【Three Fire】核心知识基本放大电路——模电学习笔记2.1

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(一)放大的概念和放大电路的主要性能指标

(1)放大的概念

• 一是将原有物体形状或大小的差异按照一定比例放大，二是放大前后能量守恒。例如杠杆原理，放大镜，变压器之类的。
• 放大电路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的放大。意思就是负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流。
• 能控制能量的原件称为有源原件。因此在放大电路中必须存在有源原件，比如晶体管和场效应管等。
• 最重要的是：放大的前提是不失真，即只有在不失真的情况下放大才具有意义。晶体管和场效应管是放大电路的核心元件，只有当它们工作在合适的区域如(晶体管工作在放大区，场效应管工作在恒流区)，才能使输出量和输入量始终保持线性关系，即电路才不会产生失真。

(2)放大电路的性能指标

总体预览

2.1 放大倍数

• 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标。对于小功率放大电路，只关心单一放大指标，如电压放大倍数等。
• 电压放大倍数
  
• 电流放大倍数
  
• 电压对电流放大倍数（互阻放大倍数）
  
• 电流对电压放大倍数（也叫做互导放大倍数）
  

2.2 输入电阻

• 输入电阻 R_i 是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U_i与输入电流有效值I_i 之比：
  $$R_i=\frac{U_i}{I_i}$$
• R_i数值越大，表明放大电路从信号源索取的带你留越小，放大电路所得到的输入电压越接近信号源U_s。

2.3 输出电阻

• 输出电阻 R_o 是从放大电路输出端看进去的等效内阻。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。
  
• 若使负载电阻获得的信号电流大一些，则放大电路的输出电阻就应当大一些。

2.4 通频带

• 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。
• 由于电抗元件的额存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。一般情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。
• A_m为中频放大系数。f_L 为下限截止频率。f_H为上限截止频率。位于 f_L 和 f_H 之间的频带称为中频带，也称为放大电路的通频带 f_bw。
  

2.5 非线性失真系数

• 由于放大电路器件均具有非线性特征，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。

2.6 最大不失真输出电压

• 最大不失真输出电压：为当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压

2.7 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。
• 直流电源能量的利用率称为效率
  

(二)基本共射放大电路的工作原理（图2.2.1）

(1)基本共射放大电路的组成及各原件作用

• 下图为基本放大共射电路，晶体管是起放大作用的核心原件。输入信号 u_i 为正弦波电压。
• u_i 等于0 时，称放大电路处于静态。在输入回路中，基极电源 V_BB 使晶体管 b - e 间电压 U_BE 大于开启电压 U_on。并且与基极电阻 R_b 一起决定基极电流 I_B
• 集电极 V_cc 应该足够高，使晶体管集电极反向偏置，以保证晶体管处于放大状态。集电极电流 I_c = β*I_B。c - e间的电压 U_ce = V_cc - I_cR_c
• u_i 不为0时。在输入回路中，必将在静态值的基础上产生一个动态基极电流 i_B，和输出回路得到动态电流 i_C。集电极电阻 R_c 将集电极电流的变化转化成电压的变化，使得管压降 u_ce 产生变化。管压降的变化量就是输出动态电压 u_o，V_CC 为输出提供所需要的能量。
  

(2)设置静态工作点的重要性

① 静态工作点

• 将输入信号为零，即直流电源单独作用时晶体管的基极电流 I_B、集电极电流 I_C、b - e 间电压 U_BE、管压降 U_CE 称为放大电路的静态工作点 Q。
• 常将上述四个物理量记作 I_BQ，I_CQ，U_BEQ，U_CEQ。
  

② 设置静态工作点的必要性

• 对于放大电路的最基本要求，一是不失真，二是能够放大。如果输出波形严重失真，“放大”就毫无意义。因此设置静态工作点非常有意义
• Q点不仅影响电路是否产生失真，而且影响着放大电路几乎所有的动态参数。

(3)基本共射电路的工作原理和波形分析

• 当有输入电压时，基极电流是在原来的直流 I_BQ 的基础上叠加一个正弦交流 i_b，因而基极总电流 i_B = I_BQ + i_b。集电极电流 i_c = I_CQ + β*i_b。
  
• 对于电压来说，集电极上的电阻 R_c 电压增大时，管压降 U_CE 必然减小，电阻 R_c 电压减小时，管压降 U_CE 必然增大。所以管压降是在 U_CEQ 的基础上叠加上一个与 i_c 变化方向相反的交变电压 u_ce。 管压降 U_CE = U_CEQ + u_ce。
  
• 将管压降中的直流分量 U_CEQ 去掉，就得到了被放大的交流输出电压 u_o。下面两幅图片为 u_i（输入的交流正弦波） 和 u_o (输出的相反且放大的交流电压) 的波形示意图。
  
  

int main()
{
	小结：综上所述，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的放大作用，并依
  靠 Rc 将电流的变化转化成电压的变化来实现。
}

(三)放大电路的组成原则与常见的两种共射放大电路

(1)放大电路的组成原则

• 必须根据所用的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。晶体管工作在放大区，场效应管工作在恒流区。
• 电阻的取值要得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作点。
• 输入信号必须能够作用于放大电路的输入回路。对于晶体管，输入信号必须能够改变基极与发射极之间的电压 ，产生 Δu_be，从而改变基极与发射极之间的电流，产生 Δi_B。对于场效应管，输入信号必须能够改变栅极 - 源极电压，产生 Δu_GS，从而改变输出回路的电流，从而放大输入信号。
• 当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，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。

(2)常见的两种共射放大电路

①直接耦合放大电路（图2.2.4）

• 将图 2.2.1所示电路中的基极电源与集电极电源合二为一，并且设置合理的静态工作点，在基极回路增加一个电阻。由于信号源与放大电路，放大电路与负载直接相连，故称为 ”直接耦合“。
  
• 将电路的输入端短路即可求出静态工作点。注意：R_b1 是必不可少的。如果 R_b1 = 0，静态分析时，输入端短路，晶体管处于截止状态，电路不能正常工作。只有当 R_b1 和 R_b2 取值与 V_cc 相配合，才能得到合适的基极电流 I_BQ，合理地选取 I_CQ 才能得到合适的管压降 U_CEQ
  

②阻容耦合放大电路（图2.2.5）

• 通过上述分析 ，当输入信号作用时。由于信号的电压将在图2.2.1所示电路中的 R_b 和 图2.2.4中的 R_b1 上有损失，影响了放大能力。下图2.2.5（a）所示电路既解决了”共地“问题，又使一定频率范围内的输入信号几乎毫无损伤地加到放大管的输入回路里。
• 电路中起连接作用的电容为耦合电容，利用电容连接电路称为阻容耦合。
  
• 电容 C₁ 连接信号源与放大电路，电容 C₂ 连接放大电路与负载。由于电容对直流的容抗无穷大，所以输入信号与放大电路，放大电路与负载之间没有直流量通过。不过耦合电容的容量要足够大，保证输入信号无损失地加在放大电路的基极与发射极之间。
• 耦合电容的作用“隔直流，通交流”，令输入端短路，即可求出静态工作点。
  
• 电容 C₁ 上的电压为 U_BEQ ，电容 C₂ 上的电压为 U_CEQ。 输入信号作用时，C₁ 上的电压基本不变，所以可以等效为一个电池。图2.2.5(b)即为等效电路。注意：输出电压 u₀ 等于集电极与发射极之间的电压减去电容 C₂ 两端的电压 U_CEQ ，所以 u_o 为纯交流信号。