基本放大电路教案

第三章根本放大电路第一节放大器概述根本放大电路也叫放大器，它是利用三极管的电流放大作用，将微弱的电信号〔电压信号、电流信号〕进行有限的放大，得到需要的电信号。一、放大器的根本概念1、特点1〕输出信号的功率比输入信号的功率要大此时我们说电子信号得到了放大2〕输出信号的波形与输入信号的波形要相同即信号不产生失真2、组成有源器件：三极管场效应管等无源器件：电阻电容电感变压器等3、根本要求1〕足够的放大倍数2〕一定宽度的同频带信号范围内的频率应得到同样的放大3〕非线性失真小由于非线性元件引起的波形畸变叫非线性失真4〕工作要稳定各项参数不随工作时间、环境而改变，同时放大器本身不产生自激信号5〕输入信号的电压、电流及功率不能超过放大器的最大允许值否那么会损坏放大器6〕放大器允许输出的输出信号的最大功率应小于由电源提供应放大器的功率。二、三极管的连接方式共发射极放大电路共基极放大电路共集电极放大电路特点：各种根本放大电路的输入端和输出端共发射极放大电路：信号从基极输入，集电极输出；公共端为发射极共基极放大电路：信号从发射极输入，集电极输出；公共端为基极共集电极放大电路：信号从基极输入，发射极输出，公共端为集电极举例：上图为共发射极放大电路，右图为电路图的另一种画法，其中的“⊥〞为公共接地，是电路中的电流、电压的零参考点，称为接地端。各元件的作用：C1、C2：C1为输入信号耦合电容，为输入信号提供交流通路；C2为输出信号耦合电容，为输出信号提供交流通路。它们同时起隔断直流作用，防止影响三极管的静态工作点。R1、R2：基极偏置电阻，电源电压经这两个电阻分压给基极提供偏置电压，使发射结处于正向导通状态。R1叫上偏电阻，R2叫下偏电阻。它们一般为几千欧姆。Rc叫集电极供电电阻，它起两个作用，其一是将放大的电流信号转为电压信号，其二是电源Vc通过它给集电极供电，使集电结处于反向偏置状态。其阻值一般为几欧姆~几千欧姆。Re为发射极负反应电阻，其作用是稳定静态工作点。Ce为发射极交流旁路电容，其作用是提高交流信号的放大倍数。V是放大管，起电流放大作用，是放大器的核心元件。第二节三极管根本放大电路一、根本放大电路的组成如图，是另外一种根本放大电路形式。在上图中，VBB为基极偏置电源，为发射结提供正向偏压；VCC为集电极直流电源，为集电结提供反向偏压。这两个电压共同作用，使三极管工作在放大状态。在右图中，省去了基极电源，由集电极电源VCC通过Rb分出一局部提供基极电压。二、放大器电流电压符号使用规定大大表示直流分量。如：VB表示三极管的基极的直流电压；IB表示基极的直流电流。小小表示交流分量。如：ib表示三极管的基极的交流电流；ub表示三极管的基极的交流电压。大小表示交流分量的有效值。如：Vb表示加到三极管基极的交流电压的有效值。小大表示直流分量和交流分量的叠加。如：iB表示三极管的基极的直流电流叠加有交流电流分量。即iB=ib+IB。三、放大器的静态工作点1、放大器的静态：当放大器的输入端没有信号输入时所处的状态叫放大器的静态。当放大器无交流信号输入时，它的工作状态可以由三极管的基极与发射极的直流电压VBE和基极直流电流IB、集电极与发射极的直流电压VCE和集电极直流电流IC四个参数来确定。这四个直流参数在三极管的输入特性曲线和输出特性曲线上确定了一个点，这个点就叫三极管的静态工作点。即：静态工作点由上面的四个参数来确定。在三极管的放大状态中，根据输入特性曲线，发射结电压几乎不变，所以只需要确定其他三个参数。在右图中，VBE=0.7V〔硅管〕IB=VCC/RbIC=βIBVCE=VCC-ICRC学生练习：1、在上图中，VCC=12V,三极管β=50，Rb=220K,RC=2K，求静态工作点。2、右图为另一种具有稳定工作点的共射放大电路，求静态工作点。2、放大器能否正常工作的重要条件：设置适宜的静态工作点放大器在工作时，其基极和集电极的电流、电压值是直流和交流的瞬时值叠加而成，而放大器的核心元件三极管处于放大状态的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置，所以加在三极管的基极发射结的瞬时电压应大于死区电压，而且要使集电结处于反向偏置。如图，当三极管的基极没有加静态偏置时的信号处理情况。此时，输入的交流信号因为负半周使三极管进入截止状态，从而集电极输出的放大的交流信号也只有正半周输出，从而造成严重的失真。所以要设置适宜的静态工作点，使输入的交流信号处于负半周时三极管也能工作在放大状态从而防止输出波形的失真。四、放大原理三极管对信号是怎样进行放大的？这个过程可以用下列图进行说明：图中的C1、C2为输入信号耦合电容和输出信号耦合电容，对交流信号而言相当于短路，所以交流信号电压从基极和发射极间输入，而处理后的交流信号从集电极和发射极间输出。变化的交流信号电流叠加在基极的静态直流电流上，形成变化的既有交流又有直流分量的基极电流iB(iB=ib+IB),变化的基极电流又使集电极电流发生更大的变化〔也既有直流又有交流分量〕，从而在RC上的压降也在发生相同的变化；而集电极电压vCE=VCC-iCRC,这样往相反方向发生更大变化的交流信号电压从集电极输出。由上图可以看出，输出电压的相位与输入电压的相位刚好相反〔输入电压上升到正的最大时，输出电压下降到负的最大〕，故这种共发射极的单管放大电路称为反相器。五、直流通路与交流通路因为放大器放大信号时，既有直流成分又有交流成分，为了分析的方便，常将直流静态量和交流动态量分开来研究，如：分析静态工作点时，只考虑直流量；而计算放大倍数时又只考虑交流量。所以要会画放大器的直流通路和交流通路。1、直流通路的画法直流通路：是放大器输入回路和输出回路直流电流的流经路径。因电容的隔直流的特性，将电容视为开路，其它不变。常用于静态工作点的分析，如下列图。2、交流通路交流通路：是放大器交流信号的流经途径，它是放大器的交流等效电路。画法：将容量较大的电容视为短路，将直流电源〔内阻小，可忽略不计〕视为短路，其余元件照画。如下列图。六、根本放大电路的分析方法(一)放大器常用指标1．放大倍数(1)电压放大倍数AV放大器的输出电压有效值VO与输入电压有效值Vi的比值称为电压放大倍数。AV=(2)电流放大倍数Ai放大器输出电流有效值Io与输入电流有效值Ii的比值称为电流放大倍数。Ai=(3)功率放大倍数Ao放大器输出功率Po与输入功率Pi的比值称为功率放大倍数Ap=2、放大器的增益放大倍数用对数表示叫做增益G，电子技术对增益作如下规定：(1)功率增益将输出功率与输入功率之比取对数它的单位为贝尔B，因贝尔单位较大，常用十分之一贝尔——分贝(dB)来度量。即1贝尔=10分贝(2)电压增益(3)电流增益3．输入电阻和输出电阻放大器的输入电阻ri：放大器输入端加上交流信号电压vi，将在输入回路产生输入电流ii。这如同在一个电阻上加上交流电压将产生交流电流一样。这个电阻叫做放大器的输入电阻，用ri表示。在数值上等于输入电压与输入电流之比。ri=vi/ii输入电阻也可理解为从输入端看进去的等效电阻，如图3—12左边所示。这个电阻值越大，那么放大器要求信号源提供的信号电流越小，信号源的负担就越小。在应用中总希望放大器输入电阻大一些。放大器的输出电阻ro：是从放大器的输出端(不包括外接负载电阻RL)看进去的交流等效电阻，如图右边所示。输出电阻越小，放大器带负载能力越强，并且负载变化时，对放大器影响也小。所以输出电阻越小越好。4．通频带放大器在放大不同频率的信号时，其放大倍数是不一样的。通常放大器的放大能力只适应于一个特定频率范围的信号。在一定频率范围内，放大器的放大倍数高且稳定，这个频率范围为中频区。离开中频区，随着频率的升高或下降都将使放大倍数急剧下降。下限截止频率fL：信号频率下降到中频时的倍所对应的频率叫下限截止频率。上限频率fH：将信号频率上升使放大倍数下降到中频时的倍所对应的频率叫上限频率.通频带BW：fL与fH之间的频率范围称为通频带。(二)放大器的估算法在分析小信号放大器的工作状况时，常用近似估算法。1．静态工作点的估算例1图所示的放大电路中，Vcc=12V，三极管β=50，其余元件参数见图，试估算静态工作点。例2图为另一种具有稳定工作点的共射放大电路，求静态工作点。2．输入电阻和输出电阻的估算(1)三极管输人电阻rbe的估算公式rbe=300+(1+β)(Ω)上式中，IEQ为静态发射极电流，因IEQ≈ICQ，所以可用ICQ代替。一般，rbe的值在几百欧至几千欧之间。三极管的输出电阻：一般为几百千欧以上，通常认为∞。(2)放大器的输人电阻ri和输出电阻ro的估算放大器的输入电阻为rbe和Rb的并联值，即:ri=rbe∥Rb一般Rb》rbe，上式可近似认为ri=rbe放大器的输出电阻：因三极管输出端动态电阻很大，所以输出电阻近似等于集电极电阻。ro≈RC3．放大器放大倍数的估算如图，因为Rb与rbe并联．那么有因Rb》rbe，所以vi=ib﹒rbe在输出端有：因为ic=βib所以vo=ic=βib由于vo与vi相位相反，因此vo=-ic=-βib根据电压放大倍数Av=，可算出Av：例3在图所示的电路中。设三极管β=50，其余参数见图。试求：(1)静态工作点；(2)rbe(3)Av；(4)ri；(5)ro。解：〔1〕静态工作点VBE=0.7VIB==IC=βIB=50×44.4uA=2.2mAVCE=VCC-ICRC=12V-2.2mA×3K=5.4V(2)求rberbe=300+(1+β)=300+〔1+50〕=903Ω〔3〕求Av(4)求输入电阻r．(5)求输出电阻r。ro≈RC=3kΩ第三节具有稳定工作点的放大电路--分压式偏置电路一分压式偏置电路的结构及工作原理(一)电路结构图为分压式偏置电路。Rb1为上偏流电阻，Rb2为下偏流电阻(它们的取值均为几十千欧姆)，电源电压Vcc经Rb1、Rb2分压后得到基极电压VBQ，提供基极偏流IBQ，Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容，Ce的作用是提供交流信号的通道，减少信号的损耗，使放大器的交流信号放大能力不致因Re而降低。Ce的取值一般为50～100uF。由图可见，I1=I2+IBQ，而I2》IBQ,所以I1≈I2，基极静态电压：VBQ≈VCC由上式可见，在分压式偏置电路中VBQ的大与三极管的参数无关，只由VCC和Rb1、Rb2的分压决定。(二)工作原理温度变化时，三极管的ICBO、、VBEQ等参数将发生变化，导致工作点偏移。实验证明，温度升高时，三极管穿透电流ICEO=(1+)ICBO将大幅度增加，使ICQ增大。分压式偏置电路能使ICQ的增大受到抑制，自动稳定工作点。在上图中，有VBEQ=VBQ-VEQ而且IEQ=ICQ+IBQ≈ICQ当温度升高时，ICQ将增大，那么IEQ流经Re产生的电压VEQ随之增加，因VBQ是一个稳定值，因而VBEQ=VBQ-VEQ将减小。根据三极管输入特性，基极电流IBQ减小，ICQ亦必然减小，使工作点恢复到原有状态。上述稳定工作点的过程可表示为：二静态工作点的计算例1在图所示的两个放大电路中，三极管β=50，VBEQ=0．7V，电路其它参数如下图。试求：(1)两个电路的静态工作点；(2)假设两个三极管的β=100,那么各自的工作点怎样变化?解：〔1〕先求两个电路的静态工作点〔先画直流通路，略〕〔a〕为固定偏置电路IBQ==ICQ=βIBQ=50×0.02mA=1mAVCEQ=VCC-ICQRC=12V-1mA×5KΩ=7V〔b〕为分压式偏置电路VBQ≈VCC=12V×=VVEQ=VBQ–VBEQ=V-0.7V=VICQ=IEQ===mAVCEQ=VCC-ICQ(RC+Re)=12V-mA×(5K+2.7K)=8V〔2〕假设两个三极管β=100时(a)中，因IBQ仍为O.02mA，所以ICQ=βIBQ=100×0.02mA=2mAVCEQ=VCC-ICQRC=12V-2mA×5KΩ=2V可见，β增大，导致ICQ增大，使VCEQ降低。(b)中，由于该电路为分压式偏置电路。工作点稳定，β增大时，VBQ、VEQ、IEQ、ICQ根本不变，那么VCEQ也不变，只是IBQ=，因而，β增大一倍，使IBQ减小一半。总结：计算静态工作点时，固定偏置电路是先算IBQ．再算ICQ，最后算VCEQ，分压式偏置电路那么是先算ICQ，再算IBQ，最后算VCEQ。三电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的计算例2在图中，三极管β=50，VBEQ=0．7V，其余电路参数如图示。试计算：(1)静态工作点；(2)电压放大倍数Av，输入电阻ri和输出电阻ro解：〔1〕计算静态工作点〔画直流通路略〕VBQ≈VCC=12V×=4VVEQ=VBQ–VBEQ=ICQ=IEQ===VCEQ=VCC-ICQ(RC+Re)=12V-×〔2〕计算电压放大倍数Av，输入电阻ri和输出电阻ro先画出电路的交流通路，如右图。rbe=300+(1+β)=300+〔1+50〕Ω=RC∥RL==Ω∴AV=-=-ri=Rb1∥Rb2∥rbe=20∥10∥Ωro=RC=2KΩ总结：在具有稳定工作点的放大电路中，根据公式AV=-，Re的接入，会使rbe变大，这样，就降低了放大倍数；但是，由于交流旁路电容Ce的接入，又使放大倍数增大。第四节多级放大器--两个两个以上单管放大电路组成的放大器叫多级放大器。一多级放大器的耦合方式放大电路的“级〞：在多级放大器中，每个单管放大电路称为“级〞。耦合〔级间耦合〕：各级之间的信号传递称为级间耦合，简称耦合。多级放大器的耦合方式一般有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种。(一)阻容耦合利用电阻和电容把前级和后级连接起来的耦合方式叫做阻容耦合。典型电路如下列图。它是一个两级阻容耦合放大电路。输入信号通过第一级电路放大后，在集电极电阻Rc1两端的输出电压再经过耦合电容C2把信号电压送出,加在第二级的输入电阻两端。由于C2的隔直作用，前后级的静态工作点互不干扰，彼此独立，因而给分析和调整电路带来很多方便。(二)变压器耦合利用变压器把前级和后级连接起来的耦合方式叫变压器耦合。典型电路如下列图。变压器能利用电磁感应，把交流信号从变压器的原边感应到副边，将信号从前级传到后级特点：1、变压器有隔直作用，使前后级静态工作点互不影响。2、可实现电路间的阻抗变换进行阻抗匹配，以获得最大的输出功率。(三)直接耦合前级的输出端和后级的输入端直接相连的方式叫做直接耦合。典型电路如下列图。特点：交流信号畅通无阻，但静态工作点相互影响。广泛应用于直流放大器和集成电路中。二多级放大器的分析多级放大器的分析包括：电压放大倍数、输入电阻和输出电阻、通频带及非线性失真等内容。(一)电压放大倍数多级放大器对被放大的信号而言，属直联关系。前一级的输出信号就是后一级的输入信号。设各级放大器的放大倍数依次为AV1、AV2、…、AVn那么多级放大器总电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积。Av=AV1AV2…AVn假设用分贝表示法，那么总增益为各级增益的代数和。GV(dB)=GV1(dB)+GV2(dB)…+GVn(dB)(二)输入电阻和输出电阻它的输入电阻就是第一级的输入电阻,它的输出电阻就是最后一级的输出电阻。(三)频率特性与通频带多级放大器总的通频带比任何一级放大器都窄。多级放大器提高电压放大倍数是以牺牲通频带为代价的，因此，为了满足多级放大器对通频带的要求，必需把每个单级放大器的通频带选得更宽些。(四)非线性失真、三极管的输入输出特性曲线均不是直线，这就导致了输入输出特性的非线性．输入信号经放大器放大后，输出波形将产生非线性失真。在多级放大器中，由于各级均存在着失真，那么输出端波形失真更大，要减小输出波形的失真，应尽力克服各单级放大器的失真。第五节放大器的三种基本组态前面讲的是共发射极放大电路，由于在三极管电路中输入和输出回路公共端的选择不同，所以放大器还存在另外两种电路形式----共基极放大电路和共集电极放大电路。一、共集电极放大电路：典型电路如下列图，右图为它的交流通路。由于被放大的信号从发射极输出，所以又叫射极输出器，简称射随器。电路特点：基极只有一个偏置电阻；集电极没有接电阻；信号从发射极输出。放大器分析：1、输入电压和输出电压从图可以看出，输出电压的极性和输出相位相同，即输出电压总是跟随输入电压而变化，所以叫射极跟随器，简称射随器。同时vi=vbe+vo即：vo≈vi所以输出电压略小于输入电压。电压放大倍数略小于1且近似于1。对电流而言，ie仍为基极电流的(1+β)倍，具有较强的电流放大能力。2、输入电阻ri=vi/ii=[ii×rbe+(1+β)ii×]/ii=rbe+(1+β)由上式可见，射极跟随器的输入电阻比拟大。所以放大器要求信号源提供的信号电流较小，信号源的负担较小3、输出电阻根据电路计算，射极输出器的输出电阻比拟小，一般只有几欧到几十欧。所以放大器带负载能力较强，并且负载变化时，对放大器影响也小。由于射极输出器的上述三个特点，它广泛应用在电路的输入级、多级放大器的输出级或用于两级共射放大电路之间的隔离级。4、静态工作点的计算：VCC=IBQRb+VBEQ+IEQRe=IBQRb+VBEQ+(1+β)IBQRe整理后得IBQ=发射极有：IEQ=(1+β)IBQVCEQ=VCC-IEQRe例：射极跟随器电路如下列图，三极管β=50，VBEQ=0.7V，估算其静态工作点。解：画出直流通路〔略〕对于输入回路，有：VCC=IBQRb+VBEQ+IEQRe=IBQRb+VBEQ+(1+β)IBQRe整理后得IBQ===11uA发射极有：IEQ=(1+β)IBQ=〔1+50〕×11=561uAVCEQ=VCC-IEQRe=12-561××10K=二、共基极放大电路电路如图，右边为其直流通路和交流通路。电容器Cb的作用是：对于交流通路，它是共基极放大电路。它是一个宽带放大器。第六节调谐放大器前面分析的阻容耦合放大器能对一定范围内的频率信号进行逐级放大，技术上把这种放大器称为宽频带放大器。在无线电播送的接收装置如电视机和收音机中，需要从含有多种频率的信号中，选出某一个频率的信号并加以放大，而将其他频率的信号衰减，这就需要放大器具有选频功能。我们把具有选频放大性能的放大器称为选频放大器。本节介绍的调谐放大器是利用LC回路的谐振特性来实现选频放大的。在电路结构上，它用LC并联回路取代了阻容耦合放大器的集电极电阻Rc.一、预备知识1、电容器：其特点是：eq\o\ac(○,1)有充放电的特性。eq\o\ac(○,2)隔直通交，阻低频，通高频eq\o\ac(○,3)对电流有阻碍作用，频率越高，阻碍越小。我们把电容器对电流的阻碍作用叫做容抗。XC=2、电感器：其特点是：eq\o\ac(○,1)能阻碍电流的变化。eq\o\ac(○,2)通直流，阻交流，通低频，阻高频。eq\o\ac(○,3)对电流有阻碍作用，频率越高，阻碍越大。我们把电感器对电流的阻碍作用叫感抗。XL=我们把电阻器对电流的阻碍作用叫做电阻，那么元器件对电流的阻碍作用我们就把它叫阻抗。。3、LC振荡电路振荡：在没有交流成分的参与下，将直流电变为交流电的过程。如图，由于电容器和电感的电能和磁能的不断转化，便形成了振荡，得到频率为的交流信号。这个频率是由电路的C和L共同决定的，所以叫这个LC电路的固有频率。当电路同时加有交流信号而且频率和这个固有频率相等时这个LC电路所处的状态叫做谐振。4、串联谐振和并联谐振电路串联谐振电路：如图，为串联谐振电路电路的固有频率：特点：eq\o\ac(○,1)当谐振时，合阻力最小，允许通过的电流最大，此时电路呈阻性。eq\o\ac(○,2)当不处于谐振时，合阻力大，允许通过的电流小。所以，只有外加信号频率与固有频率相等时，电路中的电流最大，而合阻力最小。并联谐振电路：如图为并联谐振电路特点：eq\o\ac(○,1)当谐振时，合阻力最大，允许通过的电流最小，此时电路呈阻性。eq\o\ac(○,2)当不处于谐振时，合阻力小，允许通过的电流大。所以，只有外加信号频率与固有频率相等时，电路中的电流最小，而合阻力最大。二、LC并联回路的选频特性A、LC回路的阻抗频率特性图为LC并联回路的阻抗随频率变化的曲线，从图可以看出：eq\o\ac(○,1)当外加信号频率等于时，回路阻抗最大，此时电路呈纯电阻。eq\o\ac(○,2)当外加信号频率大于时，回路阻抗迅速减小，此时电路中的电容起主要作用，电路呈容性。eq\o\ac(○,3)当外加信号频率小于时，回路阻抗迅速减小，此时电路中的电感起主要作用，电路呈感性。B、LC回路的相位频率特性由于电容器的充放电特性及电感器能阻碍电路中电流变化的特性，回路的电压和电流的相位不一定相同，即：电压和电流到达最大值的时刻不相同。图为电压和电流的相位差与频率的变化关系曲线。特点：eq\o\ac(○,1)当外加信号频率等于时，此时电路呈纯电阻，相位差为零。eq\o\ac(○,2)当外加信号频率大于时，此时电路中的电容起主要作用，电路呈容性，相位差为负值。eq\o\ac(○,3)当外加信号频率小于时，此时电路中的电感起主要作用，电路呈感性，相位差为正