目录

3.1放大器的基本概念

3.1.1四种放大器及四种放大倍数定义

3.1.2放大器模型及放大器主要指标

3.2三种组态的放大电路

3.3共发射极放大器分析

3.3.1阻容耦合共发射极放大器电路结构

3.3.2直流工作状态分析与计算

3.3.3共射放大器的交流分析及主要指标估算

3.4共集电极放大器

3.4.1直流工作状态分析

3.4.2交流指标计算

3.5共基极放大器

3.5.1直流工作状态分析

3.5.2交流指标计算

3.6三种组态放大器比较

3.7关于非线性失真与输出动态范围的讨论

3.7.1直流负载线与交流负载线

3.7.2非线性失真与动态范围

3.8场效应管放大器

3.8.1偏置电路

3.8.2场效应管放大器一般形式

3.9放大器的级联

3.9.1级间耦合方式及组合原则

3.9.2多级放大器的性能指标计算

3.10放大器的频率响应

3.10.1频率特性与频率失真概念

3.10.2低频区频率响应

3.10.3负载电容CL对高频区响应的影响

3.10.4晶体管的高频小信号模型及高频参数

3.10.5共射放大器的高频响应

3.10.6共集放大器及共基放大器的高频响应

3.10.7场效应管放大器的高频响应

3.10.8多级放大器的频率响应

3.1放大器的基本概念

• 电子技术中的放大是将微弱的变化信号放大成较大的电信号，以推动负载正常工作。放大电路放大的本质是能量的控制和转换；电子电路放大的基本特征是功率放大；放大的前提是不失真。

• 3.1.1四种放大器及四种放大倍数定义

  • 由于放大器可等效为有源二端口网络，且输入量可分别取电压或电流，因此一共存在四种不同的组合与四种放大倍数。
  • 电压放大倍数：输出电压与输入电压之比

    

  • 电流放大倍数：输出电流与输入电流之比

    

  • 互阻放大倍数：输出电压与输入电流之比

    

  • 互导放大倍数：输出电流与输入电压之比

    

  • 3.1.2放大器模型及放大器主要指标

    • 1.放大器的主要指标

      • （1）电压放大倍数
      • （2）输入电阻Ri：放大器输入端看进去的等效电阻

        

      • （3）输出电阻Ro：放大器输出端看进去的等效电阻

        

      • （4）频率响应与带宽：由于实际放大器中存在电抗元件，因此放大倍数是关于频率的频率函数，定义频率下降使放大倍数数值为0.707倍时的信号频率为下限截止频率fL，频率上升使放大倍数数值达到0.707倍时的信号频率为上限截止频率fH。通频带（带宽）为上线截止频率减去下限截止频率。

        

      • 采用分贝（dB）表示：

        

        • （5）总谐波失真系数（非线性失真系数）THD：输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比。THD越大，非线性失真越严重。

3.2三种组态的放大电路

3.3共发射极放大器分析

• 3.3.1阻容耦合共发射极放大器电路结构

  

  
  VBB为直流信号，ui为交流信号

• 3.3.2直流工作状态分析与计算

  • 直流工作状态分析时利用放大电路的直流通路。直流通路中，电容视为开路，电感线圈视为短路，信号源视为短路并保留其内阻。
  • 1.直流工作点Q的主要参数（IBQ、ICQ、UCEQ）ui=0，可得静态工作点的表达式：

    

    
    主要通过KVL定理与晶体管的电流分配求得
  • 2.关于直流工作状态的讨论

    

    • （1）射极电阻RE的作用：引入RE后，发射结的电压为

      

      
      引入了直流负反馈，可以稳定工作点
    • （2）RC增大，放大器工作点将向饱和区移动。
    • （3）工作状态的判断
      • 发射结零偏或反偏，则工作在截止区
      • 若UCEQ大于饱和电压，则工作在放大区
      • 若UCEQ≤0，则工作在饱和区

• 3.3.3共射放大器的交流分析及主要指标估算

  • 交流分析时应利用放大电路的交流通路。对于交流通路：大电容视为短路；无内阻的直流电源视为短路。

    

  • 1.电压放大倍数

    

  • 其中

    

  • 2.源电压放大倍数

    

  • 3.输入电阻

    

  • 4.输出电阻：令Us=0，RL开路时输出端的电阻

    

  • 5.开路电压放大倍数

    

3.4共集电极放大器

• 从基极输入，从发射极输出

• 3.4.1直流工作状态分析

  

• 3.4.2交流指标计算

  • 1.电压放大倍数

    

    
    说明输出信号跟随输入信号变化，所以共集放大器又称为射极跟随器或射极输出器
  • 2.输入电阻

    

  • 3.输出电阻（将Us短路，保留Rs，将RL开路）

    

    

    
    输出电阻很小，带负载能力强，放大倍数稳定

3.5共基极放大器

3.5.1直流工作状态分析

3.5.2交流指标计算

• 1.电压放大倍数

  

• 2.输出电阻

  

• 3.输出电阻

  

3.6三种组态放大器比较

• （1）共射放大器信号从基极输入，从集电极输出，输入、输出信号反相。电压放大倍数大，输入电阻不大，。输出电阻较大，一般作为多级放大器的主放大器。

• （2）共集放大器信号从基极输入，从发射极输出，输入、输出信号同相。电压放大倍数小，输入电阻很大，输出电阻很小，一般作为多级放大器的输入级、中间级、输出级。

• （3）共基放大器信号从射级输入，从集电极输出，输入、输出信号同相。电压放大倍数大，因输入电阻太小，所以实际的源放大倍数很小。高频特性好。

3.7关于非线性失真与输出动态范围的讨论

• 3.7.1直流负载线与交流负载线

  • 1.直流负载线

    

    

  • 将直流负载线方程与输出特性方程绘制在一张图上，与给定IBQ的曲线相交的点为直流工作点Q，如下图所示。

    

  • 2.交流负载线：必通过Q点，斜率应为：

    

• 3.7.2非线性失真与动态范围

  • 1.工作点设置正确，且信号不大——不产生非线性失真

    

  • 2.工作点设置过低，且信号较大——产生截止失真
  • 3.工作点设置过高，且信号较大——产生饱和失真

    

    
    判断失真类型以电流波形为准，电流波形底部失真为截止失真，顶部失真为饱和失真。对于NPN管组成的共射放大器，输入和输出反相，因此输出波形底部失真为饱和失真，顶部失真为截止失真。
  • 避免失真的方法：消除截止失真——增大基极电源VBB；消除饱和失真——增大基极电阻RB，减小集电极电阻RC，或采用放大倍数较小的管子。
  • 4.输出电压的动态范围：动态工作点不进入截止区和饱和区的最大有效输出电压峰峰值Uopp。

3.8场效应管放大器

• 3.8.1偏置电路

• 自偏压电路、分压式电流负反馈偏置电路

  

  • 1.图解法求Q点：作出栅-源回路直流负载线与转移特性曲线交点即为Q点

    

  • 对于自偏压电路，输入回路直流负载线方程为

    

  • 对于分压式电流负反馈偏置电路，输入回路直流负载线方程为

    

    
    对于结型管，由于UGSQ可以为负值，所以两种偏置电路都可以，但是对于N沟道增强型MOS管，UGSQ为正值，所以不能采用自偏压。
  • 2.解析法求Q点：求联系方程

• 3.8.2场效应管放大器一般形式

  

3.9放大器的级联

• 3.9.1级间耦合方式及组合原则

  • 1.级间耦合方式：阻容耦合、直接耦合、磁耦合、光电耦合。要确保各级放大器有合适的直流工作点，且使前级输出信号尽可能不衰减地传输到后级输入。

    

  • 阻容耦合：前后级互不影响，直流工作点可独立设计，但需要大电容，不利于集成
  • 直接耦合：前后级有影响，设计复杂，适合集成
  • 变压器耦合：直流工作点可独立设计，在功率放大器和高频电路有较多应用
  • 光耦合：适用于需要电气隔离且不共地地场合，适用于高压。
  • 2.多级放大器的组合原则
    （1）通常选用共射放大器作为主放大器
    （2）若要求输入电阻大，则采用共集放大器或共源、共漏放大器作输入极
    （3）若负载电阻很小，负载电容很大，则采用共集放大器作为输出级

• 3.9.2多级放大器的性能指标计算

  • 1.总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积
  • 2.一般输出电阻取决于输出级，输入电阻取决于输入级

3.10放大器的频率响应

• 3.10.1频率特性与频率失真概念

  • 1.频率失真
    • 振幅频率失真：基波与谐波在不同的频率下放大倍数不同产生的失真。
    • 相位频率失真 ：不同频率信号延时不同导致相位关系产生变化引起的失真。
  • 2.线性失真与非线性失真
    • 线性失真由电抗元件引起。非线性失真由非线性元件引起。
  • 3.频率特性参数
    • 上限频率fH，下限频率fL，通频带BW，中频区增益AuI
    • 增益带宽积

      

• 3.10.2低频区频率响应

  

  
  低频时，电容容抗不可忽略
  • 1.输入耦合电容C2的影响

    

    

  • 2.输入耦合电容C1的影响
    • 输入阻抗增大，Ui减小。
    • 时间常数

      

    • 下限角频率

      

  • 3.射极旁路电容CE的影响

    

  • 4.三个电容引入的总的下限频率的平方等于三个下限频率平方和

    

• 3.10.3负载电容CL对高频区响应的影响

  

  

  
  在高频区，上文三个电容均可视为短路，频率升高，容抗减小，故输出电压减小。
  • 为改善高频响应，通常在输出端加一级共集电路作为隔离或缓冲。

• 3.10.4晶体管的高频小信号模型及高频参数

  • 1.晶体管的高频小信号混合pi型等效电路
  • 发射结正向偏置，扩散电容成分大，集电结反向偏置，主要为势垒电容。

    

    

    
    β0为中低频区的β值。
    ​
  • 2.晶体管的高频参数
    • （1）共射短路电流放大系数及其上限频率

      

      

    • （2）特征频率：|β（jw）|下降到1所对应的频率

      

• 3.10.5共射放大器的高频响应

  • 1.密勒等效定理以及高频等效电路的单向化模型

    

    

    

  • 2.共射放大器的高频小信号等效电路

    

    • 对Cb'e利用密勒等效定理得到以下电路

      

    • 其中CM为

      

    • 各项高频特性参数如下图所示

      

    • 中频区源电压放大倍数为

      

  • 为提高总的上限频率，必须减小输入回路时间常数 ，要求rbb‘小，Cb’e小。
  • 信号源内阻尽量小
  • 集电极负载电阻较小
  • 要减小负载电容CL及分布电容

• 3.10.6共集放大器及共基放大器的高频响应

  • 1.共集放大器的高频响应
    • Cb'c不存在密勒倍增效应，对高频影响很小
    • Cb'e的密勒等效电容远小于本身，对高频响应影响很小
    • 共集放大器的高频响应很好，理论上上限频率可以接近特征频率
  • 2.共基放大器的高频响应
    • 极间电容均不存在密勒倍增效应
    • 承受容性负载的能力较差，CL影响高频响应。

• 3.10.7场效应管放大器的高频响应

  

• 对Cgd应用密勒等效作单向化处理，可得以下单向化模型

  

  

• 对应的高频表达式为

  

3.10.8多级放大器的频率响应

• 总增益为各级增益乘积

• 对数幅频特性为各级对数幅频特性之和

• 总相移等于各级相移之和

• 总上限频率比任何一级的上限频率都要低，下限频率比任何一级都要高。