电子技术第2章笔记 基本放大电路

1.放大的概念及放大电路的主要性能指标

1-1 放大的概念

放大： 将微弱的变化信号放大成所需量级的信号

1-2 放大电路的性能指标

电压放大倍数

\[A_u = \frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i}\]

输入电阻

\[r_i = \frac{\dot{U}_i}{\dot{I}_i}\]

表示放大电路从信号源吸取电流的能力,输入电阻越大,对前级信号源影响越小，输入信号损失越小

输出电阻

\[r_o = \frac{\dot{U}_o}{\dot{I}_o}\]

从输出端看进去，放大电路等效出来的内阻,输出电阻越小，负载变化引起输出电压的变化越小

通频带

用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力

非线性失真系数

输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比

2.共射级放大电路的组成及放大原理

2-1 放大电路的基本组成

基极电源 $E_B$ 与基极电阻 $R_B$：使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。

集电极电源 $E_C$：为电路提供能量，并保证集电结反偏。

集电极电阻 $R_C$：将变化的电流转变为变化的电压。

耦合电容 $C_1$、$C_2$：隔离输入信号源、输出负载与放大电路的直流联系，同时保证交流信号顺利输入输出。一般取值为几微法到几十微法。耦合电容 $C_1$、$C_2$ 通常采用电解电容器，连接时应注意极性。

信号源 $E_s$：提供输入信号。

信号源内阻 $R_s$：信号源内部等效电阻。

负载电阻 $R_L$：放大电路的负载电阻，是放大电路的驱动对象。

可以通过合理设置电阻将两个电源换为一个电源，如下图所示

2-2 共射极放大电路的放大原理

符号规定

放大过程

flowchart LR
    A["输入电压 uᵢ"] --> B["发射结电压 u_BE"]
    B --> C["基极电流 i_B"]
    C --> D["集电极电流 i_C = βi_B"]
    D --> E["集电极电阻压降 u_RC"]
    E --> F["集射极电压 u_CE = U_CC - u_RC"]
    F --> G["输出电压 u_o"]

放大条件

1. 晶体管必须工作在放大区，发射结正偏，集电结反偏；
2. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流；
3. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。

放大电路的特点

1. 无输入信号时，三极管各电极都是恒定的电压和电流。
2. 接入输入信号后，各电极电流和电压的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加一个交流量，但方向始终不变。
3. 若参数选取得当，电路具有电压放大作用。
4. 输出电压与输入信号频率相同，共射极放大电路输出电压与输入电压在相位上相差 180°，即共发射极电路具有反相作用。

3.放大电路的静态分析方法

3-1 放大电路的静态分析方法

直流通路： 无交流信号源作用时，直流电流流经的通路

\[I_B = \frac{U_{CC} - U_{BE}}{R_B} \approx \frac{U_{CC}}{R_B}\] \[I_C = \beta I_B\] \[U_{CE} = U_{CC} - I_C R_C\]

其中$U_{CE}$与$I_C$的函数关系是线性的，通常将这条直线称谓直流负载线

3-2 放大电路的非线性失真

若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真

若Q设置过低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真

4.放大电路的动态分析方法

4-1 微变等效电路

交流通路: 在输入信号的作用下,交流信号流经的通路

根据晶体管的小信号模型,可以将交流通路转变为微变等效电路

4-2 电压放大倍数计算

\[\dot{U}_o = -\dot{i}_c R_L' = -\beta \dot{i}_b R_L' \qquad \left(R_L' = R_C \parallel R_L\right)\] \[A_u = \frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i} = -\beta \frac{R_L'}{r_{be}}\]

4-3 输入电阻计算

\[r_i = \frac{\dot{U}_i}{\dot{I}_i} = R_B \parallel r_{be}\]

4-4 输出电阻计算

\[r_o = \left. \frac{\dot{U}}{\dot{I}} \right|_{\dot{U}_s=0} = R_C\]

4-5 源电压放大倍数计算

\[A_{us} = \frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_s} = \frac{\dot{U}_i}{\dot{U}_s} \cdot \frac{\dot{U}_o}{\dot{U}_i} = \frac{r_i}{r_i + R_S} A_u\]

5.静态工作点的稳定

5-1 温度变化对静态工作点的影响

温度升高时,$I_C$增大,输出特性曲线上移

5-2 分压式偏置放大电路

电路结构

稳定Q点的原理

\[V_B \approx U_{CC}\frac{R_{B1}}{R_{B1}+R_{B2}}\] \[I_C \approx \frac{V_B-U_{BE}}{R_{E1}+R_{E2}}\]

稳定Q点的过程

这个电路能稳定静态工作点，关键靠发射极电阻产生的直流负反馈。

假设温度升高导致集电极电流增大：

\[I_C \uparrow\]

则发射极电流也增大：

\[I_E \uparrow\]

于是发射极电阻上的压降增大：

\[V_E \uparrow\]

而基极电压 $V_B$ 基本由分压电阻决定，近似不变，所以：

\[U_{BE}=V_B-V_E\]

会减小，即：

\[U_{BE} \downarrow\]

于是基极电流减小，集电极电流也被抑制：

\[I_B \downarrow \Rightarrow I_C \downarrow\]

所以整个反馈过程是：

\[I_C \uparrow \Rightarrow I_E \uparrow \Rightarrow V_E \uparrow \Rightarrow U_{BE} \downarrow \Rightarrow I_B \downarrow \Rightarrow I_C \downarrow\]

这就是分压式偏置电路稳定 Q 点的原理。

静态分析

\[V_B \approx U_{CC}\frac{R_{B1}}{R_{B1}+R_{B2}}\] \[V_E \approx V_B - U_{BE}\] \[I_E = \frac{V_E}{R_{E1}+R_{E2}}\] \[I_C \approx I_E\] \[I_B = \frac{I_C}{\beta}\] \[U_{CE} \approx U_{CC} - I_C\left(R_C+R_{E1}+R_{E2}\right)\]

动态分析

\[R_L' = R_C \parallel R_L\] \[r_i = R_{B1} \parallel R_{B2} \parallel \left[r_{be} + (1+\beta)R_{E1}\right]\] \[r_o = R_C\] \[A_u = -\frac{\beta R_L'}{r_{be} + (1+\beta)R_{E1}}\]

6.共集电极放大电路(射极输出器)

6-1 放大电路的三种基本组态

共射极放大电路、共集电极放大电路（射极输出器）、共基极放大电路

判断时将电容视为短路，电源视为接地，然后将输入和输出的两端通过无电阻的电路连接到三极管，找公共极

6-2 共集极放大电路的静态分析

\[I_{BQ} = \frac{U_{CC}-U_{BE}}{R_B+(1+\beta)R_E}\] \[I_{EQ} = (1+\beta)I_{BQ}\] \[U_{CEQ} = U_{CC} - I_{EQ}R_E\]

6-3 共集极放大电路的动态分析

输入电阻

\[r_i = R_B \parallel \left[r_{be} + (1+\beta)R_L'\right]\]

电压放大倍数

\[A_u = \frac{u_o}{u_i} = \frac{(1+\beta)R_L'}{r_{be}+(1+\beta)R_L'}\]

$A_u \approx 1$ 且输入输出同相，输出电压随输入电压变化，所以也称为射极跟随器

输出电阻

\[r_o \approx R_E \parallel \frac{r_{be}+R_B'}{1+\beta}\]

6-4 共集电极放大电路的应用

1. 因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。
2. 因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。
3. 利用 $r_i$ 大、$r_o$ 小以及 $A_u \approx 1$ 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。

7.多级放大电路

7-1 多级放大电路的耦合方式

为了满足放大电路的性能要求，可以把多个基本放大电路连接起来，组成多级放大电路

输入级：保证足够大的输入电阻；

中间级：提供足够大的电压放大倍数；

输出级：保证足够小的输出电阻、一定的功率放大能力。

对耦合电路的要求？

• 静态：保证各级有合适的Q点
• 动态：传送信号波形不失真，减少压降损失

常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合

阻容耦合

• 直流通路各不相通，各级静态工作点相互独立，电路的分析、设计和调试简单易行
• 低频特性差，不能放大变化缓慢的信号
• 不便于集成化

通常只有在信号频率很高、输出功率很大等特殊情况下，才会采用阻容耦合方式的分立元件放大电路。

变压器耦合

• 直流通路各不相通，各级静态工作点相互独立，电路的分析、设计和调试简单易行
• 低频特性差，不能放大变化缓慢的信号
• 不便于集成化
• 可以实现阻抗变换

通常只有在需要输出特大功率，或实现高频功率放大时，才会采用变压器耦合的分立元件放大电路。

光电耦合

• 各级静态工作点相互独立，电路的分析、设计和调试简单易行
• 前后级电气部分完全隔离，能够有效抑制电干扰
• 放大能力较差

因其抗干扰能力强，以及器件性能的不断提升而得到越来越广泛的应用。

直接耦合

直接耦合方式的优点：

• 既能放大交流信号，也能放大缓慢变化的信号和直流信号；
• 便于集成化

直流耦合的问题：

• 各级工作点之间相互影响的问题
• 静态零输出问题
• 零点漂移问题

7-2 多级放大电路的分析

先分析每一级的静态工作点，再分析每一级的动态参数，最后把各级放大倍数相乘

\[A_u = A_{u1}A_{u2}\cdots A_{un}\] \[r_i \approx r_{i1}\] \[r_o \approx r_{on}\]

8.差分放大电路

8-1 零点漂移

零点漂移：输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢、无规则变化的现象

8-2 差分放大电路的工作原理

差分放大电路结构

电路结构对称，理想情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等，输出电压的零点漂移为零

差分放大电路的静态分析

\[I_{E1}=I_{E2}=\frac{I_0}{2}\] \[I_{CQ1}=I_{CQ2}\approx \frac{I_0}{2}\] \[I_{BQ1}=I_{BQ2}\approx \frac{I_0}{2\beta}\] \[V_{CQ1}=V_{CQ2}=U_{CC}-\frac{I_0}{2}R_C\] \[U_{CEQ1}=U_{CEQ2}=V_C-V_E\]

差分放大电路的动态分析

\[A_d = -\frac{\beta\left(R_C \parallel \frac{R_L}{2}\right)}{R_B + r_{be}}\] \[r_{id}=2(R_B+r_{be})\] \[r_o=2R_C\] \[K_{CMR}=\frac{A_d}{A_c}\] \[K_{CMR}(\mathrm{dB})=20\lg\frac{A_d}{A_c}\]

8-3 差分放大电路的四种接法

接法	输入方式	输出方式	特点
双端输入双端输出	两个输入端都加信号	两个输出端之间取输出	性能最好，共模抑制强
双端输入单端输出	两个输入端都加信号	一个输出端对地取输出	输出约为双端输出的一半
单端输入双端输出	一个输入端加信号，另一个接地	两个输出端之间取输出	可把单端信号变成双端输出
单端输入单端输出	一个输入端加信号，另一个接地	一个输出端对地取输出	使用方便，但性能较弱

9.互补对称功率放大电路

9-1 对功率放大电路的基本要求

功率放大电路作用：功率放大电路通常位于放大系统的输出级，用来推动负载工作。

对功率放大电路要求

在不失真的情况下输出尽可能大的功率，并且效率要高。

工作状态	静态工作点位置	导通角	工作特点	优点	缺点	典型用途
甲类	工作点在交流负载线中点附近	\(360^\circ\)	晶体管在整个信号周期内都导通	失真小，线性好	静态电流大，管耗大，效率低	小信号放大、对失真要求高的场合
乙类	工作点在截止点附近	\(180^\circ\)	每个晶体管只在半个周期内导通	效率高，静态功耗小	容易产生交越失真	互补对称功率放大电路
甲乙类	工作点略高于截止点	大于 \(180^\circ\)，小于 \(360^\circ\)	晶体管导通时间超过半个周期	效率较高，交越失真较小	线性不如甲类，效率不如理想乙类	实际功率放大电路中最常用

为什么乙类工作状态的效率高？ 没有输入信号时，晶体管几乎不导通，静态功耗很小；有信号时，每只管子只工作半个周期，所以管子自身消耗的能量少。

9-2 典型互补对称功放电路

无输出电容的互补对称放大电路(OCL电路)

无输出变压器的互补对称放大电路(OTL电路)

静态时，A 点电位为 $U_{CC}/2$

$u_i$ 正半周时，T1 导通，电流 $i_{c1}$ 对负载输出，同时为电容充电；

$u_i$ 负半周时，T2 导通，电流 $i_{c2}$ 对负载输出，此时电容放电提供能量。

复合管

当输出功率较大时，常使用复合管来提高电流放大能力。

复合管由两个晶体管组合而成，总电流放大系数近似为：

\[\beta \approx \beta_1 \beta_2\]

10.放大电路的频率响应

10-1 频率响应的基本概念

在放大电路中，由于存在电抗元件，例如电容、电感，以及晶体管内部的极间电容，当输入信号频率变化时，放大电路的输出电压幅值和相位都会发生变化。

放大倍数与信号频率之间的函数关系称为放大电路的频率响应，也称为频率特性。

频率响应主要包括两部分：

幅频特性：电压放大倍数的模与频率之间的关系。

\[|A_u| = f(f)\]

相频特性：输出电压相对于输入电压的相位移与频率之间的关系。

\[\varphi = f(f)\]

---

10-2 通频带

实际放大电路不能对所有频率的信号都保持相同的放大能力。

通常在某一频率范围内，放大倍数基本保持稳定；超过这个范围后，放大倍数会明显下降。

这个能够有效放大信号的频率范围称为通频带。

常用参数包括：

中频电压放大倍数：

\[|A_{u0}|\]

下限截止频率：

\[f_L\]

上限截止频率：

\[f_H\]

通频带宽度：

\[f_{BW}=f_H-f_L\]

当放大倍数下降到中频放大倍数的 0.707 倍时，对应的频率称为截止频率。

即：

\[|A_u| = 0.707|A_{u0}|\]

其中：

\[0.707 = \frac{1}{\sqrt{2}}\]

---

10-3 阻容耦合放大电路的频率响应

阻容耦合放大电路的频率响应通常可以分为三个频段：

低频段

中频段

高频段

不同频段中，影响放大倍数和相位变化的主要因素不同。

---

10-4 中频段特性

在中频段，耦合电容和发射极旁路电容的容量较大，对中频信号的容抗很小，可以近似看作短路。

同时，晶体管的极间电容很小，对中频信号的容抗很大，可以近似看作开路。

因此在中频段，可以认为电容不影响交流信号的传输，放大电路的放大倍数基本与频率无关。

前面学习的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数，通常都是指中频段的分析结果。

---

10-5 低频段特性

在低频段，信号频率较低，电容容抗较大。

电容容抗为：

\[X_C=\frac{1}{2\pi fC}\]

当频率降低时：

\[f \downarrow \Rightarrow X_C \uparrow\]

因此耦合电容和发射极旁路电容的分压作用不能忽略。

这会导致实际送到晶体管输入端的信号电压减小，从而使电压放大倍数降低。

所以低频段放大倍数下降的主要原因是：

输入耦合电容的影响

输出耦合电容的影响

发射极旁路电容的影响

在低频段，输出电压相对于中频段还会产生超前的相位移。

---

10-6 高频段特性

在高频段，耦合电容和发射极旁路电容的容抗比中频段更小，仍可以近似看作短路。

但是晶体管的极间电容和导线分布电容的容抗会明显减小，不能再忽略。

高频段影响放大倍数的主要因素包括：

晶体管极间电容

导线分布电容

晶体管电流放大系数 $\beta$ 随频率升高而下降

在高频时，极间电容容抗减小，会使等效负载阻抗减小。同时，晶体管的电流放大能力下降，使输出电压减小。

因此高频段电压放大倍数降低，并产生滞后的相位移。

---

10-7 BJT 的极间电容

BJT 内部主要存在两个极间电容：

发射结电容

集电结电容

其中，集电结电容会对高频特性产生重要影响。

在高频等效模型中，常把集电结电容折合到输入回路和输出回路中，这种处理称为单向化。

单向化后可以得到：

基射极等效电容

集射极等效电容

这些等效电容会影响放大电路的高频响应。

---

10-8 不同频段影响因素总结

频段	主要影响因素	放大倍数变化	相位变化
低频段	耦合电容、旁路电容	放大倍数下降	相位超前
中频段	电容影响可忽略	放大倍数基本稳定	相位基本稳定
高频段	极间电容、分布电容、$\beta$ 下降	放大倍数下降	相位滞后

---

10-9 多级放大电路的频率响应

多级放大电路的总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积：

\[A_u=A_{u1}A_{u2}\cdots A_{un}\]

但是，多级放大电路的通频带通常会比单级放大电路更窄。

以两级放大电路为例：

两级放大电路的通频带比组成它的单级放大电路通频带窄。

这个结论具有普遍意义。

也就是说，放大级数越多，频率响应越容易受到限制，通频带越容易变窄。

---