第五章晶体管放大电路的基本知识第五章晶体管放大电路的基本知识第一节低频电压放大器的结构及特点第一节低频电压放大器的结构及特点第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点第三节集成运算放大器的基本结构及应用第三节集成运算放大器的基本结构及应用第一节低频电压放大器的结构及特点第一节低频电压放大器的结构及特点一、低频电压放大电路的基本结构一、低频电压放大电路的基本结构 如如图图5- 4所示电路中构成元件的组成及作用如下所示电路中构成元件的组成及作用如下: 1.电源电源Ucc: 电源电源Ucc提供了三极管工作所需要的能量，且使三极管的发射结提供了三极管工作所需要的能量，且使三极管的发射结正偏，集电结反偏，保证三极管处在放大状态，同时也是放大器的能正偏，集电结反偏，保证三极管处在放大状态，同时也是放大器的能量来源，提供电流量来源，提供电流IB和和IC 。 Ucc一般在几伏到十几伏之间。一般在几伏到十几伏之间。 2.基极偏置电阻基极偏置电阻RB 基极偏置电阻基极偏置电阻RB用来调节基极偏置电流用来调节基极偏置电流IB，使三极管有一个合适，使三极管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。3. NPN型三极管型三极管VT NPN型三极管型三极管VT是整个电路的核心，是电流放大元件，用基极是整个电路的核心，是电流放大元件，用基极电流控制集电极电流。电流控制集电极电流。下一页返回第一节低频电压放大器的结构及特点第一节低频电压放大器的结构及特点4.藕合电容藕合电容C1CC2它们起隔直流和通交流两方面的作用。它们起隔直流和通交流两方面的作用。5.集电极负载电阻集电极负载电阻R c 集电极负载电阻集电极负载电阻R c也称为负载电阻，通过也称为负载电阻，通过R c可以将放大后的电流可以将放大后的电流转换成电压输出，一般为几千欧。转换成电压输出，一般为几千欧。二、低频电压放大电路的静态分析二、低频电压放大电路的静态分析 放大器没有交流信号输入放大器没有交流信号输入(即即ui =0)时的工作状态，称为静态。静时的工作状态，称为静态。静态时的基极电流态时的基极电流IB、集电极电流、集电极电流IB和集一射极电压和集一射极电压UCE的值叫静态值。的值叫静态值。三个静态值在输入、输出特性曲线上对应着一点口，如三个静态值在输入、输出特性曲线上对应着一点口，如图图5 -5所示。所示。通常把通常把Q点点(或或IB , IC和和UCE)力叫静态工作点力叫静态工作点下一页上一页返回第一节低频电压放大器的结构及特点第一节低频电压放大器的结构及特点1.静态工作点的作用静态工作点的作用 如果放大器设置了合适的工作点，当加上输入信号电压如果放大器设置了合适的工作点，当加上输入信号电压ui时，则时，则输入电压输入电压ui与静态电压与静态电压UBE叠加在一起再加到基极上，使发射结始终处叠加在一起再加到基极上，使发射结始终处于导通状态。因此在输入电压的整个周期内都有一个随输入信号电压于导通状态。因此在输入电压的整个周期内都有一个随输入信号电压而变化的基极电流，如而变化的基极电流，如图图5 -7所示，从而使放大器能不失真地把输入所示，从而使放大器能不失真地把输入信号加以放大。信号加以放大。下一页上一页返回第一节低频电压放大器的结构及特点第一节低频电压放大器的结构及特点 2.静态工作点的计算静态工作点的计算 (1)直流通路输入信号为零时直流通路输入信号为零时(ui =0)，放大电路中只有直流电源，放大电路中只有直流电源Ucc起起作用，电路中的各个电流或电压只含有直流分量，而不含有交流分量，作用，电路中的各个电流或电压只含有直流分量，而不含有交流分量，此时电路中的电容相当于开路，这样画出的电路称为直流通路。此时电路中的电容相当于开路，这样画出的电路称为直流通路。 共射放大电路及其直流通路如共射放大电路及其直流通路如图图5 -8所示，直流通路只能用来分所示，直流通路只能用来分析求解静态量。析求解静态量。 (2)求解静态工作点对放大电路进行静态分析，即通过该电路的直流通求解静态工作点对放大电路进行静态分析，即通过该电路的直流通路，运用近似的方法求解其静态工作点路，运用近似的方法求解其静态工作点Q处的处的IBQ, ICQ和和UEQ 在在图图5-8 (b)所示的直流通路中所示的直流通路中下一页上一页返回第一节低频电压放大器的结构及特点第一节低频电压放大器的结构及特点三、低频电压放大电路的动态分析三、低频电压放大电路的动态分析 1.电压放大的过程如图电压放大的过程如图5 -9所示所示 2.电压放大倍数的计算电压放大倍数的计算 放大倍数放大倍数(也称增益也称增益)是用来衡量放大器放大信号能力的物理量，是用来衡量放大器放大信号能力的物理量，它等于输出信号量与输入信号量之比。它等于输出信号量与输入信号量之比。 假设假设C1和和C2的容量足够大，则对信号的交流阻抗很小，可看作对的容量足够大，则对信号的交流阻抗很小，可看作对交流短路，同时电源交流短路，同时电源UCC内阻也很小，在它上面几乎没有交流压降，内阻也很小，在它上面几乎没有交流压降，所以所以UCC也可看成交流短路。这样，也可看成交流短路。这样，图图5 -9所示放大器的交流通路如所示放大器的交流通路如图图5-10所示。所示。 电压放大倍数用字母电压放大倍数用字母AU表示，则根据放大倍数的定义可得表示，则根据放大倍数的定义可得 由交流通路就可计算出电路的电压放大倍数。由交流通路就可计算出电路的电压放大倍数。上一页返回第二节多级放大器和射极输出器的结构第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点及特点一、级间藕合的种类一、级间藕合的种类 多级放大器是由多个单级放大器组合而成的。放大器前后级之间多级放大器是由多个单级放大器组合而成的。放大器前后级之间的信号连接与传递形式叫做藕合方式，这是个看似简单而实际却很复的信号连接与传递形式叫做藕合方式，这是个看似简单而实际却很复杂的问题。最常见的藕合方式有三种杂的问题。最常见的藕合方式有三种:阻容藕合、变压器藕合和直接阻容藕合、变压器藕合和直接藕合。藕合。 图图5-11所示的两级放大器属于阻容藕合放大器。信号通过电容所示的两级放大器属于阻容藕合放大器。信号通过电容C和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻R，进行传输。阻容藕合方式的优点是各级放大，进行传输。阻容藕合方式的优点是各级放大器的直流工作点相互隔离，互不影响器的直流工作点相互隔离，互不影响;缺点是频率特性比较差，特别缺点是频率特性比较差，特别是低频特性受藕合电容影响极大。这是因为在低频工作时，藕合电容是低频特性受藕合电容影响极大。这是因为在低频工作时，藕合电容的容抗很大，信号被衰减。的容抗很大，信号被衰减。 多级放大器前后级之间也可以用变压器实现藕合，如多级放大器前后级之间也可以用变压器实现藕合，如图图5 -12所示。所示。下一页返回第二节多级放大器和射极输出器的结构第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点及特点二、阻容藕合多级放大器的工作特点二、阻容藕合多级放大器的工作特点 1.静态分析静态分析 因为藕合电容具有隔直作用，所以在直流状态下，各级放大电路因为藕合电容具有隔直作用，所以在直流状态下，各级放大电路彼此独立，互不影响，其分析方法与单级电路相同。彼此独立，互不影响，其分析方法与单级电路相同。 2.动态分析动态分析 (1)电压放大倍数电压放大倍数Au阻容藕合多级放大电路总的电压放大倍数等于各级阻容藕合多级放大电路总的电压放大倍数等于各级电路电压放大倍数的乘积。即电路电压放大倍数的乘积。即下一页上一页返回第二节多级放大器和射极输出器的结构第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点及特点 (2)输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0 阻容藕合多级放大电路的输入电阻为第一阻容藕合多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻，即级放大电路的输入电阻，即多级放大电路的输出电阻为最后一级多级放大电路的输出电阻为最后一级(第第n级级)放大电路的输出电阻，即放大电路的输出电阻，即下一页上一页返回第二节多级放大器和射极输出器的结构第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点及特点 3.藕合放大器的电路特点藕合放大器的电路特点 电路的静态工作点彼此独立，电路设计和调整灵活方便。电路的静态工作点彼此独立，电路设计和调整灵活方便。 由于藕合电容对于缓慢变化的信号和直流信号所呈现的容抗较大，由于藕合电容对于缓慢变化的信号和直流信号所呈现的容抗较大，电容上信号损失也就较大，传愉给下一级的信号就会很小。因此阻容电容上信号损失也就较大，传愉给下一级的信号就会很小。因此阻容藕合电路不适合放大变化缓慢的信号，只能放大频率较高的交流信号，藕合电路不适合放大变化缓慢的信号，只能放大频率较高的交流信号，故也称它为交流放大器。故也称它为交流放大器。 由于集成电路中制造较大容量的电容很困难，因此集成电路中一由于集成电路中制造较大容量的电容很困难，因此集成电路中一般不采用阻容藕合。般不采用阻容藕合。下一页上一页返回第二节多级放大器和射极输出器的结构第二节多级放大器和射极输出器的结构及特点及特点四、射极输出器四、射极输出器 共集电极放大电路的输入信号加在基极一集电极上，信号从发射共集电极放大电路的输入信号加在基极一集电极上，信号从发射极一集电极输出，集电极是输入、输出的公共端，故称为共集电极电极一集电极输出，集电极是输入、输出的公共端，故称为共集电极电路路;又因其从发射极输出信号，故又称为射极输出器。又因其从发射极输出信号，故又称为射极输出器。 图图5-16(a)所示为共集电极放大电路的直流通路，所示为共集电极放大电路的直流通路， 图图5-16(b)所示为所示为其微变等效电路。其微变等效电路。 射极输出器具有以下特点射极输出器具有以下特点: 输出电压与输入电压相位相同且大小近似相等。即输出电压与输入电压相位相同且大小近似相等。即 电压放大倍数电压放大倍数: 输入电阻高、愉出电阻低输入电阻高、愉出电阻低上一页返回第三节集成运算放大器的基本结构第三节集成运算放大器的基本结构及应用及应用一、集成运算放大器的基本组成一、集成运算放大器的基本组成 在自动控制系统中，常需将被控制的非电量转换为电信号，并与在自动控制系统中，常需将被控制的非电量转换为电信号，并与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号，再将其放大到一定的程度，给定量比较，得到一个微弱的偏差信号，再将其放大到一定的程度，去推动执行机构动作或送到仪表中显示，完成自动控制和测量。实现去推动执行机构动作或送到仪表中显示，完成自动控制和测量。实现偏差信号放大的最常用的器件是运算放大器。偏差信号放大的最常用的器件是运算放大器。 将整个电路中的元器件及相互之间的连接线制作在同一块半导体芯片将整个电路中的元器件及相互之间的连接线制作在同一块半导体芯片上，构成具有特定功能的电子电路，称为集成电路。上，构成具有特定功能的电子电路，称为集成电路。 集成电路种类繁多，按集成度分有小规模、中规模、大规模和超集成电路种类繁多，按集成度分有小规模、中规模、大规模和超大规模等大规模等;按导电类型分有单极型、双极型和两种兼容的按导电类型分有单极型、双极型和两种兼容的;按功能分有按功能分有数字集成电路和模拟集成电路两类。模拟集成电路则有运算放大器、数字集成电路和模拟集成电路两类。模拟集成电路则有运算放大器、宽频带放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、音像设备中常用的宽频带放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、音像设备中常用的各种模拟集成电路等。各种模拟集成电路等。下一页返回第三节集成运算放大器的基本结构第三节集成运算放大器的基本结构及应用及应用 集成电路的特点是集成电路的特点是:体积小、重量轻、功率消耗小、技术性能好、体积小、重量轻、功率消耗小、技术性能好、可靠性高、通用性强、灵活方便，由于减小了焊点，所以工作可靠性可靠性高、通用性强、灵活方便，由于减小了焊点，所以工作可靠性高，价格低廉，在检测、自动控制、信号产生与处理等很多方面都发高，价格低廉，在检测、自动控制、信号产生与处理等很多方面都发挥着重要的作用，有挥着重要的作用，有“万能放大器万能放大器”的美称。的美称。 运算放大器通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路运算放大器通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路4部分组部分组成。如成。如图图5-17所示。所示。下一页上一页返回第三节集成运算放大器的基本结构第三节集成运算放大器的基本结构及应用及应用二、集成运算放大器的特性二、集成运算放大器的特性图图5-19是集成运算放大器的外形和图形符号。是集成运算放大器的外形和图形符号。三、运算放大器的应用三、运算放大器的应用 1.反相运算电路反相运算电路 反相运算电路是线性运算电路中的一类。待放大的输入信号加反相运算电路是线性运算电路中的一类。待放大的输入信号加在反相输入端与参考端之间，经放大后的输出信号与输入信号相位相在反相输入端与参考端之间，经放大后的输出信号与输入信号相位相反。这是应用最为广泛的一种输入方式，可构成反相比例、加法、微反。这是应用最为广泛的一种输入方式，可构成反相比例、加法、微分、积分、对数等运算电路。分、积分、对数等运算电路。 (1)反相比例运算电路反相比例运算电路如反相比例运算电路反相比例运算电路如图图5 -21所示。所示。下一页上一页返回第三节集成运算放大器的基本结构第三节集成运算放大器的基本结构及应用及应用 (2)反相比例求和电路如果反相输入端有若干个输入信号，则构成反相反相比例求和电路如果反相输入端有若干个输入信号，则构成反相比例求和电路，也叫加法运算电路，如比例求和电路，也叫加法运算电路，如图图5 -22所示。所示。 2.同相比例运算电路同相比例运算电路 图图5 -23所示为同相比例运算电路，输入信号所示为同相比例运算电路，输入信号ui通过电阻通过电阻R2接在接在同相输入端，输出信号通过反馈电阻同相输入端，输出信号通过反馈电阻Rf回送到反相输入端。反相输入回送到反相输入端。反相输入端经电阻端经电阻R1接地，即构成同相比例运算电路。接地，即构成同相比例运算电路。下一页上一页返回第三节集成运算放大器的基本结构第三节集成运算放大器的基本结构及应用及应用 3.电压比较器电压比较器 如如图图5-25 ( a)所示的电路，集成运放工作于开环状态。输入电所示的电路，集成运放工作于开环状态。输入电压压ui加于同相输入端，反相输入端接地。当加于同相输入端，反相输入端接地。当ui略高于略高于0时，由于运放的时，由于运放的开环放大倍数很高，只要输入一个微小的信号，就会放大到极值，输开环放大倍数很高，只要输入一个微小的信号，就会放大到极值，输出级将因信号过大而进入饱和状态，这时出级将因信号过大而进入饱和状态，这时ui达到它的正极限值达到它的正极限值U0+，并，并且在且在ui继续升高时仍保持这个正极限值。同理，当继续升高时仍保持这个正极限值。同理，当ui略低于略低于0时，时， uo达达到它的负极限值到它的负极限值U0- ，并且在，并且在ui继续下降时仍保持这个负极限值。继续下降时仍保持这个负极限值。图图5-25 (b)表示上述输入与输出的关系。因此，可根据输出的状态判断输表示上述输入与输出的关系。因此，可根据输出的状态判断输入是大于入是大于0还是小于还是小于0，这种电路称为过零比较器或检零计。，这种电路称为过零比较器或检零计。 检零计输入正弦信号时，检零计输入正弦信号时， ui每次过零时都使输出产生突变，形每次过零时都使输出产生突变，形成矩形脉冲波，如成矩形脉冲波，如图图5 -25 ( c)所示。运算放大器实现了波形的转换。所示。运算放大器实现了波形的转换。 利用比较器可设计出一种监控报警电路，如利用比较器可设计出一种监控报警电路，如图图5 -26所示。所示。上一页返回图图5- 4基本低频小信号放大器基本低频小信号放大器返回图图5一一5静态工作点静态工作点返回图图5 -7设置静态工作点时设置静态工作点时ib的变化波形的变化波形返回图图5 -8共射放大电路的直流诵路共射放大电路的直流诵路返回图图5 -9共射放大电路共射放大电路返回图图5-10共射放大电路的交流诵路共射放大电路的交流诵路返回图图5-11 RC藕合两级放大器藕合两级放大器返回图图5-12变压器藕合多级放大器变压器藕合多级放大器返回图图5-16共集电极放大电路的直流通路和微变共集电极放大电路的直流通路和微变等效电路等效电路返回图图5-17运算放大器的组成运算放大器的组成返回图图5-19集成运算放大器的外形集成运算放大器的外形和图形符号和图形符号返回图图5 -21反相比例运算电路反相比例运算电路返回图图5 -22反相比例求和电路反相比例求和电路返回图图5 -23同相比例运算电路同相比例运算电路返回图图5-25过零比较器过零比较器返回图图5-26利用比较器监控报警利用比较器监控报警返回