第9章 基本放大电路

- 43 -第9章 基本放大电路放大是模拟电路最重要的一种功能。

本章所要介绍的基本放大电路几乎是所有模拟集成电路的基本单元。

工程上的各类放大电路都是由若干基本放大电路组合而成的，其中第一级称为输入级，最后一级称为输出级，其余各级为中间级。

9.1 放大电路的工作原理放大电路或称为放大器，其作用是把微弱的电信号、电压、电流、功率放大到所需要的量级，而且输出信号的功率要比输入信号的功率大，输出信号的波形要与输入信号的波形相同。

现以晶体管共射极接法的电路为例来说明放大电路的工作原理。

输入信号按波形不同可分为直流信号与交流信号两种。

由于正弦信号是一种基本信号，在对电路进行性能分析与测试时，常以它作为输入信号。

因此，也以正弦信号作为输入信号来说明放大电路的工作原理。

在输入端与输出端分别接有电容C 1、C 2，它们起着传递信号，隔离直流的作用，电容C 1、C 2称为输入和输出耦合电容或隔直电容。

由于耦合作用要求电容的容抗值很小，一般为几微法至几百微法，因而需要采用有极性的电解电容器。

输入端未加输入信号时，放大电路的工作状态称为静态。

这时U CC 提供了直流偏置电流。

由于电容的隔直作用，输入端和输出端不会有电压与电流。

可见，静态时，除了输入端与输出端外，晶体管各极电压与电流都是直流，其波形如图9-1各波形中的虚线所示。

输入端加上输入信号时，放大电路的工作状态称为动态。

交流输入信号u i 通过C 1耦合到晶体管的发射结两端，使发射结电压u BE 以静态值U BE 为基准上下波动，但方向不变，即u BE 始终大于零，发射结保持正向偏置，晶体管始终处于放大状态。

这时的发射结电压u BE ＝U BE ＋u be 。

忽略C 1上的交流电压降，则u be ＝u i 。

发射结电压的变化会引起各极电流的相应变化，而且它们都会有一个静态直流分量和一个交流信号分量，其波形如图9-1所示。

i C 的变化引起R C i C 的相应变化。

由于u CE ＝U CC －R C i C ，u CE 将以U CE 为基准上下波动，i Cu i ωt i Bωt I Bu BE ωt BEi E Ci C ω I C u CE ω U CE U CE u 0 ω图9-1 信号的放大过程增加时，u CE下降，i C减少时，u CE增加，它的直流分量U CE被C2隔离，而交流分量通过C2输出，使得输出端产生了交流输出电压u0。

忽略C2上的交流电压降，则u0＝u ce－R C i C。

只要R C足够大，就可以使u0比u i大。

集电极电阻R C又称集电极负载电阻，它的作用就是将集电极电流的变化转换成电压的变化，以实现电压放大，其值约为几至几十千欧。

而且只要晶体管在输入信号的整个周期内都处于放大状态，u0与u i是反相的。

由于输入回路的电流为i B，输出回路的电流为i C，所以在这种电路中，输出的电流大于输入电流，输出信号的功率也大于输入信号的功率。

请注意，根据能量守恒原理，能量只能转移，不能凭空产生，当然也不可能放大，所增加的能量是直流电源U CC提供的。

9.2 放大电路的静态分析（一）静态工作点的确定静态时，在晶体管的输入特性和输出特性上所对应的工作点称为静态工作点，用Q表示。

静态分析的目的就是要确定放大电路的静态工作点，静态工作点既与所选用的晶体管的特性曲线有关，也与放大电路的结构有关。

在输入特性上，只要由电路结构求得偏置电流I B，便可由图9-2(a)所示确定静态工作点Q，并求出U BE。

a) 输入特性b) 输出特性图9-2 静态工作点在输出特性上，由于I C与U CE之间既要满足晶体管的输出特性，又要满足直流负载方程U CE＝U CC－R C I C。

所以静态工作点就是两者的交点。

由交点便可求得I C与U CE。

可见，求静态工作点就是求I C、U CE、I B、U BE这四个静态值。

也可以通过计算方法求静态工作点，需要先画直流通路，画直流通路原则是：把信号电压源短路，把所有电容开路。

（二）静态工作点对输出信号的影响静态工作点选择得是否合适将会影响到动态时的放大效果。

当偏流I B太小，使得I B小于基极电流的交流分量i b的幅值时，在输入信号u i的负半周中，i B将有一段时间为零，晶体管处于截止状态。

因而i C的u CE的波形也会失真。

经过C2后得到的输出电压u0的后半周期发生畸变，输入电压与输出电压波形不同的现象称为失真。

- 44 -- 45 -由于这一失真是因晶体管有一段时间进入截止状态引起的，故称为截止失真。

当偏流I B 太大，使得C CC C R Ui ≈，u CE ≈0时，在输入正半周信号时，晶体管有一段时间处于饱和状态，使得u CE 的波形也会失真。

经过C 2后得到的输出电压u 0的前半周期发生畸变。

由于这一失真是因晶体管有一段时间进入饱和状态引起的，故称为饱和失真。

可见，I B 太小，Q 点太低，引起输出电压的后半周期出现截止失真；I B 太大，Q 点太高，引起输出电压的前半周期出现饱和失真。

截止失真和饱和失真都是由于特性的非线性引起的，统称为非线性失真。

为了不引起非线性失真，静态工作点的选择应保证动态时的输入信号的整个周期内晶体管都处于放大状态。

9.3 放大电路的动态分析（一）放大电路的主要性能指标 动态分析的主要目的是研究放大电路的放大效果，通常由以下几项性能指标来说明。

（1）电压放大倍数A u放大电路输出电压的变化量和输入电压的变化量之比称为放大电路的电压放大倍数，又称为电压增益。

即i u U U A ∆∆=在输入信号为正弦交流信号时，也可以用输出电压与输入电压的相量之比，即iu UU A &&0=其绝对值imm i u U U U U A 00==其分贝值u u A A lg 20)dB (=电压放大倍数反映了放大电路的放大能力，其大小应能满足工作的需要。

（2）输入电阻r i 放大电路的输入信号是由信号源提供的，对信号源来说，放大电路相当于它的负载，如图9-3所示r i 图9-3 输入电阻- 46 -ii i IU r &&=由图可知，放大电路的输入电压iU &和输入电流i I &与信号源的电压S U &、电阻R S 和输入电阻r i 之间的关系为：i S S i i r R U r U +=&& iS Sir R U I +=&&在S U &与电阻R S 一定时，r i 大，则i U &大，可增加放大电路的输出电压i u U A U &&=0；r i 大，则iI &小，可减轻信号源的负担。

因此，一般都希望r i 大一些，最好能远大于信号源的内阻R S 。

（3）输出电阻r 0 放大电路的输出信号要送给负载，对负载来说，放大电路相当于电源，如图9-4所示右边电路，其作用可用一个等效电压源来替代。

这个等效电压源的内阻r 0也是一个动态电阻，称为放大电路的输出电阻。

由戴维宁定理可知：输出电阻在数值上应等于放大电路的输出端的开路电压的相量和短路电流的相量之比SCOC IU r &&=0等效电压源中的理想电压源的电压eS U &应等于放大电路输出端开路的开路电压OCU &若用相量表示，即图9-4 输出电阻 r 0 A 0V i- 47 -90︒︒ 270︒ ϕf图9-5 放大电路的频率特性通频带i eS U A U U &&&00==式中A 0为放大电路的空载电压放大倍数。

eS U &受输入电压iU &控制，故称为电压控电压源，图中用菱形表示。

由图可见，放大电路有载时的输出电压0U 和电压放大倍数u A 与负载R L 及输出电阻r 0之间关系为00r R U R r R U R U L OC L L eS L +=+=&&& 0000A r R R U U r R R U U A L Li OC L L i u +=+==可见，放大电路的输出端接负载后，其输出电压和电压放大倍数都比空载时有所下降。

r 0小，则下降得少，这说明放大电路带负载的能力强；反之r 0大，则下降得多，这说明放大电路带负载的能力弱，因此，一般都希望r 0小一些，最好能远小于负载电阻R L 。

（4）放大电路的频率特性由于放大电路中存在着耦合电容C 1和C 2，晶体管的PN 结又有结电容存在，它们的容抗随着频率变化而变化，频率很低时，耦合电容的容抗大，其分压作用不可忽略，频率很高时，结电容的容抗小，其分流作用不可忽略，同时晶体管的电流放大系数β等参数也与频率有关，频率很高时，β将会下降。

因此，同一放大电路对不同频率的输入信号不仅电压放大倍数不完全相同，而且输出电压的相位也会随之发生变化。

电压放大倍数u A 与频率f 之间关系称为放大电路的幅频特性；输出电压和输入电压的相位差ϕ与信号 频率f 之间关系称为放大电路的相频特性， 两者总称为频率特性。

试验求得频率响应如图9-5所示， 从图中可以看出，在中间频率时，u A 最大，且与f 几乎无关，用A 0表示， 这时输入输出电压相位差是180︒。

当 频率很低或很高时，u A 将下降很快， 而且ϕ也偏离了180︒。

通常把u A 下降 到0.707A 0时所对应的频率称为上下限- 48 -图9-7 晶体管小信号电路模型频率，f L 与f H ，f H －f L 称为通频带。

由于放大电路的输入信号通常不是单一频率的正弦波，而是各种包含各次谐波的正弦分量，输入信号所包含的正弦分量的频率范围称为输入信号的频带。

放大电路必须对输入信号的各个不同频率的正弦分量都具有相同的放大倍数，否则也会引起波形失真。

这种因电压放大倍数随频率变化而引起的失真称为频率失真，要想不引起失真，输入信号的频带应在放大电路的通频带内。

（二）放大电路的微变等效电路 （1）晶体管的小信号电路模型由于晶体管是非线性元件，对放大电路进行动态分析的最直接的方法是图解法。

显然，这种方法非常麻烦。

考虑到晶体管的特性曲线在放大区部分近似为直线，因此，在小信号情况下，晶体管的电压u CE 和电流i C 的交流分量之间的关系基本上是线性的。

所以在作小信号动态分析时，可以将晶体管用一个线性的电路模型来代替，称为晶体管的小信号电路模型。

晶体管在采用共射极接法时，如图9-6所示，具有两个端口。

由9-6b)的输入特性可求得，动态电阻r be 为B BEbe i u r ∆∆=称为晶体管的输入电阻。

低频小功率管的输 入电阻还可以用下面的公式估算：Ωβ+Ω=C be I r 26200其中I C 的单位为mA ，由此求得从输入端看 进去的电路模型如图9-7所示。