第3章 基本放大电路

第三章基本放大电路计算机电路基础上海第二工业大学计算机与信息学院第3章基本放大电路3.3射极输出器3.4场效应管放大电路3.5多级放大电路3.2工作点稳定的放大电路3.1三极管放大电路基础3.6差动放大电路3.7功率放大电路3.8负反馈放大电路3.1三极管放大电路基础3.1.1放大电路的基本概念和指标3.1.2共发射极放大电路的组成退出3.1.3共发射极放大电路的分析方法3.1.1放大电路的基本概念和指标1放大电路的基本概念放大电路的功能是将微弱的电信号（电压、电流或功率）放大到所需要的数值，从而使电子设备的终端执行元件有所动作或显示。放大部分一般由多级构成，前面一般为前置电压放大电路，用于放大信号电压。最后是功率放大电路，用于得到较大的信号功率去驱动负载。传感器前置电压放大功率放大负载经常采用正弦信号发生器作为信号源来分析和调试放大电路。因此在本章中，用正弦电压作为信号源，用纯电阻作为负载来讨论放大电路的性能。2放大电路的性能指标一、电压放大倍数AuiouUUA||Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值。二、输入电阻riiiiIUr三、输出电阻roOOoIUr四、通频带BW表示符号规定UA大写斜体字母、大写下标，表示直流量。uA小写斜体字母、大写下标，表示总瞬时值。ua小写斜体字母、小写下标，表示交流瞬时值。uAua总瞬时值交流分量tUA直流分量3.1.2共发射极放大电路的组成三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理3.1.2共发射极放大电路的组成放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。iBiCiEuiuCEuocbeuBETC1C2ccVusRsRbRcRL集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。iBiCiEuiuCEuocbeuBETC1C2ccVusRsRbRcRL集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。iBiCiEuiuCEuocbeuBETC1C2ccVusRsRbRcRL耦合电容隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。iBiCiEuiuCEuocbeuBETC1C2ccVusRsRbRcRL直流通道和交流通道放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的电路中分析。3.1.3共发射极放大电路的分析方法由于电源的存在IB0IC0一、静态分析IBICcbeUBE+VccUCERbRc(IBQ,UBEQ)(IBQ,UBEQ)1.2.在室温下，三极管充分导通后，可近似认为：UBE=0.7V（硅管）或UBE=0.3V（锗管）3.4.bCCbBEQCCBQRVRUVIBQCQIICCQCCCEQRIVU例：用估算法计算静态工作点。已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：A40mA04.030012BCBQREImA5.104.05.37BQBQCQIIIV645.112CCQCCCEQRIUU请注意电路中IBQ和ICQ的数量级。短路短路置零RB+VCCRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路2动态分析三极管的微变等效电路（1）输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBEiBbbeBBEbeiuiur对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。)mA()mV(26)1()(300EbeIrrbe的量级从几百欧到几千欧。（2）输出回路iCuCEbcii即：输出端相当于一个受ib控制的电流源。近似平行cceceiurrce的含义：iCuCEubeibuceicrbeibibbcecbe输出回路忽略了rce的作用。sURiRooUbibiiURsRbrbeRcRLbeLbebLbiourRrIRIUUARO=RCRi=Rb∥rbe≈rbe（Rbrbe）放大倍数输入阻抗和输出阻抗放大电路的工作条件1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。3.2工作点稳定的放大电路3.2.1温度对放大电路的影响3.2.2工作点稳定的放大电路退出3.2.1温度对放大电路的影响三极管是一种对温度敏感的电子元件，它的所有参数几乎都与温度有关：例如：1、温度对UBE的影响：TUBEIBIC2、温度对值及ICEO的影响T、ICEOICiCuCEQQ´总的效果是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。方法2：在直流偏置电路中引入负反馈来稳定静态工作点。C1C2CeoUccV（a）sUccVI1I2ICIEIBUCEUBE（b）RsRb1Rb2Rb1Rb2RcReReRLRcB3.2.2工作点稳定的放大电路I1I2IBRb1+VCCRCC1TRb2Re直流通路一、静态分析在I1IB的条件下Ib可忽略，相当于三极管的基极与B点断开，Rb1和Rb2组成串联分压电路，得到B点的电位为:CCbbbBVRRRU212eBEBEQRUUI1EQBQII)()(ceEQCCceCQCCCERRIVRRIVU似乎I2越大越好，但是Rb1、Rb2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。I1I2IBRb1+VCCRCC1TRb2Re本电路稳压的过程实际是由于加了Re形成了负反馈过程TUBEIBICUEIC2、动态分析sURiRooUbibiiURsRb1Rb2RcRLrbebeLiourRUUARi=Rb1∥Rb2∥rbeRO=RC放大倍数、输入电阻、输出电阻计算方法RiRooUbibiiUC1C2CeccV（a）（b）sUsURsRsRb1Rb2Rb1Rb2Re1Re2RcRe1RLrbeRcRL1)1(ebeLiouRrRUUARi=Rb1∥Rb2∥[rbe+（1+β）Re1]Ro=Rc放大倍数、输入电阻、输出电阻计算方法3.3射极输出器3.3.1射极输出器的组成3.3.2射极输出器的分析退出3.3.1射极输出器的组成C1C2ouccV(a)suiuiBuBEuCEiEccVICIEIBUCEUBE(b)RsRbRbReReRL射极输出器是一种常用的基本放大电路:交流信号从基极输入，从发射极输出，故称为射极输出器。对交流信号来说，集电极为输入回路和输出回路的公共端，故又称为共集电极放大电路。3.3.2射极输出器的分析1．静态分析由射极输出器的直流通路，根据KVL可得:VCC=RbIB+UBE+ReIE取UBEQ=0.7V，IEQ=（1+β）IBQ带入上面的方程可得：ICQ=βIBQUCEQ=VCC-IEQRe3.3.2射极输出器的分析2．动态分析根据原放大电路可以画出相应的微变等效电路，如图3.3.2（a）所示。(1）电压放大倍数1)1()1()1()1(LbeLbLbbebLiouRrRIRIrIRUUA3.3.2射极输出器的分析（2）输入电阻由微变等效电路可得到:而iRiR=Rb∥LbebbLbebiRrIIRrIUR)1(])1([3.3.2射极输出器的分析SbeeoooRrRIUR111（3）输出电阻总之：射极输出器电压放大倍数接近于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低。在多级放大电路中，用射极输出器作为输入级，可使放大电路具有较高的输入电阻，用射极输出器作为输出级，可使放大电路具有较高的带负载能力，利用输入电阻高和输出电阻低的特点，在电路中可起阻抗变换的作用。3.4场效应管放大电路3.4.1场效应管的微变等效电路3.4.2场效应管共源极放大电路退出半导体三极管的输入电阻不够高，对信号源的影响较大。为了提高放大电路的输入电阻，可用场效应管代替三极管。场效应管具有电压控制下的放大作用，利用它也可以构成放大电路。在前面的章节已经介绍过场效应管的外部特性，它与三极管非常类似，因而场效应管放大电路的工作原理和分析方法与三极管的分析方法类似。3.4.1场效应管的微变等效电路当场效应管放大电路在小信号情况下工作时，和三极管一样，也可用一个微变等效电路来代替。dsUgsmUggsUdI0gIgsds（a）dsUgsmUggsUdIgsds（b）rds3.4.2场效应管共源极放大电路C1C2CsoUccV（a）SUccV（b）TTRg1Rg1Rg2Rg2Rg3Rg3RdRdRsRsRLRs一、静态分析静态分析就是计算电路的静态工作点Q，由于场效应管是电压控制器件，所以静态工作点为UGSQ、IDQ和UDSQ。场效应管栅-源之间的电阻很大，可当开路处理。估算电路静态工作点的公式为：DDgggGVRRRU2122)1(TGSQDODQUUIISDQSQRIU)(SdDQDDDSQRRIVUSQGGSQUUU一、动态分析根据微变等效电路来计算电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。由图3.4.3可得：gsiUULgsmLdgsmoRUgRRUgU)//(（1）电压放大倍数LmiouRgUUA因为：所以：（2）输入电阻213//gggiiiRRRIUR由于静态时，Rg3中无电流流过，它对静态工作点无影响，它的阻值可以取很大，因此场效应管放大电的输入电阻可达到很高的数值。Ro=Rd（3）输出电阻3.5多级放大电路3.5.1阻容耦合3.5.2直接耦合3.5.3放大电路的频率特性退出在实际应用中，小信号放大电路的输入信号一般都是微弱信号。为了满足实际需要，输入信号必须经过多级放大。多级放大电路中，每两个基本放大电路之间的连接，称为级间耦合。耦合方式通常有：阻容耦合、直接耦合和变压器耦合三种。耦合方式：即信号的传送方式。多级放大电路对耦合电路要求：1.静态：保证各级Q点设置；2.动态:不失真地传送信号。前级后级T1T2+VccC1sUC2C3Rc2Rb2RsRc1Rb1RL3.5.1阻容耦合阻容耦合方式的特点是：由于电容具有隔直作用，因此每一级的静态工作点彼此独立，互不影响。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送，在这方面，阻容耦合方式优于直接耦合方式。除此之外，阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单，但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外，大容量电容在集成电路中难于制造，因而在集成电路中这种耦合方式无法采用，因此，仅在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。阻容耦合方式的特点是：由于电容具有隔直作用，因此每一级的静态工作点彼此独立，互不影响。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送，在这方面，阻容耦合方式优于直接耦合方式。除此之外，阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单，但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。另外，大容量电容在集成电路中难于制造，因而在集成电路中这种耦合方式无法采用，因此，仅在分立元件多级放大电路中应用较为广泛。阻容耦合方式的特点是：由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。这样就避免了由于工作点不稳定而引起的温漂信号的逐级放大和传送。阻容耦合使得放大电路的设计和计算较为简单，但这种方式对于直流信号或变化缓慢的信号的传送是不适合的。大容量电容在集成电路中难于制造，因而在集成电路中这种耦合方式无法采用。前级后级3.5.2直接耦合T1+VccsUT