模拟电子技术-基本放大电路

模拟电子技术-基本放大电路

• 一、基本放大电路介绍
• • [1.1 基本放大电路概念](#1.1 基本放大电路概念)
  • [1.2 放大电路性能指标](#1.2 放大电路性能指标)
• 二、共射放大电路工作原理
• • [2.1 基本共射放大电阻的组成](#2.1 基本共射放大电阻的组成)
  • [2.2 设置静态工作点的必要性](#2.2 设置静态工作点的必要性)
  • [2.3 放大电路的组成原则](#2.3 放大电路的组成原则)
  • [2.4 两种实用的共射放大电路](#2.4 两种实用的共射放大电路)
  • • [2.4.1 直接耦合电路](#2.4.1 直接耦合电路)
    • [2.4.2 阻容耦合电路](#2.4.2 阻容耦合电路)
• 三、放大电路的分析方法
• • [3.1 直流通路和交流通路](#3.1 直流通路和交流通路)
  • [3.2 等效电路法](#3.2 等效电路法)
  • • [3.2.1 晶体管共射h参数等效模型](#3.2.1 晶体管共射h参数等效模型)
• 四、复合管

一、基本放大电路介绍

1.1 基本放大电路概念

• 基本放大电路概念：本质上是功率放大 ，包含了电压 和电流 ，同时是对能量的控制和转换
• 目标：小功率信号 -> 大功率

• 基本放大电路组成必须要存在有源元件 ，包括三极管 和场效应管等
• 基本放大电路的前提 ：不失真，失真无意义
• 测试信号：正弦波
• 构建放大电路时，以三级管为例，三极管必须要控制在放大状态 下；小信号控制iB (UBE)；合理输出

1.2 放大电路性能指标

• 任何一个放大电路都可以看成一个两端口网路
• 左边为输入端口，内阻为Rs的正弦波信号源Us(交流)作用时，放大电路得到输入电压Ui和输入电流Ii；右边为输出端口，输出电压为Uo，输出电流为Io。RL为负载电阻。

• 放大倍数A ，其值为输出量 (Uo、Io)与输入量 (Ui、Ii)之比，对于小功率放大电路，通常只关注电压放大倍数，记作Auu=Uo/Ui
• 输入电阻Ri ，放大电路需要从信号源索取电流 ，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。Ri表示从放大电路输入端看进去的等效电阻 ，定义为有效值Ui/Ii

其中，Ri越大 ，表示放大电路从信号源索取电流越小，输入电压Ui越接近于信号源电压Us(串联电阻分压)，也可以说信号源内阻Rs的压降越小，信号电压损失越小 。电流角度来讲，Ri越小 ，输入电流Ii接近于信号源电流IS(诺顿定理)，信号电流损失越小(并联电阻分流)

• 输出电阻Ro ，任何放大电路的输出都可以等效为一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的内阻称为输出电阻Ro，根据电阻分压公式，可解得Ro

其中，Ro越小 ，负载电阻RL变化时，Uo变化越小 ，即带负载能力强。相反想要获得较大的电流 ，则输出电阻就需要大一点

• 以上指标说明，针对不同需求，输入电阻和输出电阻需要根据要求选定
• 通频带 用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。一般情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号

fL称为下降截至频率 ，fH称为上限截至频率 ，低于fL和高于fH放大倍数都会减少，其中，fbw称为通频带 ，即fH-fL ，通频带越宽 ，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强

• 非线性失真系数，当输入信号幅度超过一定值后，输出电压会产生非线性失真
• 最大不失真输出电压，为输入电压再增大就会使得波形产生非线性失真的输出电压
• 最大输出功率与效率，信号不失真的情况下，负载能够获得的最大功率，此时的输出电压为最大不失真输出电压

二、共射放大电路工作原理

2.1 基本共射放大电阻的组成

• 下图为NPN基本共射放大电路 ，输入信号ui为正弦波电压(交流)
• 当ui=0 时，称放大电路处于静态 。输入回路 ，基极电源VBB使得UBE>Uon (正偏)，与电阻Rb共同决定电流iB；输出回路 ，集电极电源VCC>>VBB (反偏)，保证晶体管工作在放大区 ，因此iC=βiB ，其中c-e之间的电压UCE=VCC-ic*Rc
• 当ui不等于0 。输入回路 中，必将在静态值的基础上 产生一个动态的基极电流ib (交流部分)，同时在输出回路 也会有动态电流iC ，电阻Rc的电压变化 ，导致了UCE变化 ，输出了一个动态电压u0，VCC用来提供能量

如果单单只有ui(小交流)，没有VBB(直流)，单凭ui根本产生不了足够的开启电压

• 存在输入信号ui(a图)时，基极电流在直流分量IBQ 的基础上叠加正弦交流 ，即如b图所示。同时Ic也会存在同样形式的电流，如图b。
• 同时必将在集电极电阻Rc上产生一个与Ic波形相同的交变电压 ，而当Rc上的电压增大时，管压降UCE必然减少(UCE+URc=VCC )，所以UCE是在直流分量UCEQ 的基础上叠加一个与iC反方向的交变电压uce (UCE=UCEQ+uce )，见图c。如果去掉直流UCEQ，则得到一个与输入电压ui相位相反且放大了的交流电压uo，见图d

• 因此，基本共射放大电路的电压放大作用 是利用晶体管的电流放大 作用，并依靠将电流的变化 转换成电压的变化来实现的

2.2 设置静态工作点的必要性

• 放大电路中，有信号输入时，交流和直流共存。将输入信号为零、即直流电源单独作用时 晶体管的基极电流IB 、集电极电流IC 、b-e之间的电压UBE 、管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q，记作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ

近似估算中认为导通电压|UBEQ|硅管为0.6-0.8V，锗管为0.1-0.3V，穿透电流ICEQ=0

• 静态工作点的表达式如下，计算过程属于基电内容

• 由于放大电路放大的对象是动态小信号，为什么要设置静态工作点？即为什么要存在IBQ、ICQ和UCEQ，VBB等

答：当ui处于静态(=0)时，三极管截至 ，电路不工作；ui不等于零时，也只能在正半周大于Uon时导通 ，输出电压必然失真，见上图(a)，加上合适的静态工作点后，可以使得ui骑在直流上(叠加)，得以输出正半轴电压

静态分析就是工作点设置及分析，就是谋求最佳工作点，也叫临界工作点，其目的是使放大器的不失真输出电压幅度能达到最大，所以静态工作点不仅影响电路是否失真，同时影响放大电路的动态参数
动态分析是寻求放大倍数、输入电阻和输出电阻

2.3 放大电路的组成原则

• 必须根据所用放大管的类型提供直流电源 ，以便设置合适的静态工作点，并作为输出的能源
• 对于晶体管放大电路 ，电源极性和大小应该使得发射结正偏 ，且静态电压要大于开启电压Uon ，集电结反偏 ，保证晶体管工作在放大区
• 对于场效应管放大电路 ，电源极性和大小应该为g-s之间、d-s之间提供合适电压，使得工作在恒流区
• 电阻需要取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流
• 输入信号必须能够作用于放大管的输入回路，对于晶体管和场效应管，输入信号应该分别作用于IB 和UGS，这样才能改变输出回路的电流，从而放大信号
• 当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流 (iC或iD)能够作用于负载

2.4 两种实用的共射放大电路

2.4.1 直接耦合电路

• 为减少直流电源的存在，将VBB取消，共同使用VCC ，但要保证发射结反偏 ，需要合理设置Rb2和Rc之间的阻值 ；Rb1 的存在是避免UBE直接等于ui，叠加不了直流
• 不同于基本共射放大电路原理图，实用放大电路中，为了防止干扰，常要求输入信号 、直流电源 、输出信号 共地，同时将基极电源和集电极电源合二为一 ，其中信号源与放大电路、放大电路与负载电阻直接相连 ，称为直接耦合 (耦合就是连接的意思)

• 其中Rb1必不可少，若没有Rb1，静态时(ui=0)，输入端被短路 ，IBQ=0，晶体管截止 ，同时也没有叠加上直流分量
• Rb1和Rb2的取值和VCC配合决定合适的基极电流IBQ ，合理选取Rc，得到合适的管压降UCEQ
• 将ui短路 ，得静态工作点如下：

2.4.2 阻容耦合电路

• 直接耦合电路 的输入输出 都是直接接在信号上 。同时当输入信号ui接入时，Rb1上有损失 ，减小了晶体管基极与发射极之间的信号电压；接入负载后，负载电阻不但有信号电压，也有直流电源作用的结果，存在直流分量，这需要去除
• 如下图是阻容耦合电路。解决了上述问题。C1、C2称为耦合电容 ，电容隔直通交 ，信号源与放大电路、放大电路与负载之间均无直流量 ，在输入信号频率范围内，耦合电容容量足够大 ，即容抗很小(Xc=1/2ΠfC )可视为短路，输入信号无损加在放大电路的基极和发射极之间

• 同时，观察C1和C2电压，得到放大管基极与发射极 之间总电压为C1电压UBEQ+ui ，输出电压u0 =集电结与发射结电压-C2上的UCEQ ，所以u0纯交流信号
• 令输入端短路，得静态工作点如下：

三、放大电路的分析方法

• 直流是给放大电路提供基准的，放大本质上是放大的交流信号，所以想要搞清楚放大电路的各方面参数，需要首先搞明白静态工作点(直流)的相关信息，再交流

3.1 直流通路和交流通路

• 直流通路 ：直流电源 作用下直流电流流经的通路，即静态电流流经的通路，用于分析静态工作点，其中电容开路 ，电感短路 ，信号源短路 但应保留其内阻
• 交流通路 ：输入信号 作用下交流信号流经的通路，其中容量大的电容视为短路 ，无内阻的直流电源视为短路

其中在交流电路中，电容的容抗Xc=1/2ΠfC，容量越大，容抗越小，对交流电阻碍作用较弱，视为短路，同时也可以用作高频干扰信号

• 如下图为各放大电路的直流通路和交流通路

3.2 等效电路法

• 晶体管电路中，在分析交流通路时，需要把直流置零，这么做并不是说交流信号单独作用，而是交流信号单独骑在直流上，即在Δ变化中，输入回路可以近似等效为线性电阻rbe (ΔUBE/ΔIB )，输出回路等效为受控电流源，同时静态工作点Q不同时rbe也不同

• 步骤：
• 1.分析电路时，首先需要分析直流通路 ，交流信号置0，电容开路，三极管开启电压为UBEQ，求解Q：IBQ、IC等，求出交流时的微变等效rbe

• 2.分析交流通路 ，直流置0，电容近似短路，画出交流通路 ，再画出微变等效电路，最后求解Au、Ri、Ro等参数

3.2.1 晶体管共射h参数等效模型

• 在低频动态小信号的共射放大电路分析中，可以将放大电路等效为h参数等效模型
• 将晶体管看作一个双口网络，b-e为输入端口，c-e为输出端口，则将ib和uCE看作自变量，根据输入输出特性曲线得到如下关系

• 研究低频信号作用下各变化量之间的关系

• 两边求全微分得

• 最终得h参数方程如下，下标e表示共射解法，式中h参数如下

• 将h参数方程等效成电路，如下图所示
• h11e 等效为电阻 、h12eUce 等效为流控电压源 ，输入回路b-e之间等效成电阻串电压控制的电压源
• 输出回路c-e之间等效成一个电阻 和一个受控电流源并联

• 事实上，在输入回路中，内反馈系数h12e很小，即内反馈很弱，近似分析中可忽略不计，故晶体管的输入回路 可近似等效为只有一个动态电阻rbe(h11e)

• 其中rbe 的公式如下，一般rbb'已知 ，且rbe在纯交流电路中。

• 输出回路中，h22e很小，即rce很大，说明分析中该支路电流忽略不计，故输出回路近似等效为只有一个受控电流源ic，ic=βib
• 注意当输出回路所接的负载RL，其中rce<10RL，则需要考虑rce的影响

四、复合管

• 实际应用中，可用多只晶体管构成复合管来取代基本电路中的一只晶体管，那必须要满足电流的走向一致 ，即合理的通路
• 同时前面的晶体管 作为主晶体管
• 放大倍数为β1*β2