1、电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术原理原理第七章基本放大电路20:06:181第7章 基本放大电路p7.1 放大电路概述p7.2 晶体管放大电路p7.3 场效应管放大电路p7.4 功率放大电路p7.5 多级放大电路20:06:1927.1 放大电路概述p放大器(Amplifier)的功能xo=Axi nA称为放大器的放大倍数(Gain)；20:06:193放大电路概述（续）p放大电路是放大电信号的放大器，其输入信号和输出信号都只能用电信号表示n因为不论是要输入电信号还是要输出电信号，都需要两个端子，所以放大电路需要四个端子 n输出电压放大输入电压（uo=Auuui）n输出电流放大输入电流（i
2、o=Aiiii）n输出电压放大输入电流（uo=Auiui）n输出电流放大输入电压（ii=Aiuui）20:06:1947.1 放大电路概述p7.1.1 放大电路的功能与参数p7.1.2 放大电路的基本结构 20:06:1957.1.1 放大电路的功能与参数p放大电路的功能可以用受控源来表示p放大电路对信号源来说相当于负载，对负载来说相当于信号源。20:06:1967.1.1 放大电路的功能与参数p1放大电路的放大特性：放大倍数p2放大电路对信号源的影响：输入电阻p3放大电路对负载的影响：输出电阻p4放大电路的频率特性p5最大输出功率Pomax与效率 p6放大电路的传输特性20:06:1971放
3、大电路的放大特性：放大倍数p傅立叶分析理论指出，无论多么复杂的信号，都可以分解为无限多个正弦信号的叠加。n对于线性放大电路，如果已知放大电路对于任意频率的正弦信号的放大倍数，就可以知道放大电路对于任意信号的放大倍数，n所以分析放大电路对于任意信号的放大倍数的问题，就转换为了放大电路对于正弦信号，即交流信号放大倍数的分析。20:06:198放大倍数（续）p交流信号可以用相量表示p电压放大倍数p电流放大倍数p功率放大倍数 iouUUAioiIIAiuioioiopAAIIUUPPA20:06:199放大倍数（续）p用分贝(dB)来表示放大倍数，称为增益p电压增益p电流增益p功率增益 iouuUUA
4、dBAlg20lg20)(ioiiIIAdBAlg20lg20)()10lg10lgoppiPA dBAP20:06:2010放大倍数（续）p由于放大电路的输入端口上的电压ui和电流ii不能完全等于理想值us和电流is，所以有时还需要考虑放大器输出电压uo对信号源电压us的放大倍数 sousUUA20:06:20112放大电路对信号源的影响：输入电阻p放大电路对信号源来说相当于负载p用输入电阻表示放大器对信号源输出信号（电压和电流）的影响20:06:2012放大电路对信号源的影响：输入电阻（续）p输入电阻是从放大器输入端看进去的等效电阻，它表明了放大器对信号源实际输出的影响，用Ri表示。p在关
5、联参考方向（ii从ui的正端流入、负端流出）的前提下iiiIUR20:06:2013放大电路对信号源的影响：输入电阻（续）p无法实现既不影响ui，又不影响ii，那么只要尽可能稳定对放大器而言最重要的信号就可以了。n如放大器的控制信号是ui，就要尽可能稳定ui；n如放大器的控制信号是ii，就要尽可能稳定ii。p电压控制型放大器的Ri越大越好；p电流控制型放大器的Ri越小越好。p如果放大电路要求输入最大功率，则应该使Ri=Rs，这被称为阻抗匹配。20:06:20143放大电路对负载的影响：输出电阻p放大电路对负载来说相当于信号源p用输出电阻表示放大电路对负载（电压和电流）的影响 20:06:201
6、5放大电路对负载的影响：输出电阻（续）p输出电阻是为当输入信号为零时，从放大器输出端看进去的等效电阻，它表明了放大器向负载输出电压或电流的能力。n对于电压控制型放大器n对于电流控制型放大器0iUoooIUR0iIoooIUR20:06:20164放大电路的频率特性p由于电抗元件对信号的影响表现为电抗，而电抗值与信号频率有关，所以放大电路的放大倍数也必然与输入信号的频率有关。p对于不同频率的输入信号，放大电路的放大倍数也不同p电抗的存在将导致输出信号与输入信号之间产生相移，而且相移的大小随输入信号频率的不同而不同。20:06:2017放大电路的频率特性（续）（1）下限频率（低频截止频率）fL（2
7、）上限频率（高频截止频率）fH（3）通频带fBW fBW=fH-fL 输入信号的频率必须位于放大电路的上、下限截止频率之内，才能保证放大电路对其放大不失真 20:06:20185最大输出功率Pomax与效率 p最大输出功率是在输出信号基本不失真的情况下，负载能够从放大电路获得的最大功率。n负载上的信号功率来自直流电源p如果放大电路输出最大功率Pomax时所消耗的直流电源功率为PE，则p定义效率为EoPPmax20:06:20196放大电路的传输特性p放大电路的传输特性是以输入信号作为横坐标，以输出信号为纵坐标，所得到的表示输入、输出信号关系的曲线。20:06:20207.1.2 放大电路的基本
8、结构p适当的偏置电路；p输入信号能够送到放大器件；p输出信号能够从放大器件取出；p直流电源。20:06:2021第7章 基本放大电路p7.1 放大电路概述p7.2 晶体管放大电路p7.3 场效应管放大电路p7.4 功率放大电路p7.5 多级放大电路20:06:20227.2 晶体管放大电路p7.2.1 晶体管放大电路的组成p7.2.2 晶体管放大电路的近似估算p7.2.3 晶体管放大电路的图解分析p7.2.4 晶体管放大电路的失真p7.2.5 静态工作点稳定电路p7.2.6 再说模型20:06:20237.2.1 晶体管放大电路的组成p晶体管可以构成共射、共集、共基三种放大电路p晶体管共射组态
9、基本放大电路为例，介绍晶体管放大电路的组成及其分析方法p分析方法适用于其他类型的放大电路20:06:20241共射基本放大电路p晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共端，所以称该电路为共发射极放大电路。p输入/输出电流参考正方向规定为流入电路为正，流出电路为负。20:06:20252放大电路的分解：直流通路和交流通路p以基极电流为例，对符号含义规定如下：niB(小写字母、大写下标)基极电流的瞬时值（直流分量与交流分量之和）；nIB(大写字母、大写下标)基极电流的直流分量；nib(小写字母、小写下标)基极电流交流分量的瞬时值；nIb(大写字母、小写下标)ib相量的简化表示，或ib的有效值；ni
10、bmib的最大值，也称为峰值或振幅。20:06:2026分解、线性化和叠加p放大电路中晶体管各电极上的电流和电压，既包含用于放大器件偏置的直流分量，又包含与信号放大有关的交流分量 p为了回避晶体管的非线性特征，人们采用了分解、线性化和叠加的手段：n先把电路中的电流和电压分解为直流分量和交流分量，n再分别采用不同的线性模型去近似原有电路，n最后把分析的结果叠加起来，以求取放大电路中的电压和电流。20:06:2027怎样实现直流分量和交流分量的分解 p在原始放大电路中求取直流通路的步骤：n电容开路，电感短路；n交流电源置零（交流电压源短路，交流电流源开路）。p在原始放大电路中求取交流通路的步骤：n
11、电容短路，电感开路；n直流电源置零（直流电压源短路，直流电流源开路）。20:06:2028直流通路和交流通路 20:06:20293晶体管放大电路的组成原则p要保证晶体管放大电路能够在输入信号的全部范围内不失真地放大，首先必须保证在输入信号变化时，晶体管始终处于放大区。n当输入信号在一定范围内变化时，为放大电路选择合适的静态工作点（IB、IC、UCE）n此外，还必须保证交流通路配合恰当，输入信号能够送到晶体管的控制端（加得进来），晶体管放大后的信号能够输出到负载上去（送得出去）。20:06:2030晶体管放大电路的组成原则（续）p晶体管放大电路的组成原则：（1）要有直流通路，保证合适的直流偏置
12、（静态工作点）。（2）要有交流通路，保证输入信号能加到晶体管，输出信号能到负载。20:06:20317.2 晶体管放大电路p7.2.1 晶体管放大电路的组成p7.2.2 晶体管放大电路的近似估算p7.2.3 晶体管放大电路的图解分析p7.2.4 晶体管放大电路的失真p7.2.5 静态工作点稳定电路p7.2.6 再说模型20:06:20327.2.2 晶体管放大电路的近似估算p晶体管放大电路的近似估算法，就是把非线性的晶体管在特定工作范围内线性化，然后运用线性电路的分析方法去计算放大电路特性。n1直流近似估算（静态分析）n2交流近似估算（动态分析）20:06:20331直流近似估算（静态分析）p
13、晶体管放大电路直流工作状态的近似估算，是根据晶体管工作状态的不同，采用以下模型分段近似晶体管的工作特征：n在截止区：IB=0，IC=0；n在放大区：UBE=UBE(on)，IC=IB；n在饱和区：UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)。p导通压降UBE(on)的值，硅管取0.7V，锗管取0.2V，题目中未给定晶体管类型时，通常认为是硅管。p饱和压降UCE(sat)的值，通常认为是0.3V。20:06:2034晶体管三种工作状态的直流模型p截止区：IB=0，IC=0；p放大区：UBE=UBE(on)，IC=IB；p饱和区：UBE=UBE(on)，UCE=UCE(sat)。20:06:2
14、135求静态工作点的步骤p晶体管放大电路直流近似估算（求静态工作点）的步骤如下：n（1）画出直流通路；n（2）确定晶体管的工作状态（截止、放大或饱和）；n（3）选择与晶体管工作状态相应的直流模型；n（4）计算静态工作点（IBQ、ICQ、UCEQ）p在计算过程中，要熟练使用系列两类约束：n拓扑约束基尔霍夫定律（KVL和KCL）；n元件特性晶体管电流放大关系（ICQIBQ）。20:06:2136直流近似估算举例【例7-1】求7-6电路的静态工作点，已知UCC12V，Rc4k，Rb300k，37.5。20:06:2137直流近似估算举例（续）【解】首先画出原电路的直流通路，如图7-8所示。其次，在直
15、流通路中，分别针对输入、输出回路列KVL方程，得到 输入回路电压方程IBRbUBEUCC 输出回路电压方程ICRcUCEUCC 20:06:2138直流近似估算举例（续）假定为晶体管为硅管，取UBE0.7V，根据输入回路方程可得 IB(UCCUBE)/RbUCC/Rb根据输出回路方程求集电极饱和电流ICSICSICmax(UCCUCES)/RcUCC/Rc 求基极饱和电流 IBSICS/比较IBS与IB，或直接比较ICS与IB，判断晶体管工作状态。20:06:2139直流近似估算举例（续）如果处于放大状态，则IBQIB，再利用晶体管放大关系计算ICQ，并进而计算UCEQ ICQIBQ UCEQ
16、UCCICQRc 所求得IBQ、ICQ、UCEQ的值，即为静态工作点。代入数值计算IBQ时，因为UCCUBE（二者相差10倍以上），所以允许忽略UBE的影响，而不至于引起太大误差，20:06:2140直流近似估算举例（续）于是可知IBICS，晶体管并未饱和，而是处于放大状态。)mA(04.0bCCbBECCBRURUUI)mA(3cCCcCESCCCSRURUUI20:06:2141直流近似估算举例（续）再利用晶体管电流放大关系计算集电极静态电流ICQ ICQIBQ37.50.041.4(mA)带入输出回路方程，即可得到UCEQ UCEQUCCICRc6(V)所以，该电路的静态工作点为 IBQ
17、0.04mA，ICQ1.4mA，UCEQ6V。20:06:21422交流近似估算（动态分析）p交流近似估算的思路，也是用线性模型替代晶体管，把非线性器件线性化，就可以把线性电路的分析分析方法运用到放大电路上来。p能够把晶体管线性化的等效模型不止一个，究竟选择哪一个，取决于放大电路的工作条件和近似精度的要求。p微变等效电路法：适用于低频小信号放大电路的动态分析 20:06:2143（1）晶体管的低频小信号模型p在动态分析中，b、e极之间用电阻（rbe）等效，c、e极之间用电流控制电流源（iC=iB）等效，这就是晶体管的低频小信号模型。20:06:2144晶体管的低频小信号模型（续）p常温下rbe
18、的计算公式为)()(26mAImVrrBQbbbeebbEQbbberrmAImVrr)1()()(26)1(20:06:2145（2）放大电路的微变等效电路p用低频小信号模型替代交流通路中的晶体管，即可得到放大电路的微变等效电路，p注意替换前后b、e、c的位置要保持不变。20:06:2146放大电路的微变等效电路（续）p用微变等效电路法估算晶体管放大电路的交流性能参数的步骤如下（1）画出交流通路；（2）把晶体管b、e极之间用rbe等效，c、e极之间用电流控制电流源（iC=iB）等效；（3）用线性电路分析方法计算输入电阻、输出电阻、放大倍数。20:06:2147交流近似估算举例【例7-2】电路
19、如图7-12(a)所示，已知60，rbb=100。（1）求Q点；（2）求、Ri和Ro；（3）设Us10mV，求Ui、Uo。20:06:2148交流近似估算举例（续）【解】（1）首先画出原始电路的直流通路如图7-12(b)所示，列KVL方程得IBRb+IERe+0.7=12晶体管工作在放大区时，IE=(1+)IB联立求解得IB=31.6(A)20:06:2149交流近似估算举例（续）IC=IB=6031.6=1.90(mA)UCEUCCICRcIERe4.4(V)由于晶体管的集电极发射极饱和电压UCES通常为0.3V，而本例中的UCE4.4V，显然无论如何也达不到使晶体管饱和的程度。又因为已计算
20、得知IB0，显然晶体管也没有截止。从而可以判断晶体管处于放大状态，于是静态工作点为 IBQ=31.6A，ICQ=1.90mA，UCEQ4.4V 20:06:2150交流近似估算举例（续）（2）计算放大倍数需要画出交流等效电路，而交流等效电路必须用低频小信号模型替代交流通路中的晶体管才能得到，所以首先要求出原始电路的交流通路。20:06:2151交流近似估算举例（续）将交流通路中的晶体管b、e极之间用电阻（rbe）等效，c、e极之间用电流控制电流源（iC=iB）等效，得到原始电路的微变等效电路 20:06:2152交流近似估算举例（续）其中在交流等效电路中设RL=Rc/RL=1.5(k)则Uo=
21、Ic RL=Ib RL)(923106.3126100263BQbbbeIrr20:06:2153交流近似估算举例（续）因为Ui=Ibrbe+IeRe=Ibrbe+(1+)IbRe设Ri=UiIb=rbe+(1+)Re=62(k)于是Ui=Ib Ri 得到放大倍数45.1ibLbiouRIRIUUA20:06:2154交流近似估算举例（续）又因为输入电阻Ri为Rb与Ri的并联，所以Ri=Rb/Ri=300/62=51(k)放大电路的输出电阻定义为当输入信号为零时，从输出端口看进去的等效电阻。由于本电路的输入为电压信号，所以其输出电阻的定义应该是 0iUoooIUR20:06:2155交流近似估
22、算举例（续）在图7-13(b)中，当输入信号Ui=0时，必然导致Ib=0，从而Ic=Ib=0，由于c、e电极之间为受控电流源，电流源的值为零，相当于c、e两点之间开路。这时，从输出端口看进去，就只剩下了电阻Rc，所以 Ro=Rc=3(k)20:06:2156交流近似估算举例（续）（4）US=10mV时，输入回路等效为下图，Uo=AuUi=14.4(mV)放大倍数是负数，说明Uo和Ui瞬时极性相反，Uo和Ui反向（相位差为）)mV(6.95125110isisiRRRUU20:06:21573晶体管放大电路的典型特征及其应用（1）共发射极放大电路的uo与ui反相，Ri和Ro大小适中，其电压、电流
23、、功率增益都比较大，广泛应用于于一般放大或多级放大电路的中间级。（2）共集电极放大电路也叫“射极跟随器”或“电压跟随器”，其输出信号取自晶体管的发射极，Au 1，Ai很大，Ri大（对信号源影响小）；Ro小（带负载能力强），用于输入级、输出级或缓冲级。还具有很好的高频特性。（3）共基极放大电路的uo与ui同相，电压放大倍数高、输入电阻小、输出电阻大。共基极电路的高频特性很好，广泛用于高频及宽带放大电路中。20:06:21587.2 晶体管放大电路p7.2.1 晶体管放大电路的组成p7.2.2 晶体管放大电路的近似估算p7.2.3 晶体管放大电路的图解分析p7.2.4 晶体管放大电路的失真p7.2
24、.5 静态工作点稳定电路p7.2.6 再说模型20:06:21597.2.3 晶体管放大电路的图解分析 p近似估算法应用的前提，是静态工作点合适而且输入信号很小。在信号的全部工作范围内晶体管都不会截止或饱和，而且对应的输入、输出特性曲线都近似于直线时 p如果这样的前提不满足，比如静态工作点不太合适、输入信号又很大p怎么办呢？20:06:2160图解分析法的基本思路 p一种解决方案是作图，直接在输入、输出特性曲线上作图，求出晶体管各极上的电流和电压，这就是图解分析法的基本思路。p图解法所基于的，还是晶体管本身的控制特性：nuBE和uCE共同决定iB，niB和uCE共同决定iC。20:06:216
25、1直流图解分析和交流图解分析 p由于直流信号和交流信号在放大电路中流动的通路不同，所以n直流分析（也称静态分析）必须在直流通路中进行，n交流分析（也称动态分析）必须在交流通路中进行。20:06:21621晶体管放大电路的直流图解分析p直流图解分析的思路是：n根据直流通路，分别求出放大电路的直流输入、输出方程，n输入方程与共射输入特性曲线的交点为（UBEQ，IBQ），n输出方程与输出特性曲线的交点为（UCEQ，ICQ），n于是就求出了放大电路的静态工作点。20:06:2163晶体管直流图解分析的步骤p（1）画出直流通路；p（2）列直流输入回路（KVL）方程；p（3）在输入特性曲线上作图确定IBQ
26、（或者用直流估算法计算IBQ）；p（4）列直流输出回路（KVL）方程；p（5）在输出特性曲线上作图确定UCEQ和ICQ。20:06:2264晶体管直流图解分析举例【例7-3】如图7-6所示电路中，若Rb560k，Rc3k，UCC12V，晶体管的输入特性曲线如图7-15（b）所示，试用图解法确定其静态工作点。20:06:2265晶体管直流图解分析举例（续）【解】画出图7-6电路的直流通路，如图7-15(a)。列直流输入回路KVL方程得UCCIBQRb+UBEQ 上述方程在对应输入特性坐标系中的一条直线，如图7-15(b)所示，输入方程直线与输入特性曲线的交点的坐标，就是待求的UBEQ和IBQ。2
27、0:06:2266晶体管直流图解分析举例（续）20:06:2267晶体管直流图解分析举例（续）或者用直流估算法计算IBQ 列直流输出回路（KVL）方程得 UCEQUCCICQRc 上述方程在对应输出特性坐标系中的一条直线，称为直流负载线，如图7-16所示)A(205607.012bBEQCCBQRUUI20:06:2268晶体管直流图解分析举例（续）p直流负载线p与横轴交于M点（当uCE0时，iCUCC/RC4mA）p与纵轴交于N点（当iC0时，uCEUCC12V）。20:06:2269晶体管直流图解分析举例（续）直流负载线MN与IB20A的一条特性曲线的交点Q，即为直流工作点。由图中Q点的坐
28、标可得，ICQ2mA，UCEQ6V。上述图解法表明，该电路的静态工作点为IBQ20A，ICQ2mA，UCEQ6V20:06:22702晶体管放大电路的交流图解分析 p分解和综合 n首先求出原始放大电路的直流通路和交流通路，n然后在直流通路分析直流量，在交流通路分析交流量，n最后把分别分析所得到的直流量和交流量中叠加起来，就是所要求解的原始瞬时量。20:06:2271晶体管交流图解分析（续）pICQ和UCEQ的约束关系，就是我们在直流分析中，根据直流通路所得到的直流负载线；p而ic和uce的约束关系，则要根据交流通路取得。p交流负载线是一条过点（UCEQ，ICQ）、斜率为(1/RL)的直线 20
29、:06:2272交流负载线p对比交流负载线的斜率为(1/RL)和直流负载线的斜率(1/Rc)，可知交流负载线比直流负载线要陡一些。p交流负载线所反映的是瞬时值iC和uCE之间的约束关系，而不是交流信号ic和uce之间的约束关系，所以称之为瞬时负载线也许更合适一些。p详细分析和推导过程请阅读教材。20:06:2273交流负载线（续）20:06:2274交流负载线（续）p在输出特性上，放大电路的瞬时工作点沿交流负载线、以静态工作点Q为中心上下移动。p画出交流负载线之后，就可以根据电流iB的波形，画出对应的iC和uCE的波形，如图7-18所示。20:06:2275放大器的交流图解分析 20:06:2
30、2767.2 晶体管放大电路p7.2.1 晶体管放大电路的组成p7.2.2 晶体管放大电路的近似估算p7.2.3 晶体管放大电路的图解分析p7.2.4 晶体管放大电路的失真p7.2.5 静态工作点稳定电路p7.2.6 再说模型20:06:22777.2.4 晶体管放大电路的失真p晶体管没能确保在输入信号的全部范围内，都工作在线性区（即放大区），而是进入了截止区或饱和区，这时就会引起截止失真或饱和失真。n引发截止失真的原因是由于晶体管的静态工作点过低，瞬时工作点进入截止区。n引发饱和失真的原因则是由于晶体管的静态工作点过高，瞬时工作点进入饱和区。20:06:2278截止失真20:06:2279饱
31、和失真20:06:2280如何解决失真p知道了引起失真的原因，也就找到了避免失真的方法n要避免截止失真，就要避免静态工作点过低；n要避免饱和失真，就要避免静态工作点过高。n合适的静态工作点应该位于交流负载线的中间，以确保输入信号变化时，瞬时工作点始终处于放大区之内。20:06:22817.2 晶体管放大电路p7.2.1 晶体管放大电路的组成p7.2.2 晶体管放大电路的近似估算p7.2.3 晶体管放大电路的图解分析p7.2.4 晶体管放大电路的失真p7.2.5 静态工作点稳定电路p7.2.6 再说模型20:06:22827.2.5 静态工作点稳定电路p晶体管的基极电位UBQ取决于电阻Rb1和R
32、b2的直流分压，IB的影响被忽略不计。p由于电阻的阻值受温度影响不大，所以当温度变化时，UBQ基本上固定不变。20:06:2283发射极电阻Re和负反馈p温度升高时，、ICBO和ICEO增大，而管压降UBE下降，导致ICQ和IEQ增大，UEQIERe必然也要增大。p因为UBEQUBQUEQ，在UBQ上固定不变的前提下，UEQ的增加反过来又导致UBEQ减小，从而使IBQ减小，p因ICIB，从而牵制了ICQ和IEQ的增加，使它们基本保持不变。20:06:2284静态工作点稳定电路的原理p通过引入由Rb1和Rb2组成的直流分压式偏置电路，稳定了基极直流电压UBQ；p又通过引入发射极电阻Re，把ICQ
33、和IEQ的变化反馈到直流输入回路，反过来影响UBEQ和IBQ，从而稳定了ICQ和IEQ，这个过程利用了负反馈的原理。20:06:2285静态工作点稳定电路的参数计算pIBQ相对很小，有Ib1Ib2，结合KCL和KVL IBQIEQ UCEQUCCICQRcIEQReUCCICQ(RcRe)CCbbbBQURRRU211eBEQBQEQCQRUUII20:06:22867.2.6 再说模型 p知其然，更要知其所以然。p掌握方法背后的思想。p晶体管电路的等效电路，是为了解决其非线性特性的分析问题，才提出并使用模型的概念，把非线性的晶体管替换为线性器件，把非线性问题转化为线性问题，而分析线性问题，则要容易得多。p模型不止一个！20:06:2287混合型等效电路 20:06:2288h参数等效电路 20:06:2389模型之间的关系 p混合型等效电路考虑了晶体管结电容、结电阻的影响，ph参数等效电路则从双端口网络的输入、输出端口电流和电压关系的角度去模拟晶体管。p从这两个模型出发，在低频、小信号的条件下，都可以得到低频小信号模型。p晶体管的值就是h参数等效电路中的参数hfe。20:06:2390模型还有很多p从不同的角度、精度和适用范围出发，就可以得到不同的模型，使用模型时，必须清楚其使用条件。p晶体管的模型还有很多，复杂模型所用到的参数可以达到数十个。20:06:2391
