单管交流放大电路
一、实验目的
（1）熟悉晶体管的管型、管脚和电解电容器的极性。
（2）测量单管放大电路的电压增益，并比较测量值与计算值。
（3）测定单级共射放大电路输入与输出波形的相位关系。
（4）测定负载电阻对电压增益的影响。
（5）熟悉放大器静态工作点的调试方法以及静态工作点变化对放大器性能的影响。
二、实验器材
虚拟实验设备
? 操作系统为Windows XP的计算机
? Electronics Workbench Multisim 8.x～9.x电子线路仿真软件
? 示波器 Oscilloscope
? 直流稳压源
? 数字万用表
? 函数信号发生器
? 电阻（2KΩ，1/4W）
1台 1个 1个 1台 2个 1个 1个 2个 2个
1个 （6）研究放大器的动态性能。
电阻（5.1KΩ，1/4W）
电阻（680Ω，1/4W）
电阻（4.7KΩ，1/4W）
电解电容（10μF，25V） ? 电解电容（47μF，25V） ? NPN型晶体管2N3903
实际工程实验设备 ? 模拟实验箱
? 函数信号发生器 DF1647
? 双踪示波器 DF4320
? 数字万用表 DT9806
? 晶体管毫伏表 DF2173B
? 电阻（2KΩ，1/4W）
? 电阻（5.1KΩ，1/4W）
? 电阻（680Ω，1/4W）
? 电阻（4.7KΩ，1/4W）
? 电解电容（10μF，25V） ? 电解电容（47μF，25V） ? NPN型晶体管2N3903
三、实验原理及实验电路
晶体三极管由半导体材料硅或锗制成。各种管的外形和管芯在制造工艺上各有不同，但最基本的结构只有NPN型和PNP型两种，管芯内部包含由两个PN结组成的三个区（发
射区、基区、集电区）。
三极管的工作状态可以分为以下三个区域：
（1）截止区
减小基极电流IB、集电极电流IC也随着减小，当IB=0时，IC≈0，即特性曲线几乎与横轴重合，这时，三极管相当于一个断开的开关。
（2）饱和区
三极管的发射结、集电结均处于正向偏置，IC基本上不受IB控制（IC≠βIB），晶体管失去了电流放大作用。这时，VCE很小，晶体管相当于一个接通的开关，使电源电压VCC几乎全加到集电极电阻RC上。
（3）放大区
发射结正向偏置、集电结反向偏置，IC的变化取决于IB（IC=βIB），基本上与VCE无关，晶体管具有电流放大作用。这时晶体管工作于线性放大区。
截止、放大、饱和三个区的VBE数值见表2-1。
晶体管应工作在放大区，如果静态工作点选择不当，或输入信号过大，都会使输出波形产生非线性失真。一般采用改变偏置电阻RB的方法来调节静态工作点。当放大器的输入信号幅值较小时，在保证输出电压波形不失真的条件下，常选取较低的静态工作点，以降低放大器噪声和电源的能量损耗。实际使用中，常通过测量RC上电压的方法来测量集电极电流IC。
放大器的电压增益Au可用交流输出电压峰值Uop除以输入电压峰值Uip来计算
在单级共射放大器中，集电极等效交流负载电阻R?为
晶体管的输入电阻rbe可估算为
r?300(1??)
式中，IE为静态发射极电流，也可用静态集电极电流ICQ来代替。
当发射极旁路电容CE的容量足够大时，CE的容抗近似于零，CE与发射极电阻RE的并联总阻抗也近似于零，晶体管的发射极相当于交流接地，则电压增益的计算公式为
放大器的输入电阻Ri为分压电阻RB1，RB2及晶体管输入电阻rbe三者的并联值，即
Ri=RB1∥RB2∥rbe
输出电阻Ro近似等于集电极负载电阻RE，则有
当发射极旁路电容CE断开时，在发射极电阻上产生串联电流负反馈，则电压增益为
beLr?(1??)R E
这时输入电阻Ri为RB1，RB2和[rbe+（1+β）RE]的并联值，即
Ri=RB1∥RB2∥[rbe+（1+β）RE]
输出电阻Ro仍近似等于集电极负载电阻RC。
单管交流放大电路实验原理图
四、实验预习内容
1、阅读实验指导书附录中有关晶体管的管脚识别部分；根据实验要求，拟定晶体管的管脚识别测量实验的操作过程。
2、了解实验内容，掌握放大器的静态和动态的测试方法，明确实验目的。
3、阅读有关的实验测量仪器设备的结构原理及使用方法。
4、电路如图2-1所示。设晶体管：β=60，RB1=4.7KΩ，RB2=2KΩ，RC=2 KΩ，RE=680Ω，试计算：
（1）静态工作点值：IEQ、ICQ、UCEQ和rbe。
（2）求RL=∞和RL=4.7 KΩ两种情况下，放大器的电压放大倍数。
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第二章2.1放大电路的基本原理放大的概念2.2 2.3 2.42.5 2.6 2.7 2.8单管共发射极放大电路 放大电路的主要技术指标 放大电路的基本分析方法工作点的稳定问题 放大电路的三种基本组态 场效应管放大电路 多级放大电路2.1放大的概念本质：实现能量的控制。 在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入 信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动 负载。 小能量对大能量的控制作用称为放大作用。放大的对象是变化量。核心元件：双极型三极管和场效应管。2.2 单管共发射极放大电路2.2.1单管共射极放大电路的 结构及各元件的作用放大元件iC=?iB， 工作在放大区，要 保证集电结反偏， 发射结正偏。Cb1+Cb2 T Rc RL VCC++ui +Rb VBBuo -各元件作用：使发射结正偏， 并提供适当的静IB 和UBE。 Cb1+集电极电阻RC， 将变化的电流转 变为变化的电压。Cb2 T++基极电源与 基极电阻Rc RL VCC uo 集电极电源，为电路提供能量。 并保证集电结反 偏。ui +Rb VBB各元件作用：耦合电容：电解电容，有极性， 大小为10?F~50?F作用：隔直通交隔离 输入输出与电路直流 的联系，同时能使信 号顺利输入输出。Cb1 +++Cb2T++Rc RL VCC uo -ui +Rb VBB2.2.2 单管共发射极放大电路的工作原理一、放大作用：Δ uΙ ? Δ uB E ? Δ iB ? Δ iC ( ? ?Δ iB ) Δ uO ? Δ uCE ( ? ?Δ iC RC ) ? ?ΔuO ? ΔuΙ 实现了放大作用。图 2.2.1单管共射放大电路 的原理电路 图 2.2.1 单管共射放大电路的原理电路二、组成放大电路的原则：（判 断电路能否放大的依据）1. 外加直流电源的极性 必须使发射结正偏，集 电结反偏。则有：Δ i C ? ?Δ i B 2. 输入回路的接法应使输入电压 ? u? 能够传送到三 极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量 ? iB。 3. 输出回路的接法应使变化量 ? iC 能够转化为变化 量 ? uCE，并传送到放大电路的输出端。三、原理电路的缺点：1. 双电源供电； 2. uI、uO 不共地。四、单管共射放大电路基本放大电路的习惯画法C1 、C2 ：为隔直电容或耦合电容； RL：为负载电阻。 该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。2.3放大电路的主要技术指标? 电流放大倍数 ( A )i一、放大倍数? 电压放大倍数 ( Au )? Uo ? Au ? ? Ui? Io ? Ai ? ? Ii图 2.3.1放大电路技术指标测试示意图二、最大输出幅度在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供 给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值表 示，或有效值表示(Uom 、Iom)。三、非线性失真系数 D所有谐波总量与基波成分之比，即2 2 U2 ? U3 ? ?U1 四、输入电阻 Ri 从放大电路输入端看进去的等 效电阻。D?? Ui Ri ? ? Ii输入电阻Ri――从放大电路输入端看进去的等效电阻Ri=ui / iiii+io+RS uS 信号源+++ui +Ri放大电路uo +RLRi负载一般来说， Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。五、输出电阻 Ro+? Uo 从放大电路输出端看进去的等效电阻。 o ? R ? Io ii ioRS uS 信号源? U S ?0 RL ? ?+放大电路 Ri++ui +Ro uo+uo +RL?? ? RL 的输出电压 U o 、U 。 o ?? U o RL ?? ? Uo Uo ? Ro ? ( ? ? 1) RL Ro ? RL Uo 输出电阻愈小，带载能力愈强。Ro 负载 ? 输入端正弦电压 U i ，分别测量空载和输出端接负载Ri六、通频带Aum fL：下限频率1 2AumBW fL fHfH：上限频率图 2.3.2七、最大输出功率与效率输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号 Pom 表示。 ? ：效率 Pom ?? PV：直流电源消耗的功率 PV2.4放大电路的基本分析方法图解法 微变等效电路法基本分析方法两种2.4.1 直流通路与交流通路图 2.2.2(b)图 2.4.1(a)图 2.4.1(b)将交流电压源短路，将电容开路。直流通路的画法：+ VCCR b1 C b1 Rc C b2T+开路 +ui -开路uo RL -.交流通路的画法： ①将直流电压源短路接地，②将电容短路。对交流信号(输入信号ui)+ VCC置零R b1 C b1RcC b2u i 短路 -+T 短路uo RL -.++ VCC直流通路R b1RcT交流通路++T Rc RL+ui R b +uo-2.4.2 静态工作点的近似计算1.静态工作点――Ui=0时电路的工作状态+ VCC由于电源的R b1 C b1ui=0时+IBRcICC b2存在，电路 中存在一组 直流量。ui -+ UBE-+ TUCE IE-uo RL -.+由于(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入、输出特性曲 线上的一个点，所以称为静态工作点(直流工作点）。放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性放大区，以保证信号不失真。 为什么要设置静态工作点？IBICIBQQUBE UBEQICQQIBUCEQUCE2.4.2 静态工作点的近似计算VCC ? U B EQ IB Q ? Rb硅管 UBEQ = (0.6 ~ 0.8) Vc b ICQ锗管 UBEQ = (0.1 ~ 0.2) VICQ ? ? IBQ UCEQ = VCC C ICQ RCIBQeUCEQ图 2.4.1(a)Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。【例】图示单管共射放大电路中，VCC = 12 V， Rc = 3 k?，Rb = 280 k?，NPN 硅管的 ? = 50，试估算静 态工作点。 解：设 UBEQ = 0.7 VI BQ ? VCC ? U B EQ Rb 12 ? 0.7 ?( ) mA 280 ? 40 ?AICQ ? ? IBQ = (50 ? 0.04) mA = 2 mA 图 2.4.2(a) UCEQ = VCC C ICQ Rc = (12 ? 2 ? 3)V = 6 V2.4.3 图解法在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方 法求解放大电路的工作情况。一、图解法的过程(一)图解分析静态1. 先用估算的方法计算输入回路 IBQ、 UBEQ。2. 用图解法确定输出回路静态值 方法：根据 uCE = VCC ? iCRc 式确定两个特殊点当 iC ? 0 时，uCE ? VCC 当 uCE VCC ? 0 时，iC ? Rc直流负载线输出回路iC ? 0，uCE ? VCC uCE VCC ? 0，iC ? RC输出特性图 2.4.3直流负载线Q由静态工作点 Q 确 定 的 ICQ 、 UCEQ 为静态值。【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知 Rb = 280 k?，Rc = 3 k? ，集电极直流电源 VCC = 12 V， 试用图解法确定静态工作点。 解：首先估算 IBQRb 12 ? 0.7 ?( )mA ? 40 μA 280 做直流负载线，确定 Q 点 IBQ ? VCC ? U B EQ根据 UCEQ = VCC C ICQ Rc iC = 0，uCE = 12 V ； uCE = 0，iC = 4 mA .图 2.4.3(a)iC /mA4 380 ? A60 ? A静态工作点 40 ? A2 1 0Q20 ? A M2 4 6 8 10 12iB = 0 ? AuCE /V图 2.4.3(b)由 Q 点确定静态值为： IBQ = 40 ? ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V. A(二) 图解分析动态1. 交流通路的输出回路输出端接负载RL：不影响Q影响动态！输出通路的外电路是 Rc 和 RL 的并联。2. 交流负载线 交流负载线斜率为：? 1 ? ，其中 RL ? RC // RL ? RLiC / mA图 2.4.4交流负载线 静态工作点交流负载线的作法：①斜 率为-1/R'L 。（ R'L= RL∥Rc ） ②经过Q点。 OIBQ 图 2.4.5(b)uCE /V交流负载线的作法： iCVCC RC①斜 率为-1/R'L 。 （ R'L= RL∥Rc ） ②经过Q点。交流负载线直流负载线 QIBiCE注意：VCC（1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。3. 用图解法分析放大器的动态工作情况 1. 交流放大原理（设输出空载） iB 静态工作点 iCibicQibuiuBEiCEuce假设在静态工作点的基础上，输 入一微小的正弦信号 ui注意：uce与ui反相！各点波形+ VCCR b1 Rc Cb 2uCE uoiCCb 1ui iBuo比ui幅度放大且相位相反2. 动态工作情况图解分析（有载）iB60 4020iB / ? AQ?iB0uBE/V t0 00.68 0.7 0.72?uBEuBE/V图 2.4.5(a)输入回路工作情况tUBEiC / mA iC / mA4交流负载线 80 60ICQ?iC 2QIB = 4 0 ?A20 直流负载线 00t0 04.5?uCE67.5912 uCE/V图 2.4.5(b)输出回路工作 情况分析uCE/V t UCEQΔuO ΔuCE Au ? ? ΔuI ΔuBE结论：（1）单管共射放大电路 当输入正弦波 uI 时，电路中的 信号是交直流共存，可表示成：uBE?UBBE b c?ubei ? I ?iB C Ci ? I ?i uCE?UCE?uce（2）输出uo与输入ui相比，幅度 被放大了，频率不变，但相位相反。图 2.4.6 单管共射放大电路的 电压电流波形二、图解法的应用(一)用图解法分析非线性失真 1. 静态工作点 过低，引起 iB、iC、 uCE 的波形失真 ―― 截止失真IBQOiB / ? AiB / ? Aib Q t OOuBE/V uBE/VQ点过低→信号进入截止区结论：iB 波形失真tuiiC 、 uCE (uo )波形失真iC / mA iCNPN 管截止失真时 的输出 uo 波形。uo顶部失真ICQOQtO OUCEQuCE/V uCE/Vtuo = uce2.Q点过高→信号进入饱和区iC信号波形NPN 管饱和失真时 的输出 uo 波形。uCE 称为饱和失真 uo截止失真和饱和失真 统称“非线性失真”(二)用图解法估算最大输出幅度 输出波形没有 明显失真时能够输 出最大电压 。即输 出特性的 A、B 所 限定的范围。U om CD DE ? ? 2 2iC / mA A交流负载线QBiB = 0 OCDEuCE/VQ 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB，CD = DE合适的静态工作点 iC ib 可输出 的最大 不失真 信号uCE uo(三)用图解法分析电路参数对静态工作点的影响 2. 改变 VCC，保持 Rb， 1. 改变 Rb，保持 Rc ，? 不变； VCC ，Rc ，? 不变；iC iCQ3 Q1 OIBQ2uCEQ2Q1 OIB图 2.4.9(a)图 2.4.9(b)uCERb 增大， Q 点下移； Rb 减小， Q 点上移；升高 VCC，直流负载线平 行右移，动态工作范围增大， 但管子的动态功耗也增大。
图解法小结1. 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性 失真的关系； 2. 方便估算最大输出幅值的数值； 3. 可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4. 有利于对静态工作点 Q 的检测等。晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近 2.4.4 微变等效电路法的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路ic ib T++可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所条件：交流小信号 组成的放大电路等效为一个线性电路。ib++ic 二端口 网络++++u be +u ce +u be + -u ce +微变等效条件研究的对象仅仅是变化量信号的变化范围很小一、简化的 h 参数微变等效电路(一) 三极管的微变等效电路 1. 输入电路 晶体管的输入特性曲线 ? Q 点附近的工作段 近似地看成直线 ? 可认为 ?uBE 与 ?iB 成正比iB?iBQ?uB E rbe ? ?iB UCE ? 常数?uBEO图 2.4.10(a)uBErbe ：晶体管的输入电阻。 在小信号的条件下，rbe 是一常 数。晶体管的输入电路可用 rbe 等效 代替。2. 输出电路 假设在 Q 点附近特性曲线基本上是水平的(?iC 与 ?uCE 无关)，数量关系上， ?iC 是 ?iB 的 ? 倍； 从三极管输出端看， 可以用 ? ?iB 恒流源代 替三极管；iC Q该恒流源为受控源； ? ?i B 为 iB 对 iC 的控制。O?iBuCE图 2.4.10(b)3. 三极管的简化参数等效电路? iC ? iBc+? iB? iCc+b+?uBE?b+ ?uBE??uCErbe? ?iB ?uCErce??e图 2.4.11e 三极管的简化 h 参数等效电路注意：这里忽略了 uCE 对 iC与输出特性的影响，在 大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说 误差很小。4. 电压放大倍数 Au；输入电阻 Ri、输出电阻 RO+VCC Rb C1 + Rc C2 + VT RL? Ib b+? Icc+b++? Ui? UO?? Ui R?rbe?? ?I beRc? Uo RL?图 2.4.12单管共射放大电路的等效电路? ? Uo ? RL ?u ? 所以 A ?? ? rbe Ui? Uo ? Au ? ? Ui? ? 而 U i ? I b rbe? ? ? ? U o ? ? I c RL ? ?I b ? ( RL ? Rc // RL )负载电阻越小，放大倍数越小。输入电阻的计算：根据输入电阻的定义： i? Rb //rbe ? rbeui-Rb Rir beβ ibRc RoRL uo-电路的输入电阻越大，从信号源取 得的电流越小，因此一般总是希望得到 较大的的输入电阻。..Ri ?ui ii+iibic+当信号源有内阻时：定义：uo A u＝ ui uo Aus ＝ usRS uS ++ui -放大 Ri 电路+RLuO -Ri 由图知： ui ＝ R ? R us i s所以： A ＝ uo ? uo ui ＝ ususui usRi Au Ri ? Rs一般总是希望得到较大的的输入电阻。
(二) rbe 的近似估算公式 rbb? ：基区体电阻。 iC cre?b? ：基射之间结电阻。iB bre? ：发射区体电阻，一般 只有几rbb?re?b? e?re?b?　　欧姆，可忽略。 UT 26 re?b? ? ? I EQ I EQUT ：温度电压当量。rbe ? duB E 26 ? rbb? ? (1 ? ? ) di B I EQiE e 图 2.4.13低频、小功率管 rbb? 约为 300 ? 。讨论因：电流放大倍数与电压放大倍数之间关系? ? ? ? ?RL Au rbe 26 rbe ? 300 ? (1 ? ? ) I EQ1. 当 IEQ 一定时， ? 愈大则 rbe 也愈大，选用 ? 值 较大的三极管其 Au 并不能按比例地提高； 2. 当 ? 值一定时，IEQ 愈大则 rbe 愈小，可以得到较 大的 Au ，这种方法比较有效。(三) 等效电路法的步骤(归纳)1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路 的静态工作点 Q 。2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数 ? 和 rbe 。 3. 画出放大电路的微变等效电路。可先画出三 极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交 流通路。 4. 列出电路方程并求解。二、 微变等效电路法的应用例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放 大倍数和输入、输出电阻。? 1. 计算电压放大倍数 Au+VCC Rb C1 + + ? Ui ? RcC2 ++ VT? Ib b+? Ice? Iec +ReRL? UO?? U i Rb?rbe? ?I b R cRe? RLU o?图 2.4.14接有发射极电阻的放大电路
2. 放大电路的输入电阻 ? Ui Ri ? ? ? ?rbe ? (1 ? ? ) Re ?// Rb Ii引 入 Re 后，输入电阻 增大了。? ? I Ic c3. 放大电路的输出电阻将放大电路的输入 端短路，负载电阻 RL 开 路 ，忽略 c 、e 之间的 内电阻 rce 。? I ?b b I b b+c c+? R U i Rbbrbe rbe? Ie ? IeeRe Re? ? ?I b R ?I b Rc c? RLU o RL?Ro ? Rc?e图 2.4.14(b)例 如 图 ， 已 知 BJT 的 β =100， VBE=-0.2V。 （1）试求该电路的静态工作点； （2）画出简化的小信号等效电路； （3）求该电路的电压增益AV， 输出电阻Ro、输入电阻Ri。解（1）求Q点，作直流通路VCC ? VBE ? 12 ? (?0.2) IB ? ? ? ?40uA Rb 300K I C ? β I B ? 100 ? (?40) ? ?4mA VCE ? VCC ? I C Rc ? ?12 ? 4 ? 2 ? ?4V+ -直流通路2. 画出小信号等效电路 3. 求电压增益rbe ? 200? ? (1 ? ? ) 26( mV) I EQ ( mA)? IbVii v?? Ic I?b Rc? RL VO＝200+（1+100）26/4=865欧Rb? ? VO ? I c ? ( Rc // RL ) ? AV ? ? ? ? Vi I b ? rbe ? ? ? ? I b ? ( Rc // RL ) ? ? ( Rc // RL ) ???? ? ?? ? ?155 .6 ? ?r I rb be be4. 求输入电阻? Vi Ri ? ? Rb // rbe ? Ii ? 865 ?5. 求输出电阻 Ro = Rc =2K 6.非线性失真判断 底部失真即截止失真 基极电流太小，应减小 基极电阻。I?bVii v?? Ic I?b Rc? RL VORbust uot2.5工作点的稳定问题2.5.1 温度对静态工作点的影响三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管 子参数的影响主要表现有：UBET变? 变ICEOIC变1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 C2 mV/?C，即温度每 升高 1?C，UBE 约下降 2 mV 。iB50? C 25 ? CTUBEIB IC2. ? 改变。温度每升高 1?C， ? 值约增加 0.5% ~ 1 %， ? 温度系数分散性较大。 3. ICBO 改变。温度每升高 10?C ，ICBQ 大致将增加一倍，说 明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。uBE温度升高将导致 IC 增大，Q 上移。波形容易失真。iCVCC RCT = 20 ?CQ?T = 50 ?CQ OiBVCCuCE图 2.5.1温度对 Q 点和输出 波形的影响2.5.2 静态工作点稳定电路一、电路组成――分压式偏置电路 R b2 U ? V BQ R ? R CCb1 b2+VCC Rb2 iR C1 iB +uBRc + C2 iC uE+ uo?+UB稳定ui Rb1?iE ReRL + Ce由于 UBQ 不随温度变化，T ? ? ICQ ? ? IEQ ? ? UEQ ? ? UBEQ (= UBQ C UEQ) ? ? IBQ ? ? ICQ ? ――电流负反馈式工作点稳定电路过程图 2.5.2分压式工作点稳定电路二、静态与动态分析静态分析 由于 IR && IBQ， 可得(估算) Rb1 U BQ ? VCC Rb1 ? Rb2+VCCC2 ICQ + RL IEQ Ce uo?U EQ U B Q ? U B EQ 则 I CQ ? I EQ ? ? Re Re U CEQ ? VCC ? I CQ Rc ? I EQ Re? VCC ? I CQ ( Rc ? Re )静态基极电流IB Q ?I CQ?Rc Rb2 iR Rb2 + IBQ C1 iB iC + + uB u iE E ui Rb1 Rb1 IR + Re?动态分析画出放大器的微变等效电路（1）画出放大器的交流通路? ????? ? ? ? ? RL Au rbe? RL ? Rc // RLi? U+ + u Rb1 ui i Rb1Rb2 i Rb2 R C1 iB ++VCC （2）将交流通路中的三极管用h参 +VCC 数等效电路代替 Rc Rc C ? ? Ic Ib + 2+ b c + iC + +Rb1 Rb2 rbeiE RLRLuo uo Re + Ce Re? ?I beRcRL? Uo?Ri ? rbe // Rb1 // Rb2 Ro ? Rc2.6放大电路的三种基本组态共射组态CE 共集组态CC 共基组态CB+VCC C2 + RL三种基本接法2.6.1 共集电极放大电路Rb C1 +? RS+ ? Uo?? ? I i b Ib +(b )等效电路 ? ? Ie Io e rbe +RS? + Us ~?Re?? US ~ ??? + U i_? ? Ibc? UO? Ic _? Re图 2.6.1共集电极放大电路(a)电路图――为射极输出器一、静态工作点由基极回路求得静态基极电流+ VCC VCC ? I BQ Rb ? U BEQ ? I EQ Re RbIBUBE UCE则? I R ?UBQ bBEQ? (1 ? β ) I RBQeIBQ?VbCC?UBEQ eR ? (1 ? ? ) RBQReIEUICQ? βICCCEQ?V? I R ?VEQ eCC?I RCQe二. 动态分析交流通道及微变等效电路RS+ ++ VCC Rb C1 T C2 Re RL ui +ii RS uS + +ibbcic β ib+uS -uo -rbeeui RiRb Re Ri+? RS? ? I i b Ib +erbe? Ie+? Iou RL o -?? US ~ ??? + U_i? ? Ib? UO? Ic _ cRe?1、放大倍数计算电流放大倍数? ? Ii ? Ib? ? I o ? ? I e 所以? RS? ? I i b Ib +erbe? Ie+? Io?? US ~ ? ? ? ? ? I o ? ? I e ? ?(1 ? ? ) ? Ai ? ? I Ii b? + U i_? ? Ibc? UO? Ic _? Re电压放大倍数(b)等效电路? ? ? ? ? Uo ? I e Re ? (1 ? ? ) I b Re? U (1 ? ? ) R? e ? A ? o ? u ? U r ? (1 ? ? ) R?i be e?1? ? ? ? ? ? ? U i ? I b rbe ? I e Re ? I b rbe ? (1 ? ? ) I b Re? Re ? Re // RL结论：电压放大倍数恒小于 1，而接近 1，且输出电 压与输入电压同相，又称射极跟随器。2、输入电阻先不考虑Rb? RS? ? I i b Ib +erbe? Ie+? Io? ? ? ? U i ? I b rbe ? I e Re?? US ~ ??? + U i_? ? Ibc? UO? Ic _? Re? U i ? r ? (1 ? ? ) R? R’i R' ? i I be e ? i ? U 若考虑Rb则 R ? i ? [ r ? (1 ? ? ) R? ] // Rb i be e ? I i输入电阻较大。3、输出电阻? ? U o ? ? I b ( rbe ? Rs? ) 式中而 所以b? Ibrbee? Ie? Io+Rs? ? Rs // Rb? RS? ? ? I ? ? I ? ?(1 ? ? ) I o e b ? U r ? R? s R' ? o ? be o I ? 1? ? o r ? R? s // Re R ? be o 1? ?? ? Ib ? IccRo_~? UO图 2.6.2求射极输出器 Ro 的等效电路输出电阻低，故带载能力比较强。射极输出器的特点：电压放大倍数≈1，输入阻抗高，输出阻抗小。射极输出器的应用1、放在多级放大器的输入端，提高整个放 大器的输入电阻。2、放在多级放大器的输出端，减小整个放 大器的输出电阻。 2、放在两级之间，起缓冲作用。2.6.2 共基极放大电路C1 +? UiVT Re VEE(a)原理电路+ RcC2 +C1 ++ Rb2C2 ++? U i Re+RL VCC? UO+ Cb Rb1Rc ? RL U OVCC ____(b)实际电路图 2.6.3共基极放大电路VEE 保 证 发 射 结 正 偏 ； VCC 保证集电结反偏；三极管 工作在放大区。实际电路采用一个电 源 VCC ，用 Rb1、Rb2 分 压提供基极正偏电压。U BQ ? U BEQ 1 Rb1 I EQ ? ? ( VCC ? U BEQ ) ? I CQ Re Re Rb1 ? Rb2 I EQ I BQ ? 1? ? U CEQ ? VCC ? I CQ Rc ? I EQ Re C1 C2 ? VCC ? I CQ ( Rc ? Re ) + + + + + VCC Rc Rc Rb1 Rb2 ? ? Re RL U O Ui + Rb1 VCC _ _ Cb Rb2Re一、静态工作点(IBQ , ICQ , UCEQ)图 2.6.3(b)实际电路二、电流放大倍数微变等效电路 由图可得：? ? Ii ? ? Ie , ? ? Io ? Ic? Ui? Ii? Ie ? Ibe? IC? ? Ibc +? IO+Rerbe b? UO? RL__ 共基极放大电路的等效电路图 2.6.4? ? Io Ic ? Ai ? ? ? ? ? ? ?? 所以 Ii Ie 由于 ? 小于 1 而近似等于 1 ，所以共基极放电电路 没有电流放大作用。三、电压放大倍数由微变等效电路可得+? Ii? Ie ? Ibe? IC? ? Ibc +? IO所以? ? U i ? ? I b rbe ? ? ? U o ? ? ? I b RL ? ? U o ? RL ? ? Au ? ? U ri be? UiRerbeb 图 2.6.4? UO? RL__共基极放大电路没有电流放大作用，但是具有电压放 大作用。电压放大倍数与共射电路相等，但没有负号，说 明该电路输入、输出信号同相位。四、输入电阻暂不考虑电阻 Re 的作用? ? ?I r r U b be ? be i ? R' ? i I ? ? ? (1 ? ? ) I 1? ? i b? Ii? Ie ? Ibe? IC? ? Ibc +? IO? Ui+Rerbe? UO? RLr r R ? be // Re ? be i 1? ? 1? ?RS uS +__ b图 2.6.4 ic eβ ib Rcii+iec++ui RiRe i b rbebRL u o +Riii RS uS + +ieeic β ibc++ui RiRe i b rbebRcRL u o +五、输出电阻暂不考虑电阻 Rc 的作用RiR’o ? rcb . 已知共射输出电阻 rce ，而 rcb 比 rce大 得多，可认为 rcb ? (1 + ?)rce 如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输 Ro = Rc // rcb ? Rc 出电阻为2.6.3 三种基本组态的比较组态 性能 共 射 组 态+VCC共 集 组 态+VCC + Re C2 RL? UO?共 基 组 态C1 + +? U i Re电RbC1 + +? Ui?Rc+C2 RLC1? UO?Rb++ C2 + Rb2? RL U O路++? Ui?+_+ CbRb1VCC _? Ai? Au大 ? (几十 ~ 一百以上)? (1 ? ? ) 大 (几十 ~ 一百以上)小(小于、近于 1 )小??大(十几 ~ 一几百)?? ?RL rbe? (1 ? ? ) Re ? rbe ? (1 ? ? ) Re大(数值同共射 电路，但同相)? ?RL rbe2.6.3 三种基本组态的比较组态 性能 共 射 组 态 共 集 组 态 共 基 组 态Ri中 (几百欧~几千欧)rbe大 (几十千欧以上)? rbe ? (1 ? ? ) Re小 (几欧 ~几十欧) rbe 1? ?Ro小 大 中 (几十千欧~几百千欧) (几欧 ~ 几十欧) (几百千欧 ~几兆欧) rce? rbe ? Rs 1? ?较好(1 ? ? )rce好频率 响应差小结：三种组态。（1）共射――AU较大，Ri、Ro适中，常用作电压放大。 （2）共集――AU≈1，Ri大、Ro小，适用于信号跟随、信 号隔离等。 （3）共基――AU较大，Ri小，频带宽，适用于放大高频 信号。2.7场效应管放大电路2.7.1 场效应管的特点1. 场效应管是电压控制元件； 2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高； 3. 一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及 辐射影响小； 4. 制造工艺简单，有利于大规模集成； 5. 存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接 地良好，防止漏电击穿管子；6. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管 单极型场效应管载流子控制多子扩散少子漂移电流控制电流源少子漂移电压控制电流源输入电阻噪声 静电影响几十到几千欧较大 不受静电影响几兆欧以上较小 易受静电影响制造工艺不宜大规模集成适宜大规模和超大 规模集成2.7.2 共源极放大电路图示电路为 N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放 大电路。 与双极型三极管对应关系 b?G, e?S, c?D 为了使场效应管 工作在恒流区实现放 大作用，应满足：uG S ? U T uDS ? uG S ? U T图 2.7.3 RG uI ~?RDiDD G+VTSuO ?+VDDVGG共源极放大电路原理电路(UT：开启电压)一、静态分析两种方法近似估算法 图解法+ uI ~ ? VGG 图 2.7.3 RGGRD iDD +VTS uOVDD(一) 近似估算法 MOS 管栅极电流 为零，当 uI = 0 时 UGSQ = VGG?而 iD 与 uGS 之间近似满足共源极放大电路原理电路uG S iD ? I DO ( ? 1)2 UT(当 uGS & UT) 式中 IDO 为 uGS = 2UT 时的值。则静态漏极电流为 U GSQ I DQ ? I DO ( ? 1)2 UTU DSQ ? VDD ? I DQ RD(二) 图解法 利用式 uDS = VDD ? iDRD 画出直流负载线。图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。VDD RDIDQQUDSQVDD图 2.7.4 用图解法分析共源极 放大电路的 Q 点二、动态分析1. 微变等效电路?iD 的全微分为di D ?iD ? f ( uGS , uDS )?i D ?i duGS ? D duDS ?uGS U DS ?uDS U GS上式中定义：?i D gm ? ?uGS U―― 场效应管的跨导(毫西门子 mS)。DS?i D 1 ? rDS ?uDS U GS―― 场效应管漏源之间等效电阻。动态分析如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。 成为： 根据上式做等效电路如图所示。1 ? ? ? I d ? gmU gs ? U dS rDS由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。? gmU gs 是一个受控源。G? Id++D―? U gs―? gmU gs? U ds rDS图 2.7.5S 场效应管的微变等效电路微变参数 gm 和 rDS(1) 根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2) 用求导的方法计算 gmdiD 2 I DO uG S 2 gm ? ? ( ? 1) ? I DO iD duG S UT UT UT在 Q 点附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，则2 gm ? UTI DO I DQ一般 gm 约为 0.1 至 20 mS。 rDS 为几百千欧的数量 级。当 RD 比 rDS 小得多时，可认为等效电路的 rDS 开路。2. 共源极放大电路的动态性能将 rDS 开路iD RG G u+I ?RDD S?+? ? U i ? U gs而 ? ? ? U o ? ? I d RD ? ? gmU gs RD 所以? Uo ? Au ? ? ? ? gm RD UiVTuOVDD~VGG RG G + +? Id+ D输出电阻? Ui?? U gs?SRo = RD MOS 管输入电阻高达 109 ?。图 2.7.6RD ? gmU gs? Uo?共源极放大电路的微变等效电路2.7.3 分压―自偏压式共源放大电路一、静态分析R2 RD + C2 +VDD(一)近似估算法 根据输入回路列方程+ C1 RG + R1 GDVTS RL + CS+? UoR1 ? ?U GSQ ? R1 ? R 2 VDD ? I DQ RS ? ? ? I ? I (U GSQ ? 1)2 DO ? DQ UT ?? UiRS?图 2.7.7解联立方程求出 UGSQ 和 IDQ。分压 - 自偏式共源 放大电路列输出回路方程求 UDSQ UDSQ = VDD C IDQ(RD + RS) (二)图解法 由式uGS ? U GQ ? iD RS ? R1 VDD ? iD RS R1 ? R2+ S? UiR2 RG + R1RD + D G+VDDC2+RLC1VT? Uo+RS CS?图 2.7.7分压 - 自偏式共源 放大电路可做出一条直线，另外，iD 与 uGS 之间满足转移特性曲 线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定 UGSQ， IDQ 。iD/mAUG Q RS3iD/mAuGS 4.5V 4V 3.5V UGSQ 3V 2V 15 uDS/V VDD2IDQ1VDD 2 RD ? RSQIDQ 16 uGS/V UGQ 0Q5 UDSQ10O2UGSQ4图 2.7.8用图解法分析图 2.7.7 电路的 Q 点根据漏极回路方程 uDS = VDD C iD(RD + RS) 在漏极特性曲线上做直流负载线， 与 uGS = UGSQ 的 交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。二、动态分析微变等效电路入右 图所示。 由图可知G? ? U gs Ui R1 R2― ―? Id DRD RL ? gmU gSS+ RG++ ? U―o? ? ? ? ? U o ? ? I d RD ? ? gmU gs RD? RD ? RD // RL电压放大倍数图 2.7.9 图 2.7.7 电路的 微变等效电路? Uo ? ? Au ? ? ? ? gm RD Ui 输入、输出电阻分别为 Ri ? RG ? ( R1 // R2 )Ro ? RD2.7.4 共漏极放大电路――源极输出器或源极跟随器典型电路如右图所示。R2 D VT + G S + R1 RS +VDD C1 + RG静态分析如下： 分析方法与“分压自偏压式共源电路”类 似，可采用估算法和图 解法。? UiC2+RL? UO?图 2.7.10源极输出器动态分析1. 电压放大倍数G? ? U o ? g mU gs Rs? Rs? ? Rs // RL而 所以? Ui R1 R2―+ RG? + U gS ? S? gmU gsRS RL+ ? U―o? ? ? ? U i ? U gs ? U o ? (1 ? gm Rs? )U gs? ? Uo gm RS ? ? Au ? ? ? U i 1 ? gm RS2. 输入电阻图 2.7.11D 微变等效电路? 可见， Au ? 1，当 gm RS ?? 1 时，Au ? 1 .Ri = RG + ( R1 // R2 )3. 输出电阻? ? 在电路中，外加 U O ，令 U i ? 0 ，并使 RL 开路 ? IO G ? ?S ? Uo + U gS ? ? Io ? ? gmU gs RG RS + ? RS ? Ui ? 0 ~ Uo 因输入端短路，故 ? gmU gs ― R1 R2 ? ? U gs ? ?U o D则 所以图 2.7.11 微变等效电路 ? Uo ? ? ? ? ( 1 ? g )U ? Io ? g mU o m o RS RS ? 实际工作中经常 Uo 1 1 Ro ? ? ? // RS ? 1 使用的是共源、 gm Io gm ? RS 共漏组态。2.8+多级放大电路第二级 A2 第n级 An+ui+第一级 A1uo+三种耦合方式阻容耦合 直接耦合 变压器耦合2.8.1 多级放大电路的耦合方式一、阻容耦合优点：? 各级放大器静态工作点独立。缺点：? 不适合放大缓慢变化的信号。 ? 不便于作成集成电路。? 输出温度漂移比较小。第 一 级Rb1 C1 +? Ui?RC1C2 + VT1Rb2Rc2 C 3 ++VCC +? Uo?第 二 级+VT2RL图 2.8.1阻容耦合放大电路二、直接耦合Rb1 +? Ui?Rc1VT1Rb2Rc2 +VCC+ VT2? UO?图 2.8.2 优点：两个单管放大电路简单的直接耦合 缺点：? 电路中无电容，便于集成化。? 各级放大器静态工作点相互影响。 ? 可放大缓慢变化的信号。 ? 输出温度漂移严重。1. 解决合适静态工作点的几种办法 改进电路―(a) +V Rc1 Rc2 CC Rb1 电路中接入 Re2 ， 保证第一级集电极有 + VT1 VT2 较高的静态电位，但 + ? UO ? Ui Re2 第二级放大倍数严重 ? (a) ? 下降。 改进电路―(b) 稳压管动态电阻 很小，可以使第二级 的放大倍数损失小。 但集电极电压变化范 围减小。Rb1 + ? Rc1VT1RRc2VT2+VCC+? Ui? UOVDZ? (b)改进电路―(c) 可降低第二级的 集电极电位，又不损 失放大倍数。但稳压 管噪声较大。 改进电路―(d) 可获得合适的工 作点。为经常采用的 方式。图 2.8.3+ ? U?Rb1 Rc1 +VDz VT1+V Rc2 CC+ VT2? UO ?? Ui?Rb2(c)Rb1Rc1VT1Re2VT2+VCCiRc2+ ? UO ?(d)直接耦合方式实例2. 零点漂移 直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点， 并缓慢地发生不规则变化的现象。 原因：放大器件的参数受温度影响而使 Q 点不稳定。uI放大电路级数愈多，放 大倍数愈高，零点漂移问题 愈严重。O uOtO 图 2.8.5 零点漂移现象t抑制零点漂移的措施：(1) 引入直流负反馈以稳定 Q 点；(2) 利用热敏元件补偿放大器的零漂；R1 R + uI?iC1Rc VT1+VCC +uB1 VT2 Re R2uO ?图 2.8.6利用热敏元件补偿零漂(3) 采用差分放大电路。三、变压器耦合选择恰当的变比，可在负载上得到尽可能大的输出 功率。 第二级 VT2 、 VT3 组 成推挽式放大 电路，信号正 负半周 VT2、 VT3 轮流导电。图 2.8.8 变压器耦合放大电路优点： (1) 能实现阻抗变换；(2) 静态工作点互相独立。缺点：(1) 变压器笨重；(2) 无法集成化； (3) 直流和缓慢变化信号不能通过变压器。三种耦合方式的比较 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合特点存在 问题 适合 场合各级工作点互 能放大缓慢变 不影响； 化的信号或直流 成分的变化； 结构简单 适合集成化 不能反应直流 有零点漂移现 成分的变化， 象； 不适合集成化 各级工作点互 相影响分立元件交流 放大电路有阻抗变换作用； 各级直流通路互 相隔离。不能反应直流成 分的变化；不适合 放大缓慢变化的信 号； 不适合集成化集成放大电路， 低频功率放大， 直流放大电路 调谐放大2.8.2 多级放大电路的电压放大倍数 和输入、输出电阻一、电压放大倍数总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即? ? ? ? Au ? Au1 ? Au 2 ? ? ? Aun其中， n 为多级放大电路的级数。二、 输入电阻和输出电阻通常，多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电 阻；输出电阻就是输出级的输出电阻。 具体计算时，有时它们不仅仅决定于本级参数，也与 后级或前级的参数有关。2.8.2. 多级放大器的分析1. 两级之间的相互影响? 后级的输入阻抗是前级的负载 ? 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗++A1Ri1ui +Ro1 uo1+uo1 -A2 R o2Ri2 uo2++uo +RLRiRo.. .负载2. 电压放大倍数（以两级为例）? ? U o ? U o1 ? U o ? A ? A ? ? Au u1 u2 . . . U i U o1 Ui? ? ? ? 扩展到n级： Au ? Au1 ? Au2 ? ?? Aun注意：在算前级放大 倍数时，要把后级的 输入阻抗作为前级的 负载！3. 输入电阻Ri=Ri（最前级） (一般情况下）+ ++A1Ri1ui +Ro1 uo1+uo1 -A2 R o2Ri2 uo2+uo +RLRiRo负载4. 输出电阻 Ro=Ro（最后级） (一般情况下）举例1：两级放大电路如下图示，求Q、Au、Ri、Ro 设：?1=?2=?=100，UBE1=UBE2=0.7 V。+V Rb151kRc15.1kRe23.9kCe2 T2CCCb1++T1 Rb2+ 2.7k Ce1+ui+- 20kRe1Rc24.3k uo-+解：（1）求静态工作点U B1 = VCC Rb2 Rb1 ? Rb2+V? 3.38VRb151kRc15.1kRe23.9kCe2 (+12V) T2CCU B1 ? U BE I C1 = Re1 3.38 ? 0.7 ? = 0.99mA 2.7Cb1++T1 Rb2+ 2.7k Ce1+ui+- 20kRe1Rc24.3k uo-+I B1 ? I C1 / ? ? 9.9 uAU C1 ? U B2 ? Vcc ? I C1 Rc1 ? 12 ? 0.99? 5.1 ? 7.2 VU CE1 ? Vcc ? I C1 ( Rc1 ? Re1 ) ? 12 ? 0.99? 7.8 ? 4.6 VU E2 ? U B2 ? U BE2 ? 7.2 ? 0.7 ? 7.9VI E2 ? I C2 ? (U CC ? U E2 ) / Re2 ? (12 ? 7.9) / 3.9 ? 1.04 mAU C2 ? I C2 Rc2 ? 1.04 ? 4.3 ? 4.47 V+VU CE2 ? U C2 ? U E2 ? 4.47 ? 7.9 ? ?3.43 V+Rb151kRc15.1kRe23.9kCe2 (+12V) T2CCCb1+T1 Rb2+ 2.7k Ce1+ui+- 20kRe1Rc24.3k uo-+（2）求电压放大倍数26(mV) 26 r = r ? (1 ? ? ) ? 200 ? 101 ? Ω ? 3.0 kΩ be1 bb I (mA) 0.99 E1 26(mV) 26 r = r ? (1 ? ? ) ? 200 ? 101 ? Ω ? 2.7 kΩ be2 bb I (mA) 1.04 E2先计算三极管的输入电阻Rb151k+V Rc15.1kRe23.9kCe2 (+12V) T2CCCb1++T1 Rb2+ 2.7k Ce1+ui+- 20kRe1Rc24.3k uo-++V画微变等效电路：+Rb151kRc1 5.1k T1Re23.9kCe2 (+12V) T2+CCCb1++ui +Rb220kRe12.7kRc2 Ce14.3k uo-+i b1+b1c1ic1 i b2b2 c2ic2++ui +rbe1 Rb1 Rb2 Rie1β ib1 Rc1rbe2e2+βib2 Rc2 uo +Ro电压增益：? ( Rc1 // Ri2 ) 100? (5.1 // 2.7) Au1 = ? ?? ? ?58.3, 式中Ri2 ? rbe2 rbe1 3Au2 = ?? ( Rc2 // RL )rbe2100? 4.3 ?? ? ?153.6 估算 Au1 时，应 将第二级 Ri2 作 2.8为第一级的负载 电阻。Au ? Au1 Au 2 ? ?58.3 ? (?153.6) ? 8955i b1+b1c1ic1 i b2b2 c2ic2++ui +rbe1 Rb1 Rb2 Rie1β ib1 Rc1rbe2e2+βib2 Rc2 uo +Ro（3）求输入电阻 Ri =Ri1 =rbe1 // Rb1 // Rb2 =2.55 k? （4）求输出电阻 RO =RC2 =4.3 k?i b1+b1c1ic1 i b2b2 c2ic2++ui +rbe1 Rb1 Rb2 Rie1β ib1Rc1rbe2e2+βib2 Rc2 uo +Ro本章小结1．基本放大电路的组成。 BJT加上合适的偏置电路（偏置电 路保证BJT 工作在放大区）。输入输出有效传送。 2．交流与直流。正常工作时，放大电路处于交直流共存的状 态。为了分析方便，常将两者分开讨论。 直流通路：交流电压源短路，电容开路。 交流通路：直流电压源短路，电容短路。 3．三种分析方法。 （1）估算法（直流模型等效电路法）――估算Q。 （2）图解法――分析Q（Q的位置是否合适）；分析动态 （最大不失真输出电压）。 （3）h参数交流模型法――分析动态（电压放大倍数、输入 电阻、输出电阻等）。4．三种组态。 （1）共射――AU较大，Ri、Ro适中，常用作电压放大。 （2）共集――AU≈1，Ri大、Ro小，适用于信号跟随、信号隔 离等。 （3）共基――AU较大，Ri小，频带宽，适用于放大高频信号。 5．多级放大器。 两种耦合方式：阻容耦合与直接耦合。 电压放大倍数：AU=AU1×AU2×……×AUn6.场效应管放大电路