模拟电路放大器基础

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1、第二章 放大器基础 本章教学要求：6掌握多级放大器的藕合方式及主要性能指标的计算。1掌握放大器的主要性能指标及其定义。2掌握双极型晶体管和场效应管的低频微变等效电路，运算放 大器的线性等效电路。3掌握放大器的基本分析方法：图解法和微变等效电路法。4掌握双极型晶体管和场效应晶体管放大器的常用的偏置电路 、三种基本组态以及射极(源极)带有电阻的放大器的基本组成、 各指标计算和主要特点。5掌握运算放放大器组成的放大电路的各指标的计算和同相放 大电路、反相放大电路的特点。放大器的基本功能和分类 放大器的基本功能是将信号不失真地放大到所需的大小。 放大器的分类按器件可分为晶体管放大器、场效应管放大器、电

2、子管放大器 和集成放大器； 按用途可分为电流放大器、电压放大器和功率放大器；按工作频率可分为低频放大器、高频放大器和超高频放大器，而 低频放大器又可分为音频放大器、直流放大器和宽带放大器；按工作状态可分为甲（A）类放大器、乙（B）类放大器、甲乙 （AB）类放大器、以及丙（D）类放大器等。 放大器的基本功能低频放大器，它具有较宽的频率范围，所带负载不能采用谐 振回路，故又称为非谐振放大器。 放大器变量及输入输出变量参考方向的规定 放大器变量的规定用大写字母带大写下标表示直流电压及电流（如UBE、IE 等）；用小写字母带小写下标表示交流电压及电流（如ube、ib 等）；用小写字母带大写下标表示直流

3、和交流在内的总的瞬 时电压及电流（如uBE、iE等）；用大写字母带小写下标表示正 弦交流有效值电压及电流（如Ube、Ie等）。 放大器输入输出变量参考方向的规定iiiouo放大电路ui放大电路一般 视为二端口网 络，两个端口 电压与电流的 参考方向的规 定为：严格地讲， 放大电路与 放大器是有 区别的，但 有时候这两 个名词是混 用的，均指 放大电路。2-1 放大电路的主要性能指标和电路组成2-1-1放大电路的主要性能指标1放大倍数（增益）1）电压放大倍数 放大器输出电压的有效值相量与输入电压的有效值相量之比称为 电压放大倍数，用表示：若考虑信号源内阻RS的影响，则 常用源电压放大倍数 表示，

4、即：放大电路ZiRsusiiiououi2）电流放大倍数 放大器的输出电流有效值相量与输入电流有效值相量之比称为电流放大倍数，用 表示，即：若考虑信号源内阻的影响，则常用源电流 放大倍数表示，即：iiio放大电路Zi Rsis uoui3）功率放大倍数 放大器输出功率 与输入功率之比称为功率放大倍数 ，用GP表示，即：放大倍数是无量纲的量，在工程 上，常用分贝（dB）作为单位： 2输入阻抗和输出阻抗放大器处于信号源于负载之间，因此对信号源而言，放大器是它的负载，这个等效负 载阻抗就定义为放大器的输入阻抗；对于放大器的负载来说，放大器可等效为一个信 号源，这个信号源内阻就为放大器的输出阻抗。放大

5、器的输入阻抗定义为：如果电路中所有的电抗性元件均 不予考虑，那么输入阻抗就可用 输入电阻来表示：放大器的输出阻抗是将负载断开后，信号源为零时，从输出端看进去的等效阻抗 ，可用戴维南定理来求，即：3非线性失真具有放大作用的电子器件一般都是非线性器件，信号经过放大器后，必然产生某 种程度的失真。当输入单一频率的正弦信号时，输出信号将是一个周期性的非正弦波 ，即输出信号新的谐波分量产生，基波频率和输入信号频率相同，为有用信号，谐波 分量就是由电子器件的非线性引起的。显然，谐波成分比例越大，失真就越大。这种 因电子器件非线性特性引起的产生新的谐波分量的失真称为非线性失真。工程上常将谐波功率与基波功率之

6、比定义为 非线性失真系数，用来表示，即：4频带特性由于放大器中含有电抗元件，所 以放大倍数将随信号频率而变化 ，即：低 频 区中频区高 频 区幅频 特性相频 特性通频 带5噪声系数放大器的噪声系数NF定义为： 或式中 、 分别为输入、输出信号功率与噪声功率的比值。一 般地，NF 1，这是由于构成放大器的元件如电阻、晶体三极管、场效应管及集成放大器等都会产生噪声，使得输出信号的信噪比小于输入信号的信 噪比。为了放大微弱信号，要求放大器特别是前置放大器的内部噪声尽可 能低。2-1-2 放大电路的组成UOC2RLC1USRS放大单元EC放大电路一般由这样几部分组成 ：信号源， 包括内阻放大 单元负载

7、耦 合 元 件电源放大单元 由三极管 及周边元 件组称为 三极管放 大电路UoC2RLC1USRSECRCRB放大单元由场效应管及周边元 件组称为场效应管放大电路UoC2RLC1UsRsEDRDRGRSCS放大单元由场效应管及周边元 件组称为场效应管放大电路UiRL R1RfUO+UCCUEE放大电路正常工作条件：第一，必须有直流电源，直流电源有两个作用：一是给放大单元提供正确的 偏置，使其工作在放大状态，（如使晶体三极管发射结正偏，集电结反偏） 。二是为输出信号提供能量，信号通过放大电路使输出电压或电流得到放大 ，也就是信号功率得到放大，而直流电源就提供了输出功率。第二，必须有一个使信号通过

8、放大器件（如三极管、场效应管或运算放大 器）输入端到负载的交流通路。耦合元件的作用耦合元件起到隔离直流耦合交流的作用，隔离直流是为了使信号源或 负载的接入不影响对三极管的正确偏置；耦合交流是要使交流信号尽可能 无损失地通过。因此，一般选用容量较大的电容作为耦合电容。而对于由 运算放大器组成的放大电路来说，由于其特殊结构，信号直接接入不会对 运放内的偏置发生影响，故不需要电容耦合。由于分立元件组成的基本放大电路是组成各类放大电路和运算放大器 的基础，所以对分立元件基本放大器的分析，不但对于掌握基本放大器工 作原理，理解信号放大过程是必须的，而且对于帮助理解其它各类放大器 的工作原理也是很有必要的

9、。下面先对晶体三极管放大电路进行分析。2-2 放大器的分析方法放大电路的分析有静态分析和动态分析。静态分析是分析静态偏置是否正确，静态工作点是否恰当 。动态分析是分析放大电路的性能指标，如增益、输入输出电阻等。对于运算放大器组成的放大电路来说，由于在器件集成过程中保证了在 给定外加直流电压条件下静态工作点的正确，因此只要外加直流电压在 给定范围内，就不需进行静态分析。因此，只有分立元件电路才进行静 态分析。静态和动态分析又有图解法和解析法图解法比较直观，但分析精度差，但对于理解信号在放大电路中的放大 过程，建立动态范围、非线性失真和稳定工作点等概念具有直观的作用 。解析法分析精度较高，是放大电

10、路分析的常用方法。2-2-1 图解法UCCUo UiC2C1RBRCRL1.静态分析（1）画出直流通路隔直电容 开路，信 号源和负 载对三极 管直流无 影响，故 去掉得到直流通路IBEQUBEQUCCRBRCUCEQ（2）写出三极管输入、输出回路负载方程由输入回路 可以得到由输出 回路可 以得到（3）在输入、输出特性曲线的伏安平面上分别画出输入、输出回路负载线 UCC0IBQ输入特性曲线输入回路直流负载线其交点Q所对应 的电流和电压 就是工作点电 流和电压输出特性曲线0IBQ所对 应的曲线输出回路直流负载线直流负载线与IBQ所 对应的曲线交点Q 所对应的电流和电 压就是工作点电流 和电压2.

11、动态分析动态分析是在静态分析基础上进行的，即在Q点已知的前提下展开的。1）输入回路的交流分析IbmtUBEQIBQ0UCC0Uim当放大电路加一交流信号 ，通过耦合电容C1，交流 信号加到三极管发射结， 使得发射结电压在静态工 作点电压UBEQ上叠加了一 信号电压在小信号条 件下，工作 点将沿Q点 切线在Q点 附近来回变 化在变化的uBE的作用下，基 极电流iB也将在静态电流的 基础上叠加一交变电流静态工作点Q 以及IBQ和UBEQ信号电压幅 度为发射结电压由两部分组成基极电流由两部分组成交变电流幅 度为交变部分电流与电压的关系为2）输出回路的交流分析交流负载线t0 t0输出回路工作点电流IC

12、Q和电压UCEQ基极交变电流使 集电极电流也产 生交变分量交流负载线通过Q点，斜率为交变的集 电极电流 使工作点 在交流负 载线上下 移动引起集射极间 电压uCE相应 地发生变化集电极电流由两部分组成集射极间电压也 由两部分组成放大器各点波形C1RCiCuBEiBICQiCtIBQiBtUBEQuBEtuitUCCuouiC2 RBRLUCEQuCEtuotuCE静态时各点波形输入信 号电压ui发射结在 UBEQ上叠 加ui动态时各点波形发射结电压变 化引起基极在 IBQ上叠加一变 化分量在放大区，iC 与iB成正比， 在ICQ上叠加 一变化分量iC的交变分量 流过RC和RL使uCE在UCEQ

13、 上叠加一交 变电压电容C2隔去 直流，输出交 流分量uo3.放大电路的非线性失真对放大电路，除要求其输出电压尽可能大外，还要求输出不失真。 但由于三极管为非线性器件，当工作点不合适或输出信号过大时，就会产生失真。 交流负载线t00t工作点偏高，引起饱和失真。工作点 偏高iB减小时，工 作点仍在放大 区变化，iC与 iB成正比。iB增加时，工 作点进入饱和 区，iC不随iB 成正比变化。iC的变化通过 RC和RL，即沿 交流负载线使 uCE发生变化， 输出是真波形 。可见，输入波形出现了 失真。由于这种失真是 工作点进入饱和区引起 的，故称为饱和失真。3.放大电路的非线性失真工作点偏低，引起截

14、止失真。交流负载线t00tt00工作点 偏低输入ui随着ui的变 化，工作点 上下移动， 向下进入截 止区。iB产生失 真波形iC波形与 iB相似iC的变化使输出特性 曲线工作点沿交流负 载线上下移动uCE输出 是真波形由于这种失真是 工作点进入截止 区引起的，故称 为截止失真。动态范围分析动态范围是表征放大器放大能力的一个重要指标。通常把最大的不失真输出信号 的幅值称为放大电路的动态范围，它与静态工作点密切相关。 UCB0IB=ICB0UCEQuCESICB0uCES交流负载线0uCE当放大电路加入交流 信号时，工作点将在 静态工作点Q上沿交 流负载线上下移动上移至饱和 区，将产生 饱和失真

15、下移至截止 区，将产生 截止失真uCE向下变 化的最大范 围是忽略UCB0后， uCE向上变化 的最大范围是由于交流信号上下对称， 故最大不失真范围是uCES为集射极 饱和压降，一 般为0.3V左右4. 静态工作点的稳定IBEQUBEQUCCRBRCUCEQ固定偏置电路由输入回路可得可见该电路基极电流是固定不变的，所以被称 为固定偏置电路 工作点的稳定就是集电极静态电流的稳定。温度 对该电路工作点的影响在于：TUBE0IBQICQICQICB0ICQICQ静态工作点的变化交流负载线0温度升高前的 输出特性曲线 和静态工作点温度升高后的 输出特性曲线 和静态工作点ICB0 增加增 加IBQ增 加

16、由此可见，当温度升高时，如果电路其它参数不变的话，静态工作点就从 Q点移至 ， 使信号很容易进入饱和区，产生饱和失真；反之，当温度降 低时，有可能使工作点下移，使信号产生截止失真。显然，固定偏置电路 不能够使静态工作点稳定。 Ui分压式偏置电路UBUEUCEICIBI1UCCRERC RB1RERB1UCC RCUoVC2C1UiRB2RB2其直流通路为忽略IB的影响，UB为：这说明，在这时只取决于外 电路UCC和RB1、RB2、RE， 而与晶体三极管参数无关。 而影响静态工作点稳定的就 是晶体三极管参数随温度的 变化，所以分压式偏置电路 稳定了工作点。 分压式偏置电路稳定静 态工作点的过程是： TICIEUEUB不变UBEIBIC2-2-2 解析法1. 静态分析当晶体三极管工作在放大状态时，UBEQ变化很小，可以近似为常数，即：硅管：UBE 0.60.8V，常取UBEQ（硅管） 0.6V锗管：UBE 0.10.3V，常取UBEQ（锗管） 0.2