小信号放大器基本设计

小信号放大器设计

Vo

+

VS

-

图1 首先画出此电路的微变等效电路

VS

Ic

+

图2

首先此电路的输入电阻由定义式：

R i =

V i

|Vo =0，Vo =0也即输出短路。由图所示： I i

R i =

V i [R b 1//R b 2//(r be +(1+β) R e )]⋅I i

=I i I i

输入电阻：R i =R b 1//R b 2//(r be +(1+β) R e )

我们来看此电路的输出电阻

定义式：R o =

V t

|Vi =0, R L =∞ I t

输出电阻的定义：输入信号源短路，负载开路（即不接负载），再 在输出端外加激励电压源

V t ，此时在输出端对应着一个输出电流I t 。

由于输入信号源短路，r be 没有电流流过，也即β⋅i b =0，此时的输出电阻为R o =R c 这一个首先记住，输入电阻，输出电阻对以后分析电路很重要，以后再提。 首先我们分析这一种共射电路电压放大倍数和什么因数有关。

A V =

V o β⋅i b (R c //R L )

。 =

I i [R b 1//R b 2//(r be +(1+β) R e )]⋅I i

由此关系失可知I i =I b 1+I b 2+I b 这三者电流之和，假设R b 1, R b 2的阻值如果取的足够大，则流过R b 1, R b 2的电流很少，这就意味着全部电流流进三极管，近似满足关系I i =I b

那么原始就可写成：

A V =

V o β⋅I b (R c //R L ) β⋅(R c //R L ) ==

I i (r be +(1+β) R e ) I b (r be +(1+β) R e )

只要将R b 1, R b 2取得足够大，A V 就会相对提高。

如果式中分母(1+β) R e 去掉，则上式A V 的放大倍数会进一步提高，此时我们的想法还是 如果将R e 交流短路的话，此方案完全可行（只要电容取得 大点）

Vi VS

Ic

+

地

图3

此时我们看到，在R e 并联这一电容的话，可以看到如下好处 b 的动态电阻只有r be 了，也即b 和地间的电阻相对之前大大减小

②之前R b 1和R b 2是相对于r be +(1+β) R e 要取大一些，一般5－9倍（也即

min[R b 1, R b 2]≈(5-9)[r be +(1+β) R e ]。此时电阻R e 我们进行了交流短路之后，此时只

要min[R b 1, R b 2]≈(5-9)[r be ]，降低了对R b 1和R b 2的取值要求。

③有一点值得考虑一点，此时该电路输入阻抗R in ≈r be ，也即输入阻抗降低【这一点，到底对此影响大不大呢？，稍后我们再进行分析】

此时A V =

β⋅(R c //R L )

r be

，（注意课本上给出r be =200+(1+β)

26mv

) I C

26mv

I C 是大呢？还是

这就给我们计算分析此电路带来不变，此时我们想200相对于

(1+β)

小呢？或者是可以忽略不计呢？此时我们假设I C =1mA , β=185.

则

(1+β)

26mv

I C =4.8K>>200，从这关系可知，只要β值足够大的话。

r be ≈(1+β)

26mv 26mv

≈β。此时，则有 I C I C

A V =

β⋅(R c //R L )

r be

=

β⋅(R c //R L ) (R c //R L ) ⋅I e

=

⋅26mv 26mv

(

Ic

)

该公式说明此电路的电压放大倍数于三级管的β值无关（前提β足够大，一般的话分立元件的小信号放大器的值都挺大的）。

因此在设计放大电路，我们可以从A V 的表达式入手，来研究如何设计一个电路，抓住重点，从众多参数找出影响放大电路重中之重的参数进行分析设计，可以节省我们重复设计的时

间。

接下来我们来讲一下，如何才能保证一个放大电路能进行不失真放大呢？

保证三极管处于放大区，这就要求，三极管的发射结正偏，集电结反偏（即如图所示

V be >0, V bc

Vo

+

VS

-

图4

首先，有直流偏置的话（即R b 1, R b 2），就保证了V be =0.7V, 这时就要看V be 了

V be =0.7V ，V bc 0. 7v

实验表明，当V ce 刚好到0. 7V 时，就开始出现饱和失真（饱和失真和截止失真只需要考虑一种即可）

从电路的结构，分析饱和失真能让我们真正了解此电路 首先说明的是，我们的三极管是属于电流控制器件（通过控制基级电流达到控制输出电流的目的）因此我们就用电流来分析此电路才是正确的。

由上图可知I c (R c +R e ) +V ce =V cc （我们只分析直流）由于电容有隔直的作用，就可以看出开路）

在这里我们只谈论三极管饱和时，流过集电极有一个最大不失真电流I max 即有关系式为：I m ax (R e +R c ) +0. 7V =V cc 即I max =

三极管的工作原理就是将输入正弦波电压信号先转换为流过r be 的电流信号i b ，再搭载在三

V cc -0. 7

R c +R e

极管的静态工作电流I BQ 上，进行有效放大

图5

这样再将通过隔直电容C2，, ∆i c (R c //R L ) =∆v o 得到交流的输出电压v o 再者，我们来讨论如何正确确定该电路的静态工作点呢？

如果放大的电流信号不是很大的，其静态工作点活动区间就很大，图中阴影部分就是I CQ 能被设置静态电流活动区间

但该放大电流信号需要放大很多，电源电压有限的情况下，I CQ 就会慢慢向

I max

靠近才会2

得到不失真放大。

则得2I CQ =

V cc -0. 7

R c +R e (R c //R L ) I CQ

26mv

(我们假设R L 为∞，实际只需要将R L =(6-9) R c ，即可达到

又

A V =

效果） 则A V =

R c I CQ 26mv

⎧R c I CQ =26mv ⋅A V ⎫⎪⎪⎪⎪V -0. 7cc ∴⎨⎬

⎪I CQ =⎪

⎪⎪R c +R e ⎩⎭

∴I CQ

V cc -0. 7

26mv ⋅A V ==

R c +R e R c

V cc -0. 7R V -0. 7V 即1+e = =cc

R c 26mv ⋅A V 52mv ⋅A V

即

R e V cc -0. 7-52mv ⋅A V

=(最低要求V cc -0. 7-52mv ⋅A V >0，最好实际取值要留一些R c 52mv ⋅A V

余量）

当然这只分析其交流特性（不可能，V cc 的取值只与A V 有关，还应该与输入信号有关） 下面来分析其交流特性，会对电源V cc 有何要求

假设为无穷大，就相

当于开路

图6

从交流电路可以看出来

(此时，我们可以从极限的思想来帮助我们理解，当输入为1HZ 的交流电。其特性相当于直流特点，也就是说直流特点是交流特性ω=0一种特列来帮助我们分析问题）。 即可得到：V RC +V ce +V ces +V EQ =V cc

作为一般来讲的话，实际取值的V EQ 是在1V 以下取值如果A V ⋅V S ≥2V , V EQ 是可以忽略不计的（工程思想)

就大致取V EQ =1V

即 2V opp +1. 7V =V CC

即可说明电源电压要取到V cc >2A V ⋅V i +(1-2) V 的样子就可以

设计任务：设计一个放大电路，要求在+7V波，用500欧作最后负载测量。

只能使用β=185的S8050做此题。（波形无明显失真）

Vi

Vo

+

500欧

VS

-

V ce =7V -I c (R C +R e ) A V =

β⋅(R c //R L )

r be

我们假设R L 为∞大。则有A V =由于A V =100=

βR e

r be

=

R c I c

26mv

R C I C

，即R C I C =2.6V 26mv

又 放大倍数越高，三极管会出现饱和。

∴I max =

V cc -0. 7V

R c +R e

又因为I m ax =2I c ，这样才会使波形得到最大不失真输出，即负载线中点.

∴I e =

R 2. 6V 3. 15

即 1+e = 即R c ≈4. 7R e R C R c 2. 6

设R c =3K

∴I c =0. 86mA ∴R e =0.63K ∴V EQ =0.54V

作为500欧的轻负载要求达到2V 峰值

即最大需电流4mA , 共射电路肯定

R b 1

⨯7V =1. 24v

R b 1+R b 2

I b =

I c

β

=

0. 86mA

185

∴R 总=

7V 7V

==150K 10I b 185

∴

R b 11. 24V

= R 总7V

∴

R b 1=26K R b 2=124K

小信号放大器设计

Vo

+

VS

-

图1 首先画出此电路的微变等效电路

VS

Ic

+

图2

首先此电路的输入电阻由定义式：

R i =

V i

|Vo =0，Vo =0也即输出短路。由图所示： I i

R i =

V i [R b 1//R b 2//(r be +(1+β) R e )]⋅I i

=I i I i

输入电阻：R i =R b 1//R b 2//(r be +(1+β) R e )

我们来看此电路的输出电阻

定义式：R o =

V t

|Vi =0, R L =∞ I t

输出电阻的定义：输入信号源短路，负载开路（即不接负载），再 在输出端外加激励电压源

V t ，此时在输出端对应着一个输出电流I t 。

由于输入信号源短路，r be 没有电流流过，也即β⋅i b =0，此时的输出电阻为R o =R c 这一个首先记住，输入电阻，输出电阻对以后分析电路很重要，以后再提。 首先我们分析这一种共射电路电压放大倍数和什么因数有关。

A V =

V o β⋅i b (R c //R L )

。 =

I i [R b 1//R b 2//(r be +(1+β) R e )]⋅I i

由此关系失可知I i =I b 1+I b 2+I b 这三者电流之和，假设R b 1, R b 2的阻值如果取的足够大，则流过R b 1, R b 2的电流很少，这就意味着全部电流流进三极管，近似满足关系I i =I b

那么原始就可写成：

A V =

V o β⋅I b (R c //R L ) β⋅(R c //R L ) ==

I i (r be +(1+β) R e ) I b (r be +(1+β) R e )

只要将R b 1, R b 2取得足够大，A V 就会相对提高。

如果式中分母(1+β) R e 去掉，则上式A V 的放大倍数会进一步提高，此时我们的想法还是 如果将R e 交流短路的话，此方案完全可行（只要电容取得 大点）

Vi VS

Ic

+

地

图3

此时我们看到，在R e 并联这一电容的话，可以看到如下好处 b 的动态电阻只有r be 了，也即b 和地间的电阻相对之前大大减小

②之前R b 1和R b 2是相对于r be +(1+β) R e 要取大一些，一般5－9倍（也即

min[R b 1, R b 2]≈(5-9)[r be +(1+β) R e ]。此时电阻R e 我们进行了交流短路之后，此时只

要min[R b 1, R b 2]≈(5-9)[r be ]，降低了对R b 1和R b 2的取值要求。

③有一点值得考虑一点，此时该电路输入阻抗R in ≈r be ，也即输入阻抗降低【这一点，到底对此影响大不大呢？，稍后我们再进行分析】

此时A V =

β⋅(R c //R L )

r be

，（注意课本上给出r be =200+(1+β)

26mv

) I C

26mv

I C 是大呢？还是

这就给我们计算分析此电路带来不变，此时我们想200相对于

(1+β)

小呢？或者是可以忽略不计呢？此时我们假设I C =1mA , β=185.

则

(1+β)

26mv

I C =4.8K>>200，从这关系可知，只要β值足够大的话。

r be ≈(1+β)

26mv 26mv

≈β。此时，则有 I C I C

A V =

β⋅(R c //R L )

r be

=

β⋅(R c //R L ) (R c //R L ) ⋅I e

=

⋅26mv 26mv

(

Ic

)

该公式说明此电路的电压放大倍数于三级管的β值无关（前提β足够大，一般的话分立元件的小信号放大器的值都挺大的）。

因此在设计放大电路，我们可以从A V 的表达式入手，来研究如何设计一个电路，抓住重点，从众多参数找出影响放大电路重中之重的参数进行分析设计，可以节省我们重复设计的时

间。

接下来我们来讲一下，如何才能保证一个放大电路能进行不失真放大呢？

保证三极管处于放大区，这就要求，三极管的发射结正偏，集电结反偏（即如图所示

V be >0, V bc

Vo

+

VS

-

图4

首先，有直流偏置的话（即R b 1, R b 2），就保证了V be =0.7V, 这时就要看V be 了

V be =0.7V ，V bc 0. 7v

实验表明，当V ce 刚好到0. 7V 时，就开始出现饱和失真（饱和失真和截止失真只需要考虑一种即可）

从电路的结构，分析饱和失真能让我们真正了解此电路 首先说明的是，我们的三极管是属于电流控制器件（通过控制基级电流达到控制输出电流的目的）因此我们就用电流来分析此电路才是正确的。

由上图可知I c (R c +R e ) +V ce =V cc （我们只分析直流）由于电容有隔直的作用，就可以看出开路）

在这里我们只谈论三极管饱和时，流过集电极有一个最大不失真电流I max 即有关系式为：I m ax (R e +R c ) +0. 7V =V cc 即I max =

三极管的工作原理就是将输入正弦波电压信号先转换为流过r be 的电流信号i b ，再搭载在三

V cc -0. 7

R c +R e

极管的静态工作电流I BQ 上，进行有效放大

图5

这样再将通过隔直电容C2，, ∆i c (R c //R L ) =∆v o 得到交流的输出电压v o 再者，我们来讨论如何正确确定该电路的静态工作点呢？

如果放大的电流信号不是很大的，其静态工作点活动区间就很大，图中阴影部分就是I CQ 能被设置静态电流活动区间

但该放大电流信号需要放大很多，电源电压有限的情况下，I CQ 就会慢慢向

I max

靠近才会2

得到不失真放大。

则得2I CQ =

V cc -0. 7

R c +R e (R c //R L ) I CQ

26mv

(我们假设R L 为∞，实际只需要将R L =(6-9) R c ，即可达到

又

A V =

效果） 则A V =

R c I CQ 26mv

⎧R c I CQ =26mv ⋅A V ⎫⎪⎪⎪⎪V -0. 7cc ∴⎨⎬

⎪I CQ =⎪

⎪⎪R c +R e ⎩⎭

∴I CQ

V cc -0. 7

26mv ⋅A V ==

R c +R e R c

V cc -0. 7R V -0. 7V 即1+e = =cc

R c 26mv ⋅A V 52mv ⋅A V

即

R e V cc -0. 7-52mv ⋅A V

=(最低要求V cc -0. 7-52mv ⋅A V >0，最好实际取值要留一些R c 52mv ⋅A V

余量）

当然这只分析其交流特性（不可能，V cc 的取值只与A V 有关，还应该与输入信号有关） 下面来分析其交流特性，会对电源V cc 有何要求

假设为无穷大，就相

当于开路

图6

从交流电路可以看出来

(此时，我们可以从极限的思想来帮助我们理解，当输入为1HZ 的交流电。其特性相当于直流特点，也就是说直流特点是交流特性ω=0一种特列来帮助我们分析问题）。 即可得到：V RC +V ce +V ces +V EQ =V cc

作为一般来讲的话，实际取值的V EQ 是在1V 以下取值如果A V ⋅V S ≥2V , V EQ 是可以忽略不计的（工程思想)

就大致取V EQ =1V

即 2V opp +1. 7V =V CC

即可说明电源电压要取到V cc >2A V ⋅V i +(1-2) V 的样子就可以

设计任务：设计一个放大电路，要求在+7V波，用500欧作最后负载测量。

只能使用β=185的S8050做此题。（波形无明显失真）

Vi

Vo

+

500欧

VS

-

V ce =7V -I c (R C +R e ) A V =

β⋅(R c //R L )

r be

我们假设R L 为∞大。则有A V =由于A V =100=

βR e

r be

=

R c I c

26mv

R C I C

，即R C I C =2.6V 26mv

又 放大倍数越高，三极管会出现饱和。

∴I max =

V cc -0. 7V

R c +R e

又因为I m ax =2I c ，这样才会使波形得到最大不失真输出，即负载线中点.

∴I e =

R 2. 6V 3. 15

即 1+e = 即R c ≈4. 7R e R C R c 2. 6

设R c =3K

∴I c =0. 86mA ∴R e =0.63K ∴V EQ =0.54V

作为500欧的轻负载要求达到2V 峰值

即最大需电流4mA , 共射电路肯定

R b 1

⨯7V =1. 24v

R b 1+R b 2

I b =

I c

β

=

0. 86mA

185

∴R 总=

7V 7V

==150K 10I b 185

∴

R b 11. 24V

= R 总7V

∴

R b 1=26K R b 2=124K