3放大电路基础.pdf

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1、第三章放大电路基础1 第三章 放大电路基础【放大器基础，10 学时】1.偏置电路和耦合方式2.性能指标输入、输出电阻和增益；失真3.基本组态共射、共基、共集三种组态放大器电路；三种放大器性能比较；改进型放大器（组合放大器，带发射极电阻的共射放大器，有源负载共射放大器）；场效应管三种组态放大器的性能；集成MOS 放大器。4.小信号模型5.三极管电路分析方法图解法；工程近似分析方法；小信号等效电路法6.三极管应用原理电流源；放大器；跨导线形电路7.*集成工艺：标准流程；元器件；元器件特点【本章内容的重点】晶体管基本放大电路本章以几种晶体管放大电路为例，介绍放大电路的组成原理、工作原理、性能指标及计

2、算方法。要注意对基本概念、基本原理、基本分析方法的领会，以便为后面各章的学习打好基础。3.1 放大电路的基本概念无论是通过数字式仪表读出测量的物理信号，还是对其进行数字化处理，都需要将信号放大到一定的数量级才能进行下一步分析处理。因此，放大电路是模拟电子线路中最基本的电路结构，是构成其他功能的模拟电路，如滤波、振荡、稳压等电路的基本单元电路。本节简单介绍信号放大电路的分类、电路模型、电路的性能指标。【1 学时】一.放大的定义及分类1.什么是放大？“放大”一词用淂很普遍，在很多场合都会发现放大现象的存在。比如利用放大镜使微小的物体现出较大的形象，这是光学中的放大现象；利用杠杆能用小力移动重体，这

3、是力学中的放大现象；利用变压器将低电压变成高电压，这是电学中的放大现象；说话的声音通过扩音器被加强，这是电子学中的放大现象。那么，我们能从这些现象中找到什么规律、得到什么启发呢？首先，我们看到它们的一个共同点，它们都是把原事中的差异的程度放大了。放大镜将原物体中各点之间的距离放大了；杠杆将人们移动物体实际付出的力放大了；变压器把电压变化放大了；扩音器把声音的变化放大了。因此，所谓放大是对差异的程度或变化量而言的。这是我们要注意的第一点。第三章放大电路基础2 同时，它们之间还存在一个重要的差别。经过放大镜放大后的影像，其亮度比原来的要弱；利用杠杆得到较大的力，然而物体移动的距离要比加力点经过的距

4、离短；变压器在将电压升高的同时，次级的电流却比初级的电流小了。可见，这几种放大现象都遵循能量守恒的法则。只有扩音器在进行放大时，扬声器能输出比原来大淂多的能量。也就是说扬声器不仅得到放大了的电压，也得到了放大了的电流。那么，这多出来的能量是从哪里来的呢？众所周知，如果把扩音器的电源切断，扬声器将不再发声。可见，能量是由电源供给的。放大电路的作用就是把电源的能量转化为变化的输出量，而这些输出量的变化情况是与输入量的变化情况成比例的。因此，放大作用实质上是一种能量控制作用。具有能量控制作用的器件称为有源器件，比如晶体管、场效应管以及集成运算放大器等。由无源元件组成的电路，即使输出量比输入量大，也不

5、是电子学中定义的放大电路。总之，基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。它有以下特点：1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。放大电路的结构示意图见图3.1。2.信号放大电路分类及其模型根据不同的信号特性和应用范围，应设计出不同的放大电路，信号放大电路依据实际的输入信号和所需的输出信号是电压或者电流，可大致分为4 类；电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大电路。（1）电压放大电路考虑电路的输出电压和输入电压的关系。iVoVA

6、V无量纲电路模型由输入电阻Ri、输出电阻Ro和受控电压源AvoVi三个基本元件构成，其中Vi为输入电压，Avo为输出开路（RL）时的电压增益。受控电压源是一种非独立的电压信号源，此处它受Vi的控制并随其线性变换。从图3.2 可以看出，由于Ro与 RL的分压作用，使负载电阻上的电压信号Vo小于受控电压源的信号幅值，即oLLiVOoRRRVAV图 3.1 放大概念示意图图 3.2 电压放大电路模型第三章放大电路基础3 则电压增益为oLLVOioVRRRAVVAAv受 RL的影响，随RL减小而降低。当Ro Rs时，才能减小Rs对信号的衰减作用。理想放大电路中，Rs。由此可知，电压放大电路适用于信号源

7、内阻Rs较小，负载电阻RL较大的场合。（2）电流放大电路考虑电路的输出电流和输入电流的关系。iIoIAI无量纲与电压放大电路的不同在于输出回路，它是由受控电流源AISIi和输出电阻Ro并联而成，其中，Ii为输入电流，AIS为输出短路（RL0）时的电流增益。此处受控电流源受输入电流Ii控制。输出电阻Ro和信号源内阻Rs同样也会影响信号的衰减。如图3.3。在输出端，有oLoiISoRRRIAI则带负载时的电流增益为LooISioIRRRAIIA在输入端，有isssiRRRII由此可知，当Ro RL，Ri Rs时，电流放大电路信号衰减小，具有理想的电流放大效果。【同理可分析互阻放大电路、互导放大电路

8、，不再作展开描述】（3）互阻放大电路考虑电路的输出电压和输入电流的关系。iRoIAV量纲：理想状态，要求输入电阻Ri0，输出电阻Ro0。ARO为输出开路时的互阻增益。（4）互导放大电路考虑电路的输出电流和输入电压的关系。iGoVAI量纲：S 理想状态，要求输入电阻Ri，输出电阻Ro。AGS为输出短路时的互导增益。图 3.3 电流放大电路模型第三章放大电路基础4 根据戴维南Th，四种电流模型可以相互转换，以电压放大电路与电流放大电路的转换为例说明。开路时，电压放大电路的输出电压为AvoVi，而电流放大电路的输出电压为AISIiRo且 IiVi/Ri，两电路等效，即oiiISiVORRVAVA可得

9、：AvoAISRo/Ri。同理可得：AvoARO/Ri，AvoAGSRo。由于四种电路之间互为等效，但是在实际应用电路设计中，只有一种模型最合适、合理，运用最方便。在某些工业控制设备和医疗设备中，从安全和抗干扰方面考虑，在前级信号预放中，采用隔离型放大电路，即放大电路的输入与输出电路（包括供电电源）相互绝缘，输入与输出信号之间不存在任何公共参考点。二.放大电路的主要性能指标比较两个放大电路，它们分别由电源提供能量，它们所放大的信号都是随时间变化的，且变化是无规律的。比如人说话时的声调与强度的变化就是这样的。这两组信号经过放大电路都被放大了，然而我们能从这里判断出这两个放大电路哪一个更好吗？怎样

10、来衡量放大电路的性能呢？下面我们介绍一些可以定量测定的指标和可以实现的测量方法。性能指标可以分为三种类型：第一种是对应于一个幅值已定、频率已定的信号输入时的性能，这是放大电路的基本性能。第二种是对应于幅值不变而频率改变的信号输入时的性能。第三种是对应于频率不变而幅值改变的信号输入时的性能。（第一种类型的指标）1.增益（放大倍数）增益是衡量放大电路放大能力的指标。增益反映了放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为信号能量的能力。它定义为输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比。输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍

11、数，它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关变量如图3.4 所示。电压放大倍数定义为.i.o./=VVAv电流放大倍数定义为.i.o./=IIAi功率放大倍数定义为i.i.o.oio/=IVIVPPAp对应不同的电路模型，有不同的增益，分别为电压增益AV、电流增益AI、互阻增益AR和互导增图 3.4 放大倍数的定义第三章放大电路基础5 益 AG。电压增益、电流增益无量纲，工程上常用以10 为低的对数增益表示，基本单位为B（贝尔，Bel），也用它的十分之一单位dB（分贝）。dB：decibel。用分贝表示的电压增益和电流增益分别为：电压增益 20lg|AV|dB 电流增益 20lg|A

12、I|dB 功率增益为：功率增益 10lg APdB AV或 AI的负号与对数增益的负号意义注意不要混淆，前者表示输入与输出的相位相差180，后者表示信号是衰减的。例如，电路增益为20 dB，表示信号电压衰减了1/10，即|AV|0.1。2.输入电阻作为一个放大电路，一定要有信号源来提供输入信号。例如扩音器是利用话筒将声音转换成电信号提供给放大电路的。放大电路与信号源相连，就是要从信号源取电流。取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度，所以我们定义一个指标，来衡量放大电路对信号源的影响，叫输入阻抗。当信号频率不高不低时，输入电流Ii与输入电压Vi基本同相，因此通常用输入电阻来表示。它定义为：

13、.i.ii/=IVR从图 3.5 可以看出，输入电阻就是从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电阻Ri越大，放大电路从信号源吸取的电流则小，放大电路输入端所得到的电压Vi越接近信号电压Vs。因此作为量测仪表用的放大电路其Ri要大。但是对于晶体管来说，Ri大则取电流小，将降低放大倍数。所以在需要放大倍数大而信号源内阻Rs为固定值的情况下，晶体管放大电路的Ri又以小一些为好。（无论何种电路模型，对输入电阻都有：RiVi/Ii，它决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。对输入为电压信号的放大电路，即电压放大和互导放大，Ri越大，则放大电路输入端的电压Vi就越大。反之，输入为电流信号的放大电路，即电

14、流放大和互阻放大，Ri越小，流入放大电路的输入电流 Ii就越大。）【如何测试放大电路的输入电阻】：假定在输入端外加一测试电压VT，【P16 图 1.2.5】根据给定的放大电路内各元件参数就可计算出相应的测试电流IT，则TTiIVR3.输出电阻（放大电路将信号放大后，总要送到某装置去发挥作用。这个装置我们通常称为负载。比如扬声器就是扩音器的负载。）同理，从放大电路的输出端看进去有一个等效内阻，通常称为输出电阻Ro。输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。Ro的定义见图3.6。.o.oo/=IVR图(a)是从输出端加假想电源求Ro，图(b)是通过放大电路负

15、载特性曲线求Ro。图 3.5 输入电阻的定义第三章放大电路基础6 根据图 3.6(b)，在带负载RL时，测得oo,IV，开路时输出为oV。根据上式有LoooLoooooooo 1)/(/)(/)(/RVVVRVVIVVIVR注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。（放大电路输出电阻Ro的大小决定了它带负载的能力。对输出为电压信号的放大电路，即电压放大和互导放大，Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压Vo的影响就越小。由于信号输出功率PoVo2/RL，只要负载电阻RL足够大，输出功率将很小，则对电路的功耗就小，常常

16、用在信号的前置放大和中级放大。（对输出为电流信号的放大电路，即电流放大和互阻放大，Ro越大，负载电阻RL的变化对输出电流 Ii的影响就越小。在供电电源电压一定时，这两种放大电路可输出较大的电流信号，则输出功率PoIo2RL较大，电源供给的功率也较大。这种电路通常用于电子系统的输出级，如用作音响系统的扬声器、动力系统的电动机的驱动电路。）（第二种类型的指标）4.通频带（频率响应及带宽）当只改变输入信号的频率时，发现放大电路的放大倍数是随之变化的，输出波形的相位也发生变化。这就需要有一定的指标来反映放大电路对于不同频率的信号的适应能力。一般情况下，放大电路只适用于放大一个特定频率范围的信号，当信号

17、频率太高或太低时，放大倍数都有大幅度的下降。如图 3.7 所示。（幅频响应曲线中平坦的一段称为中频区）频率响应是指，输入正弦信号，输出信号随频率连续变化的稳态响应。考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益为jVjVjAioV或VVAA为信号的角频率，VA表示电压增益的模与角频率之间的关系，称为幅频响应；表(a)从输出端求Vo (b)从负载特性曲线求图 3.6 输出电阻的定义图 3.7 通频带的定义第三章放大电路基础7 示放大电路输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系，称为相频响应，二者结合可全面表征放大电路的频率响应。当信号频率升高而使放大倍数下降为中频范围时的放大

18、倍数的（0.7）倍时，对应的频率称为上限截止频率fH。同样，使放大倍数下降为0.7 倍时的低频信号频率称为下限截止频率fL。即 A(fL)=A(fH)=O07.02AA我们将 fL和 fH之间形成的频带称为通频带fbw，fbwfHfL。通频带越宽，表明放大电路对信号频率的适应能力越强。对于收录机、扩音器来说，通频带宽意味着可以将原乐曲中丰富的高低音都能完美地播放出来。然而有些情况下则希望频带窄，如后面会讲的带通滤波电路等。当 fL 0 时，即中频区的平坦部分一直延伸到直流，如教材P20 图 1.2.8，这种特殊情况下的放大电路称为直流（直接耦合）放大电路。现代模拟集成电路大多采用直接耦合进行放

19、大。由于放大电路的带宽是有限的，相频响应也不能保持常数，当输出电压受它们的影响产生波形失真时，称为 幅度失真。不同频率的信号产生的相移不同时也要产生失真，称为相位失真。无论哪一种失真都会使时间函数波形发生失真，幅度失真和相位失真又统称频率失真。它们都是由于线性电抗元件所引起的，所以又称为线性失真，主要是为了区别于因为元器件特性的非线性造成的非线性失真。设计放大电路时要估计信号的有效带宽，保证信号的频率失真限制在容许的范围内，使放大电路带宽于信号带宽相匹配。带宽过宽，则噪声电平升高；带宽过窄，则会丢失信号部分有用信息。（第三种类型的指标）5.非线性失真系数非线性失真由元件的非线性特性引起。对分立

20、器件放大器而言，当要求信号的幅值较大时，如多级放大电路的末级，非线性失真难以避免。我们在这里定义的非线性失真系数，是指放大电路在某一频率的正弦波输入信号下，输出波形的谐波成分和基波成分之比。（输入标准的正弦信号就可测定输出信号的非线性失真。）即：100122okokVV其中，Vok表示输出电压信号各次谐波分量的有效值，Vo1是输出电压信号基波分量的有效值。（集成运放通常是由正、负双电源供电，当输出信号的幅值接近双电源值时，输出将产生非线性失真，称为 饱和失真。）6.最大输出幅值最大输出幅值指的是当输入信号再增大，就会使输出波形的非线性失真系数超过额定值（比如 10）时的输出幅值。我们以Vom（

21、Iom）表示。一般指有效值，也有以峰峰值表示的，二者差倍。7.最大输出功率与功率效率在输出信号基本不失真的情况下能输出的最大功率为最大输出功率Pom。前面我们说过，输入信号的功率是很小的，经过放大电路，得到了较大的功率输出。这些多出来的能量是由电源提供的，放第三章放大电路基础8 大电路只不过是实现了能量转换的控制。那么就存在转换效率的问题。也就是说，不能只看输出功率的大小，还应看能量的利用率如何。效率定义为VomPP式中 PV为直流电源消耗的功率。8.Iom电流摆幅9.PE电流功率（以上三类指标是以输入信号的幅值和频率来划分的。一般来说，第一类指标多适用于输入为低频小信号时的情况；第二类指标多

22、适用于输入信号幅值小但频率变化范围宽的情况；第三类指标多适用于低频但输出幅值较大的情况。）三.放大器的基本工作原理【1.5 学时】1.组成放大器的元件（2.放大电路结点电压电源波形图）3.2 放大电路的基本分析方法电子电路的分析计算要注意这两点：一，要处理的信号通常是交直流的混合量，在计算时可以将交直流量统一考虑，也可以分开进行。二，在电路中饱含有非线性器件，在计算中要正确处理。针对这两个特点，介绍两种方法。一.图解法【2 学时】1.直流图解2.交流图解二.小信号等效电路法【2 学时】1.什么是小信号第三章放大电路基础9 2.小信号交流等效电路(1)模型的建立 晶体管的伏安特性为非线性，所以晶

23、体管的放大电路交流通路仍是一个非线性电路。找出一个线性网络来等效非线性的晶体管，以简化放大电路的动态分析。在交流小信号作用下，晶体管只在其伏安特性曲线的很小一个区间内工作，这一小区间的伏安特性可近似地认为是线性的，因而可以找出一个线性网络来等效晶体管。微变也具有线性同样的含义。对于低频模型可以不考虑结电容的影响。三极管的低频小信号模型如下图所示。图 BJT 的 H 参数模型（a）BJT 在共射极接法时的双口网络（b）H 参数小信号模型（2）模型中的主要参数 rbe：BJT 的交流输入电阻。根据二极管的方程式1)e(T/SVvIi对于三极管的发射结TEBTEB/ES/ESEe1)e(VvVvII

24、ib 相当基区内的一个点，b 才是基极。所以其动态电导为TE/ESTEBEbeTEBe1dd1VivIVvirVrebVT/iEre=reb QVT/IEQ=26 mV/IEQrbe Q=rbb+(1+)VT/iE300+(1+)26 mV/IEQ对于小功率三极管rbb300，相当于基区的体电阻。ib：输出电流源表示 BJT 的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS 的特性。(3)h 参数三极管的模型也可用网络方程导出。三极管的输入和输出特性曲线如下：),(),(CEBCCEBBEvifivifv考虑电压和电流之间的微变关系，对上式取全微分淂：第三章放大电路基础10 CEBCEC

25、BCEBCCCEBCEBEBCEBBEBEvviiiiivvviivvivivCEBBE11)/(vivhhie，称为（输出端交流短路时的）输入电阻，即rbe。CEBC12)/(viihhfe，称为（输出端交流短路时的正向电流传输比）电流放大系数，即。BCEBE21)/(ivvhhre，称为（输入端交流开路时的反向）电压传输比。（无量纲）BCEC22)/(ivihhoe，称为输入端交流开路时的输出电导，即1/rce。h 参数的物理含义见下图。图 hie和 hfe的意义图 hre和 hoe的意义h 参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h 参数与工作点有关，在放大区基本不变。h 参数都是微变

26、参数，所以只适合对交流小信号的分析(4)h 参数微变等效电路简化模型简化的三极管h 参数模型，如下图所示。图中作了两处忽略 hfe反映三极管内部的电压反馈，因数值很小，一般可以忽略。hoe=1/rce具有电导的量纲，与电流源并联时，因分流极小，可作开路处理。图 三极管简化h 参数模型第三章放大电路基础11 3.3 三种基本放大电路的分析一.CE 放大电路【1 学时】1.工作点稳定的 CE 共发射极交流基本放大电路如下图（a）所示。Rb1和 Rb2是偏置电阻。C1是耦合电容，将输入信号vi耦合到三极管的基极。Rc是集电极负载电阻。Re是发射极电阻，Ce是 Re的旁路电容。C2是耦合电容，将集电极

27、的信号耦合到负载电阻RL上。Rb1、Rb2、Rc和 Re处于直流通路中，如下图（b）。RC、RL相并联，处于输出回路的交流通路之中。(a)共射基本放大电路(b)h 参数微变等效电路图 共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路（1）画直流通路求静态Q 点直流通路如下图（a）所示，用戴维宁定理进行变换后如图（b）所示。因此静态计算如下：Vbb=VCC Rb2/(Rb1+Rb2)IB=(Vbb VBE)/Rb+(1+)Re Rb=Rb1Rb2IC=IB（VC=VCCICRc）VCE=VCCICRcIERe=VCCIC(Rc+Re)（a）直流通路（b）用戴维定理进行变换图共射放大电路的直流通路（2）画

28、交流通路及小信号等效电路（3）求根据微变等效电路，有（教材P97）Ebbbebe.ib.mV/26)1(/IrrrVI第三章放大电路基础12 b.cII=Lb.Lc.oRIRIVRL=RcRL 电压放大倍数AvAv=io/VV=RL /rbe（要提高Av，根本方法在于提高RL；注意若提高Rc，管子有可能处于饱和状态；要提高Av，另一种方法是适当提高Q 点，即使得ICQ升高）源电压增益：VSiiiosiioSVARRRVVVVVVAVSVAA输入电阻RiRi=iiIV/=rbe/Rb1/Rb2 将微变等效电路的输入端短路，将负载开路。在输出端加一个等效的输出电压。可求淂输出电阻。输出电阻Ro：R

29、o=Rc 2.加反馈电阻 Rf的 CE 直流通路的分析与未加反馈电阻时相同。差别在于交流通路上。输入电阻Ri：Ri=iiIV/=Rb1/Rb2/rbe+(1+)Rf 加入 Rf，提高了Ri。输出电阻：二.CC 放大电路【0.5 学时】共集组态基本放大电路如下图所示，其直流工作状态和动态分析如下。1.直流分析将共集组态基本放大电路的直流通路画于下图b 中，于是有IB=(VCC VBE)/Rb+(1+)Re；IC=IB；VCE=VCCIERe=VCCICRe2.交流分析第三章放大电路基础13 将下图 a 的 CC 放大电路的中频微变等效电路画出，（如图 3.X 所示）。（1）中频电压放大倍数1)1

30、(LbeL.i.o.RrRVVAv比较共射和共集组态放大电路的电压放大倍数公式，它们的分子都是乘以输出电极对地的交流等效负载电阻，分母都是三极管基极对地的交流输入电阻。（2）输入电阻Ri=Rb1/Rb2/rbe+(1+)RL)LLRR/Re（3）输出电阻输出电阻可从图3.X 求出。将输入信号源iV短路，负载开路，由所加的等效输出信号Vo可以求出输出电流(a)共集组态放大电路(b)CC 放大电路直流通路图 共集组态放大电路及其直流通路图CC 组态微变等效电路图求 Ro的微变等效电路1+/=)/()+/()1(/,)+/()/()1(sbee.o.ooe.osbe.o.ob2b1sssbe.o.b

31、e.o.be.b.b.oRrRIVRRVRrVIRRRRRrVIRVIIIIIR第三章放大电路基础14 三.CB 放大电路【0.5 学时】共基组态放大电路如图3.X 所示，其直流通路如图3.X 所示。1.直流分析与共射组态相同。2.交流分析共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图3.27 所示。（1）电压放大倍数Av=ioVV/=RL/rbe（2）输入电阻Ri=iiIV/=rbe/(1+)Re rbe/(1+)（3）输出电阻RoRc 四.复合管电路3.4 三极管应用电路【1 学时】？一.电流源图 03.25 共基组态放大电路图 03.26 共基放大电路的直流通路图 3.27 CB 组态微变等效电路第三章放大电路基础15 二.放大器三.跨导线形电路 3.5*集成工艺【0.5 学时】一.标准流程二.元器件三.元器件特点