项目3基本放大电路的分析及教学课件 中职 高教版 模拟电子技术基础与仿真（Multisim10）.pptx

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1、项目项目3 3 基本放大电路的分析及基本放大电路的分析及应用应用3.1 3.1 任务任务1 1 单级放大电路的分析与单级放大电路的分析与测试测试3.1.1 放大电路概述放大电路概述1.放大电路的作用放大电路又称为放大器，是一种用来放大电信号的装置，在电子设备中被广泛使用。放大电路的作用是将输入的微弱信号放大成为幅度足够大且与原来信号变化规律一致的信号。放大的对象可以是电压、电流或功率，可以是高频信号和低频信号，也可以是小信号、大信号等。本任务介绍低频小信号电压放大电路。一个放大器可以用一个方框图来表示，如图3-1所示。信号源提供放大电路的输入信号；放大电路的作用是将输入的微弱信号放大，得到输出

2、信号；负载是接收放大了的输出信号，如扬声器或显像管等。一般的放大电路均需要直流电源来提供电路所需的能量。2.放大电路的基本要求（1）足够的放大倍数放大倍数是衡量放大电路能力的参数，包括电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数。不同的放大电路对放大倍数的要求不同。（2）一定宽度的通频带 放大电路所放大的信号一般不是单一频率，而是在一定范围内变化，在放大时，无论频率高低，都应该得到同样的放大，因此要求放大电路有一定宽度的通频带。（3）非线性失真要小 放大电路中使用的是非线性器件，放大的过程中，存在一定的波形畸变，这种现象称为非线性失真。（4）工作稳定放大电路中的各元件参数要基本稳定，不随外部环境的

3、变化而变化。3.1.23.1.2基本放大基本放大电路电路1电路组成及作用共射极放大电路如图3-2所示。它由三极管VT、电阻Rb和及Rc、电容C1和C2以及集电极直流电源UCC组成。ui为信号源的端电压，也是放大电路的输入电压。Uo为放大电路的输出电压，RL为负载电阻。1）放大电路组成原则 为了使放大电路正常工作，其电路组成要满足下面的条件。（1）晶体三极管工作在放大区，要求使管子的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。（2）由于三极管的各极电压和电流均有直流分量（ui0时），也称为静态值或静态工作点，而被放大的交流信号叠加在直流分量上，要使电路能不失真地放大交流信号，必须选择合适的静态工作点

4、，可以通过选用合适的电阻Rb和及Rc和三极管参数来实现。（3）要使放大电路能不失真地放大交流信号，放大器必须有合适的交流信号通路，以保证输入、输出信号能有效、顺利地传输。（4）放大电路必须满足一定的性能指标要求。2）电路中各部分的作用：（1）VT是NPN型晶体三极管，起电流放大作用。（2）UCC是放大电路的直流电源，一方面保证三极管工作在放大状态；另一方面为输出信号提供能量。UBB基极直流电源，为晶体管发射结提供正偏置电压。（3）Rb又称基极偏置电阻，它和电源UCC一起给基极提供一个合适的基极直流，使晶体管能工作在特性曲线的放大区域。（4）RC为集电极偏置电阻，当晶体管的集电极电流受基极电流控

5、制而发生变化时，RC上电压产生变化，从而引起UCE的变化，这个变化的电压就是输出电压UO。（5）C1和C2是耦合电容，起到一个“隔直通交”的作用，它把信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的直流隔开。2电路分析（1）直流通路和交流通路任何放大电路都是由直流通路和交流通路两大部分组成的。直流通路的作用是为晶体管处在放大状态提供发射结正向偏压和集电结反向偏压，即为静态工作情况。交流通路的作用是把交流信号输入放大后输出，由具有“通交隔直”功能的电容器和变压器等元件完成。所谓交流通路，就是交流电流流通的途径，在画图时遵循两条原则：将原理图中的耦合电容C1、C2视为短路；电源UCC的内阻很小，对交流信

6、号视为短路。如图3-6所示。（2）静态工作点当外加输入信号为零时，在直流电源UCC的作用下，晶体管的基极回路和集电极回路均存在着直流电流和直流电压，这些直流电流和直流电压在晶体管的输入、输出特性上各自对应一个点，称为静态工作点。3.基本放大电路各电压和电流的表示方法由于放大电路中既有需要放大的交流信号ui；，又有为放大电路提供能量的直流电源Ucc，所以晶体管的各极电压和电流中都是直流分量与交流分量共存，如图3-7所示，以uBEUBE+ube为例，画出了uBE的组成，其中uBE：发射结电压的瞬时值，它既包含直流分量也包含交流分量；UBE：发射结的直流电压，也是uBE中的直流分量，它是由直流电源U

7、cc产生的ube发射结的交流电压，也是uBE中的交流分量，它是由输入电压ui产生的；Ubem：发射结交流电压的幅值；Ube：发射结交流电压的有效值。3.1.3 3.1.3 共发射极放大电路的共发射极放大电路的分析分析1.图解法分析1）静态分析由于晶体管的各极间的电压和电流都是交流量与直流量的叠加。在ui0时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态，对直流通路的分析称为静态分析。（1）给定晶体管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在输入特性上作出这条直线。（2）由直流通路得到直流负载线，并在晶体管的输出特性上作出这条直线MN。2）动态分析（1）交流通

8、路及交流负载线。在三极管输出特性坐标系中画出输出回路的交流负载线。应该指出，当RL，即负载开路情况下，交直流负载线重合。（2）由输入电压ui求得基极电流ib。设uiUm sint，当它加到图3-10的放大电路时，三极管发射结电压是在直流电压UBE的基础上叠加了一个交流量ube。根据放大电路的交流通路可知ube=uiUm sint，此时发射3）非线性失真（1）饱和失真。放大电路中的晶体管有部分时间工作在饱和区而引起的失真，称为饱和失真。（2）截止失真。放大电路中的晶体管有部分时间工作在截止区而引起的失真，称为截止失真。（3）双向失真。当静态工作点合适但输入信号幅度过大时，在输入信号的正半周三极管

9、会进入饱和区；而在负半周，三极管进入截止区，于是在输入信号的一个周期内，输出波形正负半周都被切削，输出电压波形近似梯形波，这种情况为双向失真。为了消除双向失真，应减小输入信号的幅度。4）输出电压不失真的最大幅度通常说放大器的动态范围是指不失真时，输出电压uo的峰峰值uo（P-P）2.微变等效分析法1）晶体管的微变等效电路晶体管是非线性元件，在一定的条件（输入信号幅度小，即微变）下可以把晶体管看成一个线性元件，用一个等效的线性电路来代替它，从而把放大电路转换成等效的线性电路，使电路的动态分析、计算大大简化。因而可将晶体管输入端（即基极与发射极之间）等效为一个电阻rbe。图所示是晶体管的输出特性曲

10、线，在线性工作区是一组近似等距离的平行直线。这表明集电极电流iC的大小与集电极电压uCE的变化无关，这就是晶体管的恒流特性，iC的大小仅取决于ib的大小，这就是晶体管的电流放大特性。由这两个特性，可以将iC等效为一个受ib控制的恒流源，iC=ib 所以晶体管的集电极与发射极之间可用一个受控恒流源代替。因此，晶体管电路可等效为一个由输入电阻和受控恒流源组成的线性简化电路，如图3-15所示。但应当指出，在这个等效电路中，忽略了uCE 对ic及输入特性的影响，所以又称为晶体管简化的微变等效电路。2）微变等效电路法分析（1）先画出放大电路的交流通路，再用简化的微变等效电路代替其中的晶体管，标出电压的极

11、性和电流的方向，就得到放大电路的微变等效电路，如图3-16所示。（2）输入电阻ri显而易见，放大电路是信号源的一个负载，这个负载电阻就是从放大器输入端看进去的等效电阻。（3）输出电阻ro对负载电阻RL来说，放大器相当于一个信号源。放大电路的输出电阻就是从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻 （4）电压放大倍数AuAu定义为放大器输出电压uo与输入电压ui之比，是衡量放大电路电压放大能力的指标。即3.1.4 3.1.4 分压式偏置放大分压式偏置放大电路电路1.温度对放大电路静态工作点的影响采用分压式偏置稳定电路，该电路结构如图3-19 所示。分压式偏置共射极放大电路中，在发射极串入一个反馈电阻R

12、e和一个射极旁路电容Ce的并联组合，其目的就是稳定静态工作点。当温度上升，使集电极电流ICQ增大，IEQ随之增大，发射极电阻上流过的电流增大，使发射极对地电位VE增大，因基极电位VB基本不变，故UBE=VB-VE减小。由晶体管的输入特性曲线可知，UBE的减小必然引起基极电流IB的减小，因此，集电极电流IC也将随之下降。稳定过程可归纳为：温度上升IC IE VE UBE IB IC静态工作点维持稳定3.1.5 3.1.5 共集电极放大共集电极放大电路电路1.电路组成共集电极放大电路如图3-22（a）所示，它是由基极输入信号、发射极输出信号组成的，所以称为射极输出器。由图3-22（b）所示的交流通

13、路可知，集电极是输入回路与输出回路的公共端，所以又称为共集放大电路。2静态分析共集电极放大电路的直流通路图3-23（a）所示，由图可知 3.动态分析（1）电压放大倍数近视等于1射极输出器的微变等效电路如图3-23 b 所示，由图可知Au14.射极输出器的应用（1）用做输入级在要求输入电阻较高的放大电路中，常用射极输出器做输入级，利用其输入电阻很高的特点，可减少对信号源的衰减，有利于信号的传输。（2）用做输出级由于射极输出器的输出电阻很低，常用做输出级，可使输出级在接入负载或负载变化时，对放大电路的影响小，使输出电压更加稳定。（3）用做中间隔离级将射极输出器接在两级共射电路之间，*3.1.6 *

14、3.1.6 共基极放大共基极放大电路电路1.电路组成电路组成共基极放大电路如图3-24所示，图中Cb为基极旁路电容，其他元件同共射极放大电路。交流信号ui从发射极输入，uo从集电极输出，基极作为输入、输出的公共端，因此为共基极组态。2.静态分析图3-25是共基极电路的直流通路，静态工作点的计算如下：UCEQ=UCCICQ(Rc+Re)3.动态分析1）电压放大倍数2）输入电阻先求晶体管的发射极与基极之间看进去的等效电阻3）输出电阻求共基极输出电阻时，US=0，Ib=0,Ib=0，相当于开路，因此Ro=Rc。共基极放大电路的主要特点 电流放大倍数小于1，接近于1；输入电流为ie，输出电流为ic，由

15、于icie，故没有电流放大作用。具有电压和功率放大作用，输入、输出电压同相；其输入电阻小；输出电阻大；操作操作训练训练1 1 示波器的示波器的使用使用1.训练目的：熟悉示波器面板上各控制开关、旋钮的名称和作用。掌握示波器的使用方法。2.示波器功能说明3测量前的准备工作（1）检查电源电压，将电源线插入交流插座，设定下列控制键的位置：（2）打开电源，调节亮度和聚焦旋钮，使扫描基线清晰度较好。（3）一般情况下将垂直微调（VARIBLE）和扫描微调（VARIBLE）旋钮处于“校准”位置，以便读取VOLTS/div和TIME/div的数值。（4）调节CH1垂直移位，使扫描基线设定在屏幕的中间，若此光迹在

16、水平方向略微倾斜，则调节光迹旋转旋钮使光迹与水平刻度线相平行。4信号测量的步骤1）将被测信号输入到示波器通道输入端。注意输入电压不可超过400V。（1）使用探头测最大信号时，必须将探头衰减开关拨到10位置，此时输入信号缩小到原值的1/10，实际的VOLTS/div值为显示值的10倍。如果VOLTS/div为0.5V/div，那么实际值为0.5V/div10=5V/div。测量低频小信号时，可将探头衰减开关拨到10位置。（2）如果要测量波形的快速上升时间或高频信号，必须将探头的接地线接在被测量点附近，减少波形的失真。2）按照被测信号参数的测量方法不同，选择各旋钮的位置，使信号正常显示在荧光屏上。

17、测量时必须注意将Y轴增益微调和X轴增益微调旋钮旋至“校准”位置。3）记下的显示的数据并进行分析、运算、处理，得到测量结果。5测量示例1）直流电压测量 被测信号中如含有直流电平，可用仪器的地电位作为基准电位进行测量，步骤如下：（1）垂直系统的输入耦合选择开关置于“”，触发电平电位器置于“自动”，使屏幕上出现一条扫描基线。按被测信号的幅度和频率，将V/div档开关和t/div扫描开关置于适当位置，然后调节垂直移位电位器，使扫描基线位于坐标上，如图3-28所示的某一特定基准位置。2）交流电压的测量 一般是测量交流分量的峰峰值，测量时通常将被测量信号通过输入端的隔值电容，使信号中所含的直流分量被隔离，

18、步骤如下：（1）垂直系统的输入耦合选择开关置于“AC”，V/div开关和t/div扫描开关根据被测量信号的幅度和频率选择适当的档级，将被测信号直接或通过101探头输入仪器的Y轴输入端，调节触发“电平”使波形稳定，如图4-36所示。（2）根据屏幕的坐标到度，读被测信号波形的峰峰值所占格数为D（图中D=3.6div）。操作训练操作训练2 2 单管共发射极放大电路单管共发射极放大电路测试测试1.训练目的学会测试单管共发射极放大电路的静态工作点。学会测试单管共发射极放大电路的输入电压和输出电压的波形及二者的相位关系。了解电路产生非线性失真的原因。2.仿真测试1）单管共发射极放大电路采用基极固定分压式偏

19、置电路，测试电路如图3-31所示，2）静态工作点的选择放大器的基本任务是不失真地放大小信号。为此应设置合适的静态工作点。为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应选在输出特性曲线上交流负载线的中点，若工作点选得太高则易引起饱和失真；而选得太低，又易引起截止失真。3）静态工作点的测量方法静态工作点的测量是指在接通电源电压后放大器输入端不加信号时，测量晶体管集电极电流ICQ。和管压降UCEQ。其中UCEQ可直接用万用表直流电压挡测CE极间的电压即得，而ICQ的测量则有直接法和间接法两种：（1）直接法：将万用表（电流挡）串入集电极电路直接测量。此法测量精度高，但要断开集电极回路，比较麻烦。（2）间接

20、法：用万用表（直流电压挡）先测出Rc（或RE）上的电压降，然后根据已知Rc（或RE）算出ICQ，此法简便，在实验中常用，但其测量精度稍差。为了减小测量误差，应选用内阻较高的电压表。3.测试步骤1）静态工作点测试（1）打开Multisim 10，从晶体管库中取出NPN型三极管2N2222，从元件库里取出测试电路中需要的电阻、电容，按图3-31连接好电路。（2）改变元件属性，在每个元件上双击鼠标，即可显示元件属性对话框，例如双击电位器，将其名称改为及“控制键（Key）改为A，每次阻值改变量改为1，这样在使用中每按一次A，电位器阻值就增加1，耍想减小阻值，按shift十A。分别对图中元件属性进行修改

21、，将名称改为图3-31中所示。（3）接入信号发生器和示波器，示波器A通道接放大器输入信号，B通道接放大器的输出信号，在示波器B通道连线上单击鼠标右键，在弹出的颜色对话框中，选择B通道波形显示颜色为蓝色。（4）打开仿真开关，双击示波器图标，显示示波器面板，在输入端加入1kHZ、幅度为20mV的正弦波，如图3-32所示，调节电位器及改变信号发生器的信号幅度，使示波器输出显示波形最大不失真，如图3-33所示。（5）使输入信号为0，用万用表测量晶体管三个电极分别对地电压，UB、UC、UE，UCEQ。万用表连接如图3-34所示，设置万用表为电压表，打开仿真开关，万用表显示数据如图3-35所示，根据IEQ

22、=UE/Re，算出ICQIEQ。3.2.3.2.任务任务2 2 多级放大多级放大电路电路3.2.1.放大电路的级间耦合方式放大电路的级间耦合方式多级放大电路的组成可用图3-36所示的框图来表示。其中，输入级与中间级的主要作用是实现电压放大，输出级的主要作用是功率放大，以推动负载工作。1.直接耦合为了避免在信号传输过程中，耦合电容对缓慢变化的信号带来不良影响，也可以把放大器前级的输出端直接与后级的输入端相连，这种连接方式称为直接耦合，如图3-37所示。直接耦合的特点如下。（1）既可以放大交流信号，也可以放大直流和变化非常缓慢的信号；电路简单，便于集成，所以集成电路中多采用这种耦合方式。（2）需要

23、电位偏移电路，以满足各级静态工作点的需要。（3）存在着各级静态工作点相互牵制和零点漂移这两个问题。2.阻容耦合放大器的级与级之间通过耦合电容与下级输入电阻连接的方式称为阻容耦合，如图3-38所示。阻容耦合放大电路的特点如下(1）由于耦合电容有“隔直通交”作用，故可使各级的静态工作点彼此独立，互不影响。(2）因电容对交流信号具有一定的容抗，若耦合电容的容量足够大，对交流信号的容抗则很小，前级输出信号就能在一定频率范围内几乎无衰减地传输到下一级。但阻容耦合放大 3.变压器耦合放大器的级与级之间采用变压器进行连接的方式称为变压器耦合.3.2.2.3.2.2.多级放大电路的分析多级放大电路的分析（1）

24、电压放大倍数电压放大倍数可用方框图表示，如图3-40所示。（2）榆入电阻和输出电阻多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻，而多级放大电路的输出电阻则等于末级放大电路的输出电阻，即 ri=ri1 ro=rin 3.2.3 3.2.3 放大电路的频率特性放大电路的频率特性1单级阻容耦合放大电路的幅频特性图3-43所示是单级阻容耦合共射放大电路的幅频特性曲线。图中，按频率的高低将横坐标分为低频区、中频区和高频区。2多级阻容耦合放大电路的幅频特性在多级放大电路中，随着级数的增加，其通频带变窄，且窄于任何一级放大电路的通频带。因为多级放大电路总的放大倍数是各级放大倍数的乘积，所以其幅频特性应由各单级

25、幅频特性的电压放大倍数相乘而获得。3按通频带要求选择电容及晶体管（1）按低频特性要求选择耦合电容及发射极旁路电容下限截止频率要求越低，这些电容的容量应该越大。但要注意，输入信号在这些电容上的压降，是由这些电容的容抗与输入电阻的分压来决定的。输入电阻越大，电容上的分压越小，所以对高输入电阻，耦合电容可选小一些的。（2）按高频特性选择晶体管反映三极管高频特性的参数有几种，一般情况下，场效应管由极间电容表示，而三极管，由于极间电容的影响会使值随频率而变，*3.3*3.3 任务任务3 3 场效应晶体管放大电路场效应晶体管放大电路3.3.1 场效应管的偏置电路及静态分析场效应管的偏置电路及静态分析1自偏

26、压电路 （1）自偏压原理结型场效应管构成的共源极自偏压电路如图3-45所示，图中漏极电流在Rs上产生的源极电位US=IDRs。由于栅极基本不取电流，RG上没有压降，栅极电位UG=0，所以栅源电压 UGSUGUSIDRs可见，这种栅偏压是依靠场效应管自身电流ID产生的，故称为自偏压电路。增强型场效应晶体管只有栅源电压达到开启电压UGS(th)时才有漏极电流，所以，自偏压电路只能产生反向偏压，所以它仅适用于耗尽型MOS管和JFET管，而不能用于增强型MOS管。（2）静态工作点的估算场效应管放大电路的静态工作点指直流量UGS、ID和UDS的值。对于耗尽型场效应管，当工作在放大区时，其ID和UGS之间

27、的关系式为2分压式自偏压电路分压式自偏压放大电路，它是在自偏压电路的基础上加接分压电阻后组成的。这种偏置电路适用于各种类型的场效应管。为提高电路的输入电阻，一般RG3选得很大，可取几兆欧。这个电路的栅源电压除与RS有关外，还随RG1、RG2的分压比而改变。由图可得3.3.2 3.3.2 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析 1场效应管的微变等效电路（1）场效应管的简化微变等效模型2场效应管放大电路动态分析 1）共源极放大电路 图a所示为共源极放大电路，它的输入、输出信号是以源极为公共端，图b为其微变等效电路。当源极无旁路电容CS时，其微变等效电路如图c）所示。(1）电压放大倍数

28、Au当源极有旁路电容CS时，由图 可知（2）输入电阻Ri 无论是否有无旁路电容CS，由图可知，Ri=Rg3+（Rg1/Rg2）(3）输出电阻Ro RoRd2）共漏极放大电路图3-49（a）所示是由耗尽型NMOS管构成的共漏极放大电路，由交流通路可见，漏极是输入、输出信号的公共端。由于信号是从源极输出，故也称源极输出器。图3-49（b）为其微变等效电路。1）电压放大倍数Au 2）输入电阻RiRi=Rg3+（Rg1/Rg2）3）输出电阻RoRo=RS/由以上分析可知，源极输出器与双极型射极输出器有相似的特点，即Au1，输入电阻Ri大，输出电阻Ro小。但它的输入电阻比射极输出器电阻还大得多，一般可达

29、几十兆欧。操作训练操作训练2 2 场效应晶体管放大电路场效应晶体管放大电路的仿真与测试的仿真与测试1.训练目的掌握场效应管放大器静态工作点的测试和调整方法观察静态工作点对放大器输出波形的影响。2.仿真测试1）创建仿真电路创建如图3-52所示场效应晶体管放大电路。具体步骤如下：（1）打开Multisim 10，从晶体管库中取出NPN型三极管2N2222，从元件库里取出测试电路中需要的电阻、电容，按图3-52连接好电路。（2）改变元件属性，在每个元件上双击鼠标，即可显示元件属性对话框，分别对图中元件属性进行修改。（3）接入信号发生器和示波器，示波器B通道接放大器的输出信号。2）仿真测试（1）打开仿

30、真开关，双击示波器图标，显示示波器面板，在输入端加入1kHz、幅度为20mV的正弦波，改变信号发生器的信号幅度，使示波器输出显示波形最大不失真，如图3-53所示。（3）电压放大倍数和输出电阻的测量打开信号发生器的电源，输入信号为f 1kHz的正弦信号（ui为50100 mV），并用示波器监视输出电压uo的波形。在输出电压uo没有失真的条件下，分别测量RL和RL10k时的输出电压Uo，根据测量数据计算电压放大倍数和输出电阻。3实验操作参照仿真测试电路在面包板上连接好实验电路。布线要整齐、均匀，便于检查；经检查无误接通1）测量电路的静态工作点。在放大电路的输入端加入频率为1kHz、幅度为50mV的正弦波信号，在放大电路的输出端接示波器，调节电路，使示波器所显示的输出波形不失真，然后关闭信号发生器的电源，使输入电压ui0，测量电路的静态工作点。2）电压放大倍数和波形与仿真测试相同。