电工电子技术第七章课件

1、第7章 放大电路基础7.1 共射极基本放大电路7.2 分压式偏置放大电路7.3 共集电极放大电路7.4 功率放大电路7.5* 场效应晶体管及放大电路7.1 共射极基本放大电路7.1.1 共射极基本放大电路的组成 三极管用于电子电路时，通常是将一对端点作为输入，一对端点作为输出。对于三端电路就有一个端是输入电路和输出电路的公共端。如果输入信号加到基极和发射极之间，而输出信号从集电极和发射极间取出，这样的电路称为共射极基本放大电路，如图7.1所示。它由信号源、直流电源、三极管、电容、电阻等元件组成，信号源电压ui从AO端输入，放大后的信号电压uo从BO端输出。图7.1 共射极放大电路 在图所示的放

2、大电路中，采用NPN型晶体管，VCC是集电极回路的直流电源 (一般在几伏到几十伏的范围)，它的负端接发射极,正端通过电阻RC接集电极，以保证集电结为反向偏置；RC是集电极电阻(一般在几千欧至几十千欧的范围)，它的作用是将晶体管的集电极电流iC的变化转变为集电极电压VCE的变化。VBB是基极回路的直流电源,它的负端接发射极，正端通过基极电阻Rb接基极，以保证发射结为正向偏置，并通过基极电阻 Rb(一般在几千欧至几百千欧的范围) (一般在几十千欧至几百千欧的范围)，由VBB供给基极电流 由上式可见，这个电路的偏流IB决定于VBB，和Rb的大小，VBB和Rb经确定后，偏流IB就是固定的，所以这种电路

3、称为固定偏流电路。Rb又称为基极偏置电阻。 对于硅管，VBE约为0.7V左右，对于锗管，VBE约为0.2V左右，而VBB一般在几伏至几十伏的范围内(常取VBB=VCC)，即VBBVBE，所以近似有（7-1） 电容C1和C2称为隔直电容或耦合电容(一般在几微法到几十微法的范围)，它们在电路中的作用是“隔离直流，传送交流”。对直流来说，容抗为无穷大，可近似为开路，使直流电源不加到信号源和负载上；而对交流信号而言，容抗很小，可近似为短路，使输入、输出信号顺畅地传输；其容量较大，一般是几微法至几十微法的电解电容，连接时应注意极性。 值得指出的是， 放大作用是利用晶体管的基极对集电极的控制作用来实现的，

4、 即在输入端加一个能量较小的信号，通过晶体管的基极电流去控制流过集电极电路的电流， 从而将直流电源VCC的能量转化为所需要的形式供给负载。 因此， 放大作用实质上是放大器件的控制作用；放大器是一种能量控制部件 7.1.2共射极基本放大电路的分析 对于一个放大电路的分析一般包括两个方面的内容：静态工作情况和动态工作情况的分析。前者主要确定静态工作点，后者主要研究放大电路的性能指标。1.静态工作情况 所谓静态，是指输入信号为零时（即ui=0）放大电路的工作状态，此时放大电路中只有直流电源作用，各处的电压和电流都是直流量，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态分析的目的是通过直流通路分析放大电路

5、中三极管的工作状态。 为了使放大电路能够正常工作，三极管必须处于放大状态。因此，要求三极管各极的直流电压、直流电流必须具有合适的静态工作参数IB、IC、UBE、UCE ，也即是放大电路的静态工作点。静态工作点是放大电路工作的基础，它设置的合理及稳定与否，将直接影响放大电路的工作状况及性能质量。（1）估算法确定静态工作点。 对应于以上四个数值，可在三极管的输入特性曲线和输出特性曲线上各确定一个固定不动的点“Q”（即静态工作点），在图7.1电路中将VBB和VCC取同一大小，就可将原电路简化为如图7.2所示直流通路图，其中当VCC、Rb、Rc确定以后，IC、UBE、UCE也就随之确定了。可由式（7-

6、1）估算IB，由IB可得出静态时的集电极电流（7-2） 由图7.2的输出回路可知静态时的集电极与发射极间电压（7-3）图 7.2 共射放大电路直流通路图 图 7.2 共射放大电路直流通路图从式（7-1），由图7.2所示参数可求得 设晶体管的=37.5，则从式（7-2）可得将参数代入式（7-3）可得由此估算得图7.1所示共射极放大电路的静态工作点是：IB = 40A，IC = 1.5mA，UCE = 6V。（2）图解法确定静态工作点。 同时，也可采用图解法确定放大电路的静态工作点，步骤如下：图 7.3 图解分析 电路由图7.2可知是由晶体三极管和外部电路一起构成输出回路的整体，因此 在这个电路中

7、既要满足晶体管的伏安特性，又要满足外部电路的伏安关系，于是，由这两条伏安关系曲线的交点便可确定出IC和UCE。 而外部电路的伏安特性关系为 这是直线方程，可用截距法在输出特性曲线的坐标平面内作出这条直线，如图，由于该直线由直流通路定出，其斜率为 即由集电极负载电阻Rc决定，故称之为输出回路的直流负载线。由图可知直流负载线与IB输出特性曲线的交点，即为静态工作点Q。从Q点查出结果与估算法所得结果一样。2.动态工作情况 当接入正弦信号时，电路将处在动态工作情况，可以根据输入信号电压ui通过图解确定输出电压uo，从而可以得出ui与uo之间的相位关系和动态范围。 图解的步骤是先根据输入信号电压ui在输

8、入特性上画出ib的波形， 然后根据ib的变化在输出特性上画出ic和UBE的波形，如图7.4所示。图 7.4 图解法分析动态工作情况 设放大电路的输入电压正弦波，当它加到放大电路的输入端后，三极管的基极和发射极之间的电压UBE就是在原有直流电压UBE的基础上叠加了一个交流量ui（ube），根据UBE的变化规律，便可从输入特性画出对应的iB的波形图，如图7.4所示。由图上可读出对应于峰值的输入电压，基极电流iB将在60A与20A之间变动。 因为放大电路的直流负载线是不变的，当iB在60A与20A之间变动时，直流负载线与输出特性的交点也会随之而变， 对应于iB=60A的一条输出特性与直流负载线的交点

9、是Q 1点， 对应于iB=20A的一条输出特性与直流负载线的交点是Q 2点，所以放大电路只能在负载线的Q 1Q 2段上工作，即放大电路的工作点随着iB的变动将沿着直流负载线在Q 1与Q 2点之间移动，因此，直线段Q 1Q 2是工作点移动的轨迹，通常称为动态工作范围。 由图可见，在i的正半周，i先由40A增大到60A，放大电路的工作点将由Q点移到Q 1点，相应的ic和IC增到最大值，而uce由原来的UCE减小到最小值；然后iB由60A减小到40A，放大电路的工作点将由Q 1回到Q，相应的ic也由最大值回到IC，而uce则由最小值回到UCE。在的负半周，其变化规律恰好相反，放大电路的工作点先由Q移

10、到Q 2，再由Q 2回到Q点。 这样，就可在坐标平面上画出对应的iB、iC和uCE的波形图，如图7.4所示，UCE中的交流量uce的波形就是输出电压uo的波形。综上分析，可总结如下几点： 没有输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电流和电压（IB、IC、UCE），当在放大电路输入端加入输入信号电压后，iB、iC、uCE都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，即 因此，放大电路中电压、电流包含两个分量：一个是静态工作情况决定的直流成分IB、 IC、UCE；另一个是由输入电压引起的交流成分ib、ic和uce。虽然这些电流、电压的瞬时值是变化的，但它们的方向始终是不变的。 uCE中的交流分量 u

11、ce（即经C2隔直后的交流输出电压uo）的幅度远比ui为大，且同为正弦波电压，体现了放大作用。 从图7.4中还可以看到，uo（）与ui相位相反。这种现象称为放大电路的反相作用 ， 因而共射极放大电路又叫做反相电压放大器，它是一种重要的电路组态。 合适的静态工作点是电路实现不失真放大的必要条件。 放大电路在工作时，输出端总要接上一定的负载，如在图7.5（a）中，负载电阻RL=4k，这时放大电路的工作情况是否会因为RL的接人而受到影响呢？这是下面所要讨论的问题。在静态时，由于隔直电容C2的作用，RL对电路的Q点无影响。图7.5(a) 共射极放大电路带负载电路图 7.5 (b)共射极放大电路带负载交

12、流通路 动态工作时的情况则不同，隔直电容C1和C2在具有一定频率的信号作用下，其容抗可以忽略；同时考虑到电源VCC的内阻很小，可视为短路。这样便可画出图7.5（b）的交流通路图。此时图中的电压和电流都是交流成分。 由图中可以看出，放大电路的交流负载的等效电阻RL为RL与RC的并联值，即（7-4）则 可见，交流负载线要比直流负载线更陡一些。 另外交流负载线和直流负载线必然在Q点相交，这是因为在线性工作范围内，输人电压在变化过程中是一定经过零点的。3.微变等效电路（小信号模型）分析法 晶体管是非线性元件，这可从它的输入、输出特性曲线看出。这给放大电路的分析与计算带来了很多不便，在电路分析中学过的各

13、种线性电路的分析方法均不能使用。但如果放大电路的输入信号电压很小，就可以设想把晶体管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把晶体管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理，这就是晶体管小信号模型的指导思想。 （1）晶体管的简化小信号模型 。 如图7.4（a）中所示的输入特性曲线上，适当选择IB值，在晶体管工作点已确定为Q点附近的一小段，可认为是直线，即输入特性的线性区，则uBE与iB成正比，为一个常数，其比值用线性电阻rbe表示，称为晶体管的输入电阻，取代管子输入回路，如图7.6所示。图7.6（a）晶体管 图7.6（b）简化小信号模型 它是对信号变化量而言的，因此它是一个动态电阻。

14、对于低频小功率管常用下式估算： （7-5） 其值与IE发射极静态工作点电流有关，当Q点越高，IE越大，则rbe越小。该式适用的范围为0.1mAIE 0，功率管的导电角= 2。 （）乙类放大 。 在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期三极管导通。称为乙类放大，如图7.21（d）所示。如图2所示，此时功率管的导电角=。（a）工作点位置 （b）甲类 （c）甲乙类 （d）乙类 图 7.21 各类功率放大电路的静态工作点 （）甲乙类放大 。 在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上三极管是导通的。称为甲乙类放大，如图7.21（c）所示。如图3所示，此时功率管的导电角满足： 0 ，则T2截止，T1承担

15、放大任务，有电流通过负载RL； 当信号处于正半周时，UBE1 = UBE2 0 ，则T1截止，T2承担放大任务，也有电流通过负载RL。这样，一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，两个管子互补对方的不足，从而在负载上得到一个完整的波形，称为互补电路。互补电路解决了乙类放大电路中效率与失真的矛盾。为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一致，即工作性能对称。所以图1所示电路通常称为乙类互补对称电路，又称为无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。 （1）乙类互补对称功放电路的最大输出功率 。 乙类互补对称功放电路的输出功率是输出电压有效值Uo和输出电流有效值Io的乘

16、积（也常用管子中变化电压、变化电流有效值的乘积表示）。所以 不难看出，在输入信号uo的一个周期内，T1 、T2管轮流导通，而且ie1和ie2流过负载的方向相反，从而形成完整的正弦波。由于这种电路中的三极管交替工作，即一个“推”，一个“挽”，互相补充，故这类电路又称为互补对称推挽电路。 可见，输出电压Uom越大；输出功率Po越高，当三极管进入饱和区时，输出电压Uom最大，其大小为当输入信号足够大时，可忽略UCE（sat） ，则 电路获得最大输出功率为（7-24）（7-25）（7-26） （2）乙类互补对称功放电路的直流电源供给功率。 直流电源供给功率是供给管子的直流平均电流ICAV与电源电压VC

17、C的乘积。相当于正、负电源同一电压值而言，ICAV相当于单相全波整流电流波形直流成分，即故（7-27） （3）乙类互补对称功放电路的管耗。 直流电源提供的功率与输出功率之差就是消耗在三极管的功率，即 可求得当Uom = 0.63VCC时，晶体管消耗的功率最大，其值为 每个管子的最大功耗为（7-30）（7-29）（7-28） （4）乙类互补对称功放电路的效率。 乙类互补对称功放电路的效率是指输出功率与电源供给功率之比，故当Uom（max） VCC时，有最大值为 实际应用电路由于饱和管压降UCE（sat）和静态ICQ不为零，其效率要比此值低。（7-30）（7-31）2.甲乙类互补对称功率放大电路

18、理想情况下，乙类互补对称电路的输出没有失真。实际的乙类互补对称电路，如图7.23所示。由于没有直流偏置，只有当输入信号ui大于管子的门坎电压（NPN硅管约为0.6V，PNP锗管约为0.2V）时，管子才能导通。当输入信号ui低于这个数值时，T1和T2都截止，ic1和ic2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，这种现象称为交越失真。图 7.23 乙类互补对称功率放大电路的交越失真 为了克服乙类互补对称电路的交越失真，需要给电路设置偏置，使之工作在甲乙类状态。如图7.24所示。图中T3组成前置放大级（注意，图中未画出T3的偏置电路），给功放级提供足够的偏置电流。T1和T2组成互补对称输出级。

19、静态时，在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态，工作在甲乙类。这样，即使ui很小（D1和D2的交流电阻也小），基本上可线性的进行放大。 上述偏置方法的缺点：偏置电压不易调整，改进方法可采用UBE扩展电路。图 7.24 甲乙类双电源互补对称电路 图 7.25 甲乙类单电源互补对称电路 如图7.25所示在两管发射极与负载之间接入一个大容量电容C，这种电路为甲乙类单电源互补对称电路，通常又称无输出变压器的电路，简称OTL 电路。图中T3组成前置放大级，T1和T2组成互补对称电路输出级。在ui = 0时，调节R1、R2，就可使IC3 、VB2和VB1达到所需大小，

20、给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位VK = VC = VCC / 2 。ui 0时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电； 在信号的正半周，T2导电，则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源-VCC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和-VCC两个电源的作用。 单电源互补对称电路解决了工作点的偏置和稳定问题。但输出电压幅值达不到Uom = VCC / 2。现进行分析： 首先在理想情况下，当ui为负半周最大值时，iC3最小，VB1接近于+VCC，此时希望T1

21、在接近饱和状态工作，即UCE1 = UCES，故K点电位VK = +VCC - UCES VCC。当ui为正半周最大值时，T1截止，T2接近饱和导电，VK = VCES 0。因此，负载RL两端得到的交流输出电压幅值Uom = VCC / 2。 而实际情况下，当ui为负半周时，T1导电，因而ib1增加，由于Rc3上的压降和UBE1的存在，当K点电位向+VCC接近时，T1的基流将受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1输向负载的电流，使RL两端得不到足够的电压变化量，致使Uom明显小于VCC / 2。 与OCL电路相比，OTL 电路少用了一个电源，但由于输出端的耦合电容容量大，则电容器内铝箔卷绕圈数多，呈现的电感效应大，它对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号有附加失真，这也是OTL 电路的缺点。7.4.3 集成功率放大电路 集成功率放大电路用于制作集成功率放大器，它具有输出功率大、外围连接元