第2章 放大电路基础

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1、第2章 放大电路基础本章主要内容(1)放大电路的基本组成和工作原理 (2)放大电路的静态分析和动态分析 (3)共集电极放大电路 (4)场效应晶体管放大电路 (5)多级放大电路 (6) 差分放大电路 (7) 功率放大电路n放大电路又称放大器，它的基本功能是把微弱的电信号不 失真地放大成较强的电信号。n它的基本原理就是用较小的输入信号控制较大的电压或电 流，从而产生增大的输出信号。n其实质就是用较小的能量去控制较大的能量。n实际的放大电路通常由多级组成，如图2.1所示。图2.1多级放大器n首先由传感器将非电形式的物理量（如温度、压力、流量 等）转换成电信号。n由于转换后产生的电信号往往比较微弱，所

2、以需先经过前 几级放大电路得到足够幅度的电压信号，再经过末级功率 放大器得到较强的信号能量去推动执行元件（负载）。n常见的执行元件有扬声器、显示器、继电器及电磁阀等。n从放大器的功能上看，它可以分为电压放大器和功率放大 器两种类型。n从放大器的组成上看，可分为共发射极放大电路、共集电 极放大电路和共基极放大电路。这三种放大电路根据各自 的特点而用在不同场合。2.1基本放大电路的组成和工作原理2.1.1共发射极基本放大电路的组成n图2.2所示是一个共发射极基本放大电路。图2.2共发射极基本放大电路n由图可见，它是由一个晶体管、一个电源、三个电阻、两 个电容及相关连接线所组成的单管放大器，输入信号

3、ui经 电容C1加到晶体管T的基极，放大后的信号从集电极经电 容C2输出。RL为负载电阻。图2.2所示放大器中各元件的作用如下。 （1）NPN型晶体管T是放大电路的核心器件，它起电流放大 作用。 （2）电源UCC使晶体管的发射结正向偏置，集电结反向偏 置，晶体管处于放大状态。 （3）集电极电阻RC将集电极电流的变化转换为电压的变化 ，以实现电压放大，并对集电极电流起限制作用。（4）基极偏置电阻RB提供适当的基极偏置电流，使发射结 正向偏置，并使放大器具有合适的静态工作点。（5）耦合电容C1和C2起隔直流、通交流的作用。C1用来隔 断信号源与放大电路之间的直流通路，C2用来隔断放大电 路与负载之

4、间的直流通路；而对于交流信号，由于C1、C2 的值取得较大，交流信号在其上的压降很小，可近似看为 短路，可以通畅地传递交流信号。2.1.2 共发射极基本放大电路的工作原理n在图2.2所示放大电路中，当电路参数选得合适时，则晶体 管工作在放大状态。此时，如果在放大电路的输入端加上 一个微小的变化电压ui，它经过电容C1传送到晶体管的基 极，基极与发射极之间的电压uBE将跟随ui的变化而变化， 产生变化量uBE。n由于晶体管的发射结处于正向偏置状态，所以当发射结电 压发生变化时，将使基极电流iB产生相应的变化量iB。 由于晶体管的电流放大作用，基极电流的变化将引起集电 极电流iC发生更大的变化，即

5、iC=iB。n从电路的输出回路上看，这个集电极电流的变化将引起集 电极与发射极之间的电压uCE发生相应的变化。由于 uCE=UCC-iCRC，而UCC是恒定不变的直流电源，所以UCE的 变化刚好与iC的变化相反，当iC增大时，uCE将相应减小。 也就是说，uCE将跟随ui做反相变化。nuCE的变化量uCE经电容C2传送到输出端成为输出电压uo ，但uo的幅度将比ui大得多，从而达到信号放大作用。n被放大的输入信号加到基极和发射极组成的输入回路中， 而放大后的信号是在集电极和发射极组成的输出回路输出 ，发射极既在输入回路又在输出回路中，即发射极是两个 回路的公共端，因此这种电路称为共发射极电路。

6、2.2 放大电路的静态分析n所谓静态，是指放大电路没有交流信号输入（ui=0）时的工 作状态；所谓动态，是指放大电路有交流信号输入（ui0） 时的工作状态。n静态分析的目的是确定放大电路的静态值IB、IC、UBE和UCE ，通常称这4个数值为放大器的静态工作点，简称Q点，并 记为IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。n动态分析的目的是确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻 、输出电阻等。n放大电路的静态分析有计算法和图解法两种。2.2.1计算法n 对于图2.2所示的基本放大电路，当其处于静态工作状态时 ，耦合电C1和C2只起隔直作用，可视为开路，所以其直流 通路如图2.3所示。图2.3 共发射极放

7、大电路的直流通路根据图2.3，可求得基极电流IB的静态值为IBQ=(UCC-UBEQ)/RB （2-1） 在计算法中，常认为UBEQ为已知量，对于硅晶体管，通常 取UBEQ为0.60.8V中的某一值，如0.7V；对于锗晶体管， 通常取UBEQ为0.10.3V中的某一值，如0.2V。计算时，也 可将UBEQ忽略不计。 由IBQ可求出集电极电流的静态值为ICQ=IBQ （2-2） 静态时集电极与发射极之间的电压为UCEQ=UCC-ICQRC （2-3）2.2.2 图解法n根据晶体管的输入输出特性曲线，用作图的方法求放大电 路静态工作点的方法称为图解法。 由于晶体管的静态基极电流IBQ和发射结压降U

8、BEQ既需要 满足回路电压方程IBQRB=UCC-UBEQ，又应与晶体管的输入 特性曲线相对应。 所以在输入特性曲线平面上，Q点是回路电压方程 IBQRB=UCC-UBEQ所在直线与晶体管输入特性曲线的交点， Q点所对应的纵坐标值即IBQ，横坐标值即UBEQ，如图2.4 （a）所示。也就是说，只要在晶体管输入特性曲线平面上根据横轴上的 截距UCC和纵轴上的截距UCC/RB连接直线，找到该直线与 输入特性曲线的交点Q，即可求得IBQ和UBEQ。图2.4 用图解法求放大电路的静态工作点n同样，晶体管的静态集电极电流ICQ和集电极-发射极压降 UCEQ既要满足回路电压方程UCEQ=UCC-ICQRC

9、，又应与晶体 管的输出特性曲线相对应。n在输出特性曲线平面上，Q点是回路电压方程UCEQ=UCC- ICQRC所在直线与晶体管对应于静态基极电流IBQ的输出特 性曲线的交点，Q点所对应的纵坐标值即ICQ，横坐标值即 UCEQ，如图2.4（b）所示。n只要在晶体管输出特性曲线平面上根据横轴上的截距UCC 和纵轴上的截距UCC/RC连接直线，找到该直线与对应于 IBQ的输出特性曲线的交点Q，即可求得ICQ和UCEQ。例2.1在如图2.2所示的放大电路中，已知电源电压UCC=10V，基 极电阻RB=250k，集电极电阻RC=2.5k，晶体管的直流电流 放大倍数=50，晶体管的输入特性曲线如图2.4（

10、a）所示，输 出特性曲线如图2.4（b）所示。请分别用计算法和图解法求该 放大电路的静态工作点。 解（1） 用计算法求静态工作点： nIBQ=（UCC- UBEQ）/RBUCC/RB=10V/250k=0.04mA=40AnICQ=IBQ=500.04mA=2mnUCEQ=UCC-ICQRC=10V-2mA2.5k=10V-5V=5V（2） 用图解法求静态工作点： n在图2.4（a）中，根据UCC/RB=10V/250k=40A、 UCC=10V连接直线，与输入特性曲线相交于Q点，由Q点 可查得IBQ40A。n在图2.4（b）中，根据UCC/RC=10V/250k=4mA、 UCC=10V作直

11、流负载线，与IBQ=40A的输出特性曲线相交 于Q点，由Q点查横、纵坐标，得 ICQ=2mAUCEQ=5V 2.3 放大电路的动态分析n放大电路输入端加上交流信号ui后的工作状态，称为动态 。动态时放大电路在直流电源UCC和交流输入信号ui共同 作用下工作，电路中的电流iB、iC和电压uBE、uCE均为两个 分量的叠加（直流分量+交流分量），即 iB=IB+ib （2-4）iC=IC+ic （2-5） uBE=UBE+ube （2-6） uCE=UCE+uce （2-7）n其中，IB、IC和UBE、UCE是直流电源UCC单独作用下产生 的电流和电压，即放大电路的静态值，称为直流分量；而 ib、

12、ic和ube、uce是在交流输入信号ui单独作用下产生的电 流和电压，称为交流分量。n放大电路的动态分析就是在确定静态值以后分析信号的放 大和传输情况，并确定放大电路的电压放大倍数、输入电 阻和输出电阻等。n在进行放大电路的动态分析时，需采用ui单独作用下的交 流通路。交流通路是表示交流分量传递路径的。n在绘制放大电路的交流通路时，由于直流电源内阻很小， 可忽略不计，所以对于交流信号而言，直流电源可视为短 路。n耦合电容的电容值往往很大，容抗近似为零，也可视为短 路。n对于图2.2所示的放大电路，其交流通路如图2.5所示。图2.5 共发射极放大电路的交流通路n放大电路的动态分析方法有图解法和微

13、变等效电路法两种。2.3.1 图解法的动态分析n图解法是进行放大电路动态分析的有效方法。它利用晶体 管的输入输出特性曲线，通过作图的方法来形象直观地观 察信号在电路中的传递过程、各路电流电压的变化情况及 放大电路的工作范围等。 1. 由输入特性曲线求iB和uBEn设放大电路的交流输入信号ui=Uimsint。首先，根据静态 分析方法，求出放大器的静态工点（IBQ、UBEQ、ICQ和 UCEQ），如图2.6所示。（1） 在输入特性曲线上根据交流输入信号ui求uBE和iBn当图2.2的放大电路输入端加上振幅值为Uim的正弦信号ui 后，由于C1的耦合作用，使晶体管基 射极的电压uBE在静 态值UB

14、EQ的基础上发生变化，这时的uBE为 uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsint （2-8）nuBE是由直流分量UBEQ和正弦形式的交流分量ui叠加而成， 其信号波形如图2.6（a）的曲线所示。n由于晶体管基-射极的电压uBE具有控制基极电流iB的作用 ，基极电流iB将随uBE的变化而发生变化，工作点Q在输入 特性曲线上的Q1和Q2之间移动，由此可以作出iB的波形， 它也是直流分量IB和交流分量ib叠加而成，即 iB=IBQ+ib=IBQ+Ibmsint （2-9）niB将随ui按正弦规律变化，其信号波形如图2.6（a）的曲 线所示。（2） 作交流负载线n当在放大电路的输出端接上负载电阻

15、RL后，由于电容C2 的隔直作用，其直流负载线的斜率不变，仍为-1/RC，与 负载电阻RL无关；但在ui作用下的交流通路中，负载电阻 RL与RC并联（见图2.5），输出端的交流负载电阻为 RL=RLRC。由交流负载电阻RL 决定的负载线称为交流 负载线。n由于RLRC，所以其交流负载线比直流负载线陡，交流 负载线的斜率为-1/RL。接上负载电阻RL后的交流负载线 如图2.6（b）所示。图2.6 用图解法分析放大电路的动态工作情况n放大电路的负载电阻RL越小，交流负载线越陡；相反， RL越大，交流负载线越接近于直流负载线。n当RL=即空载时，RL=RC，交流负载线和直流负载线完 全重合。n直流负载线就是负载电阻无穷大即空载时的交流负载线。2. 由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCEn在iB的作用下，工作点Q随iB的变化在交流负载线上的Q1 和Q2之间移动。由iB的波形可以作出ic的波形，如图2.6（ b）中的曲线所示。iC也是由直流分量ICQ和交流分量ic 叠加而成的，即iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsint （2-10）另外，由关系式uCE=UCC-iCRC可知，当iB增大时，iC增大， uCE反而减小；当iB减小时，