基本放大电路

第 章基本放大电路 本章学习目标 学习目标 理解放大电路的基本概念和定义 掌握基本共射放大电路的工作原理及特点 掌握放大电路的分析方法 能够正确估算基本放大电路的静态工作点和动态参数 了解晶体管单管放大电路的三种基本接法 及基本放大电路的派生电路 重点 晶体三极管放大电路的分析方法难点 晶体三极管放大电路的分析方法 第二章主要学习内容 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 基本共射放大电路的工作原理 放大电路的分析方法 放大电路静态工作点的稳定 晶体管单管放大电路的三种基本接法 基本放大电路的派生电路 2 1 放大的概念 放大电路 亦称放大器 是一种应用极为广泛的电子电路 在电视 广播 通信 测量仪表以及其它各种电子设备中 是必不可少的重要组成部分 它的主要功能是将微弱的电信号 电压 电流 功率 进行放大 以满足人们的实际需要 例如扩音机就是应用放大电路的一个典型例子 其原理框图如图2 1所示 图2 1扩音机原理框图 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 当人们对着话筒讲话时 声音信号经过话筒 传感器 被转变成微弱的电信号 经放大电路放大成足够强的电信号后 才能驱动扬声器 使其发出比原来大得多的声音 放大电路放大的实质是能量的控制和转换 在输入信号作用下 放大电路将直流电源所提供的能量转换成负载 例如扬声器 所获得的能量 这个能量大于信号源所提供的能量 因此放大电路的基本特征是功率放大 即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流信号 也可能兼而有之 那么 由谁来控制能量转换呢 答案是有源器件 即三极管和场效应管等等 放大的前提是不失真 即只有在不失真的情况下放大才有意义 晶体管和场效应管是放大电路的核心元件 只有他们工作在合适的区域才能使输出量与输入量始终保持线性关系 即电路才不会产生失真 由于任何稳态信号都可以分解成为若干频率正弦信号 谐波 的叠加 所以放大电路常以正弦波作为测试信号 2 1 2放大电路的性能指标 任何一个放大电路都可以看成一个二端网络 图2为放大电路示意图 左边为输入端口 外接正弦信号源 Rs为信号源的内阻 在外加信号的作用下 放大电路得到输入电压 同时产生输入电流 右边为输出端口 外接负载RL 在输出端可得到输出电压 输出电流 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求 放大器可分为四种类型 所以有四种放大倍数的定义 一 放大倍数 是衡量放大电路放大能力的重要指标 1 电压放大倍数定义为 2 电流放大倍数定义为 3 互阻增益定义为 4 互导增益定义为 量纲为电阻 量纲为电导 互阻放大倍数 互导放大倍数 二 输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 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 三 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 通常定义输出电阻Ro是在信号源短路 即Us 0 Rs保留 负载开路的条件下 放大电路的输出端外加电压Uo与相应产生的电流I0 的比值 输出电阻的定义 在实际工作中 也可根据放大电路空载时测得的输出电压 和带负载时测得的输出电压来得到 即 输出电阻是衡量放大电路带负载能力的一项指标 输出电阻越小 负载电阻RL变化时U0的变化愈小 表明带负载能力越强 四 通频带 通频带 fbw fH fL 表明放大电路对不同频率信号的适应能力 放大倍数随频率变化曲线 幅频特性曲线 五 非线性失真系数由于放大器件具有非线性特性 因此它们的线性放大范围有一定的限度 超过这个限度 将会产生非线性失真 当输入单一频率的正弦信号时 输出波形中除基波成分外 还含有一定数量的谐波 所有的谐波成分总量与基波成分之比 称为非线性失真系数D 设基波幅值为A1 二次谐波幅值为A2 三次谐波幅值为A3 则 六 最大不失真输出电压 最大不失真输出电压定义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 即指在输出波形不失真的情况下 放大电路可提供给负载的最大输出电压 一般用有效值Uom表示 也可以用峰 峰值Uopp表示且Uopp om 七 最大输出功率和效率最大输出功率是指在输出信号不失真的情况下 负载上能获得的最大功率 记为Pom 在放大电路中 输入信号的功率通常较小 经放大电路放大器件的控制作用将直流电源的功率转换为交流功率 使负载上得到较大的输出功率 通常将最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PV之比称为效率 即 它反映了直流电源的利用率 2 2基本共射放大电路的工作原理 基本共射放大电路的组成及各元件的作用 UCE IC Rc 一 放大原理 UBE IB IC b IB 电压放大倍数 基本共射放大电路图 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 输入 输出 参考点 二 单管共射极放大电路的结构及各元件的作用 共射放大电路组成 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点IB和UBE 基极电源与基极电阻 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 共射放大电路 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 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 单电源供电 可以省去 Rb 单电源供电 输入回路直流方程VBE VBB IBRb 输出回路直流方程VCE VCC ICRC 设置静态工作点的必要性 一 静态工作点 Ui 0时电路的工作状态 直流工作状态 静态工作点表达式 静态工作点 IBQ ICQ UBEQ UCEQ Q 输入回路直流负载线方程VBE VBB IBRB VBEQ IBQ 输出回路直流负载线方程VCE VCC ICRC IB IBQ Q ICQ VCEQ IBQ UBEQ 和 ICQ UCEQ 分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点 二 为什么要设置静态工作点 若基极电源去掉 静态时Ui 0 必然得到IBQ 0 IcQ 0 UCEQ VCC 此时晶体管处于截止状态 在 i的正半周 若其峰值小于开启电压UON 使基极电流不能马上按比例地随输入电压的大小而变化 导致输出信号失真 当输入Ui时 在输入信号的负半周发射结反向偏置 三极管截止 基极电流和集电极电流均为零 输出端没有输出 因此 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区 以保证信号不失真 2 2 基本共射放大电路的工作原理及波形 一 三极管的放大原理三极管工作在放大区 发射结正偏 集电结反偏 UCE IC Rc 放大原理 UBE IB IC b IB 电压放大倍数 放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大 波形分析 利用ib对ic的控制作用实现放大 从以上的分析可知 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之上 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 输出电压的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 电源VCC提供的功率 放大实质 三极管集电极上的功率 负载电阻RC上的功率 注意 放大器放大信号的实质 是利用三极管的正向受控作用 将电源VCC提供的直流功率 部分地转换为输出功率 电源VCC不仅要为三极管提供偏置 保证管子工作在放大区 同时还是整个电路的能源 电源提供的功率PD除了转换成负载上有用的输出功率PL外 其余均消耗在晶体三极管上 PC 三极管仅是一个换能器 2 2 4放大电路的组成原则 一 组成原则 通过对基本放大电路的简单分析可以总结出 在组成放大电路时必须遵循以下几个原则 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 电阻取值得当 与电源配合 使放大管有合适的静态工作电流 输入信号必须能够作用于放大管的输入回路 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电压 二 常见的两种共射放大电路 直接耦合共射放大电路 信号源与放大电路 放大电路与负载电阻均直接相连 注 Rb1必不可少 静态工作点 IBQ ICQ UBEQ UCEQ 注 Rb1 Rb2的取值与VCC相配合才能得到合适的基极电流IBQ 合理的选取RC 才能得到合适的管压降 CEQ 波形分析 2 阻容耦合共射放大电路 图中电容C1连接信号源与放大电路 电容C2连接放大电路与负载 起连接作用的电容称为耦合电容 CEQ 电容对直流量的容抗无穷大 耦合电容的容量应足够大 交流通路 直流通路 阻容耦合共射极放大电路 CEQ 静态工作点 IBQ ICQ UBEQ UCEQ 直流通路 波形分析 阻容耦合共射极放大电路 CEQ V0为纯交流信号 由放大电路的工作原理可知 放大电路工作在放大状态时 电路中交直流信号是并存的 为了便于分析 常将交流信号和直流信号分开研究 这样就需要根据电路的具体情况 正确地画出直流通路和交流通路 2 3放大电路分析方法 2 3 1直流通路和交流通路 一 直流通路 画直流通路的原则是 是指在输入信号作用下 交流电流所流经的路径 用于研究动态参数 二 交流通路 是指在直流电源作用下 直流电流所流经的路径 用于研究静态工作点 电容视为开路 电感视为短路 信号源视为短路 但保留其内阻 画交流通路的原则是 容量大的电容视为短路 如耦合电容 直流电压源 忽略其内阻 如 VCC 视为短路 图单管共射放大电路的直流通路和交流通路 a 单管共射放大电路 b 直流通路 c 交流通路 在分析放大电路时 应遵循 先静态 后动态 的原则 求解静态工作点时应利用直流通路 求解动态参数时应利用交流通路 两种通路切不可混淆 对比当电路为直接耦合共射放大电路的静态工作点 由于交流信号均叠加在静态工作点上 且交流信号幅度很小 因此对工作在放大模式下的电路进行分析时 应先进行直流分析 后进行交流分析 晶体三极管电路分析方法 图解法 即利用三极管的输入 输出特性曲线与管外电路所确定的负载线 通过作图的方法进行求解 要求 已知三极管特性曲线和管外电路元件参数 优点 便于直接观察Q点位置是否合适 输出信号波形是否会产生失真 1 由电路输入特性确定IBQ 写出管外输入回路直流负载线方程 VBE IB 图解法分析步骤 在输入特性曲线上作直流负载线 找出对应交点 得IBQ与VBEQ 2 由电路输出特性确定ICQ与VCEQ 写出管外输出回路直流负载线方程 VCE IC 在输出特性曲线上作直流负载线 找出负载线与特性曲线中IB IBQ曲线的交点 即Q点 得到ICQ与VCEQ 一 用图解法分析放大器的静态工作点 例1已知电路参数和三极管输入 输出特性曲线 试求IBQ ICQ VCEQ Q 输入回路直流负载线方程VBE VBB IBRB VBEQ IBQ 输出回路直流负载线方程VCE VCC ICRC IB IBQ Q ICQ VCEQ 二 工程近似法 估算法 即利用直流通路 计算静态工作点 直流通路是指输入信号为零 耦合及旁路电容开路时对应的电路 分析步骤 确定三极管工作模式 分析电路直流工作点 只要VBE 0 V E结反偏 截止模式 假定放大模式 估算VCE 若V E VBEV 放大模式 若V E VBEV 饱和模式 例2已知VBE on 0 7V VCE sat 0 3V 30 试判断三极管工作状态 并计算VC 解 假设T工作在放大模式 因为VCEQ VBE on 所以三极管工作在放大模式 VC VCEQ 4 41V 例3若将上例电路中的电阻RB改为10k 试重新判断三极管工作状态 并计算VC 解 假设T工作在放大模式 因为VCEQ VBE on 假设不成立 所以三极管工作在饱和模式 例4已知VBE on 0 7V VCE sat 0 3V 30 试判断三极管工作状态 并计算VC 解 所以三极管工作在截止模式 VBE on 图 共射放大电路 二 电压放大倍数的分析 书上图 二 电压放大倍数的分析 书上图 通过图解分析 可得如下结论 1 vi vBE iB iC vCE vo 2 vo与vi相位相反 3 可以测量出放大电路的电压放大倍数 4 输入时 当VBB不变 Rb Q点愈高 Q点附近曲线越陡 AU越大 输出时 Rc愈小 负载曲线越陡 则AU愈小 可见Q点位置影响放大倍数 可以求得电压放大倍数 图 共射放大电路 三 波形非线性失真的分析 晶体管的三个工作区 当工作点进入饱和区或截止区时 将产生非线性失真 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 截止区特点 iB 0 iC ICEO vCE VCES 典型值为0 V IBQ ICQ VCEQ 1 合适的静态工作点输出电压u0 uo与ui反向 波形的失真 饱和失真 截止失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真 对于NPN管 输出电压表现为底部失真 由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真 对于NPN管 输出电压表现为顶部失真 注意 对于PNP管 由于是负电源供电 失真的表现形式 与NPN管正好相反 图静态工作点对非线性失真的影响 a 截止失真 当Q点过低 信号进入截止区 静态工作点对非线性失真的影响 b 饱和失真 Q点过高 信号进入饱和区 总结 Q点位置与波形失真 由于PNP管电压极性与NPN管相反 故横轴vCE可改为 vCE 消除截止失真 升高Q点 减小RB 增大IBQ 上述两种失真都是由于静态工作点选择不当或输入信号幅度过大 使三极管工作在特性曲线的非线性部分所引起的失真 因此统称为非线性失真 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 要求 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 要有合适的交流负载线 用图解法估算最大不失真输出电压幅度 最大不失真输出电压幅度是指在输出波形没有明显失真情况下 放大电路能够输出的最大电压的有效值 如果将晶体管的特性理想化 即认为在管压降总量uCE最小值大于饱和管压降UCES 即管子不饱和 且基极电流总量iB的最小值大于 既管子不截止 的情况下 非线性失真可忽略不计 那么就可以得出放大电路的最大不失真输出电压Uom 方法 以 CEQ为中心 取 VCC UCEQ 和 CEQ UCES 中较小的数值 并除以 通常为了使Uom尽可能大 应当使Q点设置在放大区内负载线的中点 即其横坐标值为 UCC UCES 2的位置 UCES VCC 图 b 输出回路的波形分析 注 该图适用于放大电路与负载直接耦合的情况 四 直流负载线与交流负载线 由交流通路得纯交流负载线 共射极放大电路 vce ic Rc RL 因为交流负载线必过Q点 即vce vCE VCEQic iC ICQ同时 令R L Rc RL 1 阻容耦合放大电路的交流通路及交流负载线 则交流负载线为 vCE VCEQ iC ICQ R L 即iC 1 R L vCE 1 R L VCEQ ICQ 用图解法估算最大不失真输出电压幅度 最大不失真输出电压幅度是指在输出波形没有明显失真情况下 放大电路能够输出的最大电压的有效值 在图2 13输出特性曲线中 若交流负载线已确定 则U cem是受饱和失真限制的最大不失真输出电压幅值 U cem是受截止失真限制的最大不失真输出电压幅值 从图2 13中可以看出 式中 UCES为三极管饱和电压 其中 显然 为了使放大电路的输出波形既不出现饱和失真也不出现截止失真 放大电路的最大输出电压幅度应取U cem和U cem中较小的数值 即 通常为了使Uom尽可能大 应当使Q点设置在放大区内交流负载线的中点的位置 通过上述分析可知 图解法不仅能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系 估算出最大输出电压幅值 而且可以直观地表示出电路中各种元件参数对静态工作点的影响 这种分析方法对于实际工作中对放大电路的调试是十分有益的 例1 放大电路及三极管的输出特性曲线如图所示 试确定该电路的电源电压UCC 基极电阻Rb 集电极电阻Rc 负载电阻RL的数值以及最大不失真输出电压幅值Uom 要使静态工作点移到Q 和Q 应改变电路中的哪些参数 电路图及输出特性曲线 a 电路图 b 输出特性曲线 解 1 由图的输出特性曲线可知UCC 8V Rb UCC UBEQ IBQ UCC IBQ 8 0 02 400k IC UCC Rc 4mA 则Rc UCC IC 8 4 2k 因为ICQRL 2V 所以RL 2 ICQ 2 2 1k 而RL Rc RL 故RL 2k 由图可读得U cem UCEQ UCES 4 0 7 3 1V U cem ICQRL 2V 所以最大不失真输出电压的幅值有效值为Uom 2 V 2 若静态工作点移到Q 由图可见基极电流IB增大 则应减小基极电阻Rb 或增大电源电压UCC 若静态工作点移到Q 由图可见 基极电流IB没有改变 说明Rb和UCC不变 由于Q 与Q 不在同一条负载线上 说明交流负载线的斜率发生改变 故应改变集电极电阻Rc和负载电阻RL 自看书上P93页例题 对比分析 一 晶体管在分析静态工作点时所用的直流模型 2 3 3等效电路法 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 如果能在一定的条件下将特性线性化 即用线性电路来描述其非线性特性 建立线性模型 就可以应用线性电路的分析方法来分析晶体管电路了 针对应用场合的不同和所做的分析不同 同一只晶体管有不同的等效模型 二 低频小信号时的h参数等效模型 三 用h参数等效模型分析动态参数的方法 重点 放大模式直流简化电路模型 VBE on 为发射结导通电压 工程上一般取 一 晶体管的直流模型及静态工作点的估算法 饱和模式直流简化电路模型 若忽略饱和压降 三极管输出端近似短路 即三极管工作于饱和模式时 相当于开关闭合 饱和模式 E结正偏 C结正偏 截止模式 E结反偏 C结反偏 若忽略反向饱和电流 三极管IB 0 IC 0 即三极管工作于截止模式时 相当于开关断开 截止模式直流简化电路模型 例2已知VBE on 0 7V VCE sat 0 3V 30 试判断三极管工作状态 并计算VC 解 假设T工作在放大模式 因为VCEQ VBE on 所以三极管工作在放大模式 VC VCEQ 4 41V 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 建立小信号模型 就是将非线性器件做线性化处理 从而简化放大电路的分析和设计 二 晶体管共射h参数等效模型 思路 将非线性的晶体管等效成一个线性电路 条件 交流小信号 模型定义 在共射接法的放大电路中 在低频小信号作用下 将晶体管看成是一个线性双口网络 利用网络的h参数来表示输入端口 输出端口的电压与电流的相互关系 便可以得出等效电路 称之为共射h参数等效模型 1 h参数等效模型的由来 1 h参数的引出 在小信号情况下 对上两式取全微分得 用小信号交流分量表示 vbe h11eib h12evce ic h21eib h22evce 将晶体管看成一个双口网络 我们已经知道输入输出特性曲线如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 可以写成 输出端交流短路时的输入电阻 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数 输入端交流开路时的反向电压传输比 输入端交流开路时的输出电导 其中 四个参数量纲各不相同 故称为混合参数 h参数 h参数的引出 h参数小信号模型 根据 可得小信号模型 h参数都是小信号参数 即微变参数或交流参数 h参数与工作点有关 在放大区基本不变 h参数都是微变参数 所以只适合对交流信号的分析 h11e是当uCE UCEQ时 uBE对iB的偏导数 从输入特性曲线上看 就是对应uCE UCEQ那条输入特性曲线上Q点的切线斜率的倒数 如图 a 所示 小信号作用时 h11e uBE iB uBE iB 故h11e表示小信号作用下b e间的动态电阻 记作rbe Q点越高 输入特性曲线越陡 rbe值就越小 2 h参数的物理意义 h12e是当IB IBQ时uBE对uCE的偏导数 从输入特性上看 就是在IB IBQ的情况下 uCE对uBE的影响 如图 b 所示 小信号作用时 h12e uBE uCE 表示反向电压传输比 当uCE 1V时 uBE uCE的值很小 一般小于10 2 h21e是当uCE UCEQ时iC对iB的偏导数 在小信号作用时 从输出特性曲线上看 h21e iC iB iC iB 体现了基极电流对集电极电流的控制作用 如图 c 所示 因此 h21e表示三极管的电流放大系数 h22e是当IB IBQ时iC对uCE的偏导数 从输出特性上看 h22e是在IB IBQ的那条输出特性曲线上Q点处的电导 它表示输出特性曲线的上翘程度 如图 d 所示 在小信号作用时 h22e iC uCE iC uCE 则1 h22e uCE iC 因此1 h22e表示c e间的动态电阻rce 3 模型的简化 即rbe h11e h21euT h1