第10章 基本放大電路

1第10章基本放大電路210.1基本放大電路的組成

放大器的目的是將微弱的交流電信號轉換為較強的電信號。放大器實現放大的條件：

1.晶體管必須偏置在放大區。發射結正偏，集電結反偏。

2.正確設置靜態工作點，使整個波形處于放大區。

3.輸出回路將變化的集電極電流轉化成變化的集電極電壓，經電容濾波只輸出交流信號。3uiuo

共射極放大電路1.晶體管T的作用RB+UCCRCC1C2

放大元件滿足

iC=iB，T應工作在放大區，即保證集電結反偏，發射結正偏。ibicie42.集電極電源UCC作用

共射極放大電路RB+UCCRCC1C2

集電極電源作用，是為電路提供能量。并保證集電結反偏。53.集電極負載電阻RC作用

共射極放大電路RB+UCCRCC1C2

集電極電阻的作用是將變化的電流轉變為變化的電壓。64.基極電阻RB的作用+UCCRCC1C2TRB

共射極放大電路

基極電阻能提供適當的靜態工作點。并保證發射結正偏。7可以省去RB+ECEBRCC1C2T85.耦合電容C1和C2作用(1)隔直作用隔離輸入.輸出與電路的直流通道。(2)交流耦合作用能使交流信號順利通過。

共射極放大電路RB+UCCRCC1C2910.2.1靜態分析

放大電路中各點的電壓或電流都是在靜態直流上附加了小的交流信號。電路中電容對交、直流的作用不同。如果電容容量足夠大，可以認為它對交流不起作用，即對交流短路。而對直流可以看成開路，這樣，交直流所走的通道是不同的。交流通道---只考慮交流信號的分電路。直流通道---只考慮直流信號的分電路。不同的信號可以在不同的通道進行分析。10.2放大電路的靜態分析101.用放大電路直流通路確定靜態值：RB+UCCRCICUCEIBT

將電路中的隔直電容C1、C2開路，直流通道的簡化電路如圖所示。直流通道的簡化電路11

IB=UCC-UBERB①基極電流②集電極電流IC=IB

③集-射極電壓UCE=UCC-RCIC當UBE<<UCC時12[解]根據直流通道可得出IC=

IB=37.5

×0.04=1.5mAUCE=UCC–ICRC=12-1.5

×10-3

×4×103=6VRB+UCCRCUCEIBUBE+-+-BCEICT=12300×103IB=UCCRB

已知UCC=12V,RC=4kΩ,RB=300kΩ,β=37.5,試求放大電路的靜態值。例題10.1132.用圖解法確定靜態值

電路的工作情況由負載線與非線性元件的伏安特性曲線的交點確定。這個交點稱為工作點。

RC的直流負載線與晶體管的某條（由IB確定）輸出特性曲線的交點Q，稱為放大電路的靜態工作點，由它確定放大電路的電壓和電流的靜態值。14IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ

如圖所示，(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)分別對應于輸入輸出特性曲線上的一個點，稱為靜態工作點Q。

輸入輸出特性曲線1.輸入輸出特性曲線15UCE=UCC–ICRCQIBICUCEUCCUCCRC2.直流負載線16QUCC（1）作直流負載線[解]IC=

0時

UCE=UCC可在圖上作直流負載線。ICUCEQ1Q2IB=20μAIB=0IB=40μAIB=60μAIB=80μAIB=100μA1.531206(V)(mA)UCE=0時根據UCE=UCC-RCIC

已知UCC=12V,RC=4kΩ,RB=300kΩ,β=37.5。（1）作直流負載線；（2）求靜態值。例題10.217（2）求靜態值基極電流=40μA

IB=40μAIC=1.5mA

UCE=6V由圖中Q點得:集電極電流發射極電流IC=βIB=37.5

×40×10-61=1.5mAIE=(1+β)IB=1.5mA63BCCB10401030012-*=*==RUI18RB為偏置電阻。RB發射結“地”Q'

Q''

RB+ECRCIBUBEICUCE若改變RB,則IB改變,Q點在直流負載曲線上移動,如圖所示。ICUCEEC36912123020uA406080100QIB為偏置電流，簡稱偏流。產生偏流的電路

為偏置電路，其路徑為ECUBEIB無輸入信號(ui

=0)時:

uo=0uBE=UBEuCE=UCE？有輸入信號(ui

≠0)時

uCE=UCC－iCRC

uo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uoIC+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO10.2.2動態分析結論：加上輸入信號電壓后，各電極電流和電壓的大小均發生了變化，都在直流量的基礎上疊加了一個交流量，但方向始終不變。+集電極電流直流分量交流分量動態分析iCtOiCtICOiCticO靜態分析21iBUBE

當輸入信號很小時，在靜態工作點Q附近的工作段可認為是直線。對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻rbe，表示輸入特性。UBEIB（1）晶體管的微變等效電路（a）輸入段微變等效Q1、微變等效電路法22iCuCE

輸出端相當于一個受ib控制的電流源。

輸出端還等效并聯一個大電阻rce。（b）輸出端微變等效在線性工作區是一族平行直線。ibiC23

對于低頻小功率晶體管的輸入電阻估算為：

式中，

IE：發射極電流的靜態值;β：晶體管的放大倍數；

rbe：輸入電阻，其值一般為幾百歐到幾千歐(動態電阻)。24iCuCEiCuCE

在小信號的條件下，

rce也是一個常數。阻值很高，約為幾十到幾百kΩ。在后面微變等效電路中，可忽略不計。輸出電阻rce25ubeibibicicubeibuce+-+-BCEucerbe

rce+-+-CB三極管的微變等效電路如下：26(2)放大電路的微變等效電路

將放大電路交流通道中的三極管用微變等效電路代替。rbeibibrceiiicuiuoRBRCRL+-27式中故放大電路的電壓放大倍數輸出端開路時（3）電壓放大倍數的計算以上圖微變等效電路來計算。

顯然負載電阻RL越小，放大倍數越低。Au還與β和rBE有關。28[解]已求得IC=1.5mA≈IERL’=RC∥RL=2kΩ

已知UCC=12V,RC=4kΩ,RB=300kΩ,β=37.5，RL=4kΩ，試求電壓放大倍數。例題10.329（4）放大電路輸入電阻的計算

放大電路對信號源來說，是一個負載，可用一個電阻等效代替，這個電阻是信號源的負載電阻，也就是放大電路的輸入電阻ri，即輸入電阻對交流而言是動態電阻。30

電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的輸入電阻。rbeRBRCRL31（5）放大電路輸出電阻的計算

對于負載而言，放大電路相當于信號源(可以將它進行戴維寧定理等效），等效電路的內阻就是輸出電阻，它也是動態電阻。(1)將信號源短路（Ui=0）和輸出端開路從輸出端看進去的電阻。(2)將信號源短路（Ui=0）保留受控源，輸入端加電壓（U0）以產生電流

I0。r0≈RC

32[解]放大電路對負載來說，是一信號源，可用等效電動勢E0和內阻r0表示。等效電源的內阻即為輸出電阻。輸出端開路時輸出端接上負載電阻時由上列兩式可得出本例中2kΩ

已知U0O=4V,RL=6kΩ,U0L=3V,求放大電路的輸出電阻。放大電路同上圖。例題10.433

直流負載線反映靜態時電流IC和UCE的變化關系,由于C2的隔直作用,不考慮負載電阻RL。2、圖解法1.交流負載線

交流負載線反映動態時電流iC和uCE的變化關系視C2為短路，RL與RC并聯，所以交流負載線比直流負載線要陡些。為了得到盡量大的輸出信號，要把Q設置在交流負載線的中間部分。如果Q設置不合適，信號進入截止區或飽和區，會造成非線性失真。34（1）交流負載R’LRBRCRLuiuoicuce其中：35ICUCEUCCQIB交流負載線比直流負載線要陡,斜率為:交流負載線（2）交流負載線的作法36IBUBEQICUCEuiibibic2.圖解分析Q由圖可見，電壓和電流都含有直流分量和交流分量。37iCuCEuoibQ

合適的靜態工作點可輸出最大的不失真信號，輸出電壓與輸入信號反相。

2.圖解分析38iCuCEuo稱為截止失真3.非線性失真Q

(1)Q點過低，信號進入截止區39iCuCEuo稱為飽和失真Q(2)Q點過高，信號進入飽和區3.非線性失真40結論（1）交流信號的傳輸情況ui(即ube)ibiCu0（即uce）（2）電壓和電流都含有直流分量和交流分量uBE=UBE+ubeuCE=UCE+uceiB=IBE+ibiC=IC+ic（3）輸入信號電壓ui和輸出電壓u0相位相反（4）電壓放大倍數等于圖中輸出正弦電壓的幅值與輸入正弦電壓的幅值之比。RL’的阻值愈小，交流負載線愈陡，電壓放大倍數下降得也愈多。4110.3靜態工作點的穩定

為了保證放大電路的穩定工作，必須有合適的、穩定的靜態工作點。但是，溫度的變化會嚴重影響靜態工作點Q

。

對于固定偏置電路，靜態工作點是由UBE、

和ICEO決定，這三個參數易隨溫度而變化，所以溫度對靜態工作點Q的影響比較大。421.溫度對UBE的影響iBuBE25oC50oCTUBEIBIC------------------------UBE1UBE2顯然

UBE2＜UBE1IB432.溫度對值及ICEO的影響T、ICEOICiCuCEQQ1′總的效果是：

溫度上升時，輸出特性曲線上移，造成Q點上移。44RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IB采用分壓式偏置電路VB（1）RB2的作用VB不受溫度變化的影響。45RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IB

RE越大，穩定性越好。但太大將使輸出電壓降低。一般取幾百歐~幾kΩ。ICIETUBEIBICVEIC（2）RE的作用VBVEVB一定46RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IB（3）CE的作用CE將RE短路，RE對交流不起作用，放大倍數不受影響。47RB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IrbeRCRLRE微變等效電路無電容CE有電容CE48rbeRCRLRE無電容CE會有何結果？無電容CE的微變等效電路。＜A049[解]應用戴維南定理法

將輸入電路在“×”斷開,求BO間開路電壓UBO，即戴維寧等效電路的EB為a.直流通路=4V①等效電路的EBRB1+UCCRCC1C2RB2CERERLuiuoI1I2IBBCE×××

分壓式偏置放大電路中,已知UCC=12V，RC=2kΩ，RE=2kΩ，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，β=37.5。試求靜態值。例題16.550②求BO間的等效內阻Rb(將電源短路)

EB=RBIB+UBE+REIE=RBIB+UBE+(1+β)REIB

IC=β

IB=37.5×0.04

mA=1.5mAUCE=UCC-RCIC-REIE=UCC-(RC+RE)IC=12–(2+2)×103×1.5×103V=6V=6.7×103Ω=6.7kΩ或=0.04×103A=0.04mA5110.4射極輸出器RB+UCCRCC1C2RERLuiuouCEuBE

放大電路是從發射極輸出，在接法上是一個共集電極電路（UCC對交流信號相當于短路）。52RB+UCCREIE10.4.1靜態分析IBTUCEUBE+-+-IC531.電壓放大倍數rbeRERL10.4.2動態分析≈1542.輸入電阻（ri)rbeRERL輸入電阻高其中：55rbeRERs3、輸出電阻(ro)

用加壓求流法求輸出電阻r0。將信號源置0，求各支路電流。56其中57通常故

射極輸出器的輸出電阻很低，帶負載能力強,說明具有恒壓輸出特性。58結論

(1)將射極輸出器放在電路的首級，可以提高放大器的輸入電阻，減少對前級的影響。

(2)將射極輸出器放在電路的末級，可以降低放大器的輸出電阻，提高帶負載能力。

(3)將射極輸出器放在電路的兩級之間，可以起到電路的阻抗變換作用，這一級稱為緩沖級或中間隔離級。59+UCCRS1MΩ(+24V)RB120kΩUi27kΩC2C3RB3RB2RLRE282kΩ43kΩ10kΩ8kΩUo10kΩC1T1RE1CET2US前級后級已知:1=2=50,rbe1=2.9kΩ,rbe2=1.7kΩ求:(1)微變等效電路;(2)ri、r0

（3）Au。例題10.560[解]:（1）微變等效電路RE1R2R3RC2RLRSR161（2）ri、r0其中故62（3）Au

在計算多級放大電路中前級放大電路的放大倍數時一定要注意：后級放大電路的輸入電阻也是前級放大電路負載電阻的一部分！后級放大電路的輸入電阻631.零點漂移的抑制對稱放大電路10.5.1差動放大電路的工作情況uoui1+UCCRCR1T1RBRCR1T2RBui210.5差動放大電路64uo=ui1-ui2

=0uo=(VC1+VC1

)-(VC2+

VC2)=0當ui1

=

ui2

=0時：當溫度變化時：IC1=IC2；VC1=VC2u0=VC1–VC2=0ΔIC1=ΔIC2；ΔVC1=ΔVC2

零點漂移被完全抑制。652.信號輸入(1)共模輸入

兩個信號輸入電壓的大小相等,極性相同,即ui1=ui2,這樣的輸入稱為共模輸入。(2)差模輸入

兩個信號輸入電壓的大小相等,極性相反,即ui1=-ui2,這樣的輸入稱為差模輸入。u0=ΔVC1-ΔVC2(3)比較輸入

兩個輸入信號電壓既非共模，又非差模。它們的大小和相對極性任意，稱為比較輸入。66放大原理

為了使左右平衡，可設置調零電位器RP

。10.5.2典型差動放大電路

RP+UCCRCT1RBRCT2RBEEREui1ui2u0+++---RP67

零點漂移的抑制ui1

=ui2

=0RE:對共模信號有很強負反饋作用,

抑制溫度漂移。對差模信號基本上不影響放大效果。溫度IC1IC2IE

UBEUBE1UBE2IB2IB1IC1IC2681.雙端輸入-雙端輸出差模信號ui1uo+UCCRCT1RBRCT2RBui2-UEERE+_--++ui69IEICIB-+UBET1RBRERCEE+UCCUCE+-（1）靜態分析IB1=IB2=IBIC1=IC2=IC=IB

IC1=IC2=ICUE1=UE2

=－IBRB－UBE

UCE1=UCE2

=UC1－UE1UC1=UC2=UCC－ICRC

70（2）動態分析RE對差模信號不起作用，其單管差模電壓放大倍數為：iBiCu01ui1RCT1RB++--①雙端輸出電壓71②差模電壓放大倍數式中差模輸入電阻為差模輸出電阻為722.單端輸入-

單端輸出++UCCRCT1RBRCT2RBuiEEREui1ui2uC1uC2++++-----RBRBui++--rberbe+-對稱理想的單端輸入的等效輸入電路如圖所示。73

單端輸入信號為：RE足夠大時，兩管取得的信號認為是一對差模信號.同相輸出單端輸出的電壓放大倍數為雙端輸出的一半.反相輸出共模抑制比或7410.6

互補對稱功率放大電路10.6.1對功率放大電路的基本要求

功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級，去推動負載工作。例如使揚聲器發聲、繼電器動作、儀表指針偏轉、電動機旋轉等。(1)在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。(2)由于功率較大，就要求提高效率。75ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶體管的工作狀態甲類工作狀態晶體管在輸入信號的整個周期都導通靜態IC較大，波形好,管耗大效率低。乙類工作狀態晶體管只在輸入信號的半個周期內導通，靜態IC=0，波形嚴重失真,管耗小效率高。甲乙類工作狀態晶體管導通的時間大于半個周期，靜態IC0，一般功放常采用。7610.6.2

互補對稱放大電路

互補對稱電路是集成功率放大電路輸出級的基本形式。當它通過容量較大的電容與負載耦合時，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓器(OutputTransformerless)電路，簡稱OTL電路。若互補對稱電路直接與負載相連，輸出電容也省去，就成為無輸出電容(OutputCapacitorless)電路，簡稱OCL電路。

OTL電路采用單電源供電，OCL電路采用雙電源供電。771.

OTL電路(1)

特點T1、T2的特性一致；一個NPN型、一個PNP型兩管均接成射極輸出器；輸出端有大電容；單電源供電。(2)靜態時(ui=0),

IC10，IC20OTL原理電路電容兩端的電壓RLuIT1T2+UCCCAuo++-+-78RLuiT1T2Auo+-+-(3)動態時

設輸入端在UCC/2

直流基礎上加入正弦信號。T1導通、T2截止；同時給電容充電T2導通、T1截止；電容放電，相當于電源

若輸出電容足夠大，其上電壓基本保持不變，則負載上得到的交流信號正負半周對稱。ic1ic2交流通路uo輸入交流信號ui的正半周輸入交流信號ui的負半周79(4)交越失真

當輸入信號ui為正弦波時，輸出信號在過零前后出現的失真稱為交越失真。

交越失真產生的原因由于晶體管特性存在非線性，

ui

<死區電壓晶體管導通不好。交越失真采用各種電路以產生有不大的偏流，使靜態工作點稍高于截止點，即工作于甲乙類狀態?？朔辉绞д娴拇胧﹗itOuotO80R1RLuIT1T2+UCCCAuo++-+-R2D1D2

動態時，設ui

加入正弦信號。正半周T2截止，T1基極電位進一步提高，進入良好的導通狀態。負半周T1截止，T2基極電位進一步降低，進入良好的導通狀態。

靜態時T1、T2

兩管發射結電壓分別為二極管D1、D2的正向導通壓降，致使兩管均處于微弱導通狀態。(5)克服交越失真的電路81uiuo+–UCCT1T2+UCCRL–2.OCL電路ic1ic2靜態時：ui=0V,iC10，iC20uo=0V。動態時：ui<0VT2導通，T1截止ui>0VT1導通，T2截止特點：

雙電源供電、輸出無電容器。uoOCL原理電路8210.6.3

集成功率放大器

使喇叭相當于純電阻負載去耦，防止低頻自激消振，防止高頻自激集成功放LM386接線圖特點:

工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當連線，即可向負載提供一定的功率。。++∞.32ui。。+_++4758++UCCLM386+uo+_8310.7

場效應管及其放大電路

場效應晶體管是利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩定性好。結型場效應管按結構不同場效應管有兩種:絕緣柵型場效應管本節僅介紹絕緣柵型場效應管按工作狀態可分為：增強型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分8410.7.1

絕緣柵場效應管漏極D

柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應管。金屬電極(1)

N溝道增強型管的結構柵極G源極S1.

增強型絕緣柵場效應管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區85GSD符號：

由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達1014。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區

由于金屬柵極和半導體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。86(2)N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結構圖可見，N+型漏區和N+型源區之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結。

當柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD87EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層；N型導電溝道在漏極電源的作用下將產生漏極電流ID，管子導通。當UGS>UGS（th）時，將出現N型導電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導電溝道愈寬。(2)N溝道增強型管的工作原理88EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導電溝道當UGSUGS(th）后，場效應管才形成導電溝道，開始導通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關。所以，場效應管是一種電壓控制電流的器件。

在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導通變為導通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。(2)N溝道增強型管的工作原理89(3)

特性曲線有導電溝道轉移特性曲線無導電溝道開啟電壓UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V

漏極特性曲線恒流區可變電阻區截止區90N型襯底P+P+GSD符號：結構(4)P溝道增強型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導電溝道

增強型場效應管只有當UGSUGS(th）時才形成導電溝道。912.

耗盡型絕緣柵場效應管GSD符號：

如果MOS管在制造時導電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應管。(1)N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導電溝道922.

耗盡型絕緣柵場效應管

由于耗盡型場效應管預埋了導電溝道，所以在UGS=0時，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，也會有漏極電流ID產生。

當UGS>0時，使導電溝道變寬，ID增大；當UGS<0時，使導電溝道變窄，ID減小；UGS負值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。

當UGS達到一定負值時，N型導電溝道消失，ID=0，稱為場效應管處于夾斷狀態（即截止）。這時的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。

這時的漏極電流用

IDSS表示，稱為飽和漏極電流。93(2)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線夾斷電壓

耗盡型的MOS管UGS=0時就有導電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。UGS(off)轉移特性曲線0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常數UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏極特性曲線0ID/mA16201248121648IDSS942.

耗盡型絕緣柵場效應管(3)P溝道耗盡型管符號：GSD予埋了P型導電溝道SiO2絕緣層中摻有負離子95耗盡型GSDGSD增強型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、S之間加一定電壓才形成導電溝道在制造時就具有原始導電溝道963.場效應管的主要參數(1)開啟電壓UGS(th)：是增強型MOS管的參數(2)夾斷電壓UGS(off)：(3)飽和漏電流IDSS：是結型和耗盡型MOS管的參數(4)低頻跨導gm：表示柵源電壓對漏極電流的控制能力極限參數：最大漏極電流、耗散功率、擊穿電壓。97

場效應管與晶體管的比較

電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時參與導電載流子電子或空穴中一種載流子參與導電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數

rce很高

rds很高

輸出電阻輸入電阻較低較高

雙極型三極管單極型場效應管熱穩定性

差

好制造工藝

較復雜

簡單，成本低對應電極

B—E—CG—S—D9810.7.3場效應管放大電路

場效應晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優點，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。

場效應管的源極、漏極、柵極相當于雙極型晶體管的發射極、集電極、基極。

場效應管的共源極放大電路和源極輸出器與雙極型晶體管的共發射極放大電路和射極輸出器在結構上也相類似。

場效應管放大電路的分析與雙極型晶體管放大電路一樣