分，當放大倍數(shù)下降到中頻段放大倍數(shù)Ko的0.707倍時所對應的頻率fH，叫做上限頻率。由fL到fH的頻率范圍，叫做放大器的通頻帶(frequencyband)，用fw表示，即fw=fH-fL。第52頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月低頻端放大倍數(shù)下降的原因，主要是輸入、輸出耦合電容C1、C2造成的，容抗Xc=1/2πfC，f減小時，Xc增大。容抗增大后，信號在電容C1、C2上的分壓增大。加在基-射極之間的變小，輸出端負載電阻RL上的電壓降低，從而使得電壓放大倍數(shù)變小。在高頻端，放大倍數(shù)降低的原因主要有兩方面：一是晶體三極管的電流放大倍數(shù)β在頻率升高時會下降。二是三極管的發(fā)射結(jié)電容、集電結(jié)電容、電路中的分布電容都與放大器的輸入端及輸出端并聯(lián)。在頻率不高時，它們的容抗較大，對放大倍數(shù)的影響可忽略不計。當頻率升高時，它們的容抗降低，使放大器的輸入阻抗變小，負載等效阻抗變小，從而導致放大倍數(shù)下降。第53頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月5．信噪比放大器在放大有用信號的同時，還會放大由放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲或外部竄入的無用的干擾電信號，這些無用的信號統(tǒng)稱為噪聲。如果將放大器輸入端短路時，可以用示波器觀察到放大器輸出端的噪聲波形。在實際中，噪聲可分為兩類，一類是通過適當?shù)钠帘?、濾波或電路的合理設計可以消除或控制的，如外界磁場的感應，整流濾波不良，接地不合理等引起的噪聲。另一類是由于元件中帶電質(zhì)點雜亂的波動所造成的，不能完全控制或消除。這些噪聲有可能會淹沒掉有用信號，對信號的放大是十分有害的。第54頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月在放大器中，噪聲與有用信號的大小是相對的，如果脫離信號的大小來講噪聲的大小，那是沒有意義的。如對于1mV的心電信號，若噪聲也為1mV，則心電信號將被噪聲所淹沒而無法分辨，若噪聲僅為10μV，則可以忽略。為了說明信號與噪聲之間的數(shù)量關系，也為了衡量放大器的抗干擾能力，引進信噪比(signaltonoiseratio，SNR)，它定義為有用信號功率Ps與噪聲信號功率PN之比，即第55頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然信噪比應越大越好，只有當信噪比大于1時，微弱信號才能有效地放大，而不致被噪聲所淹沒，否則放大倍數(shù)再高也沒用，因為信號和噪聲都以同樣的放大倍數(shù)得到放大。由于放大器中的噪聲主要來源于放大器的輸入級，且會被以后各級放大，故應盡量減小第一級的噪聲。第56頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)多級放大器單級放大器的放大倍數(shù)一般只有幾十，實用中常感不夠，在生物醫(yī)學測量中，輸入信號往往是很微弱的，要把這樣小的信號放大到足以帶動測量或記錄裝置，常需把數(shù)個單級放大器串聯(lián)起來，組成多級放大器。各級放大器之間的連接稱為耦合。耦合的方式有阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合三種。阻容耦合是級與級間通過電容和電阻進行耦合，記作RC耦合。第57頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-28是一個兩級RC耦合放大器。其中C1、C2、C3為耦合電容，其作用有二：一是把前一級交流信號送到后一級；二是隔斷直流，使前后兩級的直流工作點互不影響，各級工作點可以獨立設置和調(diào)整。第58頁