《電子與電工技術(shù)》課件第10章

10.1基本放大電路10.2放大電路中的負(fù)反饋10.3多級(jí)放大電路10.4集成運(yùn)算放大電路實(shí)訓(xùn)五晶體管共射單管放大電路小結(jié)習(xí)題

第10章放大電路10.1.1基本放大電路的組成

基本放大電路的組成如圖10-1所示。

各元件的作用說(shuō)明如下：

(1)直流電源UCC：確保三極管工作在放大狀態(tài)，使放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)合適，且為電路提供能量。

(2)耦合電容C1和C2

：隔直流通交流。10.1基本放大電路圖10－1基本放大電路的組成

(3)基極偏置電阻RB：為放大電路提供偏置電流IB。

(4)集電極負(fù)載電阻RC：將三極管的電流放大作用轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯箅娐返碾妷悍糯笞饔谩?/p>

(5)三極管V：實(shí)現(xiàn)電流放大作用，即用小的基極電流的變化引起大的集電極電流的變化。10.1.2基本放大電路的工作原理

1.靜態(tài)分析

放大電路在沒(méi)有輸入交流信號(hào)時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài)。靜態(tài)時(shí)放大電路只存在直流，靜態(tài)分析就是要求出靜態(tài)時(shí)的UBE、

IB、UCE、IC。將靜態(tài)時(shí)的UCE、IC稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)。放大電路要有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，才能對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行不失真放大。靜態(tài)分析依放大電路的直流通路來(lái)進(jìn)行。圖10-1所示基本放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)情況及直流通路分別如圖10-2和圖10-3所示。圖10-2基本放大電路的直流通路和靜態(tài)工作點(diǎn)圖10-3直流通路依圖10-3所示基本放大電路的直流通路可得：(10-1)

(10-2)

(10-3)

【例10-1】試求圖10-4(a)所示放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，已知該電路中的三極管β=37.5，直流通路如圖10-4(b)所示。解

由式(10-1)～式(10-3)得:

IB≈0.04mA=40μA

IC≈βIB=37.5×0.04mA=1.5mA

UCE=UCC-ICRC=12-1.5×4=6V圖10-4例10-1圖

2.動(dòng)態(tài)分析

放大電路有交流輸入信號(hào)ui輸入時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)。

1)圖解法

圖解法是依放大電路的輸入ui及三極管的輸入、輸出特性曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的方法。

其分析步驟如下：

(1)根據(jù)ui的波形，依輸入特性曲線求出uBE和iB的波形，如圖10-5所示。圖10-5圖解法求uBE和iB的波形

(2)根據(jù)iB波形，依輸出特性曲線和負(fù)載線求iC、uCE

的變化，如圖10-6所示。

(3)依ui、uCE的波形求放大電路的電壓放大倍數(shù)Au。

放大電路的圖解法分析的缺點(diǎn)是畫(huà)電信號(hào)的波形要花費(fèi)大量的時(shí)間，但其優(yōu)點(diǎn)是能直觀反映出輸入信號(hào)過(guò)大或靜態(tài)工作點(diǎn)不合適而引起的信號(hào)失真。圖10-7所示為放大電路

靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低引起的非線性失真，這種失真稱(chēng)為截止失真。

當(dāng)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高時(shí)，依作出的波形圖可發(fā)現(xiàn)存在如圖10-8所示的非線性失真，這種失真稱(chēng)為飽和失真。圖10-6圖解法求iC和uCE的波形圖10-7靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低引起截止失真圖10-8靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高引起飽和失真

2)微變等效電路法

當(dāng)已知放大電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)且輸入信號(hào)較小時(shí)，放大電路工作在特性曲線的一小段范圍內(nèi)，這一小段特性曲線可近似看成直線。

(1)三極管的微變等效電路。

三極管的微變等效電路如圖10-9所示。圖10-9三極管的微變等效電路

(2)放大電路的微變等效電路。

放大電路的微變等效電路就是用三極管的微變等效電路替代交流通路中的三極管所得的電路。交流通路指放大電路中交流通過(guò)的路徑。

畫(huà)交流通路時(shí)要注意兩點(diǎn)：

①將直流電源UCC作短路處理。

②將輸入耦合電容C1和輸出耦合電容C2作短路處理。圖10-1所示基本放大電路的交流通路和微變等效電路如圖10-10所示。圖10-10基本放大電路的微變等效電路

(3)動(dòng)態(tài)性能分析。

①電壓放大倍數(shù)Au。電壓放大倍數(shù)Au的表達(dá)式如下：

②輸入電阻Ri。從給放大電路提供輸入信號(hào)的信號(hào)源來(lái)看，放大電路就是從信號(hào)源取信號(hào)的負(fù)載，這個(gè)負(fù)載的電阻稱(chēng)為放大電路的輸入電阻，如圖10-11所示。從放大電路輸入端AA′看進(jìn)去的等效電阻定義為圖10-11放大電路的輸入電阻及輸出電阻

③輸出電阻Ro。

從放大電路的負(fù)載來(lái)看，放大電路就是向負(fù)載提供信號(hào)的信號(hào)源，這個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻稱(chēng)為放大電路的輸出電阻，如圖10-11所示。

圖10-1所示基本放大電路的輸出電阻依圖10-10所示微變等效電路可得：

Ro=RC

工程中，可用實(shí)驗(yàn)的方法求取輸出電阻。在放大電路輸入端加一正弦電壓信號(hào)，測(cè)出負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓Uo

′；然后測(cè)出接入負(fù)載RL時(shí)的輸出電壓Uo，則有

【例10-2】

圖10-4(a)所示電路的交流通路和微變等效電路如圖10-12所示，試用微變等效電路法求：

(1)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、Ri、Ro；

(2)斷開(kāi)負(fù)載RL后，再計(jì)算、Ri、Ro。圖10-12例10-2圖

解

(1)由例10-1可知,IE≈IC=1.5mA，故

(2)斷開(kāi)RL后，10.2.1直流負(fù)反饋

基本放大電路在天熱時(shí)能對(duì)信號(hào)進(jìn)行不失真放大，而在天冷時(shí)卻不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行不失真放大的現(xiàn)象，是因?yàn)槠渲械娜龢O管受溫度變化的影響，集電極電流發(fā)生變化，從而使放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化。

圖10-13所示是采用分壓式電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路的放大器，它引入了直流負(fù)反饋，RE是反饋電阻，UBE=UB-IERE≈UB-ICRE，放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)比較穩(wěn)定，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。10.2放大電路中的負(fù)反饋圖10-13采用分壓式電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路的放大器要使圖10-13所示采用分壓式電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路的放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，必須使電路滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

(1)I>>IB；

(2)UB>>UBE。

實(shí)際中一般取I=(5~10)IB，UB=(5~10)UBE即可。

靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的過(guò)程如下：

T(溫度)↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓10.2.2交流負(fù)反饋

圖10-14所示為電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，Re是反饋電阻，因?yàn)橐肓私涣髫?fù)反饋，ube=ui-ieRe≈ui-icRe，它的放大性能得到很大的改善。圖10-14電流串聯(lián)負(fù)反饋電路目前，分立元件電路多采用阻容耦合，而集成電路常采用直接耦合。阻容耦合是指用較大容量的電容連接兩個(gè)單級(jí)放大電路的連接方式。其特點(diǎn)是各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，電路調(diào)試方便，但信號(hào)有損失。直接耦合是指用導(dǎo)線連接兩個(gè)單級(jí)放大電路的連接方式。其特點(diǎn)是信號(hào)無(wú)損失，但各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，電路調(diào)試麻煩。

多級(jí)放大電路的組成方框圖如圖10-15所示。10.3多級(jí)放大電路圖10-15多級(jí)放大電路組成框圖

【例10-3】

兩級(jí)阻容耦合放大電路如圖10-16所示，各元件參數(shù)為：UCC=12V，RB1=100kΩ，RB2=40kΩ，RC1=5kΩ，RE1=2kΩ，RB1′=80kΩ，RB2′=50kΩ，RC2=3kΩ，RE2=3kΩ，RL=4kΩ，rbe1=rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50。

求：電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。

解圖10-16所示放大電路的微變等效電路如圖10-17所示。

圖10-16兩級(jí)阻容耦合放大電路圖10-17兩級(jí)阻容耦合放大電路的微變等效電路10.4.1理想集成運(yùn)放的特點(diǎn)

1.理想化性能指標(biāo)

理想化性能指標(biāo)如下：

(1)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud=∞；

(2)輸入電阻rid=∞；

(3)輸出電阻rod=0；

(4)共模抑制比KCMR=∞。10.4集成運(yùn)算放大電路

2.“虛短”和“虛斷”

當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸出電壓在有限值之間變化，而集成運(yùn)放Aud→∞，得u-≈u+，反相輸入端與同相輸入端電位幾乎相等，近似于短路又不是短路，將此稱(chēng)為虛短

路，簡(jiǎn)稱(chēng)“虛短”。

10.4.2基本運(yùn)算電路

下面介紹由集成運(yùn)放和電阻、電容、二極管等構(gòu)成的模擬量運(yùn)算電路，這些電路是其他應(yīng)用電路的基礎(chǔ)。

1.比例運(yùn)算電路

1)反相輸入比例運(yùn)算電路

反相輸入比例運(yùn)算電路如圖10-18所示。

由虛短、虛斷可得：

u-≈u+=0

i-=i+≈0圖10-18反相比例運(yùn)算電路

2)同相輸入比例運(yùn)算電路

同相輸入比例運(yùn)算電路如圖10-19所示。

由虛短、虛斷可得：

u-≈u+=ui

i-=i+≈0

i1=iF

圖10-19同相比例運(yùn)算電路

2.加減運(yùn)算電路

1)加法運(yùn)算電路

加法運(yùn)算電路如圖10-20所示。

因反相輸入端為“虛地”，故得圖10-20加法運(yùn)算電路于是，輸出電壓為

當(dāng)R1=R2=RF時(shí)，

uo=-(ui1+ui2)

【例10-4】

在圖10-20所示的反相加法運(yùn)算電路中，若R1=5kΩ，R2=7.5kΩ，RF=15kΩ，ui1=1V，ui2=2V，求輸出電壓uo。

解

2)減法運(yùn)算電路

減法運(yùn)算電路如圖10-21所示。

由圖可知：

圖10-21減法運(yùn)算電路故得

當(dāng)R1=R2=R3=RF時(shí)，上式變?yōu)?/p>

uo=ui2-ui1

于是實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)的減法運(yùn)算。

3.積分和微分運(yùn)算電路

1)積分運(yùn)算電路

積分運(yùn)算電路如圖10-22所示。

設(shè)電容器CF上的初始電壓UC(0)=0，隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，電容器CF兩端的電壓為

圖10-22積分運(yùn)算電路

由圖10-22可知:

故

2)微分運(yùn)算電路

微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算。微分運(yùn)算電路如圖10-23所示。

由圖10-23可知：圖10-23微分運(yùn)算電路一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)掌握放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試方法，學(xué)會(huì)分析靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器性能的影響。

(2)掌握放大器電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及最大不失真輸出電壓的測(cè)試方法。

(3)熟悉常用電子儀器及模擬電路實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用方法。實(shí)訓(xùn)五晶體管共射單管放大電路二、實(shí)訓(xùn)要點(diǎn)

(1)學(xué)會(huì)晶體管共射單管放大器的連接及調(diào)試。

(2)懂得常用電子儀器的使用方法。

(3)掌握晶體管共射單管放大器性能參數(shù)的測(cè)試方法。三、設(shè)備及儀表四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及步驟

圖10-24所示為電阻分壓式工作點(diǎn)穩(wěn)定的單管放大電路。它的偏置電路采用RB2和RB1組成的分壓電路，并在發(fā)射極中接有電阻RE，以穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)在放大器的

輸入端加入輸入信號(hào)Ui后，在放大器的輸出端便可得到一個(gè)與Ui相位相反、幅值被放大了的輸出信號(hào)Uo，從而實(shí)現(xiàn)了電壓放大。圖10-24共射單管放大電路在圖10-24所示電路中，當(dāng)流過(guò)偏置電阻RB1和RB2的電流遠(yuǎn)大于晶體管V的基極電流IB時(shí)(一般為5~10倍)，它的靜態(tài)工作點(diǎn)可用下式估算(UCC為供電電源，此為+12V)：(10-4)

(10-5)

(10-6)

電壓放大倍數(shù)為

(10-7)

輸入電阻為

Ri=RB1∥RB2∥rbe(10-8)

輸出電阻為

Ro≈RC(10-9)

1)放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量與調(diào)試

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量。

測(cè)量放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在輸入信號(hào)Ui=0的情況下進(jìn)行，即將放大器輸入端與地端短接，然后選用量程合適的數(shù)字萬(wàn)用表，分別測(cè)量晶體管的集電極電流IC以及各電極對(duì)地的電位UB、UC和UE。

(2)靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試。

放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試是指對(duì)三極管集電極電流IC(或UCE)的調(diào)整與測(cè)試。

靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，對(duì)放大器的性能和輸出波形都有很大的影響。如工作點(diǎn)偏高，放大器在加入交流信號(hào)后易產(chǎn)生飽和失真，此時(shí)uo的負(fù)半周將被削底，如圖10-25(a)所

示；如工作點(diǎn)偏低，則易產(chǎn)生截止失真，即uo的正半周將被縮頂(一般截止失真不如飽和失真明顯)，如圖10-25(b)所示。圖10-25靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)uo波形失真的影響圖10-26電路參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響

2)放大器動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試

放大器動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真輸出電壓(動(dòng)態(tài)范圍)和通頻帶等。

(1)電壓放大倍數(shù)Au的測(cè)量。

調(diào)整放大器到合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，然后加入輸入電壓ui，在輸出電壓uo不失真的情況下，用交流毫伏表測(cè)出ui和uo的有效值Ui和Uo，則

(10-10)

(2)輸入電阻Ri的測(cè)量。

為了測(cè)量放大器的輸入電阻，按圖10-27所示電路在被測(cè)放大器的輸入端與信號(hào)源之間串入一已知電阻R，在放大器正常工作的情況下，用交流毫伏表測(cè)出US和Ui，則根據(jù)輸入電阻的定義可得

(10-11)圖10-27輸入、輸出電阻測(cè)量電路

(3)輸出電阻Ro的測(cè)量。

按圖10-27所示電路，在放大器正常工作條件下，測(cè)出輸出端不接負(fù)載RL的輸出電壓Uo和接入負(fù)載后輸出電壓UL，根據(jù)

(10-12)

即可求出Ro為

(10-13)

(4)最大不失真輸出電壓UOPP的測(cè)量(最大動(dòng)態(tài)范圍)。

如上所述，為了得到最大動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。然后反復(fù)調(diào)整輸入信號(hào)，使波形輸出幅度最大，且無(wú)明顯失真時(shí)，用交流毫伏表測(cè)出Uo(有效值)，則動(dòng)態(tài)范圍等于2

Uo,或用示波器直接讀出UOPP。圖10-28靜態(tài)工作點(diǎn)正常，輸入信號(hào)太大引起的失真

(5)放大器頻率特性的測(cè)量。

放大器的頻率特性是指放大器的電壓放大倍數(shù)Au與輸入信號(hào)頻率f之間的關(guān)系曲線。

單管阻容耦合放大電路的幅頻特性曲線如圖10-29所示。圖10-29幅頻特性曲線

Aum為中頻電壓放大倍數(shù)，通常規(guī)定電壓放大倍數(shù)隨頻率變化下降到中頻放大倍數(shù)的1/倍，即0.707Aum所對(duì)應(yīng)的頻率分別稱(chēng)為下限頻率fL和上限頻率fH，則通頻帶為

fBW=fH-fL

(10-14)五、練習(xí)

(1)連線。

按圖10-24所示連接實(shí)訓(xùn)電路。

(2)測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)。

靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量條件：輸入接地，即Ui=0。在連線的基礎(chǔ)上，使Ui=0，調(diào)節(jié)RW，使IC=2.0mA(即UE=2.4V)，用萬(wàn)用表測(cè)量UB、UE、UC、RB2值，記入表10-1。表10-1IC=2.0mA

(3)測(cè)量電壓放大倍數(shù)。

調(diào)節(jié)一個(gè)頻率為1kHz、峰峰值為50mV的正弦波作為輸入信號(hào)Ui

，用雙蹤示波器觀察放大器輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的波形，在Uo波形不失真的條件下用毫伏表測(cè)量下述三種情況下的Uo值，并用雙蹤示波器觀察Uo和Ui的相位關(guān)系，記入表10-2。表10-2IC=2.0mA,Ui=mV(有效值)

(4)觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電壓放大倍數(shù)的影響。

在RC=2.4kΩ，RL=∞的連線條件下，調(diào)節(jié)一個(gè)頻率為1kHz、峰峰值為50mV的正弦波作為輸入信號(hào)Ui。調(diào)節(jié)RW，用示波器監(jiān)視輸出電壓波形，在uo不失真的條件下，測(cè)量數(shù)組IC和Uo的值，記入表10-3(測(cè)量IC時(shí)，要使Ui=0)。表10-3

RC=2.4kΩ,RL=∞,Ui=mV(有效值)

(5)觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸出波形失真的影響。

在RC=2.4kΩ,RL=∞的連線條件下，使ui=0，調(diào)節(jié)RW

使IC=2.0mA，測(cè)出UCE的值。調(diào)節(jié)一個(gè)頻率為1kHz、峰峰值為50mV的正弦波作為輸入信號(hào)Ui，再逐步加大輸入信號(hào)，使輸出電壓Uo足夠大但不失真。然后保持輸入信號(hào)不變，分別增大和減小RW，使波形出現(xiàn)失真，繪出Uo的波形，并測(cè)出失真情況下的IC和UCE值，記入表10-4中。每次測(cè)IC

和UCE的值時(shí)要使輸入信號(hào)為零(即使ui=0)。表10-4RC=2.4kΩ,RL=∞,Ui=mV

(6)測(cè)量最大不失真輸出電壓。

在RC=2.4kΩ,RL=2.4kΩ的連線條件下，同時(shí)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度和電位器RW，用示波器和毫伏表測(cè)量UOPP及Uo

值，記入表10-5。表10-5

RC=2.4kΩ,RL=2.4kΩ*(7)測(cè)量輸入電阻和輸出電阻。

按圖10-24所示，取R=2kΩ，置RC=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，IC=2.0mA。輸入f=1kHz、峰峰值為50mV的正弦信號(hào)，在輸出電壓uo不失真的情況下，用毫伏表測(cè)出US、Ui

和UL，用式(10-11)算出Ri。

保持US不變，斷開(kāi)RL，測(cè)量輸出電壓Uo，用式(10-13)算出Ro。*(8)測(cè)量幅頻特性曲線。

取IC=2.0mA，RC=2.4kΩ，RL=2.4kΩ，保持上步輸入信號(hào)ui不變，改變信號(hào)源頻率f，逐點(diǎn)測(cè)出相應(yīng)的輸出電壓Uo，自作表記錄之。為使頻率f取值合適，可先粗測(cè)一下，找出中頻范圍，然后再仔細(xì)讀數(shù)。*號(hào)為選作內(nèi)容。

六、作業(yè)

(1)總結(jié)相關(guān)儀器儀表的使用方法的注意事項(xiàng)。

(2)靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓放大倍數(shù)如何測(cè)量？

(1)放大電路要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)才能對(duì)輸入的微小信號(hào)進(jìn)行不失真放大。

(2)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)不合適，放大輸入信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生截止失真或飽和失真。

(3)放大電路引入直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，而引入交流負(fù)反饋可以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、擴(kuò)展帶寬、減小非線性失真、改變輸入電阻和輸出電阻。小結(jié)

(4)集成運(yùn)放的理想化條件：

①開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)趨于無(wú)窮；

②輸入電阻趨于無(wú)窮；

③輸出電阻趨于零；

④共模抑制比趨于無(wú)窮；

⑤有無(wú)限寬的頻帶；

⑥當(dāng)輸入端u-=u+時(shí)，uo=0。

(5)對(duì)于工作在線性狀態(tài)的理想集成運(yùn)放，具有兩個(gè)重要特性:

(1)u-≈u+。

理想集成運(yùn)放兩輸入端間的電壓為0，但又不是短路，故常稱(chēng)為“虛短”。

(2)i-=i+≈0。

理想集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端不取電流，但又不是開(kāi)路，一般稱(chēng)為“虛斷”。

(6)運(yùn)算放大器因原來(lái)主要用來(lái)進(jìn)行加、減等數(shù)學(xué)運(yùn)算而得名，現(xiàn)在常被用來(lái)作高增益的通用放大器，但還沿