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1、05模拟电子技术第五模拟电子技术第五章章_放大器的工作原理放大器的工作原理和分析方法和分析方法gp8/9/20222 放大器在模拟电路中占特别重要的放大器在模拟电路中占特别重要的地位。一方面，在现实生活中有许多微地位。一方面，在现实生活中有许多微弱信号需要放大，另一方面，放大器又弱信号需要放大，另一方面，放大器又是滤波器、振荡器等各种模拟电路关键是滤波器、振荡器等各种模拟电路关键组成部分。组成部分。 放大器可分为：放大器可分为：电压放大器电压放大器，电流电流放大器放大器，跨导放大器跨导放大器和和跨阻放大器跨阻放大器。8/9/20223放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电放大电路主要用
2、于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放大电路。主要讲电压放大电路。一一. .放大器的基本概念放大器的基本概念5.15.1放大器的基本概念和主要参数放大器的基本概念和主要参数为保证不失真，应为线性为保证不失真，应为线性8/9/202241.1.放大倍数放大倍数表示放大器的放大能力表示放大器的放大能力（1）电压放大倍数）电压放大倍数定义为定义为: AU=UO/UI（2）电流放大倍数）电流放大倍数定义为定义为: AI=IO/II （3）互阻增益）互阻增益定义为定义为: Ar=UO/II（4）互导增益）互导增益定义为定义为: Ag=IO/UI根
3、据放大电路输入信号的条根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以大器可分为四种类型，所以有四种有四种放大倍数的定义。放大倍数的定义。二二. .放大器的主要技术指标放大器的主要技术指标放大倍数放大倍数: 增益增益 dB=20logA功率放大倍数功率放大倍数 AP=PO/PIdB=10logAP8/9/202252. 输入电阻输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的从放大电路输入端看进去的等效电阻等效电阻iiui输入电阻：输入电阻：Ri=ui / iiRiuSRS信号源信号源一般来说，一般来说， Ri越大越好。越大越好。（1）Ri越大，越大，ii就
4、越小，从信号源索取的电流越小。就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时，）当信号源有内阻时， Ri越大，越大， ui就越接近就越接近uS。Au输入端输入端输出端输出端8/9/20226AuuS3. 输出电阻输出电阻Ro从放大电路输出端从放大电路输出端 看进去的等效电阻看进去的等效电阻输出端输出端Rouso输出端输出端8/9/20227 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，输出电阻是表明放大电路带负载的能力，RO越小，放越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。大电路带负载的能力越强，反之则差。 0,.o.ooSL=URIUR 输出电阻输出电阻的定义：的定义：8/9/202284.
5、 通频带通频带fAAm0.707AmfL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带： fbw=fHfL放大倍数随频率放大倍数随频率变化曲线变化曲线幅幅频特性曲线频特性曲线 3dB带宽带宽8/9/202295.最大输出幅度最大输出幅度 表示在输出波形没有明显失真的情表示在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够提供给负载的最大况下，放大电路能够提供给负载的最大输出电压，一般指输出电压，一般指电压的有效值电压的有效值：PPomUU228/9/2022106.非线性失真系数非线性失真系数 所有的谐波总量与基波成分之比：所有的谐波总量与基波成分之比：12322UUUD8/9/
6、202211三种组态对应于三种放大器：三种组态对应于三种放大器：放大电路组成原则：放大电路组成原则：共射放大器，共基放大器，共集放大器共射放大器，共基放大器，共集放大器。1 1、置于放大区；、置于放大区；2 2、正确设置静态工作点；、正确设置静态工作点；3 3、输入电压的变化转化成基极电流的变化，再转、输入电压的变化转化成基极电流的变化，再转 化成集电极电流的变化；化成集电极电流的变化；4 4、输出端接负载，把集电极电流的变化转化成负载、输出端接负载，把集电极电流的变化转化成负载的电压变化。的电压变化。一放大器的组成一放大器的组成5.2 5.2 放大器的组成和工作原理放大器的组成和工作原理静态
7、工作点：静态工作点：I IBQBQ, ,V VBEQBEQ, ,I ICQCQ, ,V VCEQCEQ8/9/202212-+VT123URBIRBBBECCCCb（+12V）IUVCEBE+UIUB+IIC+U+CEUO放大原理：放大原理：UCE（-ICRc）iUUBEIBIC（b bIB）电压放大倍数：电压放大倍数： oUiouUUA三极管工作在放大区：三极管工作在放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。二放大器的原理二放大器的原理8/9/202213放大元件放大元件iC=b biB，工作在放大区，工作在放大区，要保证集电结反要保证集电结反偏，发射结正偏。偏，发射结正偏。u
8、iuo输入输入输出输出参考点参考点Rb+VCCVBBRCC1C2TRL共射放大电路组成共射放大电路组成8/9/202214共射放大电路组成共射放大电路组成使发射结正偏，并提使发射结正偏，并提供适当的静态工作点供适当的静态工作点IB和和UBE。基极电源与基极电源与基极电阻基极电阻Rb+VCCVBBRCC1C2TRL8/9/202215集电极电源，集电极电源，为电路提供能为电路提供能量。并保证集量。并保证集电结反偏。电结反偏。Rb+VCCVBBRCC1C2TRL8/9/202216共射放大电路共射放大电路集电极电阻，集电极电阻，将变化的电流将变化的电流转变为变化的转变为变化的电压。电压。Rb+VC
9、CVBBRCC1C2TRL8/9/202217耦合电容：耦合电容：电解电容，有极性，电解电容，有极性，大小为大小为10 F50 F作用：作用：隔直通交隔直通交隔隔离输入输出与电路离输入输出与电路直流的联系，同时直流的联系，同时能使信号顺利输入能使信号顺利输入输出。输出。+uiuoRb+VCCVBBRCC1C2TRL8/9/202218单电源供电单电源供电可以省去可以省去Rb+VCCVBBRCC1C2TRL8/9/202219单电源供电单电源供电Rb+VCCRCC1C2TRL8/9/202220IBUBEQuiibtVvimisin放大原理说明放大原理说明8/9/202221ICUCEicibs
10、inCBCQcCQbmIIIiIitbbCbmCEQCbmCQCCRtiVRtiIEVbbsin sinbCbmCiRtiRvbbsin0iCibbCivRRRiiRvvAbb0IBQuiOt iB OtuCEOtuoOt iC OtICQUCEQ8/9/202222结论：结论：（1）放大电路中的信）放大电路中的信号是交直流共存，可表示成：号是交直流共存，可表示成：ceCECEcCCbBBbeBEBEuUuiIiiIiuUu（2 2）输出）输出u uo o与输入与输入u ui i相比，幅度相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相被放大了，频率不变，但相位相反。反。-+VT123URBIRBBBE
11、CCCCb（+12V）IUVCEBE+UIUB+IIC+U+CEUO8/9/202223ui=0时时由于电由于电源的存源的存在在IB 0IC 0ICIE=IB+ICIB无信号输入时无信号输入时1.静态工作点静态工作点ui=0时电路的工作状态时电路的工作状态三三. . 静态工作点静态工作点Rb+VCCRCC1C2TRL( IC,UCE )(IB,UBE)8/9/202224(IB,UBE) 和和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为线上的一个点称为静态工作点静态工作点。IBUBEQIBUBEQUCEICICUCEIB为什么要设置静态工作点？为什么要设
12、置静态工作点？ 放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。工作在线性区，以保证信号不失真。8/9/202225 2. 2. 静态工作点的估算静态工作点的估算直流通路和交流通路直流通路和交流通路元件元件直流直流电阻电阻交流交流交流电压源交流电压源直流电压源直流电压源交流电流源交流电流源直流电流源直流电流源电容电容电感电感短路短路短路短路断路断路断路断路R1/jCRjLvsisIs0Ec很多元件的直流和交流特性不同，需要画出直流和很多元件的直流和交流特性不同，需要画出直流和交流通路用于不同情况的分析。交流通路用于不同情况
13、的分析。8/9/202226开路开路 将交流电压源短路，将电容开路。将交流电压源短路，将电容开路。直流通路的画法：直流通路的画法：开路开路画出放大电路的直流通路画出放大电路的直流通路Rb+VCCRCC1C2TRL8/9/202227直流通道直流通道Rb+VCCRCB BB E QB Qb()VV ccUIRCCCCCERIVUQQICQ= bIBQ对于对于NPN硅管硅管UBEQ0.7V，PNP锗管锗管UBEQ-0.2V静静 态工作点态工作点Q（直流值）：（直流值）：UBEQ、IBQ、 ICQ 和和UCEQ8/9/202228对交流信对交流信号号(输入信输入信号号ui)短路短路短路短路置零置零R
14、Luiuo1/ C 0将直流电压源短路，将电容短路。将直流电压源短路，将电容短路。交流通路交流通路分析动态工作情况分析动态工作情况交流通路的画法：交流通路的画法：Rb+VCCRCC1C2T8/9/202229交流通道交流通道RbRCRLuiuo8/9/202230（1）估算）估算IB（ UBE 0.7V)IBUBEbBECCBRUVIbCC7 . 0RVbRVCCRb称为称为偏置电阻偏置电阻，IB称称为为偏置电流偏置电流。用估算法分析放大器的静态工作用估算法分析放大器的静态工作点（点（ IB、UBE、IC、UCE）Rb+VCCRC8/9/202231（2）估算）估算UCE、ICICUCECCC
15、CCERIVUIC= b bIBRb+VCCRC8/9/202232例：用估算法计算静态工作点。例：用估算法计算静态工作点。已知：已知：VCC=12V，RC=4K ，Rb=300K ，b b=37.5。解：解：A400.04mA30012RVIbCCB37.5 0.04 1.5mACBIIb6V41.512RIVUCCCCCE请注意电路中请注意电路中IB和和IC的数量级的数量级UBE 0.7V8/9/2022335.3放大器的图解分析法放大器的图解分析法1、画出直流通路，求解直流负载线和静态工作点、画出直流通路，求解直流负载线和静态工作点2、求解交流负载线、求解交流负载线3、由静态工作点和交流
16、负载线得出相应信息、由静态工作点和交流负载线得出相应信息8/9/202234UCE=VCCICRC由估算法求出由估算法求出I IBQBQ，I IBQBQ对应的对应的输出特性与直输出特性与直流负载线的交流负载线的交点就是工作点点就是工作点Q QVCCICUCECCCRVQ1.放大器的直流通路放大器的直流通路直流负载线方程直流负载线方程UCEQICQarctan(1/)Rc Rb+VCCRCIBQ8/9/202235求求IBQ对于对于NPN硅管硅管UBEQ0.7V，PNP锗管锗管UBEQ-0.2VCCBEBQbVUIRbCC7 . 0RVRb+VCCRCIBUBE1、估算法、估算法2、图解法、图解
17、法输入特性曲线输入特性曲线输入回路直流负载线输入回路直流负载线QBbBEVccI RUIBQ8/9/2022362.交流负载线交流负载线输出端接入负载输出端接入负载RL：不影响不影响Q 影响动态范围影响动态范围交流负载交流负载arctan(1/)LR ICUCEQUCEQICQCLLR/RR 8/9/202237CELCCVRIE 交流负载线满足的方程为交流负载线满足的方程为交流负载线穿过静态工作点，则：交流负载线穿过静态工作点，则：CEQLCQCVRIE过过 和和Q点作直线就是交流负载线。点作直线就是交流负载线。CE其中其中EC是与横轴交点坐标是与横轴交点坐标EC/RL是与纵轴交点坐标是与纵
18、轴交点坐标8/9/202238求交流负载线斜率求交流负载线斜率icuce其中：其中：CLLR/RR uce=-ic（RC/RL） = -ic RLRbRCRLuiuo8/9/202239纯纯交流量交流量ic和和uce有如下关系：有如下关系：这就是说，交流负载线的斜率为：这就是说，交流负载线的斜率为：LR1 uce=-ic（RC/RL）= -ic RL或或ic=（-1/ RL） uce交流负载线的作法：交流负载线的作法：斜斜 率为率为- -1/RL 。（ RL= RLRc ）经过经过Q点。点。 8/9/202240交流负载线的作法交流负载线的作法ICUCEVCCCCCRVQIB交流负载线交流负载
19、线直流负载线直流负载线斜斜 率为率为- -1/RL 。（ RL= RLRc ）经过经过Q点。点。 注意：注意：（1）交流负载线是有交流）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。输入信号时工作点的运动轨迹。 （2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。）空载时，交流负载线与直流负载线重合。8/9/202241的说明：的说明：CE当当C2足够大时，足够大时，C2上的电压上的电压基本不变，始终等于基本不变，始终等于VCEQ8/9/202242LLCeqRRRRCEQLLCCEQCCeqVRRRVVVCEQeqCQeqVRIVCEQLCQCVRIE即为即为对对红框中红框中电路做戴维宁等效电路做戴
20、维宁等效8/9/2022431. 静态工作点静态工作点过低，引起过低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真的波形失真ibui结论：结论：iB 波形失真波形失真OQOttOuBE/ViB / AuBE/ViB / AIBQ 截止失真截止失真4非线性失真与非线性失真与Q Q的关系的关系8/9/202244iC 、 uCE ( (uo ) )波形失真波形失真NPN 管截止失真时管截止失真时的输出的输出 uo 波形。波形。uo 波形顶部失真波形顶部失真uo = uceOiCtOOQ tuCE/VuCE/ViC / mAICQUCEQ截止区截止区8/9/202245OIB = 0QtOO NPN 管管
21、uo波形波形tiCuCE/VuCE/ViC / mAuo = uceib( (不失真不失真) )ICQUCEQ2. Q 点过高，引起点过高，引起 iC、uCE的波形失真的波形失真饱和失真饱和失真uo 波形底部失真波形底部失真饱和区饱和区8/9/2022463.3.用图解法估算最大输出幅度用图解法估算最大输出幅度OiB = 0QuCE/ViC / mAACBDE交流负载交流负载线线对于对于NPN管电路，求最大管电路，求最大输出幅度的方法：输出幅度的方法：求直流工作点的求直流工作点的ICQ 和和VCEQ根据交流负载根据交流负载 ，用，用CEQLCQCVRIECE求求如果如果LR，则最大不失真幅度为
22、，则最大不失真幅度为2/CCEQEVCEQCVE 2/CCEQEV如果如果，则最大不失真幅度为，则最大不失真幅度为CESCEQVV(中点中点)8/9/2022474.4.用图解法分析电路参数对静态工作点的影响用图解法分析电路参数对静态工作点的影响（1） 改变改变 Rb，保持，保持VCC ，Rc ，b b 不变；不变；OIBiCuCE Q1Rb 增大，增大，Rb 减小，减小，Q 点下移；点下移；Q 点上移；点上移；Q2OIBiCuCE Q1Q3（2）改变）改变 VCC，保持，保持 Rb，Rc ，b b 不变；不变； 升高升高 VCC，直流负载线平，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，行右移，动
23、态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。但管子的动态功耗也增大。Q28/9/2022483. 改变改变 Rc，保持，保持 Rb，VCC ，b b 不变；不变；4. 改变改变 b b，保持保持 Rb，Rc ，VCC 不变；不变；增大增大 Rc ，直流负载，直流负载线斜率改变，则线斜率改变，则 Q 点向点向饱和区移近。饱和区移近。OIBiCuCE Q1Q2OIBiCuCE Q1Q2增大增大b b ，IC Q 增大，增大，UCEQ 减小，则减小，则 Q 点移近饱点移近饱和区。和区。图图 2.4.9 ( (c) )图图 2.4.9 ( (d) )8/9/2022495图解法的用途图解法的用途求解静态工
24、作点求解静态工作点分析波形失真分析波形失真求最大输出幅求最大输出幅度度求电压增益求电压增益4.57.5 uCE912t0ICQiC / mA0IB = 4 0 A2060804Q260uCE/ViC / mA0tuCE/VUCEQ iC/CEBEAvVV 8/9/202250思路：将非线性的思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路等效成一个线性电路条件：交流小信号，需要事前求解条件：交流小信号，需要事前求解静态工作点静态工作点5.4 微变等效电路法微变等效电路法8/9/2022511、三极管的三极管的h参数等效电路参数等效电路（参考（参考3.4节内容）节内容）首先考察输入回路首先考察输入回路i
25、BuBE当信号很小时，将输当信号很小时，将输入特性在小范围内近入特性在小范围内近似线性似线性。 uBE iBbbeBBEbeiuiur 对输入的小交流信号对输入的小交流信号而言，三极管而言，三极管BE间等间等效于电阻效于电阻rbe。一一 .三极管的共射低频三极管的共射低频h参数模型参数模型8/9/202252对输入的小交流信号对输入的小交流信号而言，三极管而言，三极管BE间等间等效于电阻效于电阻rbe。becrbeibbeubeubeib8/9/202253考察输出回路考察输出回路iCuCEbciib b 输出端相当于一个受输出端相当于一个受 ib控制的电流源。控制的电流源。近似平行近似平行且
26、电流源两端还要并且电流源两端还要并联一个大电阻联一个大电阻rce。8/9/202254iCuCE iC uCEcceceiur rce的含义的含义8/9/202255ubeibuceicuberbeb bibib rceuceicrce很大，一般忽略。很大，一般忽略。画出三极管的画出三极管的h参数等效电路参数等效电路8/9/2022562.三极管的三极管的简化简化微变等效电路微变等效电路等效等效ebcebcrbeic =b bib 电流源为一受控源，而不是独立的电源。电流源为一受控源，而不是独立的电源。 电流源的流向不能随意假定，而是由电流源的流向不能随意假定，而是由i ib b决定。决定。
27、该模型仅适用于交流小信号，不能用于静态分析和大信号。该模型仅适用于交流小信号，不能用于静态分析和大信号。8/9/2022573 3、电压放大倍数的计算：、电压放大倍数的计算：bebirIU LboRIU b b beLurRA b b LCLR/RR 负载电阻越小，放大倍数越小。负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRbRCRLiU iI bI cI oU BI b b8/9/202258iiIURibeb/rRber电路的输入电阻越大，从信号源取电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。较大的的输入电阻。rbeRbRCRL
28、iU iI bI cI oU BI b b4 4、输入电阻的计算：、输入电阻的计算：根据输入电阻的定义：根据输入电阻的定义：8/9/202259当信号源有内阻时：当信号源有内阻时：问题问题: Au和和Aus的关系如何的关系如何?ouIUAUouSSUAUouSSUAU定义定义:iISSiRUURRiuSuSiRAARR8/9/202260oU oI rbeRbRCiI bI cI bI b bcoooRIUR所以：所以：用加压求用加压求流法求输流法求输出电阻：出电阻：005、输出电阻的计算：、输出电阻的计算：0U,R.o.ooSLIU=R根据定义根据定义8/9/202261求：求：1.1.静态
29、工作点。静态工作点。 2.2.电压增益电压增益A AU U、输入电阻、输入电阻R Ri i、 输出电阻输出电阻R RO O 。 3.3.若输出电压的波形出现如若输出电压的波形出现如 下失真下失真 ，是截止还是饱和，是截止还是饱和 失真？应调节哪个元件？如何调节？失真？应调节哪个元件？如何调节？电路如图所示，元件参数已给出，三极管的b=43，三极管的VBE=0.7VRb+VCCRCC1C2TRL6.2k3.9k470k=20VViVo+-+-输出波形输出波形例例8/9/202262解：解：1 . 计算工作点的思路：直流通路计算工作点的思路：直流通路IBICVCE (1)先在输入回路求先在输入回路
30、求IB： 因为因为VCC=IBRb+VBE 所以：所以： IB=(VCC-VBE)/Rb=(20V-0.7V)/470k=41 A (2)根据根据IB求求IC： IC=b bIB=4341 A=1.76mA (3)最后根据输出回路求最后根据输出回路求VCE： 因为因为 VCC=ICRC+VCE 所以所以 VCE=VCC-ICRC=20V-1.76mA6.2k =9.1VIcVCE2. 思路：思路：微变等效电路微变等效电路AU、Ri 、R08/9/20226326mV26mV300(1)300(143)945()1.76mAbeErIbbeLiurRUUA0b103945. 0)2 . 6/9
31、. 3(43/470/0.9450.945(k )ibbeRRrOCRRBBRI 3.增大饱和失真，减小，8/9/202264本章小结本章小结1基本放大电路的组成。基本放大电路的组成。 BJT加上合适的偏置电路（偏置电加上合适的偏置电路（偏置电路保证路保证BJT 工作在放大区）。工作在放大区）。2交流与直流。正常工作时，放大电路处于交直流共存的状交流与直流。正常工作时，放大电路处于交直流共存的状态。为了分析方便，常将两者分开讨论。态。为了分析方便，常将两者分开讨论。直流通路：交流电压源短路，电容开路。直流通路：交流电压源短路，电容开路。交流通路：直流电压源短路，电容短路。交流通路：直流电压源短路，电容短路。3三种分析方法。三种分析方法。（1）估算法（直流模型等效电路法）估算法（直流模型等效电路法）估算估算Q。（2）图解法）图解法分析分析Q（Q的位置是否合适）；分析动态的位置是否合适）；分析动态（最大不失真输出电压）。（最大不失真输出电压）。（3）h参数交流模型法参数交流模型法分析动态（电压放大倍数、输入分析动态（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等）。电阻、输出电阻等）。 8/9/202265作作 业业58，59，511，516，517