放大电路基础

2.1 放大电路的组成和工作原理
2.1.2 放大电路的工作原理
静态时的基极电流又称偏置电流，简称偏流。各部分的 电压、电流波形如图2.1.3所示。其中，uo=0，uBE=UBE， uCE=UCE。
2.1 放大电路的组成和工作原理
当ui≠0，即输入端加上输入信号时，放大电路的工作状 态称为动态。交流输入信号ui经C1耦合，使得uBE在直流电压 UBE的基础上发生变化，这种发射结正偏电压的变化，必然会 改变从发射区注入基区载流子的数量，从而引起基极电流iB和 集电极电流iC的变化，即iB、iC、iE中出现交流电流成分ib、ic、 ie。由于ic的变化引起iCRc的变化，则uCE=UCC-iCRc。当iC增加 时，uCE就下降，iC减小时，uCE就增加，uCE的直流分量UCE被 C2隔离，使得输出电压uo=-iCRc，只要Rc足够大，就可获得比 ui大的输出电压uo。各部分的电压、电流波形如图2.1.4所示。 其中，uo≠0，uBE=UBE+ui，uCE=UCE+uo。
2.3 多级放大电路
3
差分放大电路
1)电路的结构特点 图2.3.5所示为一个基本差分放大电路。由于电路结构、元件的特性 和参数完全相同，故左右两边对称。
2.3 多级放大电路
2)差分电路抑制零点漂移原理 当图2.3.5所示的差分电路输入信号为零时，由于电路对称，iC1=iC2， uC1=uC2，输出电压uO=uC1-uC2=0。 当环境因素改变，如温度变化时，使每管的输出都产生了零点漂移。 相应的两个放大电路晶体管的集电极电位随之变化，但由于电路对称， 两者的漂移是相同的，即同时增大或同时减小，且增量相等，因此，在 输出端将互相抵消而被完全抑制，使输出uO维持原值而为零。例如，温 度升高，集电极电流增量为ΔiC1=ΔiC2，使每管电位降低，因此， uO=(uC1-ΔiC1Rc)-(uC2-ΔiC2Rc)=0，或uO=-ΔiC1Rc-(-ΔiC2Rc)=0。 显然，利用差分电路的对称性，能够克服零漂。
(1)晶体管VT。晶体管是电流 放大元件，其作用是按照输入信号 的变化规律控制电源所提供的能量， 使集电极上获得受输入信号控制并 被放大了的集电极电流。集电极电 流经集电极电阻RC和负载电阻转换 成较大的输出电压信号uo。
(2)电源UCC。电源UCC为晶体 管VT的发射结提供正向偏置电压， 为集电结提供反向偏置电压，保证 晶体管工作在放大状态。它还为放 大电路提供能源。UCC一般为几伏 到几十伏。
（2）直接耦合。这就是前后级间直接耦合，因此各级的静 态工作点彼此独立计算；改变匝数比，可进行最佳阻抗匹配， 得到最大输出功率；常用在功率放大场合或需要电压隔离的场 合，如功率放大器、晶闸管触发电路等。
（3）变压器耦合。用变压器构成级间耦合电路的称为变压 器耦合。由于变压器体积与质量较大，成本较高，所以变压器 耦合在放大电路中的应用较少。
2.3 多级放大电路
3）三类输入信号——共模、差模和任意输入 （1）当两个输入信号大小相等，极性相同时（uI1=uI2），则称为 共模输入信号。 差分放大电路在共模信号作用下，由于电路完全对称，两管集电极 电位变化相同（同向变化），因而输出为零，即差分放大电路对共模输 入信号的放大倍数为零，对共模输入信号无放大作用。 差分放大电路抑制零漂的作用，是抑制共模输入信号的一种特殊情 况。因为两管产生的同向漂移，可以看作在两管输入端加上一对共模输 入信号的结果。差分放大电路抑制共模信号的能力，也就是抑制零点漂 移的能力，它是差分放大电路的性能指标之一。
只能在不失真的前提下求得。
2.2 放大电路的分析
2）放大电路的输入电阻 放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说是一个负载，可用一 个电阻等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输 入电阻，如图2.2.6所示。
输入电阻ri的计算式为 输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。
2.2 放大电路的分析
非线性失真又可分为 1.截止失真
2.饱和失真。
2.2 放大电路的分析
2.2.3 几种常用三极管电压放大电路
1
分压式射极偏置电路
2.2 放大电路的分析
2 共集电极放大电路（射极输出器）
2.2 放大电路的分析
2 共集电极放大电路（射极输出器）
2.3 多级放大电路
2.3.1 级间耦合方式
（1）阻容耦合。前面讨论的三种基本放大电路采用的 都是阻容耦合方式。其特点是：各级的静态工作点彼此独立， 互不影响；只能放大交流信号，不能放大缓慢变化的近似直流 信号；在分立元件组成的放大电路中普遍使用。
1
晶体管的微变等效电路
由图2.2.3可知，放大电路在小信号工作时，晶体管的动态 工作点只在静态工作点附近小范围内移动，晶体管的输入、输 出特性曲线可近似为直线，各极的电流、电压增量有线性关系。 尽管晶体管是非线性器件，但可以进行线性化处理，用线性化 等效电路模型来代替。
1）输入回路的微变等效电路 当输入信号电压很小时，在已确定的静态工作点Q附近的 工作段可以认为是直线。当uCE为常数时，令ΔuBE和ΔiB的比值 为rbe，即
2.2 放大电路的分析
2.2 放大电路的分析
rbe是对交流而言的动态电阻，称为晶体管的输入电阻。小 信号时，rbe是一个常数。由它可以确定电压、电流交流分量ube、 ib之间的关系，即ube=rbeib。因此，晶体管的输入电路可以用 rbe等效代替，如图2.2.4（b）所示。
2.2 放大电路的分析
2.2 放大电路的分析
2
放大电路的微变等效电路
2.2 放大电路的分析
1）电压放大倍数 电压放大倍数 是衡量放大电路放大输入信号能力的基 本性能指标，定义为输出电压与输入电压之比，即
根据式（2.2.8）电压放大倍数 的定义，现在是正弦 稳压分析，把变化量用正弦量的相量代替，见图2.2.5（c）。 由图可得
2.2 放大电路的分析
2.2.1 静态分析
1
静态工作点的确定
设置合适的静态工作点的主要目的如下。 （1）使放大电路的放大信号不失真。 ( 2 )使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基 础，静态提供了正常放大的必备条件。
静态分析的方法有
1.估算法。
2.图解法。
2.2 放大电路的分析
2.2.2 动态分析
显然，输出电阻ro是衡量放大电路性能指标的又一个重要参数。 ro越小，带负载能力越强。 输出电阻ro的计算式为
2.2 放大电路的分析
其具体含义是，放大电路的输出端外接负载开路（RL=∞），同
时把输入端的信号电压源短路
，有内阻RS时要留下；在输
出端外加一个电压 ，求得流入的电流 ，两者之比定义为放大电
2.1 放大电路的组成和工作原理
2.1.1 放大电路的组成
图2.1.1所示为放大电路的组成框图，直流电源为放大电 路提供电源，当微弱信号通过放大电路后得到的交流电驱动 负载工作。
2.1 放大电路的组成和工作原理
图2.1.2所示为共发射极基本放大电路（单管电压放大电路）。 输入端接交流信号源ui；输出端接负载电阻RL，输出端电压为uo。 电路中各元件的作用分析如下。
2.2 放大电路的分析
显然Rc增加，可使
值增大；晶体三极管的电流放大
系数β增大，使 值也增大，与此同时又使晶体管自身输入
电阻rbe增大，到一定程度时有
可以看到，当晶体管的电流放大系数β取较大值时，等效
负载R′L一定，电压放大倍数Au近似与β无关。欲使电压放大倍
数
增加，只有增加静态集电极电流IC。
应注意电压放大倍数
（3）多级放大电路的输出电阻ro。 从图2.3.2得出，多级放大电路wk.baidu.com输出电阻ro就是最末级电路的输出 电阻ro2，即
2.3 多级放大电路
2.3.3 直接耦合
1
直接耦合的含义
图2.3.3所示为直接耦合电路，所谓直接耦合就是将前 级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的 信号或直流量变化的信号。
2.3 多级放大电路
2.3.2 阻容耦合多级放大电路
2.3 多级放大电路
1
静态工作点分析
由于级间采用阻容耦合方式，使得多级阻容耦合电路的各 级之间无直流联系，所以各级的静态工作点互不影响，彼此单 独进行分析。
2
动态工作分析
在小信号范围内，三极管用线性化了的h参数微变等效电 路替代，图2.3.1的电路可绘成如图2.3.2所示的微变等效电路。
低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算。
式中，IE是发射极电流的静态值。rbe通常为几百欧到几千 欧，在手册中常用hie表示。
2）输出回路的微变等效电路 晶体管的输出特性曲线族见图2.2.3（b）。在放大区，它 是一组近似与横轴平行、等距的直线。当uCE为常数时，令ΔiC 和ΔiB比值为β，即
β为晶体管的交流放大系数。在小信号输入情况下，β是一 常数，由它确定控制的关系，即ic=βib。因此，晶体管的输出 电路可以用一个电流控制电流源来代替，见图2.2.4。β值通常 为20～200，在手册中常用hfe表示。
2.1 放大电路的组成和工作原理
(3)集电极电阻Rc。 集电极电阻Rc的主要作用是将集电极电流的变化转化为电压 变化，以实现电压放大。Rc值一般为几千欧到几十千欧。 (4)基极偏置电阻Rb。 Rb有两个作用：一是在电源UCC一定时，基极电流IB的大小取决 于基极电阻Rb，即调节Rb的大小可提供合适的直流工作状态； 二是防止交流信号被电源UCC短路，而加不到晶体管的发射结上。 Rb的值通常为几百欧到几千欧。 (5)耦合电容C1、C2。 C1、C2也称为隔直电容，具有隔离直流、传递交流的作用。
2.3 多级放大电路
2
直接耦合的问题
直接耦合的结果又带来了零点漂移 问题。
所谓零点漂移，是指在直接耦合放 大电路中，当输入端无输入信号时，输 出端的电压偏离初始值而上下漂动的现 象，简称零漂，如图2.3.4所示。零点 漂移是由于温度的变化、电源电压的不 稳定等原因引起的。由于放大器是直接 耦合，放大电路将因无法区分漂移电压 和信号电压而失去正常发大作用。因此， 必须采取适当措施加以限制，使得漂移 电压远小于信号电压。普遍采用的有效 措施是差分放大电路。
第2章 放大电路基础
前言
实际中常常需要把一些微弱信号放大到便于测量和利用 的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或从传感 器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放 大才能驱动扬声器或进行观察、记录和控制。
所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放 大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流 电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。
当考虑输入信号电压源存在内阻RS时，放大电路的输入电压为
因此，放大电路的输入电阻ri的大小是衡量放大电路性能的参数 之一。输入电阻ri越大，放大电路接受的信号 越强，同时向信号源 索取的电流 越小。 由图2.2.5(c)可得
所以放大电路的输入电阻为
2.2 放大电路的分析
3）放大电路的输出电阻 放大电路对负载(或对后级放大电路)来说是一个信号源，可以将 它进行戴维南等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻，电路 如图2.2.7所示。 由图2.2.7可以看到，放大电路的输出回路可等效为电压源 和输出电阻ro的串联，当外接负载电阻RL后，负载两端得到的输出电 压为
路的输出电阻ro。输出电阻是动态电阻，与负载无关。
令图2.2.5(c)的输入
，求输出电阻ro。
由图2.2.5(c)，已知
，则
，有
式中，rce是晶体管的输出电阻，其值很大，略去其分流作用，放 大电路的输出电阻ro近似等于直流负载电阻Rc。
2.2 放大电路的分析
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放大电路的失真
对电压放大电路有一个基本要求，就是输出信号 尽可能不失真。所谓失真，是指输出信号的波形与输 入信号的波形有了差别。引起失真的原因有多种，其 中最基本的一个就是由于静态工作点不合适或信号太 大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线的 线性范围。这种失真通常称为非线性失真。
2.3 多级放大电路
2.3 多级放大电路
（1）电压放大倍数 。由图2.3.2可以看出第二级的输 入电阻ri2相当于前级的外接负载RL1，即RL1=ri2。因此
式中
同理，
所以
2.3 多级放大电路
显然总的电压放大倍数 等于每级电压放大倍数的连乘积 如果考虑信号源内阻RS，则有
（2）多级放大电路的输入电阻ri从微变等效电路（见图2.3.2） 得出，多级放大电路的输入电阻ri就是第一级放大电路的输入电阻ri1， 即