电路与电子设计：第4章 基本BJT放大电路

1、1第第4章章 基本基本BJT放大电路放大电路24.1.1 4.1.1 温度对温度对Q Q点的影响点的影响温度升高，输入特性曲线左移，温度升高，输入特性曲线左移，I IB B增大；增大；物理机制：热激发产生的载流子增多。物理机制：热激发产生的载流子增多。 温度升高将导致温度升高将导致 I IC C 增大，曲线增大，曲线间隔增大，间隔增大， 值增加，值增加，Q Q点上移点上移（易饱和失真）。（易饱和失真）。i iC Cu uCECEO Oi iB B20200 060600 0温度对输出特性的影响温度对输出特性的影响6060404020200 00.40.4 0.80.8I I / mA/ mAU

2、 U / V / V温度对输入特性的影响温度对输入特性的影响20200 060600 0此外，此外，I ICBOCBO和和I ICEOCEO也增加，但因数值小而对也增加，但因数值小而对Q Q点影响较小。点影响较小。温度增加温度增加4.1 4.1 放大电路的工作点稳定问题放大电路的工作点稳定问题34.1.2 4.1.2 射极偏置电路稳定射极偏置电路稳定Q Q点点分压式射极偏置电路分压式射极偏置电路基极供给偏置采基极供给偏置采用分压式，接用分压式，接R Rb1b1、R Rb2b2发射极加接发射极加接R Re e 设计时使设计时使I I1 1IIB B，则有，则有212bbCCbBRRVRVeBEB

3、EQCQRVVII只要只要V VB B恒定且远大于恒定且远大于V VBEBE,I,ICQCQ也就基本稳定。也就基本稳定。稳定条件是：稳定条件是：BI1I4 VB Rb 基极基极TheveninThevenin回路回路212bbCCbBRRVRVebBEBBRRVVI)1 (ebBEBEQCQRRVVII)1 (R Rb b = = R Rb1b1/ / R Rb2b2其中其中R Rb b = = R Rb1b1/ / R Rb2b2ReRe的取值的取值戴维宁定理中的电源电压、等效电阻：戴维宁定理中的电源电压、等效电阻：eBEBEQCQRVVII 对照有对照有限制条件限制条件的表达式：的表达式：

4、)1 (RebR结论：结论：设计时选择参数的关系是设计时选择参数的关系是R Rb b 0.1(1+0.1(1+ )R)Re e5 产生了问题: ReRe的存在，使的存在，使v vi i不能全加在基不能全加在基- -射极两端，造成了射极两端，造成了A Av v的下降！的下降！ 解决办法：解决办法： 在在ReRe旁并联一个大的旁并联一个大的射极旁路电容射极旁路电容CeCe。？从交流通路看，这接近于短路。从交流通路看，这接近于短路。6直流分析直流分析 确定静态工作点确定静态工作点Q QCCbbbBVRRRV212eBeBEBEQCQRVRVVII/ （I IC C的大小与温度的参数无关！）的大小与温

5、度的参数无关！） )(ecCQCCCEQRRIVVCQBQII由电路的基极直流通路和晶体管的直流模型，有7交流分析交流分析 确定动态性能指标确定动态性能指标beLcbebLcbiovrRRriRRivvA)/()/(bebbiirRRivR/21CTToRivR 根据电路的交流通路和晶体管的交流小信号模型，得到电路的微变等效电路。根据电路的交流通路和晶体管的交流小信号模型，得到电路的微变等效电路。其中，其中，CQEQbeImVImVr)(26200)(26)1 (200从电路的输入端和公共端往里看，不包括信号源电阻，有从电路的输入端和公共端往里看，不包括信号源电阻，有 从电路的输出端和公共端往

6、从电路的输出端和公共端往里看，不包括负载电阻。由外加里看，不包括负载电阻。由外加电压法，有电压法，有电压增益电压增益4.1.3 集电极集电极-基极偏置电路基极偏置电路8另一种常见的稳定工作点电路是另一种常见的稳定工作点电路是c c极极- -b b极偏置电路。极偏置电路。bCEbBECEBRVRVVICEBVI因此，电路的稳定过程如下：因此，电路的稳定过程如下：静态时，由于静态时，由于当当R Rb b一定时，有一定时，有 其实质是：利用集其实质是：利用集- -射间电压的变化射间电压的变化 v vCECE通过基极电阻通过基极电阻R Rb b回送到输入回路控制回送到输入回路控制I IB B来克服来克

7、服I IC C的变化。当然，的变化。当然，R Rb b的选择必须保证正常的的选择必须保证正常的I IBQBQ。9对这个电路作静态分析：对这个电路作静态分析：BEbBCBCCCVRIRIIV)(基极回路基极回路：bccBECCCRRRVVICBII CBCCCCERIIVV)( 从从I IC C的计算式可见的计算式可见I IC C仍与仍与有关，因此这种电路不利于克服有关，因此这种电路不利于克服变化对变化对I IC C的影响。的影响。由集电极回路，有由集电极回路，有得得：4.2 共集电极电路共集电极电路10（a a）共集电极电路）共集电极电路 图图4.2.1 4.2.1 共集电极电路及其交流通路共

8、集电极电路及其交流通路（b b）交流通路）交流通路 集电极直接接集电极直接接V VCCCC。由于在交流等效电路中。由于在交流等效电路中V VCCCC交流接地，因此称之交流接地，因此称之为为共集电极电路共集电极电路。同时，因为负载。同时，因为负载R RL L接在发射极上，所以又称为接在发射极上，所以又称为射极射极输出器输出器。1.1.直流分析直流分析 对基极回路：对基极回路： eEBEbBCCRIVRIVeBBEbBRIVRI)1 (ebCCebBECCBRRVRRVVI1)1 (BCII对发射极回路：对发射极回路： eCCEeECECCRIVRIVVeCCCCERIVV122.2.交流分析交流

9、分析 )/)(1 (LebebiRRriv)/)(1 (LeboRRiv1)/)(1 ()/)(1 (vLebeLeioRRrRRvvA1.电压增益 根据电路的交流通路图 4.2 1（b）和晶体管的交流小信号模型，得到电路的微变等效电路。iovvAv 一般地，有一般地，有 ，所以共集放大电路的电压增，所以共集放大电路的电压增益略小于益略小于1 1，且接近，且接近1 1。)/)(1 (LebeRRr132.电流增益 bbiLebebRiiRRri)()/)(1 (bbLebbbLebebiRRRRiRRRRrii)/)(1 ()/)(1 (LLeboRRRii)/)(1 (bLebLLeioiR

10、RRRRRRiiA)/)(1 ()/)(1 (而而所以得所以得bLeRRR)/)(1 (如果如果LLeiRRRA)/)(1 (则则ioiiAi所以，所以，一般远大于，一般远大于1 1141)/)(1 ()/)(1 (vLebeLeioVRRrRRvA结论：结论：由电压增益的计算可知，射极输出器的由电压增益的计算可知，射极输出器的A AV V接近接近1 1，但小于，但小于1 1。由于由于A AV V接近接近1 1，且，且V Vi i与与V Vo o同相，因此输出器又常称为同相，因此输出器又常称为射极跟随器射极跟随器。 尽管射极跟随器的电压增益略小于尽管射极跟随器的电压增益略小于1 1，但它的电流

11、增益却远大于，但它的电流增益却远大于1 1。因此射极跟随器具有。因此射极跟随器具有功率放大功率放大作用。作用。1)/)(1 (AiLLeRRR共集电极电路小结共集电极电路小结“射极跟随器射极跟随器”：电压跟随，电流放大。：电压跟随，电流放大。153.输入电阻R Ri i 与共射基本放大电路与共射基本放大电路 比较，射极输出器的输入电阻较高。比较，射极输出器的输入电阻较高。 bebbeirR/rR 这是因为从三极管的发射结看，基极这是因为从三极管的发射结看，基极- -射极之间的电压射极之间的电压v vbebe=v=vi i- -v vo o比没有射极比没有射极电阻电阻ReRe（v vbebe=v

12、=vi i）时减少了！输入电流也减小，等价于一个大的输入电阻。）时减少了！输入电流也减小，等价于一个大的输入电阻。 从电路的输入端和公共端往里看，不包括信号源电阻，有)/(LeebebiRRiriv)/)(1 (LebebRRribiiivR)/)(1 (LebeRRr于是得于是得)/(/)/)(1 (/LebbLebebiiRRRRRRrRRR164.输出电阻R Ro obsbeTeTbbTRRrvRviiii/)1 (Re1)/(/)1 ()/(111TbsbeebsbeeToRRrRRRrRivRbsbeTbRRrvi/ 在形式上等效于电阻在形式上等效于电阻R Re e与缩小了与缩小了1

13、+1+倍的基极电阻倍的基极电阻 并接并接在一起的总电阻。在一起的总电阻。 注意：注意：ReRe为输入回路与输出回路的公共为输入回路与输出回路的公共支路，驱动晶体管形成电流！支路，驱动晶体管形成电流！ 根据求输出电阻的外加电压法，将信根据求输出电阻的外加电压法，将信号源短路，除去负载电阻号源短路，除去负载电阻R RL L，接入交流电，接入交流电源源 ，产生的电流为，产生的电流为 。TVTI可得输出电阻：可得输出电阻：)1/()/(bebSbrRRR17通常通常1)/(bebSerRRR1)/(/bsbeeoRRrRR1bebSOrRRR)/(于是得于是得例如例如kRRkrbSbe100,50,1

14、,50kRb100则则50R/RbS)(2150100050oR结论：结论：共集电极电路的输出电阻共集电极电路的输出电阻R Ro o很低，一般为几十到几百欧。很低，一般为几十到几百欧。18输入电阻输入电阻R Ri i和输出电阻和输出电阻R Ro o Ro (b) I IRe Ri 发射极阻抗折算到基极，其值扩大（发射极阻抗折算到基极，其值扩大（+1+1）倍。基极折算）倍。基极折算到发射极的等效阻抗，其值缩小为原来的到发射极的等效阻抗，其值缩小为原来的1/1/（+1+1）倍。）倍。bLebeiRRRrR/)/)(1 (1)/(/bsbeeoRRrRR阻抗折算法则：阻抗折算法则：19 电压增益略小

15、于1；电流增益可以远大于1；输出与输入同相；输入电阻大；输出电阻小。可以减小放大器对信号源（或前级电路）所取的信号电流。负载变动对放大倍数影响不大（带负载能力强）射极输出器的特点：射极输出器的特点： 射极输出器的优点是：虽然电压增益Av 1，但输入电阻Ri大，这就可以减小放大器对信号源（或前级电路）所取的信号电流；同时输出电阻Ro小，负载变动对放大倍数影响不大，因而带负载的能力强。同时，射极输出器对电流仍有放大作用。 由于输入电阻大而输出电阻小，因而应用广泛，可以用作多级放大器的输入级、中间级及输出级。4.3 共基极电路共基极电路20 图示是共基极电路及其交流通路。由其交流通路可见，输入信号加

16、在发射极和基极之间，而输出信号取自集电极和基极之间，基极交流接地。直流分析：直流分析：直流通路直流通路221bbbCCBRRRVVeEBEBRIVVeBeBEBECRVRVVIICBII)(eCCCCeECCCCCERRIVRIRIVV21交流分析：交流分析：beLcbebLccvrRRriRRiA)/()/()()1 (/)1 ()(LCCebebeLCCioiRRRRrrRRRiiA交流通路的微变等效电路如图。交流通路的微变等效电路如图。电压增益：电压增益：电流增益：电流增益：)/()/(LCbLCcLoRRiRRiRibebebeiriRri)/)1 (由由得得（使用阻抗折算法，或者（使

17、用阻抗折算法，或者“逐层逐层”计算阻抗值）计算阻抗值）)1 (iA当当R RL L R RC C时时, , 22共基极放大电路总结：共基极放大电路总结：（1 1）共基电路的电压增益与共射电路的电压增益在数值上相同，）共基电路的电压增益与共射电路的电压增益在数值上相同，只差一负号，说明输出与输入只差一负号，说明输出与输入同相同相。共基电路的电压增益可以远。共基电路的电压增益可以远大于大于1 1；（2 2）电流增益略小于）电流增益略小于1,1,且输出电流与输入电流同相，从这个角且输出电流与输入电流同相，从这个角度说，共基电路又称为度说，共基电路又称为电流跟随器电流跟随器。 （3 3）输入电阻小、输

18、出电阻较大。当输入信号是）输入电阻小、输出电阻较大。当输入信号是电流电流时，希望时，希望放大器的输入电阻很小，此时共基极电路非常有用。放大器的输入电阻很小，此时共基极电路非常有用。ebeiRrR/)1 (coRR 输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：4.4 放大电路的频响放大电路的频响23 前面分析放大器时，都是以单一频率的信号作例子。实际信号通常都不是单一频率，它是由一些按一定的振幅比例和一定的起始相位相加的不同频率的信号构成。 要使放大电路不失真的放大信号，即在放大信号（电压、电流、功率）的同时，不改变输入原始信号的形状，就要求放大器对输入信号中各频率成分进行相同的放大。 但放大电路由

19、非线性元件（晶体管）和线性元件（电容、电感、电阻）组成。而容抗、感抗在各种频率下的值是不同的，因而对不同频率信号的放大效果不一致，导致输出波形不同于输入波形，即发生了差异，这就是失真。 放大器中的失真分为非线性失真和线性失真。非线性失真的原因在于放大器件的非线性，已经在第3章进行了初步的介绍。这一节我们以共射电路为例，讨论由于电路电容和晶体管内部电容引起的放大电路的频率响应，也就是电路的线性失真问题。 高频模型高频模型 混合混合 型等效电路型等效电路 C C v vbebev vb b e eg gm mv vb b e e三极管的结构三极管的结构示意图示意图 三极管的混合三极管的混合 型等效

20、电路。型等效电路。（忽略忽略了了c c、e e区的体电阻区的体电阻r re e和和r rc c ）三极管的高频模型三极管的高频模型讨论：讨论： 由于三极管的集电极处于反向偏置状态，因此结电由于三极管的集电极处于反向偏置状态，因此结电阻阻r rbCbC很大，可将其忽略。很大，可将其忽略。 beVebVebV讨论讨论利用密勒定理（电路网络的一种等效变换关利用密勒定理（电路网络的一种等效变换关系）进行单向化系）进行单向化 e bcjVVVcjVVIebceebceebC1)1 (1)/(LCLLebmceRRRRVgVKRgVVLmebceckjVcjkVIebebC)1 (11)1 (ebVebV

21、Ck)1 ( ebVCI从从 两端向右看，流入两端向右看，流入C C 的电流的电流 ebVebV从从c c、e e两端向左看，流入两端向左看，流入C C 的电的电流流 CkkjVcjVVVcjVVIceceebceebceC111)1 (1CkCC)1 ( Ckk1C4.4.1 单管共射电路的频率响应单管共射电路的频率响应28图图4.44.4 1 1 单管共射阻容耦合电路的简化混合单管共射阻容耦合电路的简化混合 模型模型 图 4.4 1是单管共射阻容耦合电路的简化混合 模型，为讨论简单起见，我们只考虑了输出回路的耦合电容。 具体分析频率响应时，通常对中、低、高频三种情况分别加以考虑，以便对电路

22、进行不同的简化，求得三个不同频段的频率响应，然后再加以综合。这样做的好处是使得分析过程更加简捷明了，且有助于从物理概念理解各个电路参数对频率特性的不同影响。29共射电路的中频等效电路共射电路的中频等效电路 bebLbebLmebebLCebmebbbbebebOiebiOvmrRRrRRgrvRRvgrrRrvvvvvvA)/()gr (me b1 1中频电压放大信数中频电压放大信数A Av vm m 在中频范围内， 的容抗远远大于并联支路中其它阻值，因而相当于交流开路；而C的容抗远小于其它串联电阻的阻值 ，这就相当于交流短路。因此，得中频等效电路。C)1(LRC 由于不存在电抗元件，A Av

23、 vm m 是实数,与频率无关。302 2高频电压放大信数高频电压放大信数 在高频段，串联回路中的电容容抗 很小，其上压降可忽略不计，相当于交流短路。此时，并联支路中的 影响突出，必须予以考虑。C1C共射电路的高频等效电路共射电路的高频等效电路 HvmebbbbvmebbbbLmbebebLmebbbbebebOiebiOvjACrrRjACrrRjRgrRrRgcjrrRcjrVVVVVVA11/)(11/)(11)()1/(1/hhAv31HvmvjAA11h令令则有则有共射电路中频段共射电路中频段A Avmvm00引起的相移引起的相移 电抗元件的存在而产电抗元件的存在而产生的附加相移生的

24、附加相移 221HHHfHH1即即HvmHvmvhffjAjAA11共射电路在高频段的幅频响应为共射电路在高频段的幅频响应为21lg20lg20HvmvhffAA相频响应为：相频响应为：Hfftg1180vmvhAA 信号频率越高，信号频率越高， 越小，越小，使得使得 越小，因而输出减小，增越小，因而输出减小，增益下降。益下降。CxC1ebv32高频电压放大倍数高频电压放大倍数A Avhvh-讨论讨论v关于幅频响应关于幅频响应 当ffH时，有 或 ,若f/fH=10，则20lg|AVH/AVM|=-20(dB/十倍频)。即即 在波特图上是一条斜率在波特图上是一条斜率为为-20dB/-20dB/十倍频的直线。十倍频的直线。21lg20lg20HvmvHffAA 当当f=f=f fH H时，时，A AVHVH=0.707A=0.707AVMVM, ,即在即在f fH H时，时，A AVHVH下降到下降到0.707A0.707AVMVM处。所以，处。所以，f fH H对应于对应于-3dB-3dB时的值。时的值。HvmvhffAAHvmvhffAAlg20lg20vmvhAAlg2033v关于相频响应关于相频响应 Hfftg1180当当f ff fH H时，时， H H-0-0 ; ; f= f=f fH H时，时， H H-45-45 ; ;