第10章根本放大電路2021/10/10星期日1本章學習要點放大電路根底知識放大電路的分析射極輸出器場效應管放大電路多級放大電路差動放大電路功率放大電路本章小結2021/10/10星期日210.1放大電路根底知識10.1.1共射極根本放大電路的組成如右圖所示為典型的共射極放大電路。電路中各元件的作用如下。

三極管VT：它是放大電路的核心，是能量轉換控制器件，起電流放大作用，即ΔiC＝βΔiB。

集電極電源電壓UCC：除為輸出信號提供能量外，它還保證集電結處于反向偏置，以使三極管起到放大作用。UCC一般為幾伏到幾十伏。2021/10/10星期日3基極偏置電阻RB：它和電源UCC一起給基極提供一個適宜的基極電流IB，并保證發射結處于正向偏置，使三極管工作在放大區。集電極負載電阻RC：它一方面提供直流通路，使UCC對三極管的集電極反向偏置；另一方面將集電極電流的變化變換為電壓的變化，以實現電壓放大。耦合電容C1和C2：它們的作用是“隔直流、通交流〞，即把信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間的直流隔開，而保證交流信號暢通無阻。耦合電容一般采用電解電容。使用時，應注意它的極性與加在它兩端的工作電壓極性相一致。負載電阻RL：是放大電路的負載。2021/10/10星期日410.1.2放大電路中電壓、電流

符號的規定〔1〕直流分量用IB、IC、UBE、UCE等表示；〔2〕交流分量的瞬時值用ib、ic、ube、uce等表示；〔3〕交流分量的有效值用Ib、Ic、Ube、Uce等表示；〔4〕總量〔即直流分量和交流分量的疊加〕用iB、iC、uBE、uCE等表示。2021/10/10星期日510.2放大電路的分析放大電路的分析要從靜態和動態兩個方面來進行。靜態是指放大電路沒有交流輸入信號〔ui＝0〕時的直流工作狀態。此時，放大電路中的電流和電壓稱為靜態值。靜態分析的目的是要確定放大電路的靜態工作點值：IB、IC、UCE，看三極管是否處在其伏安特性曲線的適宜位置。動態是指放大電路在有輸入信號〔ui≠0〕時的工作狀態。此時，放大電路中的電流和電壓都含有直流分量和交流分量。動態分析的目的是要確定放大器對信號的電壓放大倍數Au，并分析放大器的輸入電阻ri和輸出電阻ro等。2021/10/10星期日610.2.1靜態分析直流通路是指靜態電流流經的通路。畫直流通路時，電容視為開路；電感視為短路；信號源視為短路，但保存其內阻。如右圖所示為電路的直流通路。靜態分析可用直流通路進行分析。靜態時，三極管基極電流IB、集電極電流IC和集—射間電壓UCE等直流成分可用IBQ、ICQ和UCEQ表示，它們在三極管特性曲線上可確定一個點，稱為靜態工作點，用Q表示。顯然，靜態工作點是由直流通路決定的。2021/10/10星期日71．靜態工作點的近似估算由直流通路可求得靜態值IBQ為：三極管工作于放大狀態時，發射結正偏，此時UBE基本不變，硅管約為0.7V，鍺管約為0.3V，所以，UBE一般比UCC小得多，上式可寫為：根據三極管的電流放大能力可得2021/10/10星期日8【例10-1】在以下圖所示電路中，UCC＝12V，RC＝4kΩ，RB＝300kΩ，β＝，試求放大電路的靜態值?！窘狻扛鶕绷魍房傻?021/10/10星期日92．靜態工作點的圖解分析法利用三極管的輸入、輸出特性曲線，通過作圖的方法對放大電路的性能指標進行分析的方法稱為圖解法。在靜態分析中，圖解分析法主要用來確定靜態工作點Q。在輸入特性曲線上確定Q點。由直流通路求出靜態電流IBQ，在輸入特性曲線上找到與IBQ對應的點即為輸入回路中的Q點，如以下圖所示。2021/10/10星期日10在輸出特性曲線上確定Q點。在輸出特性曲線上畫出由方程UCEQ＝UCC－ICQRC所決定的直線，該直線由直流通路得出，且與集電極負載電阻有關，所以稱為直流負載線。直流負載線與三極管輸出特性曲線〔IB＝IBQ〕的交點即為輸出回路中的Q點，如以下圖所示。由右圖可知，IBQ的值不同，靜態工作點在負載線上的位置也就不同。三極管的工作狀態要求不同，需要的靜態工作點也不同，可通過改變IBQ的大小來實現。因此，IBQ通常稱為偏置電流。產生偏流的電路稱為偏置電路。其路徑為UCC→RB→發射結→地。通常可通過改變RB的阻值來調整IBQ的大小。2021/10/10星期日113．靜態工作點的穩定前面所講的放大電路中，RB一經選定后，IB也就固定不變。這種電路稱為固定偏置放大電路，它不能穩定靜態工作點。為克服此缺點，常采用分壓式偏置放大電路來穩定靜態工作點，如以下圖所示。2021/10/10星期日12由直流通路可得一般IBQ很小，若使I2＞＞IBQ，則基極的電位為：由上式可知，VB與三極管的參數無關，不受溫度影響。2021/10/10星期日13此外若使VB＞＞UBE，則由上式可知，IC也與三極管的參數無關，不受溫度影響。因此，只要滿足I2＞＞IBQ和VB＞＞UBE兩個條件，VB和IC就與三極管的參數幾乎無關，不受溫度變化的影響，靜態工作點就能基本穩定。對硅管而言，估算時，一般可選取I2＝（5～10）IBQ和VB＝（5～10）UBE。2021/10/10星期日1410.2.2動態分析1．動態過程的圖解分析法如以下圖所示為交流放大電路有信號輸入時的圖解分析。2021/10/10星期日15由上圖所示可以得出以下幾點。①交流信號的傳輸情況：ui〔即ube〕→ib→ic→uo〔即uce〕②電壓和電流都含有直流分量和交流分量，即uBE＝UBE＋ube，iB＝IB＋ibiC＝IC＋ic，uCE＝UCE＋uce由于電容C2的隔直作用，uCE的直流分量UCE不能到達輸出端，因此，只有交流分量uce能通過C2構成輸出電壓uo。③輸入電壓ui和輸出電壓uo相位相反，即電路具有倒相作用；同時，輸出電壓uo比輸入電壓ui大得多，說明電路具有電壓放大能力。2021/10/10星期日16非線性失真一般包括截止失真和飽和失真。〔1〕截止失真如右圖所示，假設靜態工作點設置過低，那么集電極電流ICQ太小，接近截止區。此時，在輸入電壓ui的負半周，三極管進入截止區工作，不能正常放大，表現為iC的負半周和輸出電壓uo的正半周頂部被削平，產生失真。這種由于三極管進入截止區工作而引起的失真稱為截止失真。通過減小RB，增大IBQ，可將靜態工作點適當上移，以消除截止失真。2021/10/10星期日17〔2〕飽和失真如以下圖所示，假設靜態工作點設置過高，那么集電極電流ICQ太大，接近飽和區。此時，在輸入電壓ui的正半周，三極管進入飽和區工作，不能正常放大，表現為iC的正半周和輸出電壓uo的負半周頂部被削平，產生失真。這種由于三極管進入飽和區工作而引起的失真稱為飽和失真。通過增大RB，減小IBQ，可將靜態工作點適當下移，以消除飽和失真。2021/10/10星期日182．微變等效電路分析法放大電路的微變等效電路是把非線性元件三極管線性化，等效為一個線性元件，從而把以三極管為核心組成的放大電路等效為線性電路，這樣，可用求解線性電路的方法來分析計算三極管放大電路。線性化的條件是三極管必須工作在小信號微變量情況下，即三極管必須工作在特性曲線上一個較小的范圍內，才能把靜態工作點附近小范圍內的曲線看成直線。因此，微變等效電路法僅適用于輸入信號是低頻小信號的情況。2021/10/10星期日19〔1〕三極管的微變等效電路如下圖所示三極管的輸入特性曲線是非線性的。當輸入信號很小時，在靜態工作點Q附近的曲線可視為直線。當UCE為常數時，ΔUBE和ΔIB的比值用rbe表示，即rbe稱為三極管的輸入電阻，它表明了三極管的交流輸入特性。在小信號情況下，它是常數，一般為幾百歐到幾千歐，是對交流而言的一個動態等效電阻。因此，三極管的基極和發射極之間可用rbe等效代替。低頻小功率三極管的輸入電阻常用下式估算：2021/10/10星期日20如下圖所示為三極管的輸出特性曲線。在放大區，其特性曲線為一組近似與橫軸平行的直線。當UCE為常數時，ΔIC和ΔIB的比值為電流放大系數β，即在小信號下，β為一常數。因此，三極管的輸出端可用一等效電流源代替，因其電流ic受電流ib控制，故此電流源為受控源，用菱形符號表示。2021/10/10星期日21如以下圖所示為三極管的微變等效電路。2021/10/10星期日22〔2〕放大電路的微變等效電路在分析電路時，一般用交流通路來研究放大電路的動態性能。交流通路是指交流電流流經的通路。畫交流通路時，耦合電容視為短路，直流電源忽略其內阻也可視為短路。如左圖所示為圖10-1所示電路的交流通路。由三極管的微變等效電路和放大電路的交流通路即可得出放大電路的微變等效電路，如右圖所示。2021/10/10星期日23〔3〕微變等效電路分析①電壓放大倍數Au

放大電路的電壓放大倍數是指輸出電壓與輸入電壓的比值，即由上圖所示可知故當放大電路開路（未接RL）時，有2021/10/10星期日24【例10-2】在圖10-1所示電路中，UCC＝12V，RC＝4kΩ，RB＝300kΩ，β＝，RL＝4kΩ，試求電壓放大倍數Au。【解】在例10-1中已求出IC＝1.5mA≈IE于是2021/10/10星期日25②放大電路的輸入電阻ri

放大電路的輸入電阻ri是從放大電路的輸入端看進去的等效電阻，其為輸入電壓與輸入電流的比值，即于是③放大電路的輸出電阻ro放大電路的輸出電阻ro是從放大電路的輸出端看進去的等效電阻。實際求取時，將微變等效電路中的輸入信號源短路（ui＝0），輸出端負載開路，此時，ib＝0，ic＝βib＝0，電流源相當于開路，故2021/10/10星期日2610.3射極輸出器共集電極放大電路的原理圖如以下圖所示。在此電路中，交流信號從基極輸入，從發射極輸出，故又稱為射極輸出器。2021/10/10星期日2710.3.1靜態分析如右圖所示為射極輸出器的直流通路，由此電路可得到2021/10/10星期日2810.3.2動態分析射極輸出器的交流微變等效電路如以下圖所示，據此可分析其動態性能指標。2021/10/10星期日291．電壓放大倍數由上圖電路可得因rbe＜＜（1＋β）RL′，故，兩者幅度相近，相位相同，|Au|小于1且接近于1。2．輸入電阻射極輸出器的輸入電阻為：射極輸出器的輸入電阻比較大，可達幾十千歐到幾百千歐。2021/10/10星期日303．輸出電阻射極輸出器的輸出電阻為射極輸出器的輸出電阻很小，一般只有幾歐到幾十歐。綜上所述，射極輸出器具有以下特點：①電壓放大倍數小于1且接近于1，輸出與輸入同相，具有電壓跟隨作用；②輸入電阻大，有利于減小放大器對信號電流的索取；③輸出電阻小，具有較強的帶負載能力；④具有電流放大和功率放大作用。2021/10/10星期日3110.4場效應管放大電路如下圖所示為場效應管分壓式偏置共源極放大電路，其電路結構與三極管共射極放大電路類似。靜態時，電阻RG中無電流通過，柵源電壓為：2021/10/10星期日32如右圖所示為共源極放大電路的交流通路。有信號輸入時，輸出電壓為：上式中放大電路的電壓放大倍數為：2021/10/10星期日33放大電路的輸入電阻為：場效應管的輸入電阻rgs很高，并聯后可略去。由上式可知，在分壓點和柵極之間接入一高電阻RG，可提高放大電路的輸入電阻。放大電路的輸出電阻為：2021/10/10星期日34如以下圖所示為源極輸出器放大電路。它和三極管的射極輸出器一樣，具有電壓放大倍數小于但近于1，輸入電阻高和輸出電阻低等特點。2021/10/10星期日3510.5多級放大電路10.5.1多級放大電路的組成如以下圖所示為多級放大電路的組成框圖。

輸入級主要完成與信號源的銜接并對信號進行放大。為使輸入信號盡量不受信號源內阻的影響，輸入級應具有較高的輸入電阻，通常采用高輸入電阻的放大電路，如射極輸出器等。

中間級用于將微弱的輸入電壓放大到足夠的幅度，進行電壓放大。

輸出級用于對信號進行功率放大，以滿足輸出負載所需要的功率，并實現和負載的匹配。2021/10/10星期日3610.5.2多級放大電路的耦合方式1．直接耦合直接耦合是指各級放大電路之間通過導線直接相連的連接方式。如以下圖所示為直接耦合兩級放大電路，前級的輸出端直接與后級的輸入端相連。直接耦合的多級放大電路具有良好的頻率特性，既能放大交流信號，也能放大直流信號及緩慢變化的信號。同時，電路中沒有大容量的電容，易于實現集成，因此，實際使用的集成放大電路一般都采用直接耦合方式。2021/10/10星期日37但直接耦合電路中存在兩個問題：①級與級之間的直接相連導致靜態工作點之間相互影響，不利于電路的設計、調試和維修。抑制措施主要有兩點：抬高后級發射極電位、用PNP和NPN管配合實現電平移動。②直接耦合電路中存在零點漂移現象。零點漂移現象是指輸入電壓為零時，輸出電壓偏離零值變化的現象。產生零點漂移現象的主要原因是三極管的參數隨溫度的變化而變化，從而引起各級靜態工作點發生變動，因此，零點漂移又稱為溫度漂移。直接耦合電路中，第一級的漂移對輸出的影響最大，所以，零點漂移的抑制著重在第一級。2021/10/10星期日382．阻容耦合阻容耦合是指各級放大電路之間通過電容和電阻相連的連接方式。如以下圖所示為阻容耦合兩級放大電路。2021/10/10星期日39由于阻容耦合方式每級之間有電容將直流隔開，因此，每級的直流通道是獨立的，即每級的靜態工作點不會相互影響，計算靜態工作點可以每級分別計算，有利于放大器的設計、調試和維修。阻容耦合的輸出溫度漂移較小，具有體積小、重量輕等優點，在分立元件電路中應用較多。但阻容耦合的低頻特性較差，不適合放大直流及緩慢變化的信號，只能傳遞具有一定頻率的交流信號，且它包含有電容元件，不便于做成集成電路。2021/10/10星期日403．變壓器耦合變壓器耦合是指各級放大電路之間通過變壓器耦合傳遞信號的方式。如以下圖所示為變壓器耦合放大電路。2021/10/10星期日41由于變壓器具有隔直流、通交流的特性，所以，變壓器耦合放大電路各級的靜態工作點相互獨立，有利于放大器的設計、調試和維修。變壓器耦合可以實現電壓、電流和阻抗的變換，容易獲得較大的輸出功率，且輸出溫度漂移較小。但它的低頻特性也較差，不適合放大直流及緩慢變化的信號，只能傳遞具有一定頻率的交流信號，而且由于其電路體積和重量較大，不便于做成集成電路。2021/10/10星期日4210.5.3多級放大電路的分析多級放大電路的電壓放大倍數等于各級電壓放大倍數的乘積，即多級放大電路的輸入電阻ri等于從第一級放大電路的輸入端所看到的等效電阻，也就是第一級的輸入電阻，即多級放大器的輸出電阻ro等于從最后一級放大電路的負載兩端（不含負載）所看到的等效電阻，也就是最后一級的輸出電阻，即2021/10/10星期日4310.5.4放大倍數的分貝表示法當多級放大電路級數較多時，電壓放大倍數的計算和表示都很不方便。在實際工程中，電壓放大倍數常用分貝（dB）表示，稱為增益，即用增益表示多級放大電路的總電壓放大倍數時，總增益應為各級增益之和，即采用分貝表示法的好處是它能從分貝的數值上直觀表示出放大電路對信號增益的增加或衰減，給計算和使用帶來很多方便。2021/10/10星期日4410.6差動放大電路10.6.1概述差動放大電路是由對稱的兩個根本放大電路，通過射極公共電阻耦合構成的，如以下圖所示。對稱的含義是兩個三極管的特性一致，電路參數對應相等。差動放大電路一般有兩個輸入端〔三極管的基極〕和兩個輸出端〔三極管的集電極〕。假設信號同時從兩個輸入端參加，稱為雙端輸入；假設信號僅從一個輸入端參加，稱為單端輸入。假設信號同時從兩個輸出端輸出稱為雙端輸出；假設信號僅從一個輸出端輸出稱為單端輸出。2021/10/10星期日4510.6.2差動放大電路的分析1．靜態分析放大電路處于靜態時，輸入信號為零。由于電路對稱，IB1＝IB2＝IB，IC1＝IC2＝IC，UCE1＝UCE2＝UCE，則基極電流為：當電源電壓或溫度變化時，兩管的集電極電流和電位同時發生變化，輸出電壓Uo＝UCE1－UCE2＝0。因此，盡管各管的零點漂移仍存在，但輸出電壓為零，整個放大電路的零點漂移得到抑制。2021/10/10星期日462．動態分析當有信號輸入時，對稱差動放大電路可以分為差模輸入和共模輸入兩種情況進行分析。其中，放大器兩端分別輸入大小相等、極性相反的信號〔即ui1＝－ui2〕時稱為差模輸入；放大器兩端分別輸入大小相等、極性相同的信號〔即ui1＝ui2〕時稱為共模輸入?！?〕差模輸入差模輸入方式中，兩個輸入端之間的電壓差稱為差模輸入電壓，即2021/10/10星期日47設ui1使VT1管產生的集電極電流增量為iC1，ui2使VT2管產生的集電極電流增量為iC2。在差模輸入放大電路中，iC1和iC2大小相等，極性相反，即iC1＝－iC2，因此，兩管的集電極電流分別為：兩管的集電極電壓分別為：所以，兩管集電極之間的差模輸出電壓為：2021/10/10星期日48差動放大電路的差模電壓放大倍數Aud是指雙端差模輸出電壓uod與雙端差模輸入電壓uid之比，即可見，差動放大電路的差模電壓放大倍數Aud與單管放大電路的電壓放大倍數Aud1相等，即兩輸入端之間的差模輸入電阻為：兩輸出端之間的差模輸出電阻為：2021/10/10星期日49〔2〕共模輸入在共模輸入信號的作用下，對于完全對稱的差動放大電路來說，兩管的集電極電位變化相同，因而輸出電壓等于零，所以，差動放大電路對共模信號沒有放大能力，即放大倍數Auc為零。實際中，差動放大電路很難做到完全對稱，對共模分量仍有一定的放大能力。而共模分量往往是干擾、噪聲和溫漂等無用信號，差模分量才是有用的，所以，為了全面衡量差動放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力，引入了共模抑制比KCMRR，即2021/10/10星期日5010.7功率放大電路10.7.1功率放大電路概述1．功率放大電路應滿足的要求〔1〕應有足夠大的輸出功率。為了獲得較大的輸出功率，往往要求三極管工作在極限狀態，但使用時，要考慮到三極管的極限參數PCM、ICM和U〔BR〕CEO?！?〕效率要盡可能的高。〔3〕非線性失真要小?！?〕功率放大管要采取散熱等保護措施。2021/10/10星期日512．功率放大電路的分類按三極管導通狀態的不同，功率放大電路的工作狀態可分為甲類、乙類和甲乙類三種，如以下圖所示。甲類工作狀態的靜態工作點位于放大區，其靜態功耗大，效率低，但失真較小；乙類工作狀態的靜態工作點位于截止區，其靜態功耗接近于零，效率高，但存在嚴重的失真；甲乙類工作狀態的靜態工作點接近截止區，它的失真現象較乙類輕，并且靜態功耗小，效率高。2021/10/10星期日5210.7.2互補對稱功率放大電路1．無輸出電容的互補對稱功率放大電路如以下圖所示OCL電路中，正負電源的絕對值相同，VT1管和VT2管是參數特性對稱一致的NPN和PNP管，它們的基極連在一起作為輸入端，發射極連在一起直接接負載RL。2021/10/10星期日53〔1〕工作原理①靜態分析靜態時，由于兩管的基極都未加偏置電壓，因此，兩管都不導通，兩管電流為零，管子工作在截止區，屬于乙類工作狀態。發射極電位為零，負載上無電流。②動態分析設輸入信號為正弦電壓ui，當輸入信號位于正半周時，VT1管發射結正偏導通，VT2管發射結反偏截止，有電流iC1經VT1管流向負載，在負載RL上獲得正半周輸出電壓uo。當輸入信號位于負半周時，VT1管發射結反偏截止，VT2管發射結正偏導通，有電流iC2經負載流向VT2管，在負載RL上獲得負半周輸出電壓uo。可見，在ui的整個周期內，VT1管和VT2管輪流導通，從而在RL上得到完整的輸出電壓uo，所以，此電路稱為互補對稱功率放大電路。2021/10/10星期日54在此電路中，當輸入信號小于三極管的開啟電壓時會產生交越失真，如左圖所示。為消除交越失真，可給三極管稍加一點偏置，如右圖所示。2021/10/10星期日55〔2〕性能參數計算①最大輸出功率輸出功率為：上式中，Uom為輸出電壓uo的峰值。理想條件下，負載獲得最大輸出電壓時，其峰值接近電源電壓＋UCC，所以，負載獲得的最大輸出功率Pom為：2021/10/10星期日56②電源功率直流電源提供的功率為半個正弦波的平均功率，信號越大，電流越大，電源功率也越大。電源功率PV為③效率效率η為：當電路輸出最大功率時，功率放大電路的效率達到最大，ηm＝π/4＝78.5%。2021/10/10星期日57④管耗電源輸入的直流功率有一部分通過三極管轉換為輸出功率，剩余部分則消耗在三極管上，形成三極管的管耗PT。顯然PT有一最大值，當Uom＝0.64UCC時，PTm為：對一只三極管，有2021/10/10星期日582．無輸出變壓器的互補對稱功率放大電路