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1、第五章 放大电路基础放大电路也称放大器，其作用是将微弱的电信号进行放大，它是组成各种电子电路的基础，应用十分广泛。对放大电路的主要要求有两个方面：第一是要具有一定的放大能力，放大后的输出信号电压（电压放大器）或输出信号功率（功率放大器）达到要求；第二是失真要小，即放大后输出信号的波形应尽可能保持与输入信号波形一致。放大器的种类很多，按照信号的频率划分，可分为低频放大器、中频放大器、高频放大器和直流放大器等。本章通过对低频电压放大器（信号频率从 20 Hz200 kHz）的介绍，来了解放大电路的一些基础知识。首先介绍简单的三极管放大电路的组成和工作原理，然后讨论三极管放大电路静态工作点变动的原因
2、及其影响，并介绍静态工作点稳定的电路。放大电路往往是由多个单级放大电路组成的，本章还将介绍多级放大电路常用的三种耦合方式，以及放大器频率特性的概念和负反馈放大器。第一节 共发射极基本放大电路一、电路组成uiuo图5.1 单管放大电路图 5.1 所示是简单的单管共发射极放大电路。电路左边aa两点间为输入端，要放大的输入交流信号ui加于输入端；右边bb两点间为输出端，输出放大后的交流信号 uo 到外接负载RL。电路以发射极作为输入和输出的公共电极，所以属于共发射极电路。1. 电路元件的作用（1）三极管 V 的作用它是放大电路的核心元件，利用它的电流放大作用可放大输入信号。即将微小的基极电流变化量转
3、换成较大的集电极电流变化量，反映三极管的电流控制作用。（2）基极电源和偏置电阻 Rb的作用电压为 UBB的基极电源通过 Rb 给三极管发射结加正向偏置电压。在 UBB一定时，Rb 的作用是保证三极管处于合适的直流工作状态，即通过调节 Rb 的数值，可使在无输入信号（ui0）时，加于三极管发射结的直流电压UBE和直流电流 IB（简称偏流）达到合适的数值。所以 Rb 又常称为偏流电阻。通常 Rb 的数量级为101102 kW。（3）集电极电源和集电极电阻Rc的作用电压为 UCC 的集电极电源通过Rc 给集电结加反向偏置电压，UCC一定时，Rc 可以在无输入信号时，使三极管的集电极直流电压 UCE达
4、到合适的数值。此外，Rc还将集电极电流的变化量转换为集电极电压的变化量，也就是通过 Rc 把三极管的电流放大特性转化为电压放大特性。Rc数量级为102103 W。（4）耦合电容C1、C2的作用C1和C2分别接于放大电路的输入端和输出端，它们有如下两点作用： 隔断直流，即隔断放大电路与信号源、放大电路与负载的直流通路，使电路的直流工作状态不受信号源和负载的影响。 耦合交流，即输入的交流信号ui可以通过 C1加于三极管基极到发射极间；输出交流信号uo可以通过C2输出给负载电阻RL。在低频放大电路中，耦合电容的容量较大，为 550 mF，一般采用电解电容，在电路中连接时要注意它的极性。2. 电路简化
5、和习惯画法图 5.1 所示电路中用两个直流电源（UCC 和 UBB）供电，这在实用上是不方便的。由于UCC 和 UBB的负极是连在一起的，所以可以用一个电源供电。在图 5.1 中，当选用 UBB 等于UCC 时，则p、s两点等电位，将p、s两点进行连接，即可省一组电源，如图 5.2 所示。UBB提高到UCC的数值后，只需相应提高Rb的数值，就可以使发射结获得合适的正向偏压。在电路中，通常还把输入回路和输出回路的公共端称为“地”（实际并不一定接到大地，往往接机壳或底板），并把“地”当作零电位，作为电路中其余各点电压的参考点。电路中各点的电位如无特殊注明，都是指该点对“地”的电位。在图 5.2 中
6、，UCC 负极接地，所以在图中可以只标出它的极性和大小，不再画出电源的符号，如图 5.3 所示。这是电子电路中的习惯画法，后面将经常采用这种画法。 图5.2 单电源供电的单管放大电路 图5.3 单管放大电路的习惯画法二、电压、电流符号和正方向的规定放大电路工作时，三极管各极电压和电流都是变化量，每一时刻电压、电流的数值称为瞬时值，这个瞬时值又包括直流分量和交流分量。为了清楚地表示瞬时值、直流分量和交流分量，以下通过电压、电流符号的大小写和下角标的大小写加以区别，如表 5.l 所示。电压和电流的正方向是相对而言的，为了便于分析，一般规定：不论是电压的瞬时值、直流分量或交流分量，都以“地”为参考点
7、（零电位）；电流不论是瞬时值、直流分量或交流分量，都以流入晶体管的基极和集电极为电流正方向。表5.1 三极管各极电压和电流的瞬时值、直流分量和交流分量的表示方法下 标大 写小 写电压或电流符号小 写瞬 时 值iB iC uBE uCE交 流 分 量ib ic ube uce大 写直 流 分 量IB Ic UBE UCE交流有效值（或最大值）Ib (Ibm) Ic (Icm)Ube(Ubem) Uce(Ucem)三、单管放大电路的工作原理下面分两种情况讨论电路的工作原理：一是无输入信号，电路处于静止状态（ui0，静态）时的情况；二是加入ui，放大电路进入交流工作状态（动态）时的情况。1. 静止状
8、态（1）直流通路与静态工作点在放大电路没有输入信号（ui0）时，UCC通过Rb和 Rc加到晶体三极管，使管子产生直流的基极电流 IB、集电极电流 IC，并呈现直流的发射结电压 UBE 和集电极发射极间电压UCE。由于 ui0时，电路中的电流、电压都是不随时间变化的直流量，放大电路处于直流工作状态或静止状态，简称静态。静态时三极管的基极直流 IB、UBE，集电极直流IC、UCE的数值，与晶体三极管输入、输出特性曲线上一点 Q 相对应，如图 5.4 所示。Q 点称为放大电路的静态工作点。为了表明 IB、IC、UBE、UCE是对应于 Q 点的静态值，分别将它们写作 IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ
9、。OOUBEQuBEuCEUCEQIBIBQ （a）输入特性曲线 （b）输出特性曲线图5.4 静态工作点的表示放大电路未加输入信号时，由于电容的隔直作用，不会有直流电流通过耦合电容 C1、C2，所以 C1、C2对直流而言可视为开路，电路的直流通路如图 5.5 中实线部分所示。在静态时，电容 C1 充电后两端加上直流电压，数值等于三极管基极对地电压 UBEQ；同样，C2两端也加上直流电压，数值等于集电极对地电压 UCEQ。在设计电路时，C1 和 C2 的容量均选得足够大，这样加入交流信号后，电容两端的直流电压数值将基本不变。ui0图5.5 放大电路的直流通路（2）静态工作点的计算放大电路的静态工
10、作点指的是放大电路在静态时二极管的电压和电流值。由图 5.5 可知，基极直流回路由 UCC、Rb、三极管基极和发射极组成，所以，静态直流电流为 （5.1）由于发射结是正向偏置，UBEO 很小，对于硅管约为 0.7 V，锗管则约为 0.3 V，当满足UCCUBEQ时，可取 （5.2）式（5.2）表明，在 UCC 和 Rb 确定之后，静态基极电流（偏流）IBQ 近似为一固定值，因此常把这种电路称为固定偏置放大电路。由于晶体管的电流放大作用，对应于静态基极电流IBQ，集电极电流ICQ应为ICQbIBQ （5.3）从图 5.5 可看出，集电极直流回路为 UCC、Rc、三极管集电极和发射极所组成，所以U
11、CEQUCCICQRc （5.4）根据以上各式，就可以估算出放大电路的静态工作点。由于集电极电压 UCEQ是直流电压，不能通过隔直流电容器 C2，所以静态时输出端的电压uo0。例 5.1 在图 5.3 中，已知Rb135 kW，UCC6 V，Rc1 kW。三极管 V 是 NPN 型硅管，b50。求该放大电路的静态工作点。解 IBQ0.044（mA）44（mA）ICQbIBQ500.0442.2（mA）UCEQUCCICQRc62.213.8（V）例 5.2 在图 5.3 所示放大电路中，UCC24 V，三极管 b50，已选定静态工作点为ICQ1 mA，UCEQ8 V，试计算Rb和Rc之值。解
12、IBQ0.02（mA）20（mA）Rb1 220（kW）Rc16（kW）（3）静态工作点的意义通过控制IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ的数值，可使静态工作点位于放大区（见图 5.4），输入交流信号不失真地放大。如果静态工作点安排不合适，放大器将不能正常工作。如在图 5.6（a）中，由于 Rb没有接UCC，所以UBEQ、IBQ、ICQ 几乎为零，UCEQUCC。由图 5.6（b）所示输入特性曲线可见，这时静态工作点位于 O 点（截止区）。输入信号 ui 加入后，uBEui。在ui的负半周，晶体管的发射结反向偏置，因此没有基极电流产生。在ui的正半周，如果ui幅度很小，不超过输入特性曲线截止区电
13、压，晶体管的基极电流、集电极电流仍近似为零（如图中当ui波形为虚线情况时），即放大电路对小信号失去放大作用。 （a）放大电路 （b）输入特性曲线图5.6 静态工作点的意义IBQ IBQ uBE uBE uBEQ图5.7 正确安排静态工作点，信号不失真放大如果输入信号的幅度足够大（如图中 ui 波形为实线情况时），也只有在ui的正半周，才使基极电流产生相应的变化。从图中可见，这时的基极电流的波形与ui有很大差别，ui是一个正弦波，而 iB 是一系列脉冲波，产生了严重的非线性失真。在这种情况下，输出信号 uo与输入信号ui必然产生严重的失真，放大器不能正常工作。为了避免放大电路产生严重的失真，就必
14、须正确地安排静态工作点，即在无信号时就应预先给发射结加一个正向偏压 UBEQ，使晶体管有一静态基极电流IBQ，如图 5.7 所示。这样，随 ui 变化的 iB始终处于放大区内，在ui的整个周期内，三极管均不会截止，从而避免了放大电路产生失真。由此可见，1 个放大电路，为了不失真地放大交流信号，必须安排合适的静态工作点，使晶体管处于合适的直流工作状态，以保证放大电路的正常工作。2. 交流工作状态从以上分析知道，输入信号电压 ui0 时，放大电路处于静止状态，在这个基础上加入输入信号 ui 后，则放大电路进入交流工作状态，简称动态。此时，电路中的电压、电流随输入信号作相应变化。（1）动态时三极管各极电压和电流的波形在图 5.8 所示电路中，设输入信号为一幅度很小的正弦波，即：uiUimsin图5.8 放大电路加入ui的情况则三极管各极电压和电流的波形如图 5.9 所示。ui iC图5.9 放大电路中各点波形加入ui后，三极管基极发射极间的瞬时电压uBE为电容C1 两端电压和ui的叠加，由于耦合电容取值较大，使得在ui正、负交变时 C1 两端电压保持 UBEQ 基本不变，所以
