放大电路的基本原理

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1、放大电路的基本原理内容提要： 单管放大电路是组成各种复杂放大电路的基本单元。本章首先以单管共发射极放大电路为例，阐明放大电路的组成 以及实现放大作用的基本原理。然后介绍电子电路最常用的两种分析方V一图解法和微变等效电路法，并利用上述方法分析 单管共发射极放大电路的静态工作点、电压放大倍数和输入、输出电阻。由于温度变化将对半导体器件的参数产生影响，进而引起放大电路静态工作点的变动，为此，介绍了一种常用的分压式静态工 作点稳定电路。除了单管共发射极放大电路以外，也介绍了放大电路的另外两种组态一一共集电术组态和共基极组态放大电路，并对三种不同 组态的特点进行了列表比较。在双极型三极管放大电路的基础上

2、，介绍了场效应管放大电路的特点和分析方法。 在本章的最后，介绍了组成多级放大电路最常用的三种耦合方式，分析了多级放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。学习要求： 对于放大电路的两种基本分析方法，要求熟练掌握用简化的h参数等效电路分析放大电路的Au、Ri和Ro的方法，掌握rbe 的近似估算公式。正确理解如何利用图解分析放大电路的静态和动态工作情况。 掌握放大电路的三种基本组态（共射、共集和共基组态）的工作原理和特点。 正确理解温度变化对三极管参数的影响，掌握分压式工作点稳定电路的工作原理和计算方法。 掌握由场效应管组成和共源和共漏放大电路和工作原理以及微变等效电路法分析Au、Ri和Ro的方法。

3、了解场效应管与双极 型三极管相比有所特点。 掌握直接耦合多级放大电路的工作原理，电压放大倍数的计算方法。正确理解零点漂移现象。一般了解其他两种耦合方式（阻 容耦合、变压器耦合）的特点。2.1 放大的概念放大电路的应用十分广泛，无论日常使用的收音机、扩音器，或者精密的量测仪器和复杂的自动控制系统等，其中通常都有各 种各样的放大电路。在这些电子设备中，放大电路的作用是将微弱的信号放大，以便于人们量测和利用。例如，从收音机天线 接收到的信号，或者人传感器得到的信号，有时只有微伏升毫伏数量级，必须经过放大才能驱动喇叭发出声音，或者驱动批示 设备和执行机构，便于进行观察、记录和控制。由于放大电路是电子设

4、备中使用最普遍的一种基本单元，因而是模拟电子技术 课程中最基本的内容之一。 所谓放大，表面看来是将信号的幅度由小增大，但是在电子技术中，放大的本质首先是实现能量的 控制。由于输入信号（例如从天线或传感器得到的信号）的能量过于微弱，不足以推动负载（例如喇叭或批示仪表、执行机构）， 因此需要在放大电路中加另外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出圈套的能量，然后推动负载。这 种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。另外，放大作用涉及到变化量的概念。也就是说，当输入信号有一个比较小的变化量时，要求在负载上得到一个较大变化量的 输出信号。而放大电路的放大倍数也是指输出信号与输入信号的

5、变化量之比。由此可见，所谓放大作用，其放大的对象是变化 量。已经知道，双极型三极管的基极电流对集电极电流有控制作用，同样，场效应管的栅源之间的电压对漏极电流也有控制作用， 因此，这两种器件都可以实现放大作用，它们是组成放大电路的核心元件。下面以单管共发射极放大电路为例，介绍放大电路的组成和放大的基本原理。221单管共发射极放大电路的组成 下图是一个单管共发射极（以下简称单管共射）放大电路的原理电路图。电路中有一个双极型三极管作为放大器件，因此是单 管放大电路。由图可见，输入回路与输出回路的公共端是三极管的发射极，所以称为单管共射放大电路。在电路中，NPN型三极管TV担负着放大作用，是放大电路的

6、核心。VCC是集电极直流电源，为输入信号提供能量。RC是集 电极负载电阻，集是极电流iC通过Rc,从而将电流的变化转换为集电极电压的变化，然后传送到放大电路的输出端。基极直 流电源VBB和基极电阻Rb的作用是，一方面为三极管的发射结提供正抽偏置电压；同时，二者共同决定了当不加输入电压时 三极管基极回路的电流，这个电流称为静态基流。在以后的分析中将会看到，静态基流的大小对放大作用的优劣，以及放大电 路的其他性能有着密切的关系。在单管共射放大电路中，仅仅具备上述各个组成部分还不足以保证电路很好地起放大作用。为了使三极管工作在放大区，还必 须使发射结正向偏置，集电结反向偏置，为此，VCC, RC、V

7、BB和Rb等元件的参数应与电路中三极管的输入、输出特性有适 当的配合关系。2.2.2单管共发射极放大电路和工作原理本节将定性地分析如上图所示的单管共射放大电路如何实现放大作用。假设电路中的参数及三极管的特性能够保证三极管工作在放大区。此时，如果在放大电路的输入端加上一个微小的输入电压变 化量AuI，则三极管基极与发射极之间的电压也将随之发生变化，产生uBE。因三极管的发射结处于正向偏置状态，故当发射 结电压发生变化时，将引起基极电流产生相应的变化，得到uB。由于三极管工作在放大区，具有电流放大作用，因此，基极 电流的变化将引起集电极电流发生更大的变化，即&C等于&B的p倍。这个集电极电流的变化

8、量流过集电极负载电阻RC，使 集电极电压也发生相应的变化。由上图可见，当iC增大时，RC上的电压降也增大，于是UCE将降低，因为RC上的电压与UCE之和等于VCC,而这个集电极直流电源是恒定不变的，所以UCE的变化量auCE与NC在RC上产生的电压变化量数值 相等而极性相反，即 uCE=-AiCRC。在本电路中，集电极电压UCE即等于输出电压U。，故auO=auCE。 综上可知，当输入电压有一个变化量auI时，在电路中将依次产生以下各个电压或电流的变化量:auBE，AiB，AiC，auCE和 AuO。当电路参数满足一定条件时，可能使输出电压的变化量AUO比输入电压的变化量AUI大得多，也就是说

9、，当在放大电路 的输入端加上一个微小的变化量AUI时，在输出端将得到一个放大了的变化量AuO，从而实现了放大作用。从以上的分析可知，组成放大电路时必须遵循以下几个原则：首先，外加直流电源的极性必须使三极管的发射结正向篇置，而集电结反抽偏置，以保证三极管工作在放大区。此时，若基极 电流有一个微小的变化量AiB,将控制集电极电流产生一个较大的变化量AiC，二者之间的关系为AiC=pAiB。其次，输入回路的接法应该使输入电压的变化量AUl能够传送到三极管的基极回路，并使基极电流产生相应的变化量AiB。第三，输出回路的接法应使集电极电流的变化量AiC能够转化为集民极电压的变化量auCE，并传送到放大电

10、路的输出端。 只要符合上述几项原则，即使电路的形式有所变化，仍然能够实现放大作用。现在来观察上图所示的单管共射放大电路。这是一个原理性电路，若付诸实用主要存在两个缺点，其一，在这个只有一个放大 元件的简单电路中需要两路直流电源VCC和VBB，既不方便也很不经济；其二，放大电路的输入电压uO不共地，在实际应用 时也不可取。为此，可以根据上述组成放大电路的几项原则，对原来的电路加以改进。见下图。首先，省去基极直流电源VBB,将基极电阻Rb改接到VCC的正端。由上图（a）可见，VCC的极性能够保证发射结正向偏置。 其次，将输入电压uO的一端接至公共端，以便与uI共地，另一端通过电容C1接到三极管的基

11、极，如上图（a）所示。在一定 的信号频率时，输入电压中的交流成分能够基本上没有衰减速地通过电容到达基极，但其中的直流成分则不能通过。这样的电 容称为隔直电容或耦合电容。与输入回路的接法类似，三极管的集电极也通过一个隔直电容C2接到输出端，图中的RL是放大 电路的负载电阻。上图所示的电路通常称为阻容耦合单管共射放大电路。上图（a）中的电路克服了原来的缺点，比较实用，而且电路符合组成放大电路的三项原则，能够实现放大作用。今后，为了简化画图过程，通常不将直流电源VCC画出，而只标出其正端，如上图（b）所示。一、放大倍数放大倍数是描述一个放大电路放大能力的指标，其中电压放大倍数军定义为输出电压与输入电

12、压的变化量之比。当输入一个正 弦测试电压时，也可用输出电压与输入电压的正弦相量之比来表示，即（2.3.1）与此类似，电流放大倍数定义为输出电流与输入电流的变化量之比，同样也可用二者的正弦相量之比来表示，即A（2.3.2）必须注意，以上两个表达式只有在输出电压和输出电流基本上也是正弦波，即输出信号没有明显失真的情况下才有意义。这一 点也适用于以下各项有关指标。二、最大输出幅度表示在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够提供给负载的最大输出电压（或最大输出电流），一般指电压的有效值， 以Uom表示。也可用峰一峰值表示，正弦信号的峰一峰值等于其有效值的2倍。三、非线性失真系数由于放大器件输入、输

13、出特性的非线性，因此放大电路的输出波形不可避免地将产生或多或少的非线性失真。当输入单一频率 的正弦波信号时，输出波形中除基波万分外，还将含有一定数量的谐波。所有的谐波总量与基波成分之比，定义为非线性失真 系数，符号为D,式中U1、U2、U3等分别表示输出信号中基波、二次谐波、三次谐波等的幅值。四、输入电阻从放大电路的输入端看进去的等效电阻称为放大电路的输入电阻。此处只考虑中频段的情况，故从放大电路输入端看，等效为 一个纯电阻Ri。输入电阻Ri的大小等于外加正加正弦输入电压与相应的输入电流之比，即J（2.3.4）输入电阻这项技术指标描述放大电路对信号源索取电流的大小。通常希望放大电路的输入电阻愈

14、大愈好，Ri愈大，说明放大电 路对信号源索取的电流愈小。五、输出电阻输出电阻是从放大电路的输出端看进去的等效电阻。在中频段，从放大电路的输出端看，同样等效为一个纯电阻Ro。输出电阻Ro的定交是当输入端信号短路（即US=0,但保留RS），输出端负载开路（即RL=8）时，外加一个正弦输出电压U。，得 到相应的输出电流I。，二者之比即是输出电阻R。，即（2.3.5）实际工作中测试输出电阻时，通常在输入端加上一个固定的正弦交流电压Ui，首先使负载开路，测得输出电压为U。，然后接 上阻值为RL的负载电阻，测得此时的输出电压为U。，的输出回路可得到心=（字T）&（2.3.6）输出电阻是描述放大电路带负载能

15、力的一项技术指标。通常希望放大电路的输出电阻愈大愈好。R。愈小，说明放大电路的带负 载能力愈强。六、通频带由于放大器件本身存在极间电容，还有一些放大电路中接有电抗性元件，因此，放大电路的放大倍数将随着信号频率的变化而 变化。一般情况下，当频率升高或降低时，放大倍数都将减小，而在中间一段频率范围内，因各种电抗性元件的作用可以忽略， 故放大倍数基本不变。通常将放大倍数在高频和低频段分别下降至中频段放大倍数的时所包括的频率范围，定义为放大电路的 通频带，用符号BW表示。显然，通频带愈宽，表明放大电路对信号频率的变化具有更强的适应能力。七、最大输出功率与效率放大电路的输出功率，是指在输出信号不产生明显

16、失真的前提下，能够向负载提供的最大输出功率，通常用符号Pom表示。前已述及，放大的本质是能量的控制，负载上得到的输出功率，实际上是利用放大器件的控制作用将直流电源的功率转换成交 流功率得到的，因此就存在一个功率转换的效率问题。放大电路的效率n定义为最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PV 之比以上介绍了放大电路的几个主要技术指标，此外，针对不同的使用场合，还可能提出其他一些指标，例如电源的容量、抗干扰 能力、信号噪声比、重量、体积以及工作温度的要求等，因限于篇幅，在此不作具体介绍。24 放大电路的基本分析方法双极型三极管或场效应管是组成放大电路的主要器件，而它们的特性曲线都是非线性的，因此，对放大电路进行定量分析时， 主要矛盾在于如何处理放大器件的非线性问题。对此问题，常用