第三节 基本放大电路.

Presentation on theme: "第三节 基本放大电路."— Presentation transcript:

1 第三节 基本放大电路

2 一. 基本放大电路的组成 +EC RC C2 C1 T RB uo 输出 输入 ui EB
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。 一. 基本放大电路的组成 RB +EC EB RC C1 C2 T uo ui 输入 输出

3 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。
RB +EC EB RC C1 C2 T 耦合电容

4 集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。
RB +EC EB RC C1 C2 T

5 RC的值一般为几千欧到几十千欧。 集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。 RB +EC EB RC C1 C2 T

6 RB的值一般为几十千欧到几百千欧。 RB +EC EB RC C1 C2 T 使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。 基极电源与基极电阻

7 电路改进：采用单电源供电 RB +EC EB RC C1 C2 T 可以省去

8 +EC RB RC C2 C1 T 单电源供电电路 RB需要相应地提高阻值。 参考点
在晶体管电路中，通常将输入电压、输出电压以及电源的公共端称为“地”用⊥表示，但并不见得真的接到大地，只是以“地”端为零电位，作为电路中各点电位的参考点。换句话说，电路中各点电位的极性和数值，如不特殊注明，都是指该点相对于“地”的电位差。 RB 参考点

9 二. 放大电路的静态工作点 放大电路没有输入信号时的工作状态称为直流工作状态或静止状态，简称静态。
静态分析的目的就是确定放大电路的静态（直流）值，IB、IC和UCE。 这些值可以在晶体管特性曲线上确定一个点，称为静态工作点(quiescent point)，用Q表示，分别记为IBQ、ICQ和UCEQ。

10 1. 用直流通路法确定静态工作点 直流通道 RB +EC RC RB +EC RC C1 C2 T 开路 开路

11 直流通道 计算公式如下： RB +EC RC

12 在本放大电路中，电源电压EC和集电极电阻RC的大小确定后，静态工作点的位置就仅取决于偏置电流IBQ的大小。
而IBQ≈EC／RB，因此当RB一经选定，IBQ也就固定不变，故该电路又称为固定偏置电路。 例2-1 给出基本放大电路的参数后，可求出静态工作点的各值。

13 2. 用图解法确定静态工作点 利用晶体管的特性曲线，通过作图来分析放大器基本性能的方法，称为图解法。 图解法既可求取放大器的静态工作点，又可分析放大器的动态过程。

14 晶体管是一非线性元件，即其集电极电流IC与集-射电压UCE之间不是直线关系，而是图2-13所示的输出特性曲线的关系，但UCE=EC-ICRC则是一线性方程。
这就要求静态值既要符合非线性元件晶体管T的电压与电流的关系，同时又要符合电路中线性元件上的电压与电流的关系。显然，只有曲线与直线的交点才能同时满足两者要求。这一交点即为静态工作点。

15

16 （1）在给出的输出特性曲线上作直流负载线 +EC RB RC IC IC UCE Q IB UCE 直流通道 EC
根据UCE=EC–ICRC 确定横轴上的点N（IC=0）和纵轴上的点M（UCE=0），直线MN即为直流负载线。 直流通道 RB +EC RC IC IC UCE EC Q 直流 负载线 与输出特性的交点就是Q点 IB M N UCE

17 由于它是由直流通路得出的，且与集电极负载电阻Rc有关，故称为直流负载线。其斜率为tga=1／Rc，Rc愈小直线愈陡。
（2）求基极偏流IB：IB≈EC/RB。 （3）直流负载线MN与曲线IB的交点Q即为放大器的静态工作点，它所对应的值即为静态值IBQ、ICQ和UCEQ。 确定静态工作点Q的原则：通常将Q选在负载线的中间或稍低位置，即UCEQ约为Ec的一半或略小一些，这是为了使该放大器具有尽量大的不失真放大范围。

18 三. 放大电路的动态分析 当有交流信号输入时放大器的工作状态称为动态。
动态分析是在静态值确定以后分析信号的传输情况，主要考虑电流和电压的交流分量。 常用的分析方法有图解法和微变等效电路法。

19 1. 图解法 uBE波形 iBE波形 输出端开路时的工作状态 确定静态工作点后，根据输入信号ui的变化，可得到uBE及iB的变化曲线。

20 根据iB的变化，可得到iC及uCE的变化曲线。uCE中的交流分量输出，即为uo。

21 从上述讨论可知： ①当输入交流信号电压ui加到放大器的输入端后，晶体管基极和集电极的电压uB、uCE和iB、iC电流都是由两部分叠加而成：一部分是静态直流分量IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ；另一部分是输入交流信号后引起的交流分量ube、ib、ic、uce、uo。 ②由图可见，uo>ui，输入信号ui通过放大器后被放大了，而且放大后没有改变原来的形状，但在相位上相差180°。

22 (2)交流通路和交流负载线： 实际应用中，放大器总是带负载的，如带下一级放大器，也可能带一个表头或喇叭、显示装置中的偏转板等。 对于低频交流信号，这些负载可简化为一个负载电阻RL。放大器带负载时，相当于图2-17(b)中接入了虚线部分。

23 交流通路：由于电容器C2的隔直作用，接入RL 对静态工作点和直流负载线均无影响。集电极电流iC中的直流成分不能到达负载RL。但其交流成分iC，除了通过RC和EC构成的支路外，还通过由C2和RL组成的支路。对交流信号而言，电容和直流电源均可视为短路，因此可画出放大器带负载时的交流通路， ui uo RB RC RL 交流通路

24 交流负载线：由交流通路可以看到，输出电压uo实际上加于 R’L上， R’L就是放大器交流通路的等效负载，简称交流负载，为 RC//RL。
有交流输入时，反应输出回路中总的电压与电流关系的直线称为交流负载线。 IC UCE EC Q IB 交流负载线 过Q点作一条直线，斜率为： Q1 Q2

25 比较放大器的直、交流负载线可知： ①根据电阻并联的规律知，R’L<RC，故应有 tga’>tga，因此交流负载线比直流负载线陡。 ②从输出电压波形看到，带载后，输出交流信号电压uo要减小。 ③在外接负载RL趋向于无穷大(相当于开路)时，R’L≈RC，交、直流负载线重合为同一条直线。

26 放大器的放大对象是变化量，其放大能力常用电压的放大倍数Ku来描述。
(3)电压放大倍数： 放大器的放大对象是变化量，其放大能力常用电压的放大倍数Ku来描述。 电压放大倍数是指在不失真的条件下，输出电压的变化量ΔUo与输入电压的变化量ΔUi之比，即 Ku= ΔUo/ ΔUi 例2-3 解题结果可以看出，带负载后的电压放大倍数明显小于空载时的放大倍数。放大倍数为负，表示输入与输出相位相反。

27 (4)放大电路的非线性失真： 利用图解法可以在特性曲线上清楚地观察到波形失真的情况。前面说过，对放大电路的基本要求，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不像输入信号。 引起失真的原因很多，其中最基本的一个，是由于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上的线性范围，这种失真通常称为非线性失真(non-linear dictortion)。非线性失真有两种情况，一种是饱和失真，另一种是截止失真。

28 a. Q点过高，即IB偏大，工作点接近饱和区，产生饱和失真。
iC uCE ib 输入波形 uo 输出波形 Q a. Q点过高，即IB偏大，工作点接近饱和区，产生饱和失真。

29 b. Q点过低，即IB偏小，工作点接近截止区，信号进入截止区，产生截止失真。
输出波形 iC uCE uo 输入波形 ib Q b. Q点过低，即IB偏小，工作点接近截止区，信号进入截止区，产生截止失真。

30 2. 微变等效电路法 利用图解法能直观、形象、全面地分析放大器的工作情况，易于理解。但相当麻烦，因作图误差而难以保证Ku的精度，且不易求解放大器的其它指标(如输入电阻、输出电阻等)，分析复杂电路更为困难。因此有必要研究更有效的方法。

31 (1)三极管的微变等效电路： 如果研究的对象仅仅是变化量，而且信号的变化范围很小，就可以用微变等效电路来处理三极管的非线性问题。 由于在一个微小的工作范围内，三极管电压、电流的变化量之间的关系基本上是线性的，因此可以用一个等效的线性电路来代替这个三极管。 所谓等效就是从线性电路的三个引出端看进去，其电压、电流的变化关系和原来的三极管一样。这样的线性电路称为三极管的微变等效电路。

32 ic ib 微变等效电路 c 等效  ib b rbe e rbe≈300Ω+(1+β)26(mV)/IE(mA)

33 (2)放大器的微变等效电路法求解的具体步骤：
画出交流通路→用微变等效电路替换交流通路中的三极管→计算电路参数。 图2-17(b)共射极放大器的微变等效电路如图2-23所示。从图中可以看出，输入和输出部分分为了两个相互独立的回路。

34 (3)电压放大倍数Ku的计算： 由微变等效电路可以看出 ui=ibrbe,uo=-icR’L=-βibR’L 其中R’L=Rc//RL，负号表示ic与uo的参考方向相反。 放大器的电压放大倍数为：

35 负号表示共射极放大电路中，输出电压与输入电压位相相反。
上式表示：增加晶体三极管的电流放大系数β和输出端的总负载电阻RL以及减小晶体三极管的输入电阻rbe，都可以在一定程度上提高放大器的电压放大倍数。 但由于rbe和β都与晶体管的静态工作电流有关，所以放大倍数实际上还是与静态工作电流有密切关系。当输出端开路(即RL未接入，空载)时，Ku比接RL时高。可见，负载电阻RL愈小，则电压放大倍数愈低。

36 (4)输入电阻： 一个放大电路的输入端总是与信号源(或前级放大器)相联的，因此放大电路对信号源(或前级放大器)来说，是一个负载，可等效为一个电阻，即放大电路的输入电阻(input resistance)ri。ri=ui/ii，是对交流信号而言的一个动态电阻。 在微变等效电路中， ri=RB//rbe 即从输入端口AO看进去的等效电阻。

37 (5)输出电阻： 放大器对负载(或后级放大电路)来说是一个信号源，其内阻即为放大器的输出电阻(output resistance) ro，它也是一个动态电阻。 由微变等效电路看，输出电阻ro是一个从放大器输出端BO看进去的等效电阻。 由于电流源内阻为无穷大，所以 ro≈RC

38 微变等效电路法简单方便，适用于任何复杂或简单的电路。它的局限性在于只能解决交流分量的计算问题，不能用来确定静态工作点，也无法分析非线性失真等问题。因此，在解决放大器的具体问题时，两种方法可以结合起来使用，这样常常使分析过程更为简便。

39 四. 静态工作点的稳定 由于晶体管对温度十分敏感，尽管选择的静态工作点在正常温度条件下是合适的，但当温度升高时，集电极反向饱和电流ICBO将增大(大约每升高 10℃， ICBO增加一倍)。对于上述固定偏置放大电路， ICBO增大又使穿透电流 ICEO增大，从而引起Ic的增大、输出特性曲线的上移，最终导致原来设置好的工作点发生偏移，严重时会使原来工作良好的放大器产生非线性失真。因此必须采取措施，提高放大器对温度的稳定性，减小工作点的漂移。

40 T UBE IB IC 、 ICEO iC uCE Q Q´ 温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。

41 静态工作点稳定的分压式电流负反馈偏置放大电路，是交流放大器中应用最广泛的基本单元电路。
IB1 IB2 IB 分压式偏置电路 RB1 +EC RC C1 C2 RB2 CE RE RL ui IC IE UE 静态工作点稳定的分压式电流负反馈偏置放大电路，是交流放大器中应用最广泛的基本单元电路。 其中三个偏置元件RBI、RB2、RE起着稳定工作点的作用。 uo

42 +EC RB1 RC IB1 C2 C1 IB IC RL UE RB2 ui RE CE IB2 IE 分压式偏置电路
保持基极对地的静态电位UB基本固定，即IB1>>IBQ IB1 IB2 IB 分压式偏置电路 RB1 +EC RC C1 C2 RB2 CE RE RL ui IC IE UE 发射极保持有足够大的电流负反馈，即UE>>UBE

43 分压式偏置电路能稳定静态工作点的物理过程可表示如下：
T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE（=UB-UE）↓→IB↓ IC↓ 即温度T上升导致IC上升，而IE≈IC也上升；IE上升又导致了UE上升。但UB固定不变，所以UE的上升使得UBE下降；UBE的下降导致IB下降，从而使IC下降。最终结果使得IC趋于稳定，从而稳定了静态工作点。这种减小IC变化的方法，称为电流负反馈。

44 根据以上分析，由于要求满足IB2>>IB，似乎IB2越大越好。其实不然，还要考虑到其它影响。IB2不能太大，否则RB1和RB2就要取得较小，这不但要增加功率损耗，而且从信号源取用较大的电流，使信号源的内阻压降增加，加在放大器输入端的电压 ui减小。一般RB1和RB2为几十千欧。 基极电位UB也不能太高，否则UE增高将使UCE相应地减小(Ec一定)，因而减小了放大电路输出电压的变化范围。一般硅管取IB2=(5-10)IB和UB=(5-10)UBE。

45 接入发射极电阻RE，虽然使射极电流的直流分量IE通过它，起到了负反馈自动稳定静态工作点的作用；但发射极电流的交流分量iC也通过它产生交流压降，产生负反馈作用，使电压放大倍数下降。
为此，可在RE两端并联电容CE，只要CE足够大，即可对交流分量视为短路，对交流信号不起负反馈作用，故CE称为发射极交流旁路电容，其值一般取为10～100uF。

46 计算分压式电流负反馈偏置电路的电压放大倍数Ku、输出电阻ro同前面一样，但输入电阻则改为ri=RB1//RB2//rbe。
另外，静态工作点的求取与固定偏置式电路也不同，分压式偏置放大器应先求出IEQ≈ICQ，再计算UCQ=EC-ICQ(Rc+RE)和IBQ=ICQ/β。 例2-5

47 第四节 放大器的主要性能指标 放大倍数与增益
表示放大器放大性能的参数。除了电压放大倍数Ku外，还有电流放大倍数Ki和功率放大倍数Kp，分别定义为 Ki=io/ii，KP=po/pi 由于电子设备的各种放大倍数往往很大，特别是多级放大器总的放大倍数计算不便，故常用它们的对数来表示，称为增益(gain)。功率增益的定义是 Gp=101gKp 单位为分贝(dB)。由于在同一电阻上消耗的功率与电流(或电压)的有效值I (或U)的平方成正比，所以电流增益Gi和电压增益Gu分别为 Gi=201gKi(dB) Gu=20lgKu(dB)

48 2．输入阻抗 前面已介绍了输入电阻的概念，实际上由于电容、电感等的影响，从放大器输入端看进去的，应为输入阻抗(input impedance)。不过，对于低频交流信号，输入阻抗可看作是纯阻性的，所以常用输入电阻表示。 如果放大器的输入电压为 ui、输入电流为ii，则其输入电阻ri=ui/ii。

49 如果信号源的电动势为es、内阻为rs，则信号源供给放大器的信号电压，即放大器的输入电压ui为
可见，放大器的输入电阻ri越大，输入放大器的信号电压ui就越大。另外，输入阻抗越大，输入电流越小，放大器对信号源的影响也小。因此，通常希望放大器的输入阻抗越大越好。

50 3．输出阻抗 放大器的输出阻抗(output impedance)规定为：当输入信号不变、负载改变时，输出电压改变量∆uo与输出电流改变量∆io之比，即 ro=∆ uo/∆ io 对于低频交流信号，输出阻抗是纯电阻性，故ro又称为输出电阻。 当信号电压加在放大器的输入端时，如果改变接到输出端的负载，则输出电压 uo也要随之改变，这种情况就相当于从输出端看进去好像有一个具有内阻ro的电压源uo。当ro小时，在它上面损失的压降就小些，所以要求ro尽量小些，这时放大器的负载能力就强。

51 4．通频带 放大器是用来放大电信号的，而信号既有大小不同，又有频率不同。在实际中，要放大的各种电信号往往都不是单一频率的正弦信号，而是由许多不同频率的正弦信号组成的。如生物电信号的频率大多在0~200Hz。音频信号约为20~20000Hz。 理想的放大器对各种频率的信号应具有相同的放大倍数。然而实际的放大器，其放大倍数与频率有关。

52 放大倍数Ku与f之间的关系曲线，称为幅频特性；输出与输入的相位差随频率变化的关系，称为相频特性，统称为频率响应特性。一般情况下，当频率过高或过低时，放大倍数都要下降，而在中间一段频率范围内，放大倍数基本不变。 在低频部分，当放大倍数下降到中频段放大倍数Ko的0.707倍时所对应的频率fL，叫做下限频率；在高频部分，当放大倍数下降到中频段放大倍数Ko的0.707倍时所对应的频率fH，叫做上限频率。由fL到fH的频率范围，叫做放大器的通频带(frequency band)，用fw表示，即fw=fH-fL。

53 低频端放大倍数下降的原因，主要是输入、输出耦合电容C1、C2造成的，容抗 Xc=1/2πfC，f减小时，Xc增大。容抗增大后，信号在电容C1、C2上的分压增大。加在基-射极之间的变小，输出端负载电阻RL上的电压降低，从而使得电压放大倍数变小。 在高频端，放大倍数降低的原因主要有两方面：一是晶体三极管的电流放大倍数β在频率升高时会下降。二是三极管的发射结电容、集电结电容、电路中的分布电容都与放大器的输入端及输出端并联。在频率不高时，它们的容抗较大，对放大倍数的影响可忽略不计。当频率升高时，它们的容抗降低，使放大器的输入阻抗变小，负载等效阻抗变小，从而导致放大倍数下降。

54 5．信噪比 放大器在放大有用信号的同时，还会放大由放大器内部产生的噪声或外部窜入的无用的干扰电信号，这些无用的信号统称为噪声。如果将放大器输入端短路时，可以用示波器观察到放大器输出端的噪声波形。在实际中，噪声可分为两类，一类是通过适当的屏蔽、滤波或电路的合理设计可以消除或控制的，如外界磁场的感应，整流滤波不良，接地不合理等引起的噪声。另一类是由于元件中带电质点杂乱的波动所造成的，不能完全控制或消除。这些噪声有可能会淹没掉有用信号，对信号的放大是十分有害的。

55 在放大器中，噪声与有用信号的大小是相对的，如果脱离信号的大小来讲噪声的大小，那是没有意义的。如对于1mV的心电信号，若噪声也为1mV，则心电信号将被噪声所淹没而无法分辨，若噪声仅为10µV，则可以忽略。 为了说明信号与噪声之间的数量关系，也为了衡量放大器的抗干扰能力，引进信噪比(signal to noise ratio，SNR)，它定义为有用信号功率Ps与噪声信号功率PN之比，即

56 显然信噪比应越大越好，只有当信噪比大于1时，微弱信号才能有效地放大，而不致被噪声所淹没，否则放大倍数再高也没用，因为信号和噪声都以同样的放大倍数得到放大。由于放大器中的噪声主要来源于放大器的输入级，且会被以后各级放大，故应尽量减小第一级的噪声。

57 第五节 多级放大器 单级放大器的放大倍数一般只有几十，实用中常感不够，在生物医学测量中，输入信号往往是很微弱的，要把这样小的信号放大到足以带动测量或记录装置，常需把数个单级放大器串联起来，组成多级放大器。 各级放大器之间的连接称为耦合。耦合的方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种。阻容耦合是级与级间通过电容和电阻进行耦合，记作RC耦合。

58 图2-28是一个两级RC耦合放大器。其中C1、C2、C3为耦合电容，其作用有二：一是把前一级交流信号送到后一级；二是隔断直流，使前后两级的直流工作点互不影响，各级工作点可以独立设置和调整。

59 一. 多级放大器的放大倍数 在多级放大器中，计算每一级放大倍数时，必须注意前后级之间的互相影响。即应把后级的输入电阻作为前级的负载，而前级的输出则作为后级的输入信号。 通过分析图2-28所示的两级放大器，可得其总的放大倍数为： Ku=Ku1Ku2 可推广到n级放大器： Ku=Ku1Ku2……Kun

60 二. 输入电阻和输出电阻 一般说来，多级放大器的输入电阻就是输入级的输入电阻，输出电阻就是输出级的输出电阻。在计算时，仍可利用计算基本放大电路的公式。 不过有时它们不仅与本级的参数有关，还与前后级的参数有关，如后面介绍的射极跟随器作输人级时，它的输入电阻还与下一级的输入电阻有关，这是需要注意的。

61 需要指出的是，多级放大器的通频带将变窄。
以一个具有完全相同的单级放大器的两级放大器为例，若每级的放大倍数相同，即Ku1=Ku2，则每级的上限频率fH和下限频率fL的电压放大倍数为0.707Ku1。两级放大器在中频段的总放大倍数为 Ku=Ku1Ku2=K2u1，在原来的fH和fL处，Ku=0.707KulX0.707Ku2=0.5K2u1，而不是0.707K2u1。显然，两级放大器的下限频率f’L>fL，上限频率f’H<fH，通频带f’w<<fw。

62 第六节 场效应管放大器 场效应管(field effect transistor)是一种较新型的半导体器件，其外形与普通晶体管相似，但它们的控制特性却截然不同。 普通晶体管是电流控制元件，通过控制基极电流控制集电极电流，信号源必须提供一定的电流才能工作，因此它的输入电阻较低，仅有 Ω。而场效应管则是电压控制元件，它的输出电流取决于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻可高达 Ω 。

63 这对我们是非常有意义的，因为在生物医学中，经常遇到高内阻的信号源，提供信号电流的能为非常微弱，而场效应管则可用来制作取用信号电流非常微小的前级放大器。它还具有其它优点，所以现已被广泛应用于放大电路中。