【模拟电子技术基础】第2章基本放大电路（概念、工作原理与分析方法）

1 放大的概念和放大电路的主要性能指标

1.1 放大的概念

放大的对象：变化量。

放大的本质：能量的控制和转换。

放大的基本特征：功率放大。（判断电路能否放大的基本出发点）

放大的基本要求：不失真。（放大的前提）

能控制能量的元件：有源元件。（放大电路中必须存在有源元件，如晶体管和场效应管等）

1.2 放大电路的性能指标

模电笔记5 基本放大电路放大的概念放大电路的性能指标_Unarmed_的博客-CSDN博客

（1）放大倍数：直接衡量放大电路放大能力的重要指标，为输出量与输入量之比。

电压放大倍数： $\dot{A}_{uu}=\dot{A}_u=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}}$

电流放大倍数： $\dot{A}_{ii}=\dot{A}_i=\frac{\dot{I_o}}{\dot{I_i}}$

电压对电流的放大倍数（互阻放大倍数）： $\dot{A}_{ui}=\frac{\dot{U_o}}{\dot{I_i}}$

电流对电压的放大倍数（互导放大倍数）： $\dot{A}_{iu}=\frac{\dot{I_o}}{\dot{U_i}}$

（2）输入电阻：从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压有效值与输入电流的有效值之比，即 $R_i=\frac{U_i}{I_i}$ 。

（3）输出电阻：从放大电路输出端看进去的等效电阻， $U'_o$ 为空载时输出电压的有效值， $U_o$ 为带负载后输出电压的有效值， $U_o=\frac{R_L}{R_o+R_L}U'_o$ ，输出电阻 $R_o=(\frac{U'_o}{U_o}-1)R_L$ 。输出电阻愈小，负载电阻变化时，负载后输出电压就愈小，放大电路的带负载能力愈强。

（4）通频带：衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数下降，并产生相移。（注：也包括平行导线间的分布电容等）

上限截止频率、下限截止频率和通频带： $f_{bw}=f_H-f_L$

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。

（5）非线性失真系数：由于放大器件均具有非线性特性，它们的线性放大范围有一定的限度，当输入信号幅度超过一定值后，输出电压将会产生非线性失真。

输出波形中的谐波成分总量与其基波成分之比称为非线性失真系数D。

$D=\sqrt{(\frac{A_2}{A_1})^2+(\frac{A_3}{A_1})^2+...}$

基波基波幅值为 $A_1$ ，谐波幅值为 $A_2$ 、 $A_3$ ……

（6）最大不失真输出电压：定义为当输入电压再增大时，就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。

（7）最大输出功率与效率：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率 $P_{om}$ 。此时输出电压达到最大，不失真输出电压。

直流电源能量的利用率称为效率 $\eta =\frac{P_{om}}{P_V}$ 。其中电源消耗的功率为 $P_V$ 。

2 基本共射放大电路的工作原理

2.1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用

当 $u_i=0$ 时，放大电路处于静态。

输出回路中，集电极电源 $V_{CC}$ 足够高，使得晶体管的集电结反向偏置，以保证晶体管工作在放大状态，集电极电流 $I_C=\beta I_B$ 。

集电极电阻 $R_c$ 上的电流等于 $I_C$ ，其电压为 $I_CR_c$ ，从而确定了c-e间电压 $U_{CE}=V_{CC}-I_C R_c$ 。

2.2 设置静态工作点的必要性

一、静态工作点

令 $\dot{U_i}=0$ ，根据回路方程，便可得到静态工作点的表达式

$I_{BQ}=\frac{V_{BB}-U_{BEQ}}{R_b}$

$I_{CQ}=\bar{\beta}I_{BQ}=\beta I_{BQ}$

$U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c$

二、为什么要设置静态工作点

对于放大电路的基本要求，一是不失真，二是能否放大。设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真是非常必要的。Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着放大电路几乎所有的动态参数。

2.3 基本共射放大电路的工作原理及波形分析

对于基本共射放大电路，只有设置合适的静态工作点，使交流信号驮载在直流分量之上，以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。

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 $R_c$ 将电流的变化转化成电压的变化来实现的。

2.4 放大电路的组成原则

一、组成原则

（1）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。

（2）电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作点。

（3）输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。

（4）当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流（晶体管的 $\Delta i_C$ 、 $\Delta i_E$ 或场效应管的 $\Delta i_D$ 、 $\Delta i_S$ ）能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。

二、两种实用的共射放大电路

在使用放大电路中，为了防止干扰，常要求输入信号、直流电源、输出信号均有一端接在公共端，即“地”端，称为“共地”。

（1）直接耦合共射放大电路

信号源与放大电路、放大电路与负载电阻均直接相连接。

共基、共射、共集三种放大电路的总结及比较 | 电子创新元件网

$I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_{b2}}-\frac{U_{BEQ}}{R_{b1}}$

$I_{CQ}=\bar{\beta}I_{BQ}=\beta I_{BQ}$

$U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c$

（2）阻容耦合共射放大电路

起连接作用的电容称为耦合电容，利用电容连接电路称为阻容耦合。

电容对直流量的容抗无穷大，所以信号源与放大电路、放大电路与负载之间没有直流量通过。耦合电容的容量应该足够大，使其在输入信号频率范围内的容抗很小，可视为短路，所以输入信号可以几乎无损失地加在放大管的基极与发射级之间。

耦合电容的作用是“隔离直流，通过交流”。令输入端短路，可以求出静态工作点。

$I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_{b}}$

$I_{CQ}=\bar{\beta}I_{BQ}=\beta I_{BQ}$

$U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c$

3 放大电路的分析方法

3.1 直流通路与交流通路

直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的通路，也就是静态电流流行的通路，用于研究静态工作点。对直流通路，有以下原则：①电容视为开路；②电感线圈视为短路（即忽略线圈电阻）；③信号源视为短路，但应保留其内阻。

交流通路是输入信号作用下交流信号流经的通路，用于研究动态参数。对交流通路，有以下原则：①容量大的电容（如耦合电容）视为短路；②无内阻的直流电源（如 $V_{CC}$ ）视为短路。

在分析放大电路时，应遵循“先静态，后动态”的原则，求解静态工作点时应利用直流通路，求解动态参数时应利用交流通路，两种通路切不可混淆。

3.2 图解法

一、静态工作点的分析

当输入信号 $\Delta u_I=0$ 时，晶体管的输入回路，静态工作点应该在晶体管的输入特性曲线上，又满足外电路的回路方程 $u_{BE}=V_{BB}-i_{B}R_{b}$ 。

晶体管的输出回路，静态工作点既应在 $I_B=I_{BQ}$ 的那条输出特性曲线上，又应满足外电路的回路方程 $u_{CE}=V_{CC}-i_CR_c$ 。

二、电压放大倍数的分析

三、波形非线性失真的分析

截止失真：因晶体管截止而产生的失真。只有增大基极电源 $V_{BB}$ ，才能消除截止失真。

四、直流负载线与交流负载线

3.3 等效电路法（微变等效电路法）

一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算法

二、晶体管共射h参数等效模型（只能用于放大电路低频动态小信号参数的分析）

（1）h参数等效模型的由来

（2）h参数的物理意义及求解方法

（3）简化的h参数等效模型

晶体管的输入回路可近似等效为只有一个动态电阻 $r_{be}$ ；

晶体管的输出回路可近似等效为只有一个受控电流源 $\dot{I_{c}}=\beta \dot{I_b}$ 。

如果晶体管所接负载电阻 $R_L$ 与 $r_{ce}$ 可比，如 $r_{ce}<10R_L$ ，则在电路分析中应当考虑 $r_{ce}$ 的影响。

（4） $r_{be}$ 的近似表达式

三、共射放大电路动态参数的分析

利用h参数等效模型可以求解放大电路的电压方法倍数、输入电阻和输出电阻。

放大电路

1.电压放大倍数 $\dot{A_u}=\frac {\dot{U_o}}{\dot{U_i}}=-\frac {\beta R_c}{R_b+r_{be}}$

2.输入电阻 $R_i=\frac {U_i}{I_i}=R_b+r_{be}$

3.输出电阻 $R_o=R_c$

4 放大电路静态工作点的稳定

4.1 静态工作点稳定的必要性

所谓稳定Q点，通常是指在环境温度变化时静态集电极电流 $I_{CQ}$ 和管压降 $U_{CEQ}$ 基本不变，即Q点在晶体管输出特性坐标平面中的位置基本不变。

而且必，须依靠 $I_{BQ}$ 的变化抵消 $I_{CQ}$ 和 $U_{CEQ}$ 的变化。常用引入直流负反馈或温度补偿的方法，使 $I_{BQ}$ 在温度变化时产生与 $I_{CQ}$ 相反的变化。

4.2 典型的静态工作点稳定电路

一、电路组成和Q点稳定原理

如图，分别为直接耦合电路和阻容耦合电路。

如何用直流通路图计算静态工作点？ - 知乎

这种电路Q点稳定的原因是：

（1） $R_e$ 的直流负反馈作用。

（2）在 $I_1\gg I_{BQ}$ 的情况下， $U_{BQ}$ 在温度变化时基本不变。

二、静态工作点的估算

三、动态参数的估算

4.3 稳定静态工作点的措施

使用温度补偿方法稳定静态工作点时，必须在电路中采用对温度敏感的元件，如二极管、热敏电阻等。

温度补偿的方法是靠温度敏感元件直接对基极电流 $I_B$ 产生影响，使之产生与 $I_C$ 相反方向的变化。

2.4 大电路静态工作点的稳定_静态工作点稳定的必要性_神仙盼盼的博客-CSDN博客

以上两幅图所展示的是利用二极管来稳定静态工作点的措施。

（a）利用二极管的反向特性进行温度补偿

（b）利用二极管的正向特性进行温度补偿