第五章放大电路基础.docx
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第五章放大电路基础
第五章放大电路基础
利用电子器件把微弱的电信号（电压、电流、功率）增强到所需值的电路称为放大电路，它在实践中有着非常广泛的应用。
无论日常使用的收音机、扩音器或者精密的测量仪器和复杂的自动控制系统，其中都有各种各样的放大电路。
所谓放大表面看来是将信号的幅度由小增大，但是放大的本质是实现能量的控制。
由于输入信号的能量过于微弱，因此需要另外提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。
§5-1单管放大电路
简单的收音机框图如图5-1-1所示，天线接收给输入电路的信号是非常微弱的，不足以推动负载，必须经过放大电路才能驱动扬声器。
图5-1-1简单的收音机框图
一、固定偏置放大电路
1．电路的组成
用三极管组成放大器时，根据公共端（电路中各点电位的参考点）的不同，有三种连接方法，即共射极电路、共集电极电路和共基极电路。
图5-1-1所示为应用最广的共射极基本放大电路。
图中ui为要放大的输入交流信号，RL为负载电阻，它不一定是一个实际的电阻器，可能表示某种用电设备，如仪表、扬声器或者下一级放大电路。
电路中各元件的作用见表5-1-1。
图5—1—1固定偏置放大电路
表5-1-1固定偏置放大电路中各元件的作用
元件
名称
主要作用
v
三极管
具有电流放大作用，可以将微小的基极电流转换成较大的集电极电流，它是放大器的核心。
VCC
直流电源
一是为电路提供能源；二是为电路提供工作电压。
RB
基极电阻
为电路提供静态偏流IBQ，RB的阻值一般是几十千欧至几百千欧之间。
RC
集电极电阻
将三极管的电流放大作用变换成电压放大作用。
RC的取值一般是几千欧至几十千欧之间。
C1、C2
耦合电容
1、隔直流，使三极管中的直流电流不影响输入端之前的信号源，也不影响输出端之后的负载。
2、通交流，当C1、C2的电容量足够大时，它们对交流信号呈现的容抗很小，可近似看做短路，这样可使交流信号顺利地通过。
C1、C2选用容量一般为几微法至几十微法的电解电容。
2．工作原理
在没有信号输入时，放大电路中三极管各电极电压、电流均为直流。
当有信号输入时，电路中两个电源（直流电源和信号源）共同作用，电路中的电压和电流是两个电源单独作时产生的电压、电流的叠加量（即直流分量与交流分量的叠加）。
为了清楚地表示不同的物理量，本书将电路中出现的有关电量的符号列举出来，如表5-1-2所示。
表5-1-2电压、电流符号的规定
物理量
表示符号
直流量
用大写字母带大写下标。
如：
IB、IC、IE、UBE、UCE
交流量
用小写字母带小写下标。
如：
ib、ic、ie、ube、uce、ui、uo
交直流叠加量
用小写字母带大写下标。
如：
iB、iC、iE、uBE、uCE
交流分量的有效值
用大写字母带小写下标。
如：
Ib、Ic、Ie、Ube、Uce
（1）静态工作点的设置
所谓静态指的是放大器在没有交流信号输入（即ui=0）时的工作状态。
这时三极管的基极电流IB、集电极电流IC、基极与发射极间的电压UBE和集电极与发射极间的电压UCE的值叫静态值。
这些静态值分别在输入、输出特性曲线上对应着一点Q，如图5-1-2所示,称为静态工作点，或简称Q点。
由于UBE基本是恒定的，所以在讨论静态工作点时主要考虑IB、IC和UCE三个量，并分别用IBQ、ICQ和UCEQ表示。
（a）输入特性曲线上的Q点（b）输出特性曲线上的Q点
图5-1-2静态工作点
若不接基极偏置电阻，即三极管发射结无偏置电压，这时，偏置电流IBQ=0，ICQ=0，静态工作点在坐标原点，如图5-1-3所示。
当ui为正半周时，三极管发射结正向偏置，由于三极管的输入特性曲线存在死区,所以只有当输入信号电压超过死区电压时,三极管才能导通,产生基极电流iB；当ui为负半周时，发射结反向偏置，三极管截止，iB=0。
图5-1-3未设静态工作点时ui和iB波形图5-1-4具有合适静态工作点时ui和iB波形
接上基极电阻，若设置了合适的静态工作点，如图5-1-4所示中的Q点，当输入信号电压ui后，ui与静态时基极与发射极间的电压UBEQ叠加在一起加在发射结两端，若发射结两端电压始终大于三极管的死区电压，那么在输入电压的整个周期内三极管始终处于导通状态，即随输入电压ui的变化均有基极电流，这样，使放大器能不失真地把输入信号进行放大。
一个放大器必须设置合适的静态工作点，才能不失真地放大交流信号。
（2）动态工作情况
当放大电路输入交流信号，即ui≠0时，称为动态。
这里所加的ui为低频小信号，在此段范围内电压与电流近似成线性关系，也就是三极管工作在线性区。
放大电路中的电压、电流波形如图5—1—5所示。
图5—1—5放大电路的电压、电流波形图
三极管基极与发射极电压瞬时值uBE=UBEQ+ui，其中UBEQ为直流分量（也就是静态工作点的数值），ui为交流分量。
基极电流也包括直流分量和交流分量两部分，即iB=IBQ+ib
这将引起集电极电流相应的变化，即iC=ICQ+ic
为了便于分析，假设放大电路为空载，则三极管集电极与发射极间总电压
uCE=Vcc-iCRc
=Vcc-（ICQ+ic）Rc
=Vcc-ICQRc-icRc
=UCEQ-icRc
同样也是直流分量和交流分量两部分合成。
由于耦合电容C2起隔直流通交流作用，在放大电路的输出端，直流分量UCEQ被隔断，放大电路只输出交流分量，即
uo=-icRc
只要Rc足够大，输出信号电压uo幅度就可以大于输入信号ui的幅度，实现放大的功能。
式中负号表明uo与ic反相，由于ib、ic都与ui同相，所以uo与ui是反相关系。
在单级共发射极放大电路中，输出电压uo与输入电压ui频率相同，波形相似，幅度得到放大，而它们的相位相反。
3.固定偏置放大电路的估算
（1）静态工作点的估算
1）直流通路
通常把放大电路中只允许直流电流通过的路径称为直流通路。
直流通路的画法原则：
放大电路中的电容可以视为开路，电感可以视为短路。
。
按照图5—1—1所示的放大电路，画出的直流通路如图5—1—6所示。
图5—1—6固定偏置放大电路的直流通路
2）静态工作点的估算
由直流通路图5—1—6可推导出有关近似估算静态工作点的公式：
IBQ=
≈
IBQ=βIBQ
UCEQ=Vcc－ICQRc
（2）交流电路的估算
输入电阻、输出电阻及电压放大倍数均反映的是电路中交流分量的关系，为了方便计算，先画出交流通路，再来进行分析。
1）交流通路
把交流信号流通的路径称为交流通路。
交流通路的画法原则：
小容抗的电容以及内阻很小的电源，忽略其交流压降，都可以视为短路。
按照图5—1—1所示的放大电路，画出如图5—1—7所示的交流通路。
图5—1—7固定偏置放大电路的交流通路
2）放大电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro
当有合适静态工作点时，若输入为低频小信号，三极管基极b和发射极e间用线性电阻rbe来等效，集电极c和发射极e间可等效为一恒流源，恒流源的电流大小为βib，方向与集电极电流ic的方向相同。
若用三极管等效参数置换交流通路中的三极管可得如图5-1-8（c）所示的等
效电路。
从放大电路输入端看进去的交流等效电阻（不包括信号源的等效内阻），称为放大电路的输入电阻，用Ri表示，从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻（不包括负载）称为放大电路的输出电阻，用Ro表示，如图5-1-8（c）所示。
（a）电路图（b）交流通路（c）等效电路
图5-1-8放大电路的等效电路
由图5-1-8（c）所示的等效电路可看出放大电路的输入电阻
Ri=RB∥rbe
其中“//”表示RB与rbe是并联关系。
因为RB>>rbe
所以Ri≈rbe
其中,rbe=300（1+β）
Ω
一般情况下，rbe为1kΩ左右。
对信号源来说，放大器是其负载，输入电阻Ri表示信号源的负载电阻。
等效电路如图5-1-9所示。
一般情况下，希望放大器的输入电阻尽可能大些，这样，向信号源（或前一级电路）汲取的电流小，有利于减轻信号源的负担，使送到放大器输入端的信号电压越大。
但从上式可以看出，共射极放大电路的输入电阻是比较小的。
图5-1-9放大器的输入电阻和输出电阻
对负载来说，放大器又相当于一个具有内阻的信号源，这个内阻就是放大电路的输出电阻。
从等效电路图5-1-8（c）可看出，RC是等效电流源的内阻，所以
Ro≈RC
对负载来说，放大器是向负载提供信号的信号源，放大器的输出电阻Ro是信号源的内阻，如图5-1-9所示。
当负载发生变化时，输出电压发生相应的变化，放大器的带负载能力差。
因此，为了提高放大器的带载能力，应设法降低放大器的输出电阻。
但从上述结果可知，共射极放大电路的输出电阻是比较大的。
3）放大电路电压放大倍数Au
放大器的电压放大倍数是指输出电压uo与输入电压ui的比值。
即Au=
由图5-1-8（c）可看出
输入信号电压：
ui=ibrbe
输出信号电压：
uo=-icRL＇=-βibRL＇
式中RL＇=RC//RL为放大器的等效负载电阻
则Au=
=-β
当放大电路不带负载（即空载）时，即放大电路空载时的电压放大倍数为
Au=-β
二、分压式射极偏置放大电路
静态工作点的稳定不仅关系到波形失真，而且对电压放大倍数也有重要影响，在影响工作点不稳定的因素中，温度是主要因素。
温度每升高10℃，ICBO约增加一倍；温度每升高1℃，β值约增大0.5%~1%。
从而使特性曲线上移，输出特性曲线间距加宽，Q点上移，IC增加，可能使静态工作点由正常的Q点移到接近饱和区的Q1点，致使放大器无法正常工作，如图5—1—10。
图5—1—10三极管在不同温度时的输出特性曲线
要想使ICQ基本稳定不变，就要求在温度升高时，电路能自动地适当减小基极电流IBQ。
采用分压式射极偏置电路，在温度变化时，可使静态工作点保持稳定。
1．分压式射极偏置放大电路的结构特点
分压式射极偏置放大电路如图5-1-11（a）所示，与前面介绍的共射极基本放大电路的区别在于：
三极管基极接了两个分压电阻RB1和RB2，发射极串联了电阻RE和电容器CE。
（a）分压式射极偏置放大电路（b）直流通路（c）交流通路
图5-1-11分压式射极偏置放大电路
2.稳定静态工作点原理
（1）利用上偏置电阻RB1和下偏置电阻RB2组成串联分压器，为基极提供稳定的静态工作电压UBQ。
直流通路如图5—1—11（b）所示，适当选择参数，使电路满足：
I1≈I2>>IBQ，UBQ>>UBEQ
那么RB1和RB2可看作串联，对电源Vcc的分压为：
VBQ=
VCC
由此可见，VBQ只取决于VCC、RB1和RB2，它们都不随温度的变化而变化，所以VBQ将稳定不变。
（2）利用发射极电阻RE，自动使静态电流IEQ稳定不变。
从物理过程来看，如温度升高，Q点上移，ICQ（或IEQ）将增加，而UBQ是由电阻RB1、RB2分压固定的，IEQ的增加将使外加于三极管的UBEQ=UBQ-IEQRE减小，从而使IBQ自动减小，结果限制了ICQ的增加，使ICQ基本恒定。
以上变化过程可表示为
温度升高（t↑）→ICQ↑→IEQ↑→UBEQ=（UBQ-IEQRE）↓→IBQ↓
ICQ↓
3.分压式射极偏置放大电路的估算
（1）静态工作点的估算
VBQ=
VCC
ICQ≈IEQ=
IBQ=
VCEQ=VCC-ICQRC-IEQRE
（2）输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的估算
图5-1-11（c）所示为分压式偏置电路的交流通路，交流通路与共射极基本放大电路的交流通路相似，等效电路也相似，其中RB=RB1//RB2。
所以，输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的估算公式完全相同。
三、射极输出器
1．电路的组成
（a）射极输出器（b）直流通路（C）交流通路
图5—1—12射极输出器
电路如图5—1—12所示，图5—1—12（a）所示为其直流通路和合上开关S时的交流通路。
设基极电阻Rb与电位器RP＇串联后的等效电阻为Rb＇。
由图可知，输入信号是从三极管的基极与集电极之间输入，从发射极与集电极之间输出。
集电极为输入与输出电路的公共端，故称共集放大电路。
由于信号从发射极输出，所以又称为射极输出器。
2．电路的分析
（1）静态工作点的估算
IBQ=
ICQ=βIBQ
UCEQ=Vcc-IEQRE≈Vcc-ICQRE
（2）动态分析
1）电压放大倍数
Au=
=
≈1
射极输出器的电压放大倍数小于1，且接近于1。
其输出电压与输入电压相位相同。
2）输入电阻
Ri≈RB∥{rbe+（1+β）（RE∥RL）}
射极输出器的输入电阻大。
3）输出电阻
Ro≈RE∥
射极输出器的输出电阻小。
（3）射极输出器的应用
射极输出器具有电压跟随作用和输入电阻大、输出电阻小的特点，且有一定的电流和功率放大作用，因而无论是在分立元件多级放大电路还是在集成电路中，它都有十分广泛的作用。
1）用作输入级：
因其输入电阻大，可以减轻信号源的负担。
2）用作输出级：
因其输出电阻小，可以提高带负载的能力。
3）用在两级共射放大电路之间作为隔离级（或简称为缓冲级）：
因其输入电阻大，对前级影响小；因其输出电阻小，对后级的影响也小。
所以可以有效地提高总的电压放大倍数。
单管收音机
单管收音机如图5-1-13所示，只靠天线接收下来的微弱信号经二极管检波后推动耳机发出声音，耳机放出的声音很轻，而且只能收听本地强力电台的广播，如果经过晶体三极管放大，再去推动耳机，声音就会大得多，而且还能收听到较远电台的广播。
图5-1-13单管收音机
实验单管放大电路的测试
一、实验目的
1．深入理解放大器的工作原理。
2．学会单管放大电路静态工作点的测量，进一步理解电路元件参数对静态工作点的影响，以及调整静态工作点的方法。
3．理解合理设置静态工作点的意义，观察静态工作点变化导致的波形失真。
4．学会测量输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压幅值。
5．学会毫伏表、示波器及信号发生器的使用。
二、实验器材
1.低频信号发生器一台
2.示波器一台
3.直流稳压电源一台
4.毫伏表
5.万用表一块
6.单管放大电路的实验电路板一块
7.电阻2KΩ、5.1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ各一个。
三、实验步骤
1.测量并计算静态工作点
按图5-1-13接线。
图5-1-13
将输入端对地短路，调节电位器RP2，使VC=4伏左右，测量VC、VE、VB及Vb1的数值，计算IB、IC，并将测量值和计算值填入表5-1-3中。
表5-1-3
调整Rb2
测量
计算
VC（V）
VE（V）
VB（V）
Vb1（V）
IC（mA）
IB（A）
2．观察负载变化对放大倍数的影响
负载电阻分别取RL=2KΩ、RL=5.1K和RL=∞，输入f=1KHz的正弦信号,幅度以保证输出波形不失真为准。
测量Vi和V0，计算电压放大倍数：
Av=Vo/V1，填入表5-1-4中。
表5-1-4
RL（）
Vi（mV）
VO（V）
Av
2K
5.1K
∞
3．观察集电极电阻变化对放大倍数的影响
取RL=5.1K，按下表改变RC，输入f=1KHz的正弦信号,幅度以保证输出波形不失真为准。
测量Vi和V0，计算电压放大倍数：
Av=Vo/V1，填入表5-1-5中。
表5-1-5
RC（）
Vi（mV）
VO（V）
AV
3K
2K
4.观察静态工作点对放大器输出波形的影响
输入信号不变，用示波器观察正常工作时输入、输出电压的波形及相位关系，并描画下来。
逐渐减小RP2的阻值，观察输出电压的变化，在输出电压波形出现明显失真时，把失真的波形描画下来，并说明是哪种失真。
（如果RP2=0Ω后，仍不出现失真，可以加大输入信号Vi，或将Rb1由100KΩ改为10KΩ，直到出现明显失真波形。
）
逐渐增大RP2的阻值，观察输出电压的变化，在输出电压波形出现明显失真时，把失真波形描画下来，并说明是哪种失真。
如果RP2=1M后，仍不出现失真，可以加大输入信号Vi，直到出现明显失真波形。
将观察结果分别填入表5-1-6中。
表5-1-6
阻值
波形
何种失真
正常
RP2
减小
RP2
增大
调节RP2使输出电压波形不失真且幅值为最大（这时的电压放大倍数最大），测量此时的静态工作点VC、VB、Vb1和输出电压VO。
将测量结果分别填入表5-1-7中。
表5-1-7
Vb1（V）
VC（V）
VB（V）
VO（V）
五、实验报告
1．整理实验数据，填入表5-1-7中，并按要求进行计算。
2．总结电路参数变化对静态工作点和电压放大倍数的影响。
3．讨论静态工作点对放大器输出波形的影响。
§5-2负反馈放大电路
高层住宅的自来水必须再次增压才能送到高层住户的家里，楼层越高，需要增加的压力也越大。
同样，在实际应用中，一个微弱的信号可能要放大几千倍或几万倍甚至更大，仅靠单级放大器往往是不够的，通常需要把若干级放大器连接起来，将信号进行逐级放大,如图5-2-1所示。
为了稳定电路的静态工作点，改善放大器的性能，可以引入负反馈。
图5-2-1多级放大电路的组成
一、多级放大电路
1．耦合形式
各级放大器之间的连接方式，叫做“耦合”。
放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。
放大器级与级之间的耦合方式主要有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合和光电耦合等四种，如表5-2-2所示。
实际使用中，人们将按照不同电路的需要，选择合适的级间耦合方式。
表5-2-1四种级间耦合方式
耦合方式
应用电路
特点
应用
阻容耦合
（1）用一只容量足够大的耦合电容进行连接,传递交流信号。
（2）前、后级放大器之间的直流电路被隔离，静态工作点彼此独立，互不影响。
它的低频特性不很好，不能用于直流放大器中。
一般应用在低频电压放大电路中。
变压器耦合
（1）通过变压器进行连接，将前级输出的交流信号通过变压器耦合到后级。
（2）电路中的耦合变压器还有阻抗变换作用，这有利于提高放大器的输出功率。
（3）能够隔离前、后级的直流联系。
所以，各级电路的静态工作点彼此独立，互不影响。
由于变压器体积大，低频特性差，又无法集成，因此一般应用于高频调谐放大器或功率放大器中。
直接耦合
（1）无耦合元器件，信号通过导线直接传递，可放大缓慢的直流信号。
（2）直流放大器必须采用这种耦合方式。
（3）前、后级的静态工作点互相影响，给电路的设计和调试增加了难度。
直接耦合便于电路的集成化，因此广泛应用于集成电路中。
光电耦合
（1）以光电耦合器为媒介来实现电信号的耦合和传输。
（3）光电耦合既可传输交流信号又可传输直流信号，而且抗干扰能力强，易于集成化。
广泛应用在集成电路中
2．多级放大电路的电压放大倍数和输入输出电阻
从多级放大电路的方框图图5—2—2可知，前级放大电路就是后级的信号源，它的输出电阻就是信号源的内阻，而后级放大电路就是前级的负载，它的输入电阻就是信号源的负载电阻。
若多级放大电路一共有n级，各级的电压放大倍数分别为Av1、Av2……Avn，那么它的总电压放大倍数应当是Av=Av1×Av2……Avn
多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，即Ri=Ri1
多级放大电路的输出电阻就是最后一级放大电路的输出电阻，即Ro=Ron
图5—2—2多级放大电路的方框图
二、反馈的概念
1．反馈的定义
将电路的输出量（电压或电流）的部分或全部，通过一定的电路，以一定的方式回送到输入端并与输入信号（电压或电流）比较，从而进一步影响放大器输出的过程称为反馈，反馈示意图如图5-2-3所示，将输出量回送到输入端的电路称为反馈电路。
图5-2-3反馈示意图
2.反馈的分类
（1）正反馈和负反馈
正反馈：
增强放大电路净输入量变化趋势的反馈。
负反馈：
削弱放大电路净输入量变化趋势的反馈。
放大电路中采用负反馈，正反馈多用于振荡电路中。
采用瞬时极性法判断：
1）先假设输入信号在某一瞬间对地极性为“+”。
2）从输入端到输出端，依次标出放大电路各点的瞬时极性。
3）根据反馈信号的极性，再与输入信号进行比较，最后确定反馈极性。
假设加到三极管基极的输入信号瞬时极性为“+”，若送回基极的反馈信号瞬时极性为“—”，为负反馈；反之，则为正反馈。
若送到发射极的反馈信号瞬时极性为“+”，为负反馈；反之，则为正反馈，如图5—2—4所示。
（a）反馈加到基极（b）反馈加到发射极
图5—2—4判别反馈极性示意图
发射极输出信号与基极输入信号的瞬时极性相同，集电极输出信号与基极输入信号的瞬时极性相反；电阻、电容等元件对瞬时极性没有影响。
（2）电压反馈和电流反馈
电压反馈的反馈信号取自放大电路的输出电压，电流反馈的反馈信号取自放大电路的输出电流。
如图5—2—5所示，电压反馈的取样环节与放大电路的输出端并联，电流反馈的取样环节与放大电路的输出端串联。
采用输出短路法判断：
将负载短路，使输出电压为零，若反馈信号也为零，则为电压反馈，否则便是电流反馈。
图5—2—5反馈信号在输出端的取样方式
（3）串联反馈与并联反馈
串联反馈的反馈信号在输入端是与信号源串联，并联反馈的反馈信号在输入端是与信号源并联。
如图5—2—6所示。
在串联反馈中，反馈信号以电压形式出现，净输入电压ui＇=ui-uf；在并联反馈中，反馈信号以电流形式出现，净输入电流ii＇=ii-if。
采用输入端短路法判断：
将输入端短路，如反馈信号同时被短路，即净输入信号为零，则为并联反馈；否则为串联反馈。
也可以从反馈电路在输入端的连接方式来判别，若输入信号和反馈信号分别从不同端引入，为串联反馈；若二者从同一端引入则为并联反馈。
图5—2—6反馈信号与输入信号的连接
（4）直流反馈与交流反馈
直流反馈是指反馈量中只含有直流量的反馈。
同理，交流反馈的反馈量中只含有交流量。
图5—2—7所示的负反馈多级放大电路中，第一级放大电路V1管的发射极电阻R5接有交流旁路电容C2，则R5只对直流量有反馈作用，而对交流量没有反馈作用，即R5所引入的是直流反馈。
如果去掉交流旁路电容C2，则R5所引入的就是交、直流反馈了。
图5—2—7负反馈多级放大电路
三、负反馈对放大电路性能的影响
直流负反馈的作用主要是稳定静态工作点，交流负反馈可以改善放大电路的动态特性。
1．提高放大倍数的稳定性
引入负反馈使放大倍数的稳定性提高了，但放大倍数下降了。
2．减小非线性失真
如图5-2-7所示，由于晶体管是非线性元件，如果一个无负反
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