放大电路基础解读.docx
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放大电路基础解读
放大电路基础
第3章放大第1节放大电路的基本知识
第2节三种基本组态放大电路
第3节差分放大电路
第4节互补对称功率放大电路
第5节多极放大电路
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第1节放大电路的基本知识
1.放大电路的组成
2.放大电路的主要性能参数
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放大电路的组成
在生产实践和科学研究中需要利用放大电路放大微弱的信号,以便观察,测量和利用.一个基本放大电路必须有如图所示各组成部分:
输入信号源,晶体三极管,输出负载以及直流放大电路的主要性能参数
1）放大倍数
放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标,它有电压放大倍数,电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法,其中电压放大倍数应用最多.
2）输入是指从输入端向放大电路内看进去的等效电路,等于输出端接实际负载电阻后,输入电压与输入电流之比.
3）输出电阻
是指当信号源短路时,由输出端向放大电路看进去的等效电阻.
4）通频带与频率失真
5）最大输出功率和效率
放大电路的最大输出功率是指在输出信号基本不失真的情况下,能够向负载提供的最大功率,用Pom表示.若直流电源提供的功率为PDC,放大电路的输出功率为Po,则放大电路的效率为后者与前者的比值.比值越大,放大电路的效率越高.
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第2节三种基本组态放大电路
1.共发射极放大电路
2.共集电极放大电路
3.共基极放大电路
4.场效应管放大电路
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共发射极放大电路
图3.2.1
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电路中各元件的作用如下:
1）集电极电源UCC:
其作用是为整个电路提供
（2）基极偏置电阻Rb:
其作用是为基极提供合适的偏置电流.
（3）集电极电阻Rc:
其作用是将集电极电流的变化转换成电压的变
（4）耦合1）电压,电流正方向的规定
2）电压,电流符号的规定
图3.2.2三极管基极的电流波形
（a）直流分量;（b）交流分量;（c）总变化量
（1）直流分量.如图3.2.2（a）所示波形,用大写字母和大写下标表示.如IB表示基极的直流电流.
（2）交流分量.如图3.2.2（b）所示波形,用小写字母和小写下标表示.如ib表示基极的交流电流.
（3）总变化量.如图3.2.2（c）所示波形,是直流分量和交流分量之和,即交流叠加在直流上,用小写字母和大写下标表示.如iB表示基极电流总的瞬时值,其数值为iB=IB+ib.
（4）交流有效值.用大写字母和小写下标表示.如Ib表示基极的正弦交流电流的有效值.
图3.2.3基本共射放大电路的交,直流通路（a）直流通路;
（b）交流通路
直流通路和交流通路
1）直流通路
所谓直流通路,是指当输入信号ui=0时,在直流电源UCC的作用下,直流电流所流过的路径.在画直流通路时,电路中的电容开路,电感短路.图3.2.2所对应的直流通路如图3.2.3（a）所示.
2）交流通路
所谓交流通路,是指在信号源ui的作用下,只有交流电流所流过的路径.画交流通路时,放大电路中的耦合电容短路;由于直流电源UCC的内阻很小,对交流变化量几乎不起作用,故可看作短路.图3.2.2所对应的交流通路如图3.2.3（b）所示.
放大电路的工作状态分析
1.静态（ui=0）工作情况
所谓静态,是指输入信号为零时放大电路的工作状态.
静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路中三极管的工作状态.
图3.2.4基本放大电路的静态情况
（a）电路;（b）静态工作点Q
动态工作情况
所谓动态,是指放大电路输入信号不为零时的工作状态.当放大电路加入交流信号ui时,电路中各电极的电压,电流都是由直流量和交流量叠加而成的.其波形如图3.2.5所示.
图3.2.5放大电路的动态工作情况
共集电极放大电路
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图3.2.6-a
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图3.2.7共集电极放大电路
（a）电路;（b）交流通路
1）等效电路
画出电路的微变等效电路所示
2）参数估算
电压放大倍数的定义
（2）ri的估算
（1）Au的估算
图3.2.8共集电极放大电路的微变等效电路
图3.2.9求ro的微变等效电路
（3）ro的估算.令us=0,并去掉负载
RL′,在输出端加一探察电压up,则可画成如图3.2.8所示
的形式.由图可得
共基电极放大电路
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图3.2.10
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共基极放大电路的动态性能
共基极放大电路（简称共基放大电路）如图所示,直流通路采用的是分压偏置式,交流信号经C1从发射极输入,从集电极经C2输出,C1,C2为耦合电容,Cb为基极旁路电容,使基极交流接地,故称为共基极放大器.微变等效电路如图所示.
（b）微变等效电路
图3.2.11
根据微变等效电路,同样可分析得共基极放大电
路的动态参数:
三种基本放大电路的性能比较
上述所讲的三种组态放大电路是用三极管组成放大电路的基本形式,其他类型的单级放大电路归根到底都是由这三种变化而来的.
场效应管放大电路
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图3.2.12
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场效应管及其放大电路
与三极管一样,根据输入,输出回路公共端选择不同,将场效应管放大电路分成共源,共漏和共栅三种组态.本节主要介绍常用的共源和共漏两种放大电路.
_共源放大电路
_1.电路组成及直流偏置
图3.2.13场效应管共源放大电路
由于栅极电阻上无直流电流,因而
场效应管放大电路的静态工作点可用式联立求出UGSQ和IDQ,漏源电压UDSQ由下式求得:
放大电路的动态参数可由微变等效电路求出.
1）场效应管的微变等效电路_
2）共源放大电路的微变等效电路
图3.2.14场效应管微变等效电路
（1）电压放大倍数:
（2）输入电阻:
（3）输出电阻:
图3.2.15共源放大电路的微变等效电路
共漏放大电路
共漏放大电路又称源极输出器.
第3节差分放大电路
1.差分放大电路
2.具有电流源的差分放大电路
3.差分放大电路的输入,输出方式
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差分放大电路
电路组成
右图为典型差动放大电路,它是由两个完全对称的共发射极电路组成的.
图3.3.1-1
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具有电流源的差分放大电路
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恒流源差放电路如
右图所示,V3,R1,R2,R3构成恒流源.
图3.3.2-1
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差分放大电路的输入,输出方式
输入信号的类型
在放大器两输入端分别输入大小相等,相位相反的信号,即ui1=-ui2时,这种输入方式称为差模输入,所输入的信号称为差模输入信号.差模输入信号用uid来表示.差模输入电路如图3.3.3-1所示,由图可得
共模输入信号常用uic来表示.共模输入电路如图3.3.3-2所示,由图可得
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差分放大电路的输入,输出方式
差模信号为两输入信号之差,用uid表示,即
共模信号为两输入信号的算术平均值,用uic表示,即
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差分放大电路的双端输入,双端输出方式
图3.3.3-1
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差分放大电路的单端输入,双端输出
图3.3.3-2
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差分放大电路的输入,输出
对差模信号的放大作用
图3.3.3-1所示,由图可以看出,当从两管集电极取电压时,其差模电压放大倍数表示为
当在两个管子的集电极接上负载RL时
其中
由电路可得差模输入电阻为
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差分放大电路的输入,输出
电路的两集电极之间的差模输出电阻为
对共模信号的抑制作用
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差分放大电路的输入,输出
图3.3.3-3
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差分放大电路的输入,输出
图3.3.3-4
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第4节互补对称功率放大电路
1.乙类双电源互补对称功率放大电路
2.甲乙类互补对称功率放大电路
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乙类双电源互补对称功率放大电路
甲类放大器的工作点设置在放大区的中间,这种电路的优点是在输入信号的整个周期内三极管都处于导通状态,输出信号失真较小（前面讨论的电压放大器都工作在这种状态）,缺点是三极管有较大的静态电流ICQ,这时管耗PC大,电路能量转换效率低.
乙类放大器的工作点设置在截止区,这时,由于三极管的静态电流ICQ=0,所以能量转换效率高,它的缺点是只能对半个周期的输入信号进行放大,非线性失真大.甲乙类放大电路的工作点设在放大区但接近截止区,即三极管处于微导通状态,这样可以有效克服乙类放大电路的失真问题,且能量转换效率也较高,目前使用较广泛.
图3.4.1-1是双电源乙类互补功率放大电路.这类电路又称无输出电容的功率放大电路,简称OCL电路.V1为NPN型管,V2为PNP型管,两管参数对称.电路工作原理如下所述
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乙类双电源互补对称功率放大电路
图3.4.1-1
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乙类双电源互补对称功率放大电路
静态分析
当输入信号ui=0时,两三极管都工作在截止区,此时IBQ,ICQ,IEQ均为零,负载上无电流通过,输出电压uo=0.
动态分析
（1）当输入信号为正半周时,ui>0,三极管V1导通,V2截止,V1管的射极电流ie1经+UCC自上而下流过负载,在RL上形成正半周输出电压,uo>0.
（2）当输入信号为负半周时,ui<0,三极管V2导通,V1截止,V2管的射极电流ie2经-UCC自下而上流过负载,在RL上形成负半周输出电压,uo
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乙类双电源互补对称功率放大电路
输出功率Po
若忽略UCES,则
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乙类双电源互补对称功率放大电路
直流电流提供的功率PDC
效率
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乙类双电源互补对称功率放大电路
管耗PC
可求得当Uom=0.63UCC时,三极管消耗的功率最大,其值为
每个管子的最大功耗为
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乙类双电源互补对称功率放大电路
交越失真
产生这种失真的原因是:
在乙类互补对称功率放大电路中,没有施加偏置电压,静态工作点设置在零点,UBEQ=0,IBQ=0,ICQ=0,三极管工作在截止区.由于三极管存在死区电压,当输入信号小于死区电压时,三极管V1,V2仍不导通,输出电压uo为零,这样在输入信号正,负半周的交界处,无输出信号,使输出波形失真,这种失真叫交越失真.
图3.4.1-2
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甲乙类互补对称功率放大电路
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图3.4.2-1
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单电源互补对称功率放大电路
（OTL电路）
双电源互补对称功率放大电路由于静态时输出端电位为零,负载可以直接连接,不需要耦合电容,因而它具有低频响应好,输出功率大,便于集成等优点,但需要双电源供电,使用起来有时会感到不便,如果采用单电源供电,只需在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容C2即可.这种电路通常又称无输出变压器的电路,简称OTL电路,如图8.5所示.
图中R1,R2为偏置电阻.适当选择R1,R2阻值,可使两管静态时发射极电压为UCC/2,电容C两端电压也稳定在UCC/2,这样两管的集,射极之间如同分别加上了UCC/2和-UCC/2的电源电压.
在输入信号正半周,V3导通,V4截止,V3以射极输出器形式将正向信号传送给负载,同时对电容C2
电容C2的容量应选得足够大,使电容C2的充放电时间常数远大于信号周期,由于该电路中的每个三极管的工作电源已变为UCC,已不是OCL电路的UCC了,请同学们自行推出该电路的最大输出功率的表达式.
与OCL电路相比,OTL电路少用了一个电源,但由于输出端的耦合电容容量大,则电容器内铝箔卷绕圈数多,呈现的电感效应大,它对不同频率的信号会产生不同的相移,输出信号有附加失真,这是OTL电路的缺点.
复合互补对称功率放大电路
复合管
_复合管是由两个或两个以上三极管按一定的方式连接而成的.复合管又称为达林
顿管.图8.6是四种常见的复合管,其中图（a）,（b）是由两只同类型三极管构成的复合管,图（c）,（d）是由不同类型三极管构成的复合管.
组成复合管时要注意两点:
①串接点的电流必须连续;②并接点电流的方向必须保持一致.
图8.6复合管
（a）NPN型
（一）;（b）PNP型
（一）;（c）NPN型
（二）;（d）PNP型
（二）
复合管的电流放大系数,近似为组成该复合管各三极管β的乘积,其值很大.由图8.6（a）可得
复合管虽有电流放大倍数高的优点,但它的穿透电流较大,且高频特性变差.为了减小穿透电流的影响,常在两只晶体管之间并接一个泄放电阻R,如图8.7所示,
R的接入可将V1管的穿透电流分流,R越小,分流作用越大,总的穿透电流越小.当然,R的接入同样会使复合管的电流放大倍数下降.
图8.7接有泄放电阻的复合管
第5节多级放大电路
1.多级放大电路的组成及性能指标的估算
2.通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
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多级放大电路的组成及性能指标的估算
前面讲过的基本放大电路,其电压放大倍数一般只能达到几十～几百.然而在实际工作中,放大电路所得到的信号往往都非常微弱,要将其放大到能推动负载工作的程度,仅通过单级放大电路放大,达不到实际要求,则必须通过多个单级放大电路连续多次放大,才可满足实际要求.
多级放大电路的组成可用下图所示的框图来表示.其中,输入级与中间级的主要作用是实现电压放大,输出级的主要作用是功率放大,以推动负载工作.
图3.5.1-1
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
多级放大电路是由两级或两级以上的单级放大电路连接而成的.在多级放大电路中,我们把级与级之间的连接方式称为耦合方式.而级与级之间耦合时,必须满足:
（1）耦合后,各级电路仍具有合适的静态工作点;
（2）保证信号在级与级之间能够顺利地传输过去;
（3）耦合后,多级放大电路的性能指标必须满足实际的要求.
为了满足上述要求,一般常用的耦合方式有:
阻容耦合,直接耦合,变压器耦合.
阻容耦合
我们把级与级之间通过电容连接的方式称为阻容耦合方式.电路如图所示.
_由图可得阻容耦合放大电路的特点:
优点:
因电容具有"隔直"作用,所以各级电路的静态工作点相互独立,互不影响.这给放大电路的分析,设计和调试带来了很大的方便.此外,还具有体积小,重量轻等优点.
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
缺点:
因电容对交流信号具有一定的容抗,在信号传输过程中,会受到一定的衰减.尤其对于变化缓慢的信号容抗很大,不便于传输.此外,在多极放大电路的组成及性能指标的估算
直接耦合
_为了避免电容对缓慢变化的信号在传输过程中带来的不良影响,也可以把级与级之间直接用导线连接起来,这种连接方式称为直接耦合.其电路如图所示.
优点:
既可以放大交流信号,也可以放大直流和变化非常缓慢的信号;电路简单,便于集成,所以集成电路中多采用这种耦合方式.
缺点:
存在着各级静态工作点相互牵制和零点漂移这两个问题.
图3.5.1-3
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
变压器耦合
我们把级与级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦合.其电路如下图所示.
图3.5.1-4
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
电压放大倍数
根据电压放大倍数的定义式
在图5.3.1-2中,由于
故
因此可推广到n级放大电路的电压放大倍数为
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
输入电阻
多级放大电路的输入电阻,就是输入级的输入电阻.计算时要注意:
当输入级为共集电极放大电路时,要考虑第二级的输入电阻作为前级负载时对输入电阻的影响.
输出电阻
多级放大电路的输出电阻就是输出级的输出电阻.计算时要注意:
当输出级为共集电极放大电路时,要考虑其前级对输出电阻的影响.
单级阻容耦合放大电路的频率特性.
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
图为单级阻容耦合共射放大电路,图（b）,（c）是其频率响应特性,其中,图（b）是幅频特性,图（c）是相频特性.
图3.5.1-5
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多极放大电路的组成及性能指标的估算
多级放大电路的幅频特性.
图为多级放大电路的通频带
（a）两个单级放大电路的通频带
（b）耦合后,放大电路的通频带变窄
图3.5.1-6
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
集成运算放大器件的识读
常见的集成运算放大器有圆形,扁平型,双列直插式等,有8管脚,14管脚等.
图3.5.2-2
图3.5.2-1
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
图3.5.2-3
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
图3.5.2-4
集成运放的组成及其符号
集成运放内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器,其内部组成原理框图如图所示,_它由输入级,中间级,输出级和偏置电路等四部分组成.
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
输入级
输入级是提高运算放大器质量的关键部分,要求其输入电阻高,为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信号,输入级都采用具有恒流源的差动放大电路,也称差动输入级.
中间级
中间级的主要作用是提供足够大的电压放大倍数,故而也称电压放大级.要求中间级本身具有较高的电压增益.
输出级
输出级的主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要,同时还需要有较低的输出电阻和较高的输入电阻,以起到将放大级和负载隔离的作用.
偏置电路
偏置电路的作用是为各级提供合适的工作电流,一般由各种恒流源电路组成.
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
图3.5.2-5
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
集成运算放大器的主要参数
运算放大器（简称运放）的特性参数是评价运放性能优劣的依据.
极限参数
供电电压范围（+UCC,-UEE或+Us,-Us）
定义:
加到运放上最小和最大允许的安全工作电源电压,称为运放的供电电压范围.
功耗PD
定义:
运放在规定的温度范围工作时,可以安全耗散的功率称为功耗.
工作温度范围
定义:
能保证运放在额定的参数范围内工作的温度称为它的工作温度范围.
最大差模输入电压Uidmax
定义:
能安全地加在运放的两输入端之间最大的差模电压称为最大差模输入电压.
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
最大共模输入电压Uicmax
定义:
能安全地加在运放的两个输入端的短接点与运放地线之间的最大电压称为最大共模输入电压.
电气参数
输入特性
（1）差模输入电阻rid
（2）输入偏置电流IIB
（3）输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT
（4）输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
输出特性
（1）最大输出电压Uomax
（2）最大输出电流Iomax
（3）输出电阻ro
增益特性
（1）差模电压增益Aud
（2）共模电压增益Auc
（3）共模抑制比KCMR
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通用型集成运算放大器的组成及其基本特性
频率特性
（1）开环带宽BW（fH）
（2）单位增益带宽BWG（fT）
（3）转换速率SR
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48#第3章目录
49#第3章第1节目录
50#3.1.1.1
51#3.1.2.1
52#第3章第2节目录
53#3.2.1.1
55#3.2.3.1
54#3.2.2.1
56#3.2.4.1
57#第3章第3节目录
58#3.3.1.1
59#3.3.2.1
60#3.3.3.1
61#3.3.3.2
62#3.3.3.3
63#3.3.3.4
64#3.3.3.5
65#3.3.3.6
66#3.3.3.7
67#3.3.3.8
68#第3章第4节目录
69#3.4.1.1
70#3.4.1.2
71#3.4.1.3
72#3.4.1.4
73#3.4.1.5
74#3.4.1.6
75#3.4.1.7
76#3.4.2.1
77#第3章第5节目录
78#3.5.1.1
79#3.5.1.2
80#3.5.1.3
81#1.1.3.4
82#3.5.1.5
83#3.5.1.6
84#3.5.1.7
85#3.5.1.8
86#3.5.1
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