基本放大及运放电路

第一部分：介绍

　一、模拟信号和模拟电路的概念

　　模拟信号是在时间和大小上连续变化的电量。

　　模拟电子电路（简称模拟电路）就是实现这一类模拟信号放大、变换、处理和产生等功能的电路总称。

　二、模拟电路的特点

　　模拟电路的电信号是连续变化的电量，其幅值的大小在一定范围内是任意的。所以要求电路要对这种信号不失真地进行放大或处理，因而对元器件及电路参数和外界条件的要求比较严格。例如放大电路中的半导体器件通常要工作在线性放大状态。

　　放大电路是模拟电路中最基本的单元电路。放大电路一般包含具有非线性特性的三极管或集成放大器件，它们需要直流提供静态工作点，而被放大的是交流信号。所以，在模拟电路工作时，既有直流又有交流，既有线性元件工作又有非线性器件工作，既需要有静态分析又需要有动态分析。因此，我们必须熟悉交直流电路、RC电路的过渡过程和半导体器件等方面的知识。所以在课外还要多看看模拟电路的一些基本电路的组成、工作原理和分析方法，以及它们的应用，为以后从事有关工作打下基础。

第二部分：基本放大电路三极管 

一．基本放大电路的组成

    1．基本放大电路

　　上图画出共射极基本放大电路。它由三极管、电阻、电容和直流电源组成。

　　由于三极管基本放大电路的放大元件是半导体三极管，要使它具有放大作用，必须外加直流电源，并保证三极管的发射极有正向偏置电压，集电结有反向偏置电压。

　　另外，输入信号和输入电极之间有信号通路，输出电极和负载之间有信号通路。

因为直流电源对交流信号呈现非常小（接近为0）的电阻，因此要避免交流信号与输入、输出电极相联的信号被直流电源短路。所以直流电源和输入、输出电极之间接有足够大的阻抗。

共射共集共基三种基本放大电路的构成都有这种特点。

　　2．基本放大电路的工作特点：

　　（1）电路中既有直流，又有交流。直流提供静态工作点，交流是被放大的信号；

　　（2）电路由线性元件和非线性元件组成，不能直接用线性电路的分析方法分析放大电路；

（3）三极管必须始终工作在放大状态，以保证被放大的信号不失真。

二．基本放大电路的两种分析方法

 1．图解法：

　　主要功能：分析静态工作点，动态范围和波形失真。

　　分析步骤：

　　 ① 画出三极管的输出特性，根据电路参数求出IBQ；

　　 ② 作直流负载线，确定静态工作点；

　　 ③ 通过静态工作点作交流负载线；

　　 ④ 根据输入信号引起的ib变化，由交流负载线确定iC和uCE的变化范围；

⑤ 检查是否有失真，确定输出波形。

2．微变等效电路法：

　　主要功能：分析动态参数，计算放大倍数、输入和输出电阻。

　　分析步骤：

　　①利用估算法或图解法求静态工作点；

　　②根据放大电路的交流通路画出微变等效电路；

　　③根据三极管参数，求出r be；

④按照线性电路的分析方法求电压放大倍数Au 、输入电阻Ri 、输出电阻R0 。

三．放大电路的频率特性和多级放大电路性能特点

　（一）、放大电路的频率特性

　　1．概念

　　放大电路的放大倍数与信号的频率之间的对应关系称为频率特性。当信号频率很高或很低时，放大倍数的幅值和相位都会改变，因此频率特性又分为幅频特性和相频特性。

　　2．耦合电容影响低频特性

　　信号在低频段，由于耦合电容的影响，放大倍数幅值比中频段的值要小，相位超前。当信号频率趋近0时，放大倍数也趋近于0；相位趋近于＋90º。放大倍数下降到中频段值的0.707倍时，对应的频率称为下限频率，用fL表示。

　　3．三极管极间电容影响高频特性

　　信号在高频段，由于极间电容的影响，放大倍数幅值比中频段的值要小，相位落后。当信号频率趋近∞时，放大倍数也趋近于0；相位趋近于－90º。放大倍数下降到中频段值的0.707倍时，对应的频率称为上限频率，用fH表示。

　　4．带宽

　　上限频率与下限频率之差称为带宽，即

　　fbw = fH－fL

　　（二）、多级放大电路性能特点

　　1．三种耦合方式

　　阻容耦合：工作点，便于分析调试，低频特性差，不便集成。

　　直接耦合：低频特性好，便于集成，工作点不，易温漂。

　　变压器耦合：工作点，便于分析调试，笨重，低频特性差，不便集成。

　　2．多级放大电路性能特点

　　多极电路总电压放大倍数等于各级电压放大倍数之积；

　　多极电路频率特性的总带宽小于各级电路的带宽。

四．三极管的应用： 

1．开关控制：如图1：PNP管的开关应用

         图1

           如图2  NPN管的开关应用：

                  图2

   2．三级管在音频放大器中的应用：

如图3为音频功率放大器的应用：

                                      图3

第三部分：集成运放

  (一).集成运放组成的三种基本放大器 

一．集成运放的两个工作区与特性 

1．集成运放的传输特性：从电压传输特性可见OA有线性和非线性两个工作区。

2．运放线性工作基本特性 

（1）．条件：存在深负反馈 

（2）．基本关系式：UO=AOdUId（UP-UN） 

              线性区很窄为mV级或更小 

（3）．理想运放线性工作存在虚短和虚断 如图711

   虚短 ：UP=Un，即同相IN端与反相IN端等电位 

 虚断 ：IP=In ，   即两个IN端无电流  

3．运放非线性工作基本特性 

（1）．条件：开环或正反馈 

（2）．基本关系式：UO ＝＋UOS  ―――――工作在正向饱和状态 

                               ＝－UOS  ―――――工作在负向饱和状态 

（3）．理想运放非线性工作无虚短有虚断 。

4．分析集成运放电路基本方法 

（1）．先确定工作区 

（2）．将集成运放视为理想运放 

（3）．双虚搭桥找电量关系 

（4）．根据待求参数引用电路定律列方程求解。 

二．反相放大器（又称反相比例运算电路）

1．基本电路 

（1）．信号输入方式：单端反相输入

（2）．反馈类型：负反馈

（3）．RB—平衡电阻 （ RB=R1//Rf ） 

（4）．反相放大器存在虚地，无公模信号输入 

（5）．根据理想运放虚短路条件解得反相放大器的闭          

环增益为：Au＝Uo / Ui ＝－Rf / R1

       2、设计要点   

（1）．|Au|取值为0．1—100 ；

（2）．R1、Rf取值为1kΩ—1MΩ；

（3）．普通运放工作频率取0—10kHz；欲提高工作频率应选频带宽的高档运放。 

3、反相求和运算电路：是基本反相放大器应用电路 

（1）．电路组成：可以等效为两个反相放大器相并联运用。 

（2）．推导UO=f（UI 1、UI 2）表达式 

方法：采用三虚和叠加原理 

           UO＝－（Rf / R1）UI 1－（Rf / R2）UI 2 

若有多条支路求和（i=1～n）则为        

           UO=∑[-（Rf/Ri）UIi] 　

三．同相放大器：又称同相比例运算电路 

        1、电路组成 

         （1）、信号输入方式：单端、同相输入； 

         （2）、反馈类型：正反馈；

(3)、闭环电压增益：Au=UO/UI=1+(Rf/R1) 

输出电压：Uo=AuUI 

2、电压跟随器（缓冲器） 

         （1）、电路组成：将R1断开后的电路称电压跟随器。                      

（2）、基本特性 

（a）关系式：Au=1 ，Uo=UI；因R1断开时，R1=∞，所以得该结论。 

该式表明Uo与UI数值相等、相位相同，即Uo随UI同步变化，称电压跟随器。 

（b）Ri极高，RO极小，跟随精度极高。 因此应用广泛，做缓冲器或阻抗变换。 

四、差动放大器 

1、基本电路组成 

（1）、信号输入方式：双入单出。

UI1≠UI2时,分解成差模与共模两种IN信号。 

（2）、存在电压负反馈保证线性工作。                    

（3）、在电路设计上，要求对称R1=R2，R3=Rf， 

使电路平衡，保证UOC=0，有较高性能。 

        （4）、特点：放大差模信号，抑制共模信号。

2、推导Au、UO=f（UI 1，UI 2）表达式 

        Uo=(Rf/R1)×（UI2-UI1）----------（1） 

            Au=UO/(UI2-UI1)=Rf/R1 -------------（2） 

由UO式可见，UO正比于两个输入电压之差，故称差动放大器， 又称减法器。 

     3、输入电阻    R i＝R1+R2=2R1。 

           由于R1数值通常不高于数百千欧，因此R i不够高。 

4、输出电阻RO极小。 

5、数据放大器（仪表放大器，测量放大器） 

（1）、基本差放存在缺点：输入电阻低。，运算精度低；在基本差放基础上改进，出现了数据放大器， 

是应用广泛的优良电路。

        （2）、电路组成 

（a）从整体电路看，信号传输是双入单出。 

（b）整个电路由两级差动放大器级联而成。 输入级组成双入双出差放，由于同相输入，使数放Ri极高。输出级组成第二级差放(双入单出)。

            （c）为提高性能，电路结构对称。  

   五、集成运放的应用：音频放大器前级预放大，电压跟随器，信号叠加，信号比较器，有源滤波器等。

           下图为射随器及信号叠加与放大运用：

下图为低通有源滤波器的应用：