模拟电子技术(江晓安)(第三版)第2章

第二章放大电路分析基础2.1放大电路工作原理2.2放大电路的直流工作状态2.3放大电路的动态分析2.4静态工作点的稳定及其偏置电路2.5多级放大电路2.1放大电路工作原理2.1.1放大电路的组成原理图2-1共发射极基本放大电路

(1)为保证三极管V工作在放大区,发射结必须正向运用;集电结必须反向运用。图中Rb,UBB即保证e结正向运用;Rc,UCC保证c结反向运用。

(2)既然我们要放大信号,那么电路中应保证输入信号能加至三极管的e结,以控制三极管的电流。（3）图中Rs为信号源内阻；Us为信号源电压；Ui为放大器输入信号。电容C1为耦合电容,其作用是:使交流信号顺利通过加至放大器输入端，同时隔直流,使信号源与放大器无直流联系。C1一般选用容量大的电解电容,它是有极性的,使用时,它的正极与电路的直流正极相连,不能接反。C2的作用与C1相似,使交流信号能顺利传送至负载,同时,使放大器与负载之间无直流联系。图2–2

单电源共发射极放大电路2.1.2直流通路和交流通路当输入信号为零时,电路只有直流电流;当考虑信号的放大时,我们应考虑电路的交流通路。所以在分析、计算具体放大电路前,应分清放大电路的交、直流通路。由于放大电路中存在着电抗元件,因而直流通路和交流通路不相同。对于直流通路来说,电容视为开路,电感视为短路;对于交流通路,电容和电感应作为电抗元件处理,当其电抗与其所在回路的串联电阻相比,可忽略其作用时,电容一般按短路处理,电感按开路处理。直流电源因为其两端电压值固定不变,内阻视为零,故在画交流通路时也按短路处理。根据上述原则,图2－2电路的直流通路和交流通路可画成如图2－3(a)、(b)所示。图2–3

基本共e极电路的交、直流通路放大电路的分析主要包含两个部分:

直流分析,又称为静态分析,用于求出电路的直流工作状态,即基极直流电流IB;集电极直流电流IC;集电极与发射极间直流电压UCE。交流分析,又称动态分析,用来求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻三项性能指标。2.2放大电路的直流工作状态2.2.1解析法确定静态工作点由图2-3(a)所示,首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ:硅管锗管(2-1)(2-2)根据三极管各极电流关系,可求出静态工作点的集电极电流ICQ：再根据集电极输出回路可求出UCEQ(2-3)(2-4)

【例1】估算图2-2放大电路的静态工作点。设UCC=12V,Rc=3kΩ,

Rb=280kΩ,β＝５０。解根据公式(2-1)、(2-3)、(2-4)得2.2.2图解法确定静态工作点将图2-3(a)直流通路改画成图2-4(a)。由图a、b两端向左看,其iC~uCE关系由三极管的输出特性曲线确定,如图2-4(b)所示。由图a、b两端向右看,其iC～uCE关系由回路的电压方程表示:uCE=UCC-iCRcuCE与iC是线性关系,只需确定两点即可:令iC=0,uCE=UCC,得M点;令uCE=0,iC=UCC/Rc,得N点。将M、N两点连接起来,即得一条直线,因为它反映了直流电流、电压与负载电阻Rc的关系，所以称为直流负载线,如图2-4(c)所示。由于在同一回路中只有一个iC值和uCE值,即iC、uCE既要满足图2-4(b)所示的输出特性,又要满足图2-4(c)所示的直流负载线,所以电路的直流工作状态,必然是IB=IBQ的特性曲线和直流负载线的交点。只要知道IBQ即可,一般可通过(2-1)式直接求出。Q点的确定如图2-4(d)所示。图2–4

静态工作点的图解法由上可得出用图解法求Q点的步骤: (1)在输出特性曲线所在坐标中,按直流负载线方程uCE=UCC-iCRc,作出直流负载线。

(2)由基极回路求出IBQ。

(3)找出iB=IBQ这一条输出特性曲线,与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求。

【例2】如图2-5(a)所示电路,已知Rb=280kΩ,Rc=3kΩ,UCC=12V,三极管的输出特性曲线如图2-5(b)所示,试用图解法确定静态工作点。图2–5

例2电路图解首先写出直流负载方程,并作出直流负载线:然后,由基极输入回路,计算IBQ直流负载线与iB=IBQ=40μA这一条特性曲线的交点,即为Q点,从图上查出IBQ=40μA,ICQ=2mA,UCEQ=6V,与例1结果一致。2.2.3电路参数对静态工作点的影响

1.

Rb对Q点的影响为明确元件参数对Q点的影响,当讨论Rb的影响时,固定Rc和UCC。

Rb变化,仅对IBQ有影响,而对负载线无影响。如Rb增大,IBQ减小,工作点沿直流负载线下移;如Rb减小,IBQ增大,则工作点将沿直流负载线上移,如图2－6(a)所示。图2–6

电路参数对Q点的影响2.

Rc对Q点的影响

Rc的变化,仅改变直流负载线的N点,即仅改变直流负载线的斜率。

Rc减小,N点上升,直流负载线变陡,工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线右移。

Rc增大,N点下降,直流负载线变平坦,工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线向左移。如图2-6(b)所示。

3.UCC对Q点的影响

UCC的变化不仅影响IBQ,还影响直流负载线,因此,UCC对Q点的影响较复杂。

UCC上升,

IBQ增大,同时直流负载线M点和N点同时增大,故直流负载线平行上移,所以工作点向右上方移动。

UCC下降,IBQ下降,同时直流负载线平行下移。所以工作点向左下方移动。如图2-6(c)所示。实际调试中,主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点,而很少通过改变UCC来改变工作点。2.3放大电路的动态分析2.3.1图解法分析动态特性1.交流负载线的作法图2–7

交流负载线的画法交流负载线具有如下两个特点:(1)交流负载线必通过静态工作点,因为当输入信号ui的瞬时值为零时,如忽略电容C1和C2的影响,则电路状态和静态时相同。

(2)另一特点是交流负载线的斜率由表示。过Q点,作一条的直线,就是交流负载线。具体作法如下:

首先作一条的辅助线(此线有无数条),然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负载线,如图2-7所示。由于,故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。交流负载线也可以通过求出在uCE坐标的截距,再与Q点相连即可得到。连接Q点和点即为交流负载线。(2-5)

【例3】作出图2-5(a)的交流负载线。已知特性曲线如图2-5(b)所示,UCC=12V,Rc=3kΩ,RL=3kΩ,Rb=280kΩ。解首先作出直流负载线,求出Q点,如例2所示。为方便将图2-5(b)重画于图2-8。显然作一条辅助线,使其取ΔU=6V、ΔI=4mA,连接该两点即为交流负载线的辅助线,过Q点作辅助线的平行线,即为交流负载线。可以看出相一致。与按

相一致。图2–8

例3中交流负载线的画法2.交流波形的画法表2-140604020402321264.567.56仍以例3为例,设输入加交流信号电压为ui=Uimsinωt,则基极电流将在IBQ上叠加进ib,即iB=IBQ+Ibmsinωt,如电路使Ibm=20μA,则图2-9

基极、集电极电流和电压波形由以上可看出,在放大电路中,三极管的输入电压uBE、电流iB,输出端的电压uCE、电流iC均含直流和交流成分。交流是由信号ui引起的,是我们感兴趣的部分。直流成分是保证三极管工作在放大区不可少的。在输入端,直流成分叠加交流成分,然后进行放大;在输出端,用电容将直流隔掉,取出经放大后的交流成分。它们的关系式为由图2－9可看出,基极、集电极电流和电压的交流成分保持一定的相位关系。ic、ib和ube三者相位相同;uce与它们相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的。这是共e极放大电路的特征之一。2.3.2放大电路的非线性失真

1.由三极管特性曲线非线性引起的失真这种失真主要表现在输入特性的起始弯曲部分,输出特性间距不匀,当输入信号又比较大时,将使ib、uce和ic正负半周不对称,即产生了非线性失真,如图2－10所示。图2–10

三极管特性的非线性引起的失真

2.工作点不合适引起的失真当工作点设置过低,在输入信号的负半周,工作状态进入截止区,因而引起iB、iC和uCE的波形失真,这称为截止失真。由图2－11(a)可以看出,对于NPN三极管共e极放大电路,对应截止失真,输出电压uCE的波形出现顶部失真。如果工作点设置过高,则在输入信号的正半周,三极管工作状态会进入饱和区,此时,iB继续增大而iC不再随之增大,因此引起iC和uCE的波形失真,这称为饱和失真。由图2－11(b)可看出,对于NPN三极管共e极放大电路,当产生饱和失真时,输出电压uCE的波形出现底部失真。图2–11

静态工作点不合适产生的非线性失真放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax或峰-峰值Up-p。最大不失真输出电压是指:当工作状态已定的前提下,逐渐增大输入信号,三极管尚未进入截止或饱和时,输出所能获得的最大不失真输出电压。如ui增大首先进入饱和区,则最大不失真输出电压受饱和区限制,Ucem=UCEQ-Uces;如首先进入截止区,则最大不失真输出电压受截止区限制,Ucem=ICQ·R,最大不失真输出电压值,选取其中小的一个。如图2-12所示,所以图2–12

最大不失真输出电压关于图解法分析动态特性的步骤归纳如下:(1)首先作出直流负载线,求出静态工作点Q。(2)

作出交流负载线。根据要求从交流负载线可画出输出电流、电压波形,或求出最大不失真输出电压值。2.3.3微变等效电路法

1.物理等效电路三极管的微变等效电路，可从电路知识引入h参数微变等效电路。下面我们从管子工作原理直接得出简化微变等效电路。电路如图2－13(a)所示。对信号而言三极管发射结是信号源的负载，它向信号索取电流Ib，如在信号源间接入电阻rbe，如图2－13(b)所示，此时信号源也向rbe提供电流Ib，则称rbe是三极管be间的等效电阻，即三极管be间可用电阻rbe等效；根据三极管输出特性，只要三极管工作在放大区，三极管就可视为电流源，输出电流IC≈βIb,它是一个受控电流源，其大小和方向均受基极电流Ib的控制。故三极管ce间可用受控电流源βIb等效，如图2－14所示。图2－13三极管电路及其be间等效电路综合上述结论，三极管的微变等效电路可用图2－15所示。该等效电路称为三极管的简化微变等效电路，因为它没考虑ce间的电压变化引起的基区宽度变化，从而使基极电流Ib变化(有时称此为基区宽变效应)。由于该影响较小，一般情况下均将此影响忽略。而ce间的等效电路中，没考虑电阻rce，由于其数值较大，一般在数十千欧到数百千欧，远大于负载电阻，其影响也很小，故也将此影响忽略。在放大电路指标分析和计算中，一般均采用简化等效电路。图2－14三极管输出特性及ce间等效电路图2-15三极管的简化等效电路

rbe如何计算呢?画出三极管内部结构示意图,如图2-16(a)所示,基极与发射极之间由三部分电阻组成:基区体电阻rbb′,对于低频小功率管，rbb′约为300Ω,对于高频小功率管，rbb′约为几十~100Ω；re′为发射区体电阻,由于重掺杂,故re′很小,一般可忽略；re为发射结电阻。基极和集电极之间,rc为集电结电阻,rc′为集电区体电阻,βIb是受控电流源。一般由于集电结反向运用,rc很大,可视为开路，则输入等效电路如图2-16(b)所示。图2-16

rbe估算等效电路分析输入等效电路可以写出又Ie=(1+β)Ib

则故其中,发射结动态电阻re可由公式(1-5)求出，即所以(IEQ取mA)

2.三极管的h参数微变等效电路三极管处于共e极状态时,输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示:

输入特性:输出特性:式中iB、

iC、

uBE、uCE代表各电量的总瞬时值,为直流分量和交流瞬时值之和,即(2-7)(2-8)用全微分形式表示uBE和iC，则有（2-9）（2-10）令(2-11)(2-12)(2-13)(2-14)则(2-

9)、(2-10)式可写成（2-15）（2-16）则式(2-

15)、(2-16)可改写成（2-17）（2-18）图2–

17

完整的h参数等效电路*3.h参数的意义和求法三极管输出交流短路时的输入电阻(也可写成hie)三极管输入交流开路时的电压反馈系数(也可写成hre）三极管输出交流短路时的电流放大系数(也可写成hfe）三极管输入交流开路时的输出导纳(也可写成hoe)图2–

18

从特性曲线上求出h参数由于h12、h22是uCE变化通过基区宽度变化对iC及uBE的影响,一般这个影响很小,所以可忽略不计。这样(2-16)、(2-17)式又可简化为(2-19)(2-20)2.3.4三种基本组态放大电路的分析放大电路的性能指标(1)电压放大倍数Au。(2-21)(2-22)(2)电流放大倍数Ai。(3)功率放大倍数Ap。(2-23)(2-24)(4)输入电阻ri。(5)输出电阻ro。(2-25)(2-26)图2–

19

ro测量原理图实际中,也可通过实验方法测得ro,测量原理图如图2-17所示。第一步令RL→∞时,测出放大器开路电压Uo。第二步接入RL,测得相应电压为Uo′。而(2-27)

2.共e极放大电路电路如图2-20(a)所示,画出其微变等效电路如图2-20(b)所示。画微变等效电路时,把电容C1、C2和直流电源UCC视为短路。图2–

20

共e极放大电路及其微变等效电路(1)电压放大倍数由图2-20(b)等效电路得(2-28)(2)电流放大倍数考虑Rb的作用,电流在输入端存在分流关系。考虑负载Rc、RL的影响,电流在输出端也存在一个分流关系。由等效电路图2–20(b)可得Ii≈Ib,流过负载 的电流为输出电流Io，则Io≈Ic=βIb,所以

(3)输入电阻ri:

由图2-18(b)可直接看出ri=Rb∥ri′,式中由于Ui′=Ibrbe，所以

ri′=rbe。当Rb>>rbe时,则ri=Rb∥rbe≈rbe(2-30)

(4)输出电阻ro:

由于当Us=0时,Ib=0,从而受控源βIb=0,因此可直接得出ro=Rc。注意,因ro常用来考虑带负载RL的能力,所以,求ro时不应含RL,应将其断开。(5)源电压放大倍数(2-31)

3.共c极放大电路电路如图2-21(a)所示,信号从基极输入,射极输出,故又称为射极输出器。图2-21(b)为其微变等效电路。图2–

21共c极放大电路及其微变等效电路(1)电压放大倍数(2-32)(2)电流放大倍数流过Re′=Re‖RL的电流为Io，则所以(2-33)(3)输入电阻ri:共c极放大电路输入电阻高,这是共c极电路的特点之一。因故(2-34)

(4)输出电阻ro:

按输出电阻计算方法,信号源Us短路,在输出端加入U2,求出电流I2,则其等效电路如图2-22所示。由图可得图2–

22

求ro等效电路则综上所述,共c极放大电路是一个具有高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1的放大电路。所以共c极放大电路可用来作输入级、输出级,也可作为缓冲级,用来隔离它前后两级之间的相互影响。4.共b极放大电路图2–

23共b极放大电路及其微变等效电路(1)电压放大倍数：(2-36)(2)输入电阻ri:与共e极放大电路相比,其输入电阻减小到rbe/(1+β)。(2-37)(3)输出电阻ro:(4)电流放大倍数(2-38)(2-39)表2-2三种基本放大器的比较2.4静态工作点的稳定及其偏置电路

(1)温度上升,反向饱和电流ICBO增加,穿透电流ICEO=(1+β)ICBO也增加。反映在输出特性曲线上是使其上移。

(2)温度上升,发射结电压UBE下降,在外加电压和电阻不变的情况下,使基极电流IB上升。(3)温度上升,使三极管的电流放大倍数β增大,使特性曲线间距增大。综合起来,温度上升,将引起集电极电流IC增加,使静态工作点随之升高。我们知道,静态工作点选择过高,将产生饱和失真,如图2-24所示;反之亦然。显然,不解决此问题,三极管放大电路难于应用,冬天设计的电路,夏天可能工作不正常;北方的电路,南方用不成。图2–24

温度对Q点和输出波形的影响实线:20℃时的特性曲线虚线:50℃时的特性曲线解决办法应从两个方面入手:使外界环境处于恒温状态,把放大电路置于恒温槽中,但这样所付出的代价较高,因而此方法只用于一些特殊要求的地方。再有一个办法就是本节所介绍的从放大电路自身去考虑,使其在工作温度变化范围内,尽量减小工作点的变化。图2–

25电流反馈式偏置电路我们知道,工作点的变化集中在集电极电流IC的变化。因此,工作点稳定的具体表现就是IC的稳定。为了克服IC的漂移,可将集电极电流或电压变化量的一部分反过来馈送到输入回路,影响基极电流IB的大小,以补偿IC的变化,这就是反馈法稳定工作点。反馈法中常用的电路有电流反馈式偏置电路、电压反馈式偏置电路和混合反馈式偏置电路三种,其中最常用的是电流反馈式偏置电路,如图2-25所示。该电路利用发射极电流IE在Re上产生的压降UE,调节UBE,当IC因温度升高而增大时,UE将使IB减小,于是便减小了IC的增加量,达到稳定工作点的目的。由于IE≈IC,因而只要稳定IE,IC便稳定了。为此，电路上要做到下述两点。(1)要保持基极电位UB恒定,使它与IB无关,由图2-23可得此式说明UB与晶体管无关,不随温度变化而改变,故UB可认为恒定不变。(2-40)(2-41)

(2)由于IE=UE/Re,所以要稳定工作点,应使UE恒定,不受UBE的影响,因此要求满足条件稳定工作点的过程可表示如下:TIEIEReUBEIE(2-42)(2-43)实际中公式(2-40)、(2-42)满足如下关系:对硅管,UB=3~5V;锗管,

UB=1~3V。(2-44)对图2-

25所示静态工作点,可按下述公式进行估算:(2-45)如要精确计算,应按戴维宁定理,将基极回路对直流等效为如图2-

26所示,然后按下式计算直流工作状态:图2–

26

利用戴维宁定理后的等效电路图2–

27

图2-

25的微变等效电路图2-

25的动态分析如下所述:(1)电压放大倍数其中所以(2)输入电阻ri:由图2-25可得(3)输出电阻ro:

【例4】设图2–25中UCC=24V,Rb1=20kΩ,Rb2=60kΩ,Re=1.8kΩ,Rc=33kΩ,β=50,UBE=0.7V，求其静态工作点。

【例5】图2-28(a)、(b)为两个放大电路,已知三极管的参数均为β=50,rbb′=200Ω,UBEQ=0.7V,电路的其它参数如图所示。

(1)分别求出两个放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。

(2)如果三极管的β值均增大1倍,分析两个电路的Q点各将发生什么变化。

(3)三极管的β值均增大1倍,两个放大电路的电压放大倍数如何变化?图2-28例5电路图

解

(1)图2-28(a)是共发射极基本放大器,图2-28(b)是具有电流负反馈的工作点稳定电路。它们的微变等效电路如图2-29(a)、(b)所示。图2-29图2-28的微变等效电路为求出动态特性参数,首先得求出它们的静态工作点。在图2-28(a)所示放大电路中，有在图2-28(b)所示放大电路中，有两个电路静态工作点处的ICQ(IEQ)值相同,且rbb′和β也相同,则它们的rbe值均为由微变等效电路可求出图2-29(a)所示电路的下列参数：同理求得图2-29(b)所示电路的参数如下：可见上述两个放大电路的Au和ro均相同,ri也近似相等。

(2)当β由50增大到100时,对于图2-28(a)所示放大电路,可认为IBQ基本不变,即IBQ仍为0.02mA,此时,ICQ=βIBQ=100×0.02=2mAUCEQ=UCC-ICQRc=12-2×5=2V可见,β值增大后,共e极基本放大电路的ICQ增大,UCEQ减小,Q点移近饱和区。对本例,如β再增大,则三极管将进入饱和区,使电路不能进行放大。图2-29(b)所示的工作点稳定电路中,当β值增大时,UB、UE、IEQ、ICQ、UCEQ均没有变化,电路仍能正常工作,这也正是工作点稳定电路的优点。但此时IBQ将减小，如上述Q点变化情况,可用图2-30表示。图2-30

β增大时两种共射放大电路Q点的变化情况

(3)从上述两电路中其电压放大倍数表达式可以看出两者是相同的,均为Au=-βRL′/rbe,似乎β上升,其Au均应同比例增大。实际并非如此,因为与工作点电流IEQ有关。对于图2-29(a),当β=100时,IEQ=2mA,则与β=50相比,rbe几乎没变,而｜Au｜基本上增大了1倍。对于图2-29(b),当β=100时,IEQ基本不变,仍为1mA,则与β=50相比,rbe增大了,但Au基本不变。2.5多级放大电路

2.5.1多级放大电路的耦合方式常用的耦合方式有三种,即阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。

1.多级放大电路的组成图2–

31多级放大电路组成的方框图对输入级的要求与信号源的性质有关。例如,当输入信号源为高内阻电压源时,则要求输入级也必须有高的输入电阻,以减少信号在内阻上的损失。如果输入信号源为电流源,为了充分利用信号电流,则要求输入级有较低的输入电阻。中间级的主要任务是电压放大,多级放大电路的放大倍数主要取决于中间级,它本身就可能由几级放大电路组成。输出级是推动负载。当负载仅需要足够大的电压时,则要求输出具有大的电压动态范围。更多场合下,输出级推动扬声器、电机等执行部件,需要输出足够大的功率,常称为功率放大电路。

2.阻容耦合通过电阻、电容将前级输出接至下一级输入,如图2-32所示。通过电容C1与输入信号相连,通过电容C