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1、2.1 放大电路的基本概念,放大电路（亦称放大器）是一种应用极为广泛的电子电路。 在电视、广播、通信、测量仪表以及其它各种电子设备中，是必不可少的重要组成部分。 它的主要功能是将微弱的电信号（电压、电流、功率）进行放大，以满足人们的实际需要。例如扩音机就是应用放大电路的一个典型例子。其原理框图如图2 -1所示。,图 2-1 扩音机原理框图,第2章 放大电路基础,当人们对着话筒讲话时，声音信号经过话筒（传感器）被转变成微弱的电信号，经放大电路放大成足够强的电信号后，才能驱动扬声器，使其发出比原来大得多的声音。放大电路放大的实质是能量的控制和转换。在输入信号作用下，放大电路将直流电源所提供的能量转
2、换成负载（例如扬声器）所获得的能量，这个能量大于信号源所提供的能量。 因此放大电路的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流信号， 也可能兼而有之。那么，由谁来控制能量转换呢？答案是有源器件，即三极管和场效应管等等。,2.1.1 基本放大电路的组成和工作原理1. 基本放大电路的组成所谓基本放大电路是指由一个放大器件（例如三极管）所构成的简单放大电路。由前面的分析可知，三极管有三个电极， 因此有三种不同的电路组态。下面以应用最广泛的共射电路为例， 说明其组成原则和工作原理。 图2-2所示电路中，AO为放大电路的输入端，外接需要放大的信号ui；BO为放大电路的输出端，外接负
3、载，发射极是放大电路输入和输出的公共端， 所以该电路是共射基本放大电路。,图 2-2 单管共射基本放大电路,在放大电路中，常把输入电压、输出电压以及直流电压的公共端称为“地”， 用符号“”表示，实际上该端并不是真正接到地，而是在分析放大电路时， 以“地”点作为零电位点（即参考电位点），这样，电路中任一点的电位就是该点与“地”之间的电压。,2. 工作原理假设电路中的参数和三极管的特性能保证三极管工作在放大区。 当输入信号为零时，放大电路中只有直流信号，放大电路的输入端AO等效为短路。这时，C1与发射结并联，C1两端的直流电压UC1=UBE，极性为左负右正。同理，C2两端的电压UC2=UCE， 极
4、性为左正右负。 当输入信号加入放大电路时，输入的交流电压ui通过电容C1加在三极管的发射结。设交流电压为 ui=Uimsint,那么，此时发射结上的瞬时电压uBE为 uBE=UC1+ui=UBE+Uimsint 上式表明三极管发射结上的电压是直流电压和交流电压的叠加， 也就是说在直流信号基础之上叠加了一个交流信号。 在uBE的作用下，基极电流iB为 iB=IB+ib=IB+Ibmsint 由于三极管集电极电流iC受基极电流iB的控制，根据iC=iB，则有 iC=IB+Ibmsint=IC+ICmsint,上式中ICmsint是被放大了的集电极交流电流ic，从图2-2可以看到集电极和发射极之间的
5、电压uCE为 uCE=UCC-iCRc当输入信号ui增大时，交流电流ic增大，Rc上的电压增大， 于是uCE减小；当ui减小时，ic减小，Rc上的电压随之减小，故uCE增大。可见uCE的变化正好与ic的变化方向相反，因此uCE是在直流电压UCE基础上叠加一个与ui变化相反的交流电压uce，即,uCE=UCE+uce=UCE-Ucemsint,瞬时电压uCE中的交流分量经电容C2耦合到放大电路的输出端，于是在输出端得到一个被放大了的交流电压uo，该电压为 uo=uce=-Ucemsint通过上述分析可知，三极管的放大是对输入信号的变化量进行放大，即在输入端加一微小的变化量，通过基极电流对集电极电
6、流的控制作用，在输出端得到一个被放大了的变化量，放大部分的能量由直流电源提供。上述三极管各电极的电压、电流波形，如图2 - 2所示。,图 2-2 单管共射基本放大电路,2.1.2 放大电路的性能指标,任何一个放大电路都可以看成一个二端网络。图2-3为放大电路示意图，左边为输入端口，外接正弦信号源 ，Rs为信号源的内阻，在外加信号的作用下，放大电路得到输入电压 ，同时产生输入电流 ；右边为输出端口，外接负载RL，在输出端可得到输出电压 ，输出电流 。,图 2-3 放大电路示意图,1 放大倍数放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标。电压放大倍数是输出电压的变化量和输入电压的变化量之比。当放大电路
7、的输入为正弦信号时，变化量也可用电压的正弦量来表示，即,(2-1),电流放大倍数是输出电流的变化量和输入电流的变化量之比， 用正弦量表示为,(2-2),2. 输入电阻放大电路的输入端外接信号源，对信号源来说放大电路就是它的负载。 这个负载的大小就是从放大电路输入端看进去的等效电阻，即放大电路的输入电阻Ri。通常定义输入电阻Ri为输入电压与输入电流的比值，即,(2-5),Ri越大，则放大电路输入端从信号源分得的电压越大，输入电压 越接近于信号源电压 ，信号源电压损失小；Ri越小， 则放大电路输入端从信号源分得的电压越小，信号源内阻消耗的能量大，信号源电压损失大，所以希望输入电阻越大越好。,3 输
8、出电阻放大电路的输出端电压在带负载时和空载时是不同的，带负载时的输出电压 比空载时的输出电压 有所降低，这是因为从输出端看放大电路， 放大电路可等效为一个带有内阻的电压源， 在输出端接有负载时，内阻上的分压使输出电压降低，这个内阻称为输出电阻Ro，它是从放大电路输出端看进去的等效电阻。通常定义输出电阻Ro是在信号源短路（即 =0, Rs保留），负载开路的条件下，放大电路的输出端外加电压 与相应产生的电流 的比值，即,(2-6),在实际工作中，也可根据放大电路空载时测得的输出电压 和带负载时测得的输出电压 来得到，即,(2-7),输出电阻是衡量放大电路带负载能力的一项指标， 输出电阻越小，表明带
9、负载能力越强。,4 通频带,图 2-4 放大电路的频率指标,当放大倍数从 下降到 （即0.707 ）时，在高频段和低频段所对应的频率分别称为上限截止频率fH和下限截止频率fL。fH和fL之间形成的频带宽度称为通频带，记为fBW。,(2-8),通频带越宽表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。 但是通频带宽度也不是越宽越好，超出信号所需要的宽度，一是增加成本，二是把信号以外的干扰和噪声信号一起放大， 显然是无益的。所以应根据信号的频带宽度来要求放大电路应有的通频带。,5 非线性失真系数由于放大器件具有非线性特性，因此它们的线性放大范围有一定的限度，超过这个限度， 将会产生非线性失真。当输入单一
10、频率的正弦信号时，输出波形中除基波成分外，还含有一定数量的谐波，所有的谐波成分总量与基波成分之比，称为非线性失真系数D。设基波幅值为A1、二次谐波幅值为A2、三次谐波幅值为A3、，则,(2-9),6 最大不失真输出电压最大不失真输出电压是指在输出波形不失真的情况下，放大电路可提供给负载的最大输出电压。一般用有效值Uom表示。,7 最大输出功率和效率最大输出功率是指在输出信号不失真的情况下，负载上能获得的最大功率，记为Pom。在放大电路中，输入信号的功率通常较小，经放大电路放大器件的控制作用将直流电源的功率转换为交流功率，使负载上得到较大的输出功率。通常将最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率P
11、V之比称为效率，即,(2-10),它反映了直流电源的利用率。,2.1.3 直流通路和交流通路由放大电路的工作原理可知，放大电路工作在放大状态时， 电路中交直流信号是并存的。为了便于分析，常将交流信号和直流信号分开研究。 这样就需要根据电路的具体情况，正确地画出直流通路和交流通路。所谓直流通路是指在直流电源作用下，直流电流所流经的路径。画直流通路的原则是电容视为开路、电感视为短路。所谓交流通路是指在输入信号作用下，交流电流所流经的路径。画交流通路的原则是容量大的电容视为短路（如耦合电容），直流电压源（忽略其内阻）视为短路。,现以单管共射放大电路为例，画出直流通路和交流通路。在图2-2中，由于UB
12、B和UCC的负端连在一起，为了方便起见，只用一个电源即可。方法是省去基极直流电源UBB，适当调整基极电阻Rb数值，将其接到集电极直流电源UCC的正端，同样可保证发射结正偏。直流电源UCC的电池符号可以不画，只标出它对“地”的电压大小和极性，其正端接集电极电阻Rc，以保证集电结反偏。 如此按习惯画法画出外接信号源和负载的单管共射放大电路如图2-5（a）所示。 根据上述画直流通路和交流通路的原则可得到图2-5（a）的直流通路和交流通路如图2-5（b）和（c）所示。,图 2-5 单管共射放大电路的直流通路和交流通路 (a) 单管共射放大电路； (b) 直流通路； (c) 交流通路,2.1.4 静态工
13、作点的设置当外加输入信号为零时，放大电路处于直流工作状态或静止状态，简称静态。此时，在直流电源UCC的作用下，三极管的各电极都存在直流电流和直流电压，这些直流电流和直流电压在三极管的输入和输出特性曲线上各自对应一点Q，该点称为静态工作点。静态工作点处的基极电流、基极与发射极之间的电压分别用IBQ、UBEQ表示，集电极电流、集电极与发射极之间的电压分别用ICQ、UCEQ表示。 由图2-5（b）的直流通路可求得静态基极电流为,(2-11),在近似估算中常认为UBEQ为已知量，可近似认为硅管的UBEQ=0.7 V，锗管的UBEQ=0.2 V。 ,由图2-5（b）的集电极回路可得,(2-13),已知三
14、极管的集电极电流与基极电流之间的关系为 ， 则集电极电流为,假设图2-5（a）是不设静态工作点的放大电路，即将基极电阻Rb去掉，当在输入端加入正弦交流电压信号时，由于三极管的发射结的单向导电作用， 在输入信号的负半周发射结反向偏置，三极管截止，基极电流和集电极电流均为零， 输出端没有输出。 在输入信号的正半周，由于输入特性存在导通电压且在起始处弯曲，使基极电流不能马上按比例地随输入电压的大小而变化， 导致输出信号失真。因此放大电路中必须设置静态工作点，即在没有输入信号时，就预先给三极管一个基极直流电流， 使三极管发射结有一个正向偏置电压，当加入交流信号后，交流电压叠加在直流电压上， 共同作用于
15、发射结，如果基极电流选择适当，可保证加在发射结上的电压始终为正， 三极管一直工作在线性放大状态，不会使输出波形失真。 此外，静态工作点的设置不仅会影响放大电路是否会产生失真， 还会影响放大电路的性能指标，如放大倍数、最大输出电压等，这些将在后面加以说明。,2.2 放大电路的图解分析法,2.2.1 静态工作点的图解分析,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,共射极放大电路,1. 静态工作点的图解分析, 列输入回路方程, 列输出回路方程（直流负载线）VCE=VCCICRc, 首先，画出直流通路,直流通路, 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲
16、线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。, 在输入特性曲线上，作出直线 ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的波形,2. 动态工作情况的图解分析, 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE 的波形, 共射极放大电路中的电压、电流波形,2.2.2 静态工作点对波形失真的影响,截止失真的波形,饱和失真的波形,图解分析法的适用范围,幅度较大而工作频率不太高的情况,优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。,缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,
