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CHAP.3 Basic Amplifier CircuitsCHECKPOINT 放大器的基本工作原理放大器的基本工作原理 用图解法分析共发射极放大器的静态工作点，及用图解法分析共发射极放大器的静态工作点，及 最大不失真输出幅度。最大不失真输出幅度。用小信号等效电路分析用小信号等效电路分析BJTBJTBJTBJT三种组态放大器和三种组态放大器和FETFETFETFET 共源放大器，并进行比较。共源放大器，并进行比较。用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器 的性能。的性能。了解放大器的频率特性。了解放大器的频率特性。1.3.1 Basic Concept放大器 放大器是放大电信号的装置，其基本任务是将微弱信号不失真地放大到所需的值，即用较小的信号去控制较大的信号。器件电子管、晶体管、集成电路用途放大电压、电流、功率信号信号大信号、小信号耦合方式直接、阻容、变压器、光电频率直流、低频、高频、视频 放大器 类型晶体管电压小信号低频阻容2.一.Main Properties1.GainVoltage Gain 衡量放大器放大微弱信号的能力Current Gain IiUi+-IoUo+-Power GainRSUS+-信号源RL负载AMP3.2.Input Resister Ri i 衡量放大器对输入信号的衰减程度，其大小应从信号有效地传输来确定 传输电压信号要求RiRsRsSource Voltage Gain RiRLRSUS+-IiUi+-AMPIoUo+-Ri4.3.Output Resister ROO 衡量放大器对带负载的能力，其大小应从信号有效地传输来确定 当负载变化时，UoUo基本不变，则要求RoRo小RLRSUS+-IiUi+-IoUo+-AMP+-RORoRo的计算方法与电路分析一致RO5.4.Distortions晶体管输入、输出特性的非线性产生非线性失真，uBEiBQDistortionsDistortionsNonlinearNonlinearLinear(Frequency)Linear(Frequency)AmplitudePhase其大小与工作点位置、信号大小有关 Auf06.二.Basic CircuitCE+UoRsC1UBBRbUCCRcC2Us+-+-+-+-RLUi+-+-uBEuCEiCiB 分析 各元件的作用Ui=0，晶体管各极电流、电压为直流值，放大器处于静态(直流)工作。tuCEQUCEQtiBIBQtuBEUBEQtiCICQ加入输入信号Ui后，晶体管各极电流、电压随信号而变，放大器处于动态(交流)工作。+7.+UoRsC1UBBRbUCCRcC2Us+-+-+-+-RLUi+-+-uBEuCEiCiBv晶体必须工作管在放大区v信号能输入v信号能输出v波形基本不失真 习惯画法习惯画法C1+-RLRbRsUs+UccC2RcUi-+-Uo8.三.DC and AC Pass-+-+UBEQUCEQIBQICQ1.DC PassFind Q-pointRcRb+Ucc(1)(1)+-+UBEQUCEQIBQICQRcRb+UccReIEQ(2)(2)9.Rb2+-+UBEQUCEQIBQICQRcRb1+UccReIEQ(3)(3)I1+-+UBEQUCEQICQRc+UccReIEQ(4)(4)-UEE10.Example 1 若基极接地或负电压，则偏置电流I IBQBQ=0=0，管子截止，此时 U UCEQCEQ=U=UCC CC。若RbRb=60K=60K，则I IBQBQ=200uA=200uA，I ICQCQ=8mA=8mA，U UCEQCEQ=-12V=-12V，这是不可能 的。此时放大器工作在饱和状态，U UCEQCEQ=U UCE(CE(satsat)，I ICQCQ=I=IBQ BQ 不再成立。已知：U UBE(BE(onon)=0.7V=0.7V，=40=40，U UCCCC=12V=12V，R Rb b=240K=240K，Rc=3KRc=3K。求静态 工作点Q Q。解：最大I ICQMCQM为 Ucc-UUcc-UCE(CE(satsat)/RC/RC，放大器工作在放大 区。-+-+UBEQUCEQIBQICQRcRb+Ucc Discussion Discussion11.Example 2-UccRb+-+UBEQUCEQIBQICQIEQRe已知：U UBE(BE(onon)=0.7V=0.7V，=50=50，-U-UCCCC=-20V=-20V，R Rb b=200K=200K，Re=4KRe=4K。求静态工 作点Q Q。解：CONCLUSION 管子截止时：UCEQ=UCC 饱和时：UCEQ=UCES 012.2.AC PassFind Au、Ri、RoUsRsiC+UoC1UBBRbUCCRc+-+-+-+-RLUi+-+-uBEuCEiBC2+Uce+UoRsUsRbRc-+-RLUi+-UbeIcIb13.Example 1 Plot AC pass of figure(a)and(b)Ui Uo Ui Uo Ui Ui Uo(a)Ui Uo(b)图(a)和图(b)的直流通路相同14.Example 2 Plot DC and AC pass+UccDC Pass+Ucc+-Us+-UoAC PassUs+-+-Uo15.3.2 Basic Analysis of Amplifier图解分析法：形象、直观，但难以准确定量分 析，用来分析非线性失真。等效电路法：对器件建模进行电路分析，运算 简便，结果误差小，仅适用于交 流小信号工作状态。分析放大器静态工作动态工作求静态点Q(直流通路)求Au Ri Ro(交流通路)估算法图解法等效电路法 分析方法16.一.Graphical AnalysisRsUs+UoRbUCCRcC2-+-RL+-+-uBEuCEiCiBC1UBB+-+-+-Ui 根据I IBQBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。用估算法求出基极电流I IBQBQ（假设为40A40A）Analysis Step1.DC Analysis17.求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。直流负载线 与输出特性曲线上IB=40A的交点就是静态工作点Q，由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ 和UCEQ。根据集电极电流i iC C与集、射间电压u uCECE的 关系式uCE=UCCiCRC可画出一条直线，该直线在纵轴 上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC。RsUs+UoRbUCCRcC2-+-RL+-+-uBEuCEiCiBC1UBB+-+-+-Ui 作直流负载线作直流负载线。18.由uCE=UCCiCRC所决定的直流负载线IB=40A的输出特性曲线 过Q点作水平 线，在纵轴上 的截距即为ICQ 过Q点作垂线，在横轴上的截 距即为UCEQUccUcc/RcUcEQIcQ两者的交点Q就是静态工作点QDC Load Line19.v 由输出特性曲线和交流负载线求iC C和uBEBEv 根据静态分析方法，求出静态工作点Q Qv 画放大器交流通路v 根据ui i在输入特性上求uBE和iB B v 根据 在输出特性中画交流负载线 2.AC Analysis Analysis Step+-+UoRsRbRcUs+-+-RLUi+-UbeUceIcIb20.-+UoRsRbRcUs+-+-RLUi+-+-UbeUceIcIbUccUcc/RcUcEQIcQQAC Load Line交流负载线交流负载线21.tiB B(uA)(uA)uBEBE(V)(V)0 0404040402020202060606060ttic(mA)ICQ IB=0 0 20A 40A 60A 80A ic(mA)uCE(V)QUCEQIBQUBEQQ1Q2Q22.Q-point and Nonlinear DistortionsUccUcc/RcUcEQIcQQUCESRCRC 负载线斜率增小 Q Q点沿I IBQBQ=40uA=40uA曲线平移达Q Q3 3R Rb b I IBQBQ Q Q点沿负载线上移R Rb b I IBQBQ Q Q点沿负载线下移RCRC 负载线斜率增大 Q Q点沿I IBQBQ=40uA=40uA曲线平移达Q Q4 4Q1R Rb bQ2R Rb bQ3RCRCQ4RCRC 极限点Q Q1 1 进入饱和状态 极限点Q Q2 2 进入截止状态23.UCEQICQSaturation DistortionsDistortions24.UCEQICQCutoff Cutoff DistortionsDistortionsCutoff DistortionsDistortions25.放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。由于C C2 2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量，且与输入电压ui反相。放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载线越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。静态工作点Q Q设置得不合适，会产生非线性失真。即Q Q点选得偏高，易产生饱和失真；Q Q点选得偏低，易产生截止失真。Summary26.微变等效电路分析法：微变等效电路分析法：非线性元件晶体管在工作点附近的微小范围内，可等效成一个线性电路，此时放大电路可用线性电路的分析方法来分析。二.Small-Signal Equivalent Circuit Analysis Analysis Step用估算法计算静态工作点Q，并求出rbe画出交流通路晶体管用交流小信号等效电路代替用电路分析法计算Au、Ri、Ro27.+UoRsRbRcUs+-+-RLUi+-+-UbeUceIcIbbrbeeceIcIb+-UbeecrbebeRsRbUs+-+Ui+UoRc-RLIbIc28.计算计算AuAu、RiRi、RoRoecrbebeRsRbUs+-+Ui+UoRc-RLIbIcRiRoRL=RC/RL计算Ro的方法是：信号源短路，负载RL断开，在输出端加电压U，求出由U产生的电流I，则 29.FEATURES 输出电压信号与输入电压信号反相 电压放大倍数大 输入电阻小 输出电阻大CE AMP30.Example 1已知：Ucc=12V，Rs=1k，Rb=300k，Rc=3k，RL=3k，=50。试求：1.RL接入和断开两种情况下电路的电压增益AuAu；2.输入电阻Ri和输出电阻Ro；3.输出端开路时的源电压增益AusAus。C1+-RLRbRsUs+UccC2RcUi-+-Uo解：先求静态工作点Q31.再计算rbe7832.已知：UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，=50 RE=2kRL=3k。试估算静态工作点，并求电压增益、输入电阻和输出电阻。解：1.用估算法计算静态工作点Example 233.3.求输入电阻和输出电阻2.2.求电压放大倍数求电压放大倍数34.3.3 Common-Collector Amplifier一.DC AnalysisReICQ+Rb1 IBQUCEQUBEQ+UccRb2RsUs+UiRL+Uo+UccC1C2Rb1 ReRb235.1.Au二.AC Analysis RsUs+UiRL+Uo+UccC1C2Rb1 ReRb2 sUrbe bIi+oU+iU bIb b +RsRb1 ReRLceIbIeIcRb2 36.2.2.输入电阻输入电阻RiRiRiRorbe sUbIi+oU +iU bIb b +RsRb1 ReRLceIbIeIcRb2 Rb37.rbe 3.3.输出电阻输出电阻RoRo方法：信号源方法：信号源UsUsUsUs短路，去掉负载短路，去掉负载R R R RL L L L，输出端加电压，输出端加电压U U U U，产生，产生 电流电流I I I I，Ro=U/IRo=U/I。bI+U bIb b RsRb1 ReceIbI1IcRb2 Ro38.FEATURES 输出电压信号与输入电压信号同相 电压放大倍数小于1，但约等于1 输入电阻大 输出电阻很小CC AMP 常用作缓冲极、隔离极。常用作缓冲极、隔离极。39.己知：U UCCCC=12V=12V，R Rb b=200k=200k，R Re e=2k=2k，R RL L=3k=3k，R RS S=100=100，=50=50。试求：1.估算静态工作点；2.电压增益 AuAu；3.输入电阻 RiRi；4.输出电阻 RoRo。解：1.用估算法计算静态工作点Example 1RsUs+UiRL+Uo+UccC1C2RbRe40.2.Au3.Ri4.Ro41.己知：U UCCCC=12V=12V，R Rb b=100k=100k，R Rb1b1=40k=40k，R Rb2b2=80k=80k，R Re e=3.6k=3.6k，R RL L=3.6k=3.6k，R RS S=100=100，U UBE(BE(onon)=0.8V=0.8V，=50 =50。试求：解：1.用估算法计算静态工作点Example 2RsUs+UiRL+Uo+UccC1C2Rb1ReRbRb21.估算静态工作点；2.电压增益 AuAu；3.输入电阻 RiRi；4.输出电阻 RoRo。42.2.Au、Ri、RosUrbe bIi+oU +iU bIb b +RsRb1 ReRLceIbIeIcRb2 RiRoRb43.3.4 Common-Base Amplifier一.DC AnalysisRsUs RL+UoC1C2Rb1 ReRb2+UccRc+CbRe+Rb1 IBQUCEQUBEQ+UccRb2ICQRc44.二.AC Analysis rbe sUbIi+oU +iU bIb b +RsReRcRLceIbIeIcRiRo45.FEATURES 输出电压信号与输入电压信号同相 电压放大倍数大 输入电阻很小 输出电阻大CB AMP46.3.5 FET Amplifier一.Bias Circuits1.Self-bias Circuit只要偏压，不要偏流。只要偏压，不要偏流。FETFET种类较多，应用时注意极性。种类较多，应用时注意极性。RgRsRd+UDD+UDSQUGSQ+IDQFeaturesFeatures由由求出求出U UGSQ GSQ 和和I IDQDQIDUGS0QIDQUGSQ47.Rg1 Rg2 RsRd+UDD +UDSQUGSQ+IDQ由由求出求出U UGSQ GSQ 和和I IDQDQIDUGS0QIDQUGSQUG2.Voltage Divider Biasing48.二.FET Amplifier1.1.静态分析 Rg1 +UDDC1+Rg2RsRdRgC2CsUi+UoRLCommon-Source Amplifier 根据分压式偏置电路求静态工作点49.2.2.动态分析UgsgIi+oU +Rg1 RdRLsdIdRg2 RiRo+RgiU50.Common-Drain AmplifierCommon-Drain Amplifier1.1.静态分析 Rg1 +UDDC1+Rg2RsRgC2Ui+UoRL 根据分压式偏置电路求静态工作点51.2.2.2.2.动态分析动态分析UgsgIi+oU +Rg1 RLsdIdRg2 RiRo+RgiURs52.不失真地、有效地传递信号不失真地、有效地传递信号常用耦合方式常用耦合方式3.6 Multistage Amplifiers1.Interstage Coupling Mode 一.Bias Problems要要求求直接耦合直接耦合 变压器耦合变压器耦合 阻容耦合阻容耦合 输入级中间级 输出级信号源负载53.缺点：前、后级静态工作点相互有影响，需考 虑电平配置和零漂。优点：易实现阻抗匹配。原、副边可以不共地。输出电压的极性可随意改变。缺点：体积大，尤其是低频工作时。缺点：低频工作时，信号较难通过耦合电容。优点：可放大缓变的信号、便于电路集成化 直接耦合直接耦合 变压器耦合变压器耦合 阻容耦合阻容耦合 优点：容易实现，各级工作点独立。54.2.Selection of Configuration 输入级输入级漂移小漂移小噪声小噪声小输入电阻高输入电阻高 中间级中间级高增益高增益末级驱动电压末级驱动电压末级驱动电流末级驱动电流 输出级输出级高效率地输出功率高效率地输出功率3.Selection of Quiescent Point4.Common-Source Coupling二.Gain、Input and Output Resistance55.Calculation v明确各级电路的组态，正确使用计算公式。明确各级电路的组态，正确使用计算公式。v计算电压增益时，需把后级的输入电阻作为前级计算电压增益时，需把后级的输入电阻作为前级 的负载电阻。的负载电阻。v多级放大器的输入电阻，一般地讲就是第一级的多级放大器的输入电阻，一般地讲就是第一级的 输入电阻。若第一级是输入电阻。若第一级是CCCC组态，则需考虑第二级组态，则需考虑第二级 的输入电阻。的输入电阻。v多级放大器的输出电阻，一般地讲就是末级的输多级放大器的输出电阻，一般地讲就是末级的输 出电阻。若末级是出电阻。若末级是CCCC组态，则需把前级的输出电组态，则需把前级的输出电 阻作为末级的信号源内阻。阻作为末级的信号源内阻。56.3.7 Amplifier Frequency Response 放大器要放大的信号通常不是一个单一频率的正放大器要放大的信号通常不是一个单一频率的正弦波。而是由许多频率成分组合起来的复杂波形。由弦波。而是由许多频率成分组合起来的复杂波形。由于放大电路中电抗元件与晶体管极间电容的存在，对于放大电路中电抗元件与晶体管极间电容的存在，对不同频率的信号，放大器增益的大小和相位都不同。不同频率的信号，放大器增益的大小和相位都不同。相频特性幅频特性Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RECE+57.中频段：电压放大倍数近似为常数。中频段：电压放大倍数近似为常数。低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视 为短路，因而造成电压放大倍数减小。为短路，因而造成电压放大倍数减小。高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。Amplifier Gain Versus Frequency Response58.