[模电专栏]

文章目录

• A 放大的概念与放大电路的性能指标
• • A.a 放大的概念
  • A.b 放大电路的性能指标
• B 基本共射放大电路的基本工作原理
• • B.a 电路的组成及各元件的作用
  • B.b 设置静态工作点的必要性
  • B,c 波形分析
  • B.d 放大电路的组成原则

A 放大的概念与放大电路的性能指标

A.a 放大的概念

有源器件：把直流转换为按交流信号规律。

• 放大的对象：变化量
• 放大的本质：能量的控制和转换
• 放大的特征：功率放大（判断电路是否放大的基本出发点）
• 放大的基本要求：不失真——放大的前提

A.b 放大电路的性能指标

对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络

（1）放大倍数：输出量与输入量之比，常用电压放大倍数转化为其他放大倍数。

其他三个分别为：电流、互阻、互导放大倍数

（2）输入电阻和输出电阻

• 输入电阻：从输入端看进去的等效电阻，反应放大电路从信号源索取电压信号的能力。 R i = U i I i R_i=\frac{U_i}{I_i} Ri​=Ii​Ui​​（输入电压与输入电流有效值之比）（输入电阻大一点，分压多）
• 输出电阻：将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。 R o = U o ′ − U o U o R L = ( U o ′ U o − 1 ) R L R_o=\frac{U'_o-U_o}{\frac{U_o}{R_L}}=(\frac{U'_o}{U_o}-1)R_L Ro​=RL​Uo​​Uo′​−Uo​​=(Uo​Uo′​​−1)RL​（输出电阻小一点，分压小）
  U o ′ : 空 载 时 输 出 电 压 的 有 效 值 U'_o:空载时输出电压的有效值 Uo′​:空载时输出电压的有效值
  U o : 带 R L 时 的 输 出 电 压 有 效 值 U_o:带R_L时的输出电压有效值 Uo​:带RL​时的输出电压有效值

加压求流法：

U S = 0 , 则 U o ′ = 0 U_S=0,则U'_o=0 US​=0,则Uo′​=0

（3）通频带 f b w f_{bw} fbw​
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数值下降，并产生位移。

横轴为频率，竖轴为放大倍数，幅频特性曲线。
中间放大倍数与频率无关。

（4）最大不失真输出电压 U o m U_{om} Uom​：交流有效值。
U o p p = 2 2 ∗ U o m U_{opp}=2\sqrt{2}*U_{om} Uopp​=22 ​∗Uom​(波峰波谷之间大小)

测放大倍数，输入输出电阻：中频小信号
测通频带：小信号宽频率范围
测最大不失真输出电压：中频大信号

（5）最大输出功率 P o m P_{om} Pom​和效率$\eta$：功率放大电路的参数。

B 基本共射放大电路的基本工作原理

B.a 电路的组成及各元件的作用

• V B B 、 R b V_{BB}、R_b VBB​、Rb​：使 U B E > U o n U_{BE}>U_{on} UBE​>Uon​，且有合适的 I B I_B IB​。（ R b R_b Rb​是为了限制电流，防止PN结烧坏）
• V C C V_{CC} VCC​：使 U C E ≥ U B E , U_{CE}\ge U_{BE}, UCE​≥UBE​,同时作为负载的能源。
• R c R_c Rc​：将 Δ i C \Delta i_C ΔiC​转换为 Δ u C E ( u o ) \Delta u_{CE}(u_o) ΔuCE​(uo​)(将电流变化化为电压的变化)
  动态信号作用时： Δ u 1 → i b → i c → Δ u R c → Δ u C E ( u o ) \Delta u_1\rightarrow i_b\rightarrow i_c\rightarrow \Delta u_{R_c}\rightarrow \Delta u_{CE}(u_o) Δu1​→ib​→ic​→ΔuRc​​→ΔuCE​(uo​)

输入电压 u i u_i ui​为零时，称放大电路处于静态。晶体管各极的电流、b-e之间的电压、管压降均为直流量，称为静态工作点$Q$，记作 I B Q 、 I C Q ( I E Q ) 、 U B E Q 、 U C E Q I_{BQ}、I_{CQ}(I_{EQ})、U_{BEQ}、U_{CEQ} IBQ​、ICQ​(IEQ​)、UBEQ​、UCEQ​。

B.b 设置静态工作点的必要性

为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？

从第三u-i图可以看到，当去掉 V B B V_{BB} VBB​时， u i u_i ui​恒小于 U o n U_{on} Uon​，不足以使得晶体管导通，则输入信号无法被放大。即使在峰值略大于 U o n U_{on} Uon​,输出电压也必然失真。所以要加上 V B B V_{BB} VBB​补充电压。
要解决失真问题，要设置合适的静态工作点，管子始终处于放大状态，但$Q$点几乎影响所有的动态参数，所以$Q$点选取不只要考虑失真与否，还要考虑其他参数。

B,c 波形分析

(a)为输入的中频交流小信号 u i u_i ui​，它与 V B B V_{BB} VBB​叠加作用于输入回路，于是在输入回路 I B Q I_{BQ} IBQ​（虚线）的基础上产生一个变化的 i B i_B iB​，然后有一个与它呈$\beta$倍的电流在输出回路产生，就是 i C i_C iC​，而 i C i_C iC​的静态也是一个直流量，故(b)同样可描述 i C i_C iC​。（坐标值得变化）。（c）中 U C E U_{CE} UCE​变化的方向与 I B 、 I C I_{B}、I_{C} IB​、IC​相反（ u C E = V C C − i C R C , 负 相 关 u_{CE}=V_{CC}-i_CR_C,负相关 uCE​=VCC​−iC​RC​,负相关）。(输出与输入反相)

饱和失真的特征是底部失真；输入没有失真，输出在输入基础上倍增后失真。
截止失真的特征是顶部失真；输入回路失真，输出由于是输入的倍数所以失真。

要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区。

B.d 放大电路的组成原则

• 静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数，使得晶体管工作在放大状态（场效应管工作在恒流状态）
• 动态信号能够作用于晶体管的输入电路，在负载上能够获得放大了的动态信号。
• 对实用放大电路的要求：共地（信号源，放大电路，负载的地<负极连接>相通）、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。

两种实用放大电路：
直接耦合放大电路：

问题：
1、两种电源
2、信号源与放大电路不“共地”（一个接地与一个接电源负极）
改进：
1、将两个电源合二为一
2、共地，且要使信号驮载在静态之上。

静态时( u 1 u_1 u1​短路)， R b 2 R_{b2} Rb2​的电流一部分流到 R b 1 R_{b1} Rb1​，一部分分流作为 I B Q I_{BQ} IBQ​，从而产生 I C Q I_{CQ} ICQ​，从而知道c-e之间的电压（ U C E Q = V C C − i C Q R C U_{CEQ}=V_{CC}-i_{CQ}R_C UCEQ​=VCC​−iCQ​RC​） U C E Q U_{CEQ} UCEQ​。此时 U B E Q = U R b 1 U_{BEQ}=U_{R_{b1}} UBEQ​=URb1​​
动态时， V c c 和 V_{cc}和 Vcc​和u_i$同时作用于晶体管的输入回路。$b-e间电压是 u 1 u_1 u1​与 R b 1 R_{b1} Rb1​上的电压之和
缺点： R b 1 R_{b1} Rb1​有交流损失； R L R_L RL​有直流分量。

阻容耦合放大电路

C 1 、 C 2 C_1、C_2 C1​、C2​为耦合电容（耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流“）
静态时：

动态时：

信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号（ C 2 C_2 C2​隔离直流），

图片来源：清华大学公开课 《模拟电子技术基础》 华成英

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