第二章基本放大電路

歡迎學習模擬電子技術基礎第二章基本放大電路最基本的模擬電路是放大電路，即對輸入的模擬信號進行放大處理。本章既是學習的重點又是學習的難點；一是因為它是后面各章學習的基礎，二是因為對于初學者來講它包含了太多的基本概念、電路、方法，而且它們幾乎貫穿于全書。12.1放大的概念和放大電路的主要性能指標2.2基本共射放大電路的工作原理2.3放大電路的分析方法2.4放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定2.5

放大電路的頻率響應2.6基本共集放大電路和共基極放大電路2.7場效應管放大電路2.8

基本放大電路的派生電路22.5.放大電路的頻率響應2.5.2一階RC電路的頻率響應2.5.1頻率響應概述2.5.3晶體管的高頻數(shù)理模型2.5.4單級放大電路的頻率響應32.5.1頻率響應概述在輸入正弦信號情況下，輸出隨輸入信號頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應，稱為放大電路的頻率響應。一、頻率響應的表達式電壓放大倍數(shù)與頻率的關系復數(shù):幅頻特性。電壓放大倍數(shù)的幅值(模)與頻率的函數(shù)式。:相頻特性。電壓放大倍數(shù)的相位與頻率的函數(shù)式。4二、電壓放大倍數(shù)Au隨頻率f變化的原因中頻段耦合電容及旁路電容的影響:f

Xc1Ib

Au

前面的分析中，隔直電容處理為:直流開路，交流短路；也沒有考慮極間電容的影響。下限頻率極間電容的影響:f

Xc極

Ib

Au

極間電容上限頻率低頻段高頻段fL和fH是放大倍數(shù)下降到中頻放大倍數(shù)的倍時所確定的兩個頻率。fbw=

fH－fL

稱為放大電路的通頻帶。放大電路中存在耦合電容、旁路電容、極間電容。晶體管的極間電容遠比耦合電容（或旁路電容）小，約相差106量級。5三、研究放大電路頻率響應的必要性原因1：電壓放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)，對不同頻率信號的放大程度不同。原因2:需要放大的信號通常有多個頻率成分,若放大程度不同,會產生頻率失真。放大器輸入信號的頻率范圍：音頻——話音：300-3400Hz

——音樂：20-20KHz視頻——圖象：0-6MHz頻率失真:放大電路對不同頻率的輸入信號，有不同的放大能力和相移，而使輸出信號波形產生的失真。頻率(線性)失真幅度失真相位失真在使用一個放大電路時應了解其信號頻率的適用范圍，在設計放大電路時，應滿足信號頻率的范圍要求。由于放大電路對不同頻率信號的放大倍數(shù)幅值不同而產生的uo波形失真。由于放大電路對不同頻率信號產生的相位移不同而產生的uo波形失真。6四、頻率響應的分析任務波特圖：頻率響應曲線圖，此圖為半對數(shù)坐標圖。橫(頻率)坐標：采用對數(shù)刻度，十倍頻程（記為dec)。例如從1～10Hz，從10～100Hz等?？v坐標：幅頻特性采用對數(shù)刻度，記作“”，單位為分貝。相頻特性采用線性刻度，仍用“度”(o)表示。近似分析中，常采用折線化的波特圖描繪幅頻和相頻特性曲線。1.求頻率響應表達式:2.畫出對數(shù)頻率響應曲線。3.確定下限頻率f

L、上限頻率f

H

、帶寬fbw

。7電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為：幅頻響應：高通電路:信號頻率越高，輸出電壓越接近輸入電壓。相頻響應：L=arctg(fL/f)2.5.2一階RC電路的頻率響應一、RC高通電路1.頻率響應表達式稱為下限截止頻率（簡稱下限頻率）產生超前相移。下限截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)。輸出超前輸入。8幅頻響應：2.RC高通電路波特圖折線化近似畫法，作一條斜率為20dB/十倍頻程的直線。，作一條0分貝水平線。幅頻特性最大誤差在fL處，最大誤差值?3dB。由兩段直線構成RC高通電路幅頻特性。9–45/十倍頻程（斜率）L=arctg(fL/f)相頻響應：，作一條

水平線。，作一條斜率為-45o/十倍頻程的直線。，作一條0o

水平線。由三段直線構成RC高通電路相頻特性。折線化近似畫法相頻特性最大誤差在0.1fL和10fL處，誤差值±5.71o。RC高通電路用來模擬耦合及旁路電容對放大器低頻響應的影響。10電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為：幅頻響應：相頻響應：H=-arctg(f/fH)二、RC低通電路1.頻率響應表達式上限截止頻率（簡稱上限頻率）低通電路:信號頻率越低，輸出電壓越接近輸入電壓。上限截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)。產生滯后相移。11幅頻特性最大誤差在fH處，誤差值?3dB。相頻特性最大誤差在0.1fH和10fH處，誤差值±5.71o。由兩段直線構成RC低通電路幅頻特性。由三段直線構成RC低通電路相頻特性。2.RC低通電路波特圖RC低通電路用來模擬極間電容對放大器高頻響應的影響。放大倍數(shù)的數(shù)值下降，且產生0~90o滯后相移。12RC電路波特圖H=-arctg(f/fH)L=arctg(fL/f)上限頻率fL和下限fH是頻率響應的關鍵點，求出fL和fH后就可近似地描繪放大電路完整的頻率響應曲線。132.5.3晶體管的高頻數(shù)理模型是通過晶體管的物理模型而建立的。晶體管結構示意圖中低頻模型的回顧b點是基區(qū)內的一個等效點。rbb為基區(qū)體電阻re為發(fā)射區(qū)體電阻都很小，可忽略。

rc為集電區(qū)體電阻rbe為發(fā)射結電阻rbc為集電結電阻141.混合π模型Cbc(C)為集電結電容Cbe(C)為發(fā)射結電容一般只有幾pF～幾十pF。在高頻區(qū)，電容呈現(xiàn)的阻抗減小，其對電流的分流作用不可忽略。反映了三極管的結構體現(xiàn)三極管的放大作用受控電流源在高頻區(qū)，由于電容C和C的影響，此時受控電流不再與成正比，而是與基、射極之間的結電壓成正比，故用跨導gm來表示它們的控制關系。gm表示晶體管的發(fā)射結之間的結電壓對管子集電極電流的控制能力。一、晶體管的混合π模型15高頻時:一般有rceRL和RC

，因此rce也可近似開路。2.簡化的混合π模型Jc反偏，集電結電阻rbc集電結電阻可近似開路。

混合π模型適用于所有頻段,但我們只在求高頻的頻響fH時才使用，中、低頻段時并不使用它。

h參數(shù)等效電路適用于中、低頻，高頻不適用。163.單向化的混合π模型由于電容

Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，使電路的分析復雜化。將Cμ等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。從b'、e兩端向右看流入Cμ的電流RL密勒定理給出了網絡的一種等效變換關系，它可以將跨接在網絡輸入端與輸出端之間的阻抗分別等效為并接在輸入端與輸出端的阻抗。17RL等效到輸入側的密勒電容密勒倍增效應：等效到輸入端的密勒電容C

比C

本身增大了許多倍。

等效到輸出側的密勒電容輸出端的密勒電容C仍為C,故很小。

共集電路和共基不存在共射電路中的密勒倍增效應。同理，從c、e兩端向左看，流入Cμ的電流1819輸入側的總電容輸出側的電容4.晶體管簡化的高頻等效電路由于C

很大，對輸入回路的影響不可忽略。

由于Cμ很小，C的容抗一般要遠大于與其并聯(lián)的負載的阻抗，故C對輸出回路的影響可以忽略。密勒電容C越大，電路的高頻特性越差(限制了上限截止頻率)。

20根據β定義：二、晶體管電流放大倍數(shù)的頻率響應

1.適于頻率從0至無窮大的表達式共射截止頻率考慮到C

約在2-10pF范圍內，在討論的頻率范圍一般有gm>>C

影響晶體管的電流放大系數(shù)。

21幅頻響應：相頻響應：–20dB/dec

當20lgo下降3dB時對應的頻率f就是頻響的上限頻率。–45/dec特征頻率fT2.電流放大倍數(shù)的波特圖（低通特性）223.BJT的頻率參數(shù)共射電路的截止頻率f

特征頻率fT

共基電路的截止頻率f

定義

表達式相互關系值下降到0.707β0

時的頻率

值下降到1時的頻率值下降到0.707α0

時的頻率

，其中應用最廣、最具代表性的是fT

，通常，fT越高，BJT的高頻性能越好，構成的放大器上限頻率越高。fT主要決定于管子的參數(shù)。23共基截止頻率f共基放大電路的截止頻率比共射放大電路高，高頻特性好，常作為寬頻帶放大電路。244.BJT混合π模型參數(shù)的確定混合π型模型的參數(shù)rbb

、rbe

、gm

、C和C

。o為晶體管低中頻電流放大系數(shù)。C

=Cob從查器件手冊中查出

。

fT從查器件手冊中查出?；旌夕行湍Ｐ偷膮?shù)不僅與靜態(tài)工作點有關，還與溫度有關。252.5.4單級放大電路的頻率響應一、單級放大電路全頻段響應的分析

1.全頻段源電壓放大倍數(shù)的表達式高通電路，存在下限截止頻率。電壓放大倍數(shù)比中頻時減小并產生超前附加相移。與頻率無關。低通電路，存在上限截止頻率。電壓放大倍數(shù)比中頻時減小并并產生滯后附加相移。262.求單級放大電路全頻段響應的方法求→fL

，fH→合成，得全頻段頻率響應的表達式。①求中頻源電壓放大倍數(shù)

。關鍵是求Ausm、fL和fH。——復雜→代入全頻段頻率響應的表達式。(1)電壓放大倍數(shù)函數(shù)法(2)三要素法低頻段頻率響應：中頻電壓放大倍數(shù)乘因子。高頻段頻率響應：中頻電壓放大倍數(shù)乘因子。②求低頻截止頻率fL

。③求高頻截止頻率fH

。用時間常數(shù)法估算下、上限截止頻率。用短路時間常數(shù)法估算低頻截止頻率fL

。用開路時間常數(shù)法估算高頻截止頻率fH

。27二、阻容耦合單管共射放大電路的頻率響應1.中頻源電壓放大倍數(shù)的估算中頻段：通頻帶fbw以內的區(qū)域。

電路中所有電抗的影響均可忽略不計，即隔直電容短路，結電容開路。分3個頻段進行頻響分析，然后再合成。因隔直電容(串)的容量較大，在中頻區(qū)呈現(xiàn)的容抗較小，視為交流短路；結電容(并)的容量較小，在中頻區(qū)呈現(xiàn)的容抗較大，視為交流開路BJT的模型用h兩參數(shù)模型。282.下限截止頻率fL的估算低頻段：

f＜fL的區(qū)域

。信號頻率f

電容的容抗。影響低頻響應的主要因素是隔直電容，即隔直電容必須考慮，結電容開路。BJT的模型用h兩參數(shù)模型。隔直電容(串)的容抗增大，分壓作用增大，不可再視為短路；結電容(并)呈現(xiàn)的容抗比中頻時更大，仍視為交流開路。①畫出放大電路在低頻段的交流等效電路，此時必須保留耦合電容、旁路電容。②求電路中每一個電容的短路時間常數(shù)。某個電容的短路時間常數(shù)是指將電路中的其他電容短路時，該電容兩端的等效電阻與該電容的乘積。將電壓源短路，電流源開路，畫出等效電路，求出該電容兩端相并接的等效電阻。29輸入耦合電容Cb1的時間常數(shù)輸出耦合電容Cb2的時間常數(shù)射極旁路電容Ce的時間常數(shù)Cb1兩端的等效電阻：Ce兩端的等效電阻：Cb2兩端的等效電阻：下限截止頻率主要由低頻時間常數(shù)中較小的一個決定。在耦合電容和旁路電容中，旁路電容是決定低頻響應的主要因素。30③將所有電容的短路時間常數(shù)代入計算公式即可估算出fL?；蛴媒朴嬎愎焦浪?。修正系數(shù)下限截止頻率fL1、fL2和fL3的比值在四倍以上，通常取大的那個作為放大電路的下限截止頻率fL。例如有fL2>4fL1，fL1>fL3，下限截止頻率取fL

=

fL2。利用短路時間常數(shù)法計算得到的fH總是高于實際的下限頻率，為此引入修正系數(shù)以減小誤差312.上限截止頻率fH的估算高頻段：f＞fH

的區(qū)域。信號頻率f

電容的容抗。影響高頻響應的主要因素是的結電容，即隔直電容短路，結電容必須考慮。①畫出放大電路在高頻段的交流等效電路。隨著頻率的增大，隔直電容(串)的容抗比中頻時更小，仍視為交流短路；結電容(并)呈現(xiàn)的容抗比中頻時減小，分流作用加大，不可再視為開路。BJT的模型用(單向化)混合π模型。②求電路中每一個電容的開路時間常數(shù)。某個電容的開路時間常數(shù)是指將電路中的其他電容開路時，該電容兩端的等效電阻與該電容的乘積。將電壓源短路，電流源開路，畫出等效電路，求出該電容兩端相并接的等效電阻。C32的時間常數(shù)C兩端的等效電阻：C兩端的等效電阻：③將所有電容的開路時間常數(shù)代入計算公式即可估算出fH。C的時間常數(shù)上限截止頻率fH由高頻時間常數(shù)中較大的一個決定。修正系數(shù)利用開路時間常數(shù)法計算得到的fH總是低于實際的上限頻率，為此引入修正系數(shù)以減小誤差或用近似計算公式估算。一般有，上限截止頻率取。33已知0=50，rbb

=100，Cob

=4pF，fT

=400MHz。試估算中頻源電壓放大倍數(shù)、fL

和fH

，并畫出波特圖。例4解：(1)求解Q點和混合型參數(shù)

(2)計算中頻源電壓放大倍數(shù)34(3)估算下限頻率fL

Cb1的時間常數(shù)Cb2的時間常數(shù)下限截止頻率fL主要由低頻時間常數(shù)中較小的一個決定。35(4)估算上限頻率fH

(5)畫的波特圖全頻段放大倍數(shù)表達式：C上限截止頻率fH由高頻時間常數(shù)中較大的一個決定。36幅頻特性：由三段直線構成對數(shù)幅頻特性。中頻段：在fL與fH之間作一條作對數(shù)幅值=的水平線低頻段：從f=fL點開始，在低頻區(qū)作一條斜率為20dB/十倍頻程的直線折向左下方。高頻段：從f=fH點開始，在高頻區(qū)作一條斜率為－20dB/十倍頻程的直線折向右下方

相頻特性：由五段直線構成相頻特性。作一條-900

水平直線；作一條斜率為-45。/dec

的直線；作一條-1800

水平直線；作一條斜率為-45。/dec

的直線；作一條-2700

水平直線。當電路的頻率等于下限頻率或上限頻率時，放大電路的電壓放大倍數(shù)下降3dB,且產生+45度或-45度的相移37三、放大電路頻率響應的改善和增益帶寬積1.對放大電路頻率響應的要求放大電路的fL要低于輸入信號中的最低頻率分量，fH要高于輸入信號中的最高頻率分量。只有在通頻帶的范圍內,放大電路的電壓放大倍數(shù)才有不變的幅值和相位，才能對不同頻率的信號進行同樣的放大。否則就會產生頻率失真。2.放大電路頻率響應的改善頻率響應的改善主要是使通頻帶變寬，即降低下限頻率和提高上限頻率。38(1)改善下限頻率的方法提高耦合電容及旁路電容的容量或采用直接耦合(f

L=0)。(2)改善上限頻率的方法選fT

大,C

小的三極管。不同組態(tài)的放大電路級聯(lián)組合。共射?共基組合電路可以減小前級密勒電容中RL的值。共基電路的輸入阻抗將作為共射電路的集電極負載。在放大電路中引入負反饋。擴展通頻帶的關鍵是擴展電路的上限截止頻率fH

。393.放大電路的增益帶寬積矛盾

當提高帶寬時，增益將降低；反之，帶寬變窄，增益將提高。增益帶寬積是指中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。把增益帶寬積作為衡量放大電路性能的一項重要指標。當管子和信號源選定后，放大電路的增益帶寬積就是一個常數(shù)。如欲得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb、C

均小的高頻三極管。若把通頻帶擴大幾倍，則電壓放大倍數(shù)就減小同樣的倍數(shù)。決定于管子參數(shù)40阻容耦合

fL

=01.全頻段響應2.全頻段響應的波特圖四、單管直耦共射電路的頻率響應412.6基本共集和共基放大電路2.6.1晶體管的三種基本接法(組態(tài))2.6.2基本共集放大電路2.6.3基本共基放大電路2.6.4三種基本組態(tài)的比較422.6.1晶體管的三種基本接法(組態(tài))1.晶體管的三種基本接法晶體管放大電路的基本接法亦稱為基本組態(tài)，有共射ce、共集cc和共基cb三種。2.晶體管三種組態(tài)的判別接法共射共集共基輸入輸出bcbeec432.6.2基本共集放大電路一、電路組成信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，而集電極交流接地，作為輸入、輸出的公共端。由于信號從射極輸出，所以該電路又稱為射極輸出器。基極偏置電阻Rb：使Je處于正向偏置、提供大小適當?shù)幕鶚O電流。共集放大電路以集電極為公共端，通過iB對iE的控制作用實現(xiàn)功率放大。負載接在發(fā)射極射極偏置電阻Re：提供合適的管壓降。VCC：保證三極管放大，為輸出信號提供能量。44二、靜態(tài)分析IE45三、動態(tài)分析①電壓放大倍數(shù)一般有因為電源VCC對于交流信號相當于短路，所以集電極是輸入回路與輸出回路的公共端，uo≈ui，所以具有電壓跟隨作用，又稱射極跟隨器46②輸入電阻Ro小—逼近理想電壓源?！c信號源內阻有關！Ri③輸出電阻Ro——與負載有關，比共射大！Ri大47四、共集電路的高頻響應集電結電容C接在輸入回路中，不會產生密勒倍增效應。發(fā)射結電容C和發(fā)射結電阻rbe跨接在輸入端和輸出端之間，會產生密勒倍增效應。利用密勒定理將其等效到輸入端，但因共集電極放大電路的電壓增益近似為1，即密勒效應很小，對高頻響應的影響也很小。所以，共集電路的上限頻率fH高于共射放大電路。定性分析:理論分析表明，共集電路的fH可接近于管子的特征頻率fT。48基本共集放大電路特點小結：電壓放大倍數(shù)小于1但近似等于1，uo≈ui。輸入電阻大，對電壓信號源衰減小。輸出電阻小，帶負載能力強。阻抗變換器擴音機的輸入電路，射極輸出器的輸入電阻高，可以和內阻較高的話筒相匹配，使話筒輸入信號能得到有效的放大，電位器的阻值RP為22kΩ，可用來調節(jié)輸入信號強度，以控制音量大小。把信號源大內阻變換為小輸出電阻就采用共集電極放大電路。頻率特性較好。49【問題引導】共集放大電路有功率放大能力嗎？共集電路電壓放大倍數(shù)雖然小于1，但電流放大倍數(shù)通常大于1，功率放大倍數(shù)也大于1。所以具有電流放大和功率放大作用。502.6.3基本共基放大電路一、電路組成Rb1、Rb2、Re基極分壓式射極偏置電路。信號從發(fā)射極輸入、從集電極輸出，而基極交流接地，作為輸入、輸出的公共端。共基放大電路以基極為公共端，通過iE對iB的控制作用實現(xiàn)功率放大。51二、靜態(tài)分析直流通路與分壓式射極偏置電路相同。在滿足的條件下采用近似法；否則采用戴維南定理進行計算。52三、動態(tài)分析①電壓放大倍數(shù)Au大小與共射電路相同，

uo與ui同相。53②輸入電阻輸入電阻比共射電路小。輸出電阻與共射電路相當。Ri③輸出電阻小大④源電壓放大倍數(shù)即使β值下降，共基放大電路電壓放大倍數(shù)還是較大，故頻帶寬。54四、共基電路的高頻響應基區(qū)體電阻rbb很小，ib比ic小的多，rbb上的電壓近似為0。定性分析:如果忽略rbb

的影響，則發(fā)射結電容C直接接在輸入端，集電結電容C

直接接到輸出端，不會產生密勒倍增效應。共基電路的輸入電阻也非常小，因此，輸入回路的時間常數(shù)很??；C非常小，因此，輸出回路的時常數(shù)很小。上限頻率遠高于共射放大電路。理論分析表明，fH可近似等于管子的特征頻率fT

。55【問題引導】共基放大電路有電流放大能力嗎？無電流放大能力。共基放大器電流放大倍數(shù)小于1，故共基放大器也叫做電流跟隨器?；竟不糯箅娐诽攸c小結：電壓放大倍數(shù)高。輸入電阻低、輸出電阻高。高頻響應最好。562.6.4放大電路三種組態(tài)的比較三種組態(tài)的特點對比及用途共射共集共基相移電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻下限頻率上限頻率用途反相同相同相大略小于1大大大略小于1居中大小大小大居中低高低較高最高多級放大電路的中間級輸入級、中間級、輸出級高頻或寬頻帶電路57雙極型三極管放大電路(共射)場效應管放大電路(共源)技巧是：場效應管放大電路的共源接法、共漏接法與晶體管放大電路的共射、共集接法相對應，但比晶體管電路輸入電阻高、噪聲系數(shù)低、電壓放大倍數(shù)小，適用于做電壓放大電路的輸入級。58雙極型三極管放大電路(共集)場效應管放大電路(共漏)FET放大電路與BJT放大電路相比，最突出的優(yōu)點是可以組成高輸入電阻的放大電路，此外，由于它還有噪聲低、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、便于集成等特點，廣泛用于各種電子電路中。59在實際應用中，一般對放大電路的性能有多方面的要求，依靠單管放大電路的任何一種，都不可能同時滿足要求。通常有三種解決的方法，一是復合管放大電路，二是組合放大電路，二是多級放大電路。2.7基本放大電路的派生電路2.7.1復合管放大電路2.7.2共射－共基放大電路2.7.3共集－共基放大電路602.8.1復合管放大電路一、復合管的組成原則及目的復合管:是指用兩只或多只三極管組合成具有一定功能的晶體管。1.復合管的組成原則復合晶體管又稱達林頓管。①在正確的外加電壓下，每只管子的各極電流均有合適的通路，且均工作于放大區(qū)或恒流區(qū)。

②應將第一只管子的集電極(漏極)或射極(源極)電流做為第二只管子的基極電流。③后級管子的UBE不能將前級管子的UCE箝位。④使用FET構成復合管時，F(xiàn)ET只能作為第一級。2.組成復合管的目的增大β；減小前級驅動電流；改變管子的類型。61判斷下列各圖是否能組成復合管？例習題2.18

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)在分析復合管時一般是當作一只等效管子對待。62二、晶體管組成的復合管及主要特性1.晶體管組成的四種復合管T1b1T2e2e1b2c1c2(1)NPN+NPNcNPNebT2T1b1e2(2)PNP+PNPe1b2c1c2PNPbce兩個同類型晶體管組成的復合管的類型不變，管腳功能不變。復合管的發(fā)射結壓降是2倍的pn結壓降。63(3)NPN+PNPe2T1b1T2e1c2c1b2bceNPN(4)PNP+NPNT2T1b1c1b2e1c2e2bcePNP兩個不同類型晶體管組成的復合管的類型與前管相同。基極不變，后管發(fā)射極作為復合管集電極，后管集電極作為復合管發(fā)射極。復合管的發(fā)射結壓降與前管相同。642.復合管的電流放大系數(shù)和輸入電阻(1)兩個同類型晶體管組成的復合管以兩個NPN型晶體管組成的復合管為例。iB1iCb2e2c2b1e1c1iB11iB1(1+1)iB12(1+1)iB1復合管的+u