模拟电路第二章基本放大电路 1汇总.docx

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模拟电路第二章基本放大电路1汇总

第2章放大电路基础

2.1教学要求

1、掌握放大电路的组成原理，熟练掌握放大电路直流通路、交流通路及交流等效电路的画法并能熟练判断放大电路的组成是否合理。

2、熟悉理想情况下放大器的四种模型，并掌握增益、输入电阻、输出电阻等各项性能指标的基本概念。

3、掌握放大电路的分析方法，特别是微变等效电路分析法。

4、掌握放大电路三种基本组态（CE、CC、CB及CS、CD、CG）的性能特点。

5、了解放大电路的级间耦合方式，熟悉多级放大电路的分析方法。

2.2基本概念和内容要点

2.2.1放大电路的基本概念

1、放大电路的组成原理

无论何种类型的放大电路，均由三大部分组成，如图2.1所示。

第一部分是具有放大作用的半导体器件，如三极管、场效应管，它是整个电路的核心。

第二部分是直流偏置电路，其作用是保证半导体器件工作在放大状态。

第三部分是耦合电路，其作用是将输入信号源和输出负载分别连接到放大管的输入端和输出端。

图2.1

下面简述偏置电路和耦合电路的特点。

（1）偏置电路

①在分立元件电路中，常用的偏置方式有分压偏置电路、自偏置电路等。

其中，分压偏置电路适用于任何类型的放大器件；而自偏置电路只适合于耗尽型场效应管（如JFET及DMOS管）。

②在集成电路中，广泛采用电流源偏置方式。

偏置电路除了为放大管提供合适的静态点（Q）之外，还应具有稳定Q点的作用。

（2）耦合方式

为了保证信号不失真地放大，放大器与信号源、放大器与负载、以及放大器的级与级之间的耦合方式必须保证交流信号正常传输，且尽量减小有用信号在传输过程中的损失。

实际电路有两种耦合方式。

①电容耦合，变压器耦合

这种耦合方式具有隔直流的作用，故各级Q点相互独立，互不影响，但不易集成，因此常用于分立元件放大器中。

②直接耦合

这是集成电路中广泛采用的一种耦合方式。

这种耦合方式存在的两个主要问题是电平配置问题和零点漂移问题。

解决电平配置问题的主要方法是加电平位移电路；解决零点漂移问题的主要措施是采用低温漂的差分放大电路。

2、放大电路的主要性能指标及其意义

（1）输入和输出电阻

输入电阻Ri是从放大器输入端口视入的等效电阻，它定义为放大器输入电压Vi和输入电流Ii的比值，即

Ri=

（2—1）

Ri与网络参数、负载电阻RL有关，表征了放大器对信号源的负载特性。

输出电阻Ro是表征放大器带负载能力的一个重要参数。

它定义为输入信号电压源vs短路或电流源is开路并断开负载时，从放大器输出端口视入的一个等效电阻，即

RL=∞

vs=0

（2—2）

式中V2为负载断开处加入的电压，I2表示由V2引起的流入放大器输出端口的电流，Ro不仅与网络参数有关，还与源内阻Rs有关。

若要求放大器具有恒定的电压输出，Ro应越小越好；若要求放大器具有恒定的电流输出，Ro应越大越好。

（2）放大倍数或增益

它表示输出信号的变化量与输入信号的变化量之比，用来衡量放大器的放大能力。

根据需要处理的输入和输出电量的不同，有四种不同的增益定义，它们分别是：

①电压增益

（2—3）

Av=

②电流增益

（2—4）

Ai=

Ar=

③互阻增益

（2—5）

④互导增益

Ag=

（2—6）

为了表征负载对增益的影响，引入负载RL开路和短路时的增益。

负载RL开路时的电压增益定义为

RL=∞

（2—7）

它与电压增益Av的关系为

Av=Avt

Ro+RL

（2—8）

RL短路时的电流增益定义为

（2—9）

RL=0

它与电流增益Ai的关系为

Ai=Ain

Ro+RL

（2—10）

为了表征输入信号源对放大器激励的大小，常常引入源增益的概念。

其中，源电压增益定义为

VoRi

Avs==Av

VsRs+Ri

（2—11）

源电流增益定义为

IoRs

Ais==Ai

IsRs+Ri

（2—12）

（3）失真

它是评价放大器放大信号质量的重要指标，常分为线性失真和非线性失真两大类。

线性失真又有频率失真和瞬变失真之分，它是由于放大器是一种含有电抗元件的动态网络而产生的。

前者是由于对不同频率的输入信号产生不同的增益和相移所引起的信号失真；后者是由于电抗元件对电压或电流不能突变而引起的输出波形的失真。

线性失真不会在输出信号中产生新的频率分量。

非线性失真则是由于半导体器件的非线性特性所引起的。

它会引起输出信号中产生新的频率分量。

3、放大电路的类型

根据输入和输出电量的不同，放大器有四种增益表达式，相应有四种类型的放大器，它们的区别集中表现在对Ri和Ro的要求上。

如表2.1所示。

表2.1放大器的类型

类型

模型

增益

对Ri的要求

对Ro的要求

电压放大器

vot

－

Av,Avs

Ri＞＞Rs

（Ri→∞）

Ro＜＜RL

（Ro→0）

电流放大器

ion

Ai,Ais

Ri＜＜Rs

（Ri→0）

Ro＞＞RL

（Ro→∞）

互导放大器

ion

－

Ag,Ags

Ri＞＞Rs

（Ri→∞）

Ro＞＞RL

（Ro→∞）

互阻放大器

vot

－

Ar,Ars

Ri＜＜Rs

（Ri→0）

Ro＜＜RL

（Ro→0）

4、放大电路的分析方法

放大电路的分析分静态（直流）分析和动态（交流）分析，静态分析是动态分析的基础，动态性能的分析则是放大器分析的最终目的。

目前，常用的放大器的分析方法有以下三种：

（1）图解分析法：

利用晶体管的输入、输出特性曲线对放大器进行分析。

其关键在于作放大器的直流负载线及交流负载线。

该方法适宜分析电路参数对Q点的影响以及Q点对放大器性能的影响，分析放大器的非线性失真问题，确定放大器的最大不失真动态范围Vom等。

该方法形象、直观，但输入信号过小时，分析误差较大。

（2）等效电路分析法：

利用晶体管的直流及交流小信号模型对放大器进行分析。

其关键在于作放大器的直流交流通路，尤其是交流微变等效电路。

该方法是工程上常用的分析方法，利用它可获得放大器各项性能指标的工程近似值。

（3）计算机仿真分析法：

利用电路仿真程序进行分析。

如利用PSPICE程序对电路进行分析，它可对电路进行直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、孟特卡罗（MonteCarlo）分析和最坏（WorstCase）情况分析。

2.2.2BJT放大电路

1、放大电路的基本组态

放大电路的组态是针对交流信号而言的。

对于晶体三极管（或场效应管）放大器，观察输入信号作用在哪个电极，输出信号又从哪个电极取出，除此之外的另一个电极即为组态形式。

例如：

若输入信号加在晶体三极管基极，输出信号从集电极取出，则该电路为共发射极组态电路。

BJT放大电路的三种基本组态为：

共发射极、共集电极和共基极。

2、三种基本组态放大电路的性能比较

见表2.2。

表2.2BJT放大电路

共发电路

共基电路

共集电路

RB1

RB2

VCC

－

RB1

－

RB2

－

VCC

RB1

－

RB2

VCC

－

βRL′

－（大）

rbe

βRL′

（大）

rbe

（1+β）RL′

≈1

rbe+（1+β）RL′

RB1∥RB2∥rbe（中）

rbe

RE∥（小）

1+β

RB1∥RB2∥［rbe+（1+β）RL′］（大）

RC（中）（考虑rce）

RC（大）（考虑rce）

rbe+RB1∥RB2∥Rs

RE∥（小）

1+β

Ain

β（大）

－α≈－1

－（1+β）（大）

特点

输入、输出反相

既有电压放大作用

又有电流放大作用

输入、输出同相

有电压放大作用

无电流放大作用

输入、输出同相

有电流放大作用

无电压放大作用

应用

作多级放大器

的中间级，提供增益

作电流接续器

构成组合放大电路

作多级放大器的输入级、中间级、隔离级

3、发射极接电阻RE的共发放大电路

（1）电路如图2.2所示。

（b）等效电路

图2.2带射极电阻的共发放大电路

（2）性能指标如下所示。

（减小）

（2—13）

（2—14）

Ri=RB1∥RB2∥［rbe+（1+β）RE］（增大）

βRE1

Ro=RC∥rce（1+）

RE1+rbe+Rs′

（Ro′增大）

（2—15）

其中Rs′=RB1∥RB2∥Rs

4、组合放大电路

组合放大电路是由三种基本组态电路相互取长补短构成的一种电路结构。

这些组合主要是共发—共基组合、共集—共基组合及复合管（达林顿）组合。

组合放大电路实际上是一种最简单的多级放大电路。

2.2.3FET放大电路

1、FET放大电路的三种基本组态

与BJT放大电路的三种基本组态—共发射极、共集电极和共基极相对应，FET放大电路的三种基本组态分别为：

共源极、共漏极和共栅极。

2、三种基本FET放大电路的性能比较

见表2.3。

3、集成MOS放大器

在MOS集成电路中，为了提高集成度，一般都采用有源电阻取代占芯片面积较大的集成电阻，根据有源电阻的不同实现方法，集成MOS放大器分为E/EMOS、E/DMOS和CMOS三种类型电路。

（见题【2-31】）

表2.3FET放大电路

共源电路

共栅电路

共漏电路

VDD

RG3

RG1

－

RG2

－

VDD

RG1

－

RG2

－

gmRL′（大）

RG3

RG1

－

RG2

－

VDD

－gmRL′（大）

gmRL′

≈1

1+gmRL′

RG3+RG1∥RG2（大）

RS∥（小）

RG3+RG1∥RG2（大）

RD（大）

RS∥（小）

特点

类似于共发电路

类似于共基电路

类似于共集电路

4、源极接电阻RS的共源放大电路

（1）电路如图2.3所示。

Ro′

（a）原理电路

图2.3带源极电阻的共源放大电路

（2）性能指标如下所示。

（2—16）

gmRD

Av≈－（减小）

1+gmRS1

（2—17）

Ri=RG3+RG1∥RG2（不变）

（2—18）

Ro=RD∥［RS1+（1+gmRS1）rds］（Ro′增大）

5、BJT放大电路与FET放大电路的性能比较

（1）比较表2.2及表2.3可知，FET三种基本组态放大器的性能特点与BJT放大器相似；

（2）由于ig=0，所以共源和共漏放大器的输入电阻和电流增益均趋于无穷大；

（3）在相同静态电流下，由于场效应管的gm远小于三极管的gm，因此共源、共栅电路的电压增益远小于共发、共基电路的增益，且共栅放大器的输入电阻比共基放大器的大，共漏放大器的输出电阻比共集放大器大。

2.2.4多级放大电路

在许多应用场合，要求放大电路有较高的增益及合适的输入、输出电阻，而单级放大电路的增益不可能做得很大。

因此，需要将多个基本放大电路级联起来，构成多级放大电路。

在构成多级放大电路时，应充分利用三种基本组态放大电路的性能特点进行合理组合，用尽可能少的级数，来满足放大电路整体性能的要求。

多级放大电路的级间耦合方式在§2.2.1节已提及，此处不再赘述。

多级放大电路性能指标的分析思路如下：

通过计算每一单级指标来分析多级指标。

但应特别注意，在计算单级指标时，要考虑级间相互影响，即要将后级作为前级的负载来考虑，而要将前级作为后级的信号源来考虑。

因此，一个n级放大电路总的性能指标可表示为如下的形式：

vovo1vo2vo

Av==··…·=Av1·Av2·…·Avn

vivivo1vo（n－1）

（2—19）

Ri=Ri1RL1=Ri2

（2—20）

Ro=RonRsn=Ro（n－1）

（2—21）

2.3典型习题详解

【2-1】各放大器电路如题图2.1所示，图中各电容对信号频率呈短路，试画出直流通路、交流通路、交流等效电路。

设各管rce忽略不计。

（a）

题图2.1

【解】本题用来熟悉：

放大器直流通路、交流通路、交流等效电路的画法。

将电容开路，得直流通路；将电容短路，直流电源短路，得交流通路；将晶体管用小信号电路模型取代，得交流（或微变）等效电路。

根据上述原则画出的直流、交流通路及交流等效电路如下图所示。

－

（a）

vo2

－

vo1

－

（b）

（c）

【2-2】试判断题图2.2所示各电路能否正常放大，若不能，应如何改正？

图中各电容C对信号频率呈短路。

（a）

（c）

题图2.2

【解】本题用来熟悉：

放大电路的组成原则。

分析这类问题时，应从两方面考虑。

首先分析电路的直流通路，确定放大管的直流偏置是否合理；然后分析电路的交流通路，观察信号通路是否畅通。

对题图2.2（a）：

在直流通路中，要求NPN管的VC＞VB＞VE，而该电路的VCC＜0，故直流通路有错；在交流通路中，CB2将输入信号交流短路，故交流信号也有错。

改正：

将VCC改为正电源，并去掉CB2。

对题图2.2（b）：

在直流通路中，由于NPN管的发射结无偏置电压，故直流通路有错；交流通路没有错误。

改正：

在三极管的基极到电源VCC之间接入偏置电阻RB。

对题图2.2（c）：

在直流通路中，由于场效应管的栅源之间无偏置电压，故直流通路有错；交流通路没有错误。

改正：

在场效应管的栅极到电源VSS之间接入偏置电阻RG。

对题图2.2（d）：

在直流通路中，由于场效应管的栅源之间无偏置电压且VDD＜0（对于N沟道DMOS管，要求VDS＞0），故直流通路有错；交流通路没有错误。

改正：

将VDD改为正电源，并在场效应管的栅极到地之间接入偏置电阻RG。

【2-3】在题图2.3所示电路中，已知

室温下硅管的β=100，VBE（on）=0.7V，

ICBO=10－15A，试求：

（1）室温下的ICQ、VCEQ值；

（2）温度升高40oC、降低60oC

VEE（－6V）

两种情况下的VCEQ值，并由此分

析三极管的工作状态。

题图2.3

【解】本题用来熟悉：

温度对放大电路Q点的影响。

－VBE（on）－VBE－0.7－（－6）

IBQ==≈20.39μA

RB260

（1）室温下

ICQ=βIBQ+（1+β）ICBO≈βIBQ≈2.04mA

VCEQ=－VEE－ICQRC=1.92V

（2）温度升高40oC，即△T=40oC时，

β′=（1+△T×1%）β=1.4β=140

VBE（on）′=VBE（on）－△T×2.5×10－3=0.6V

△T

将β′、VBE（on）′、ICBO′重新代入

（1）中各方程，可求得：

IBQ′≈20.77μA，ICQ′≈2.9mA，VCEQ′=0.2V

由于VCEQ′=0.2V＜0.3V，所以三极管工作在饱和区。

温度降低60oC，即△T=－60oC时，

β″=（1+△T×1%）β=0.4β=40

VBE（on）″=VBE（on）－△T×2.5×10－3=0.85V

△T

将β″、VBE（on）″、ICBO″重新代入

（1）中各方程，可求得：

IBQ″≈19.81μA，ICQ″≈0.79mA，VCEQ″=4.42V

由于VCEQ″=4.42V＞0.3V，所以三极管工作在放大区。

【2-4】在题图2.4（a）所示电路中，已知室温下硅管的参数与题【2-3】相同，试求温度升高40oC时的ICQ与VCEQ值，并与题【2-3】作比较。

0.5kΩ

（b）

（a）

题图2.4

【解】本题用来熟悉：

分压偏置电路对Q点的稳定作用。

将图（a）电路等效成图（b）所示电路。

其中

RB26.2

VBB≈VCC=×6≈1.76V，RB=RB1∥RB2=15∥6.2≈4.39kΩ

RB1+RB26.2+15

故而可求得室温下的静态值如下：

VBB－VBE（on）1.76－0.7

IBQ==19.31μA

RB+（1+β）RE4.39+（1+100）×0.5

ICQ≈100×19.31μA≈1.93mA

VCEQ=VCC－ICQ（RC+RE）=6－1.93×（1.8+0.5）≈1.56V

当△T=40oC时，由上题知

β′=140，VE（on）′=0.6V，ICBO′=16×10－15A，按照上述方法可重新求得：

IBQ′≈15.49μA，ICQ′≈2.18mA，VCEQ′≈0.99V＞0.3V

由于分压偏置电路具有稳定Q点的作用。

所以当温度升高40oC时，三极管仍然工作在放大区。

【2-5】试分析下列现象：

（1）测试两个单级放大器在负载开路下的电压增益分别为Avt1、Avt2，现将两级级联，测得总电压增益Av明显低于Avt1Avt2。

（2）两个单级放大器在负载短路时的电流增益分别为Ain1、Ain2，现将两级级联，测得总电流增益Ai≈Ain1Ain2。

（3）测得放大器的源电压增益Avs远小于电压增益Av，现调节放大器的输入电阻，发现Avs≈Av。

【解】本题用来熟悉：

放大器的输入、输出电阻对增益的影响。

（1）两级级联后，总的电压增益Av=Av1Av2。

而

RL1Ri2

Av1=Avt1=Avt1

Ro1+RL1Ro1+Ri2

显然，当Ri2＜＜Ro1或Ro2＞＞RL或二者兼有时，Au＜＜Aut1Aut2。

从中不难得出：

若放大器的输入电阻越小，对前级电路电压增益的影响就越大；放大器的输出电阻越大，负载对本级电路电压增益的影响就越大。

（2）两级级联后，总的电流增益Ai=Ai1Ai2。

而

Ro2

Ai2=Ain2

Ro2+RL

Ro1Ro1

Ai1=Ain1=Ain1

Ro1+RL1Ro1+Ri2

Av2=Avt2

Ro2+RL

显然，当Ri2＜＜Ro1或Ro2＞＞RL或二者兼有时，Ai≈Ain1Ain2。

从中不难得出：

若放大器的输入电阻越小，对前级电路电流增益的影响就越小；放大器的输出电阻越大，负载对本级电路电流增益的影响就越小。

Ri1

Avs=Av

Rs+Ri1

（3）放大器的源电压增益

显然，当Ri1＜＜Rs时，Av＜＜Avs；而当Ri1＞＞Rs时，Avs≈Av。

即放大器的输入电阻越大，信号源的内阻越小，则源电压增益Avs越接近外观增益Av。

【2-6】题图2.5所示为两级直接耦合放大器中，已知晶体三极管的│VBE（on）│=0.7V，β=100，IBQ可忽略，要求ICQ1=1mA，ICQ2=1.5mA,VCEQ1=4V，│VCEQ2│=5V。

试设计电路各元件值。

【解】本题用来熟悉：

放大电路偏置电路的设计方法。

RC2

取VEQ1=0.2VCC=2.4V，则

RE1≈VEQ1/ICQ1=2.4kΩ

取I1=10IBQ1=10ICQ1/β=0.1mA，则

RB1+RB2=VCC/I1=120kΩ

RB2

VBQ1≈VCC=VBE（on）1+VEQ1=3.1V

RB1+RB2

RB2=31kΩ

VCC－VCEQ1－VEQ1

RC1==5.6kΩ

ICQ1

VCC－│VBE（on）2│－VCEQ1－VEQ1

RE2≈=3.27kΩ

ICQ2

VEQ2－│VCEQ2││VBE（on）2│+VCEQ1+VEQ1－│VCEQ2│

RC2===1.4kΩ

ICQ2ICQ2

【2-7】在题图2.6所示电路中，已知各晶体三极管的特性相同，β=100，VBE（on）=0.7V要求IEQ1=0.5mA，IEQ2=1mA，VCEQ1=2.5V，VCEQ2=4V。

设VCC=12V，VCQ2=6V，I1=10IBQ1，

RE2

试计算各电阻值。

【解】本题用来熟悉：

多级放大电路Q点的分析方法。

由已知条件可求得：

VEQ2=VCQ2－VCEQ2=4－2=2V

VCQ1=VEQ2+VBE（on）2=2+0.7=2.7V

VEQ1=VCQ1－VCEQ1=2.7－2.5=0.2V

VBQ1=VEQ1+VBE（on）1=0.2+0.7=0.9V

由于IBQ1≈IEQ1/β=5μA，

所以I1=10IBQ1=50μA，因此可求得各电阻值如下：

VEQ2

RE2=≈1.9kΩ

I1+IEQ2

VCC－VCQ2VCC－VCQ2

RC2=≈=6kΩ

ICQ2IEQ2

VEQ1

RE1==400Ω

IEQ1

VEQ2－VBQ1

RB1==22kΩ

VBQ1

RB2=≈16.4kΩ

I1+IBQ1

VCC－VCQ1VCC－VCQ1

RC1=≈=18.6kΩ

ICQ1IEQ1

【2-8】在题图2.7（a）所示为三级直接耦合放大器中，已知各管的│VBE（on）│=0.7V，β=100，IBQ可忽略，要求ICQ1=1mA，ICQ2=1.4mA,ICQ3=1.6mA,│VCEQ│=2V。

试完成下列各题：

（1）计算各电阻阻值和各管的VCQ值；

（2）将T2改为NPN管，如图2.7（b）所示，调整RC2、RCE，保证ICQ2不变，试指出电路能否正常工作？

RE3

（b）

（a）

题图2.7

【解】本题用来熟悉：

直接耦合放大电路Q点的分析方法及电平位移的基本概念。

（1）第一级电路，因为

VEQ1=VBQ1－VBE（on）1=1.89V

RB2

VBQ1≈VCC≈2.59V

RB1+RB2

所以

VCC－VCEQ1－VEQ1

RC1==2.11k

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