简明电工学课件：分立元件放大电路

分立元件放大电路10.1共射极放大电路的组成10.2电路的电压放大作用10.3共射极放大电路的静态分析10.4波形失真与静态工作点的稳定10.5共射极放大电路的动态分析10.6其他放大电路

控制器的输出端直接驱动直流电动机时,由于控制器的输出功率小,会出现无法带动电动机运转的现象。因此,通常在控制器与直流电动机之间设置放大电路,用来提高控制器的带载能力。类似的,传感器将采集到的信息转化为微弱的电信号后,只有将电信号放大到可以测量和利用的程度,才能驱使仪表或执行机构动作。可见,放大电路在电子设备中的应用十分广泛。

能力要素

(1)能够识别固定式偏置、分压式偏置放大电路,射极输出器及多级放大电路。

(2)能够绘制共射极放大电路的直流通路,并求解其静态工作点。

(3)能够绘制共射极放大电路的微变等效电路,并求解其动态指标。

知识结构

10.1共射极放大电路的组成

三极管要实现放大,必须满足一定的外部条件,即:发射结正偏,集电结反偏。为此,参考图9.5.4,设置合适的偏置电源UBB和UCC,可得放大电路的雏形如图10.1.1(a)所示。为了将放大信号输送进来,由基极B引出输入线与地之间形成输入端。输入端接信号源或前级放大电路。为了将放大后的信号输送出去,由集电极C引出输出线与地之间形成输出端。输出端接负载或后级放大电路。

基极电阻RB的作用是获得合适的电流以保证三极管工作在放大状态,又称偏置电阻,其值约为几十千欧至几百千欧。集电极电阻RC将集电极电流的变化转换为电压的变化,实现电压放大,一般为几千欧至几十千欧。

图10.1.1(a)中采用了两个直流电源,不实用。可将RB接UBB正极的一端改接到UCC的正极,省去UBB,如图10.1.1(b)所示。图10.1.1共射极放大电路的组成

在输入信号为正弦量的情况下,既要保证交流信号能顺利输送(又称耦合)进来和输送出去,又使放大电路中的直流电源与“信号源和负载”隔离,通常在输入端和信号源之间以及输出端与负载之间分别接有电容C1和C2,如图10.1.1(c)所示。为了减小信号传递时的电压损失,C1、C2应选得较大,一般为几微法至几十微法,通常采用电解电容器。因输入回路和输出回路共用发射极,图10.1.1(c)所示电路通常称为共射极放大电路,其中ui为输入电压,RL为负载电阻,uo为输出电压。

10.2电路的电压放大作用

10.2.1无信号输入输入端未加输入信号时,放大电路的工作状态称为静态。静态时,三极管各极电压和电流都是直流量。由于电容的隔直作用,输入端和输出端不会有直流电压和电流。

UCC经RB给发射结加上了正向偏置电压,同时,经RC给集电结加上了反向偏置电压,三极管处于放大状态。于是,发射极发射载流子形成了静态基极电流IB、集电极电流IC、发射极电流IE及集射极电压UCE。静态时的基极电流又称为偏置电流,简称偏流。各静态值的波形如图10.2.1所示。图10.2.1静态时的放大过程及其波形

静态时,由电流IB、IC和电压UBE、UCE在输入、输出特性曲线上确定的工作点称为静态工作点Q,如图10.2.2所示。图10.2.2静态工作点

10.2.2有信号输入

输入端加上输入信号时,放大电路的工作状态称为动态。

交流输入信号ui通过C1耦合到三极管的发射结两端,给发射结施加了交流偏置电压ube。此时,发射结电压uBE是UBE与ube的叠加。uBE始终大于零,三极管处于放大状态。发射结电压的变化引起各极电流和电压的相应变化,它们都包含有一个静态直流分量和一个动态交流分量,其波形如图10.2.3所示。需要注意的是:UBE、ube、uBBE这样的形式分别表示静态直流值、动态交流值、瞬时总值。图10.2.3动态时的放大过程及其波形

图10.2.3中,由于uCE=UCC-RCiC,所以uCE与iC的方向相反。同时由于uo=uce,所以ui与uo的相位也相反。需要注意的是:输入回路的电流为iB,输出回路的电流为iC,且iC>iB,因此输出信号的功率大于输入信号的功率。

根据能量守恒原理,能量只能转换,不能凭空产生,当然也不可能放大,放大电路所增加的能量是由直流电源UCC提供的。在三极管放大电路中,三极管起电流放大作用,称为放大元件,进而控制输出信号随输入信号的变化而变化。

由上可知,放大电路需要具备以下两点:一是要设置偏置电路,以产生合适的偏流,建立合适的静态工作点,保证输出信号与输入信号的波形相同;二是将输入信号耦合到三极管发射结两端,并通过集电极电阻将放大的电流信号转换成电压信号输送出去。因此,对于放大电路的分析包括静态分析和动态分析两部分。

10.3共射极放大电路的静态分析

静态分析主要是确定放大电路中的静态工作点Q,即确定IB、IC和UCE的大小,使三极管工作在放大区,且使输出信号不失真。以图10.1.1(c)所示的共射极放大电路为例,用估算法求解Q点。．

1.画直流通路

由于电容在直流电路中相当于开路,可得放大电路的直流通路如图10.3.1所示。图10.3.1直流通路

2.估算静态工作点．

【例10.3.1】如图10.1.1(c)所示共射极放大电路中,UCC=12V,RC=3kΩ,RB=200kΩ,β=40,UBE忽略不计,求放大电路的静态工作点。

解因UBE忽略不计,所以

10.4波形失真与静态工作点的稳定

10.4.1波形失真

由静态分析可知,改变RB的大小可以改变IB的值,进一步改变IC及UCE的值,有可能会使三极管进入饱和区或者截止区,导致输出信号波形失真。当发生波形失真时,根据三极管工作区域不同,又分为饱和失真与截止失真。

1.饱和失真

Q点设置偏高,三极管进入饱和区。此时iB继续增大而iC不再随之增大,引起iC及uCE的波形失真,称为饱和失真。当发生饱和失真时,iC波形的正半周(顶部)发生畸变,uCE波形的负半周(底部)发生畸变,如图10.4.1(a)所示。可通过增大RB,减小IB的方法,使静态工作点下移,减小或消除饱和失真。图10.4.1静态工作点不合适引起的非线性失真

2.截止失真

Q点设置偏低,三极管进入截止区,因而引起iB、iC及uCE的波形失真,称为截止失真。当发生截止失真时,iC波形的底部发生畸变,uCE波形的顶部发生畸变,如图10.4.1(b)所示。可通过减小RB,增大IB的方法,使静态工作点上移,减小或消除截止失真。

饱和失真和截止失真都是由于放大电路的工作点进入三极管非线性区而引起的,统称为非线性失真。若调节RB不能消除失真,也可以考虑调节UCC和RC。

温度变化、电源电压波动、元件老化等原因都可能使三极管参数发生变化,而其中最重要的原因是温度的变化,温度增加将使IC增大,静态工作点上移。通常采用分压式偏置放大电路来稳定静态工作点。

10.4.2分压式偏置共射极放大电路

分压式偏置共射极放大电路如图10.4.2(a)所示,它是一种应用最广泛的稳定静态工作点的放大电路。它与固定式偏置共射极放大电路的区别是在基极增加了一个偏置电阻,在发射极增加了一个射极电阻RE。两个基极偏置电阻RB1和RB2对直流电源UCC分压,使基极电位VB近似不变,因此称为分压式偏置。图10.4.2分压式偏置放大电路

分压式偏置放大电路实现静态工作点稳定的自动调节过程如下：

分压式偏置放大电路实现静态工作点稳定的自动调节过程如下:

当温度T升高而引起IC增大时,发射极电阻RE上的电压增大,就会使UBE减小,从而使IB自动减小以限制IC的增大,工作点得到稳定。RE越大,稳定性能越好,但不能太大,否则将使发射极电位增高,从而减小输出电压的幅值。RE在小电流情况下为几百欧至几千欧,在大电流情况下为几欧至几十欧。

【专10.1】讨论放大电路设置静态工作点的意义。在共射极放大电路中,如果发现静态工作点不适合(进入饱和区或者截止区),应该如何调整?

【练10.1】电路如图1所示,UCC=12V,RC=3kΩ,β=50,UBE可忽略,若UCE=6V,求RB。图1练10.1的电路

【练10.2】电路如图2所示,绘制其直流通路。图2练10.2的电路

【练10.3】电路如图3所示,UCC=24V,RC=2kΩ,RE=2kΩ,E=6V,β=100,UBE=0.7V。求静态工作点。图3练10.3的电路

10.5共射极放大电路的动态分析

10.5.1交流通路在动态时,因电容的隔直流通交流作用,可将放大电路中的电容视为短路;同时,忽略电源的内阻,恒定的直流电源对“地”短路,则图10.5.1(a)所示共射极放大电路的交流通路如图10.5.1(b)所示。图10.5.1共射极放大电路及其交流通路

10.5.2三极管微变等效电路

三极管是非线性元件,由三极管构成的放大电路即为非线性电路,但是三极管在小信号微变量作用下,静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替,即可等效成线性电路模型。具体等效方法如下:

(1)输入端的电压与电流关系。

从图10.5.2(a)所示的三极管输入特性曲线中可以看出,当交流信号变化很小时,在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。图10.5.2三极管输入、输出特征曲线

(2)输出端的电压与电流关系。

从图10.5.2(b)所示的三极管输出特性曲线中可以看出,三极管的输出特性曲线在放大区是一组近似等距的平行直线,且ΔIC=βΔIB。ΔIC只受ΔIB控制,与电压ΔUCE几乎无关。因此,三极管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic=βib等效代替。

在IB一定的条件下,ΔUCE与ΔIC之间的关系可用一等效电阻rce来表示,称为三极管的输出电阻,即

因rce阻值很高,在后面的微变等效电路中都把它忽略不计。

综上所述,图10.5.3(a)所示的三极管模型在小信号微变量作用下的微变等效电路如图10.5.3(b)所示。图10.5.3三极管及其微变等效电路

10.5.3放大电路微变等效电路

用三极管微变等效电路替换图10.5.1(b)所示交流通路中的三极管,即可得到放大电路的微变等效电路,如图10.5.4所示。图10.5.4放大电路微变等效电路

在动态分析时,输入信号一般为正弦交流量。为便于分析,通常将图10.5.4中的正弦量用相量表示,如图10.5.5所示。图10.5.5微变等效电路的相量表示

2.输入电阻ri

放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说是一个负载,可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻ri,如图10.5.6所示。

结合图10.5.5可得图10.5.6放大电路的输入电阻和输出电阻

3.输出电阻ro

放大电路对负载(或对后级放大电路)来说是一个信号源,可以将它进行戴维南等效,等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻ro,它也是一个动态电阻,如图10.5.6所示。

输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。输出电阻愈小,负载变化时输出电压的变化愈小,因此一般总是希望放大电路的输出电阻越小越好。

对于图10.5.5所示的等效电路,断开负载RL,并将信号源代之以短路,采用外加电压源的方法求解ro,如图10.5.7所示。

如图10.5.7所示,由于信号源电压为零,则̇Ib为0,̇Ic也为0。因此,输出电阻图10.5.7求解ro的电路

由以上动态性能指标可知,共射极放大电路有比较理想的电压放大倍数,但是输入电阻比较低,输出电阻比较高,因此往往不能单独存在,需要和能够改善输入、输出电阻的其他电路共同组成放大电路。

【例10.5.1】电路如图10.5.1(a)所示,已知三极管的参数β=50,rbb'=200Ω,UCC=12V,UBE=0.7V,RB=560kΩ,RC=5kΩ,RL=5kΩ。求放大电路的电压放大倍数、输入电阻及输出电阻。

解根据图10.5.1(a)所示放大电路的直流通路,有

10.6其他放大电路

10.6.1射极输出器射极输出器如图10.6.1所示。可以用固定式偏置共射极放大电路的分析方法分析射极输出器的静态及动态特性。图10.6.1射极输出器

射极输出器的突出特点如下:

(1)电压放大倍数小于1,且约等于1。

(2)输入电阻高。

(3)输出电阻低。

(4)输出与输入同相。

10.6.2多级放大电路

单级放大电路的放大倍数有限,或者输入电阻、输出电阻不满足要求,因此常常将多个放大电路组合在一起,形成多级放大电路,组合框图如图10.6.2所示。

多级放大电路组合的形式是:前级放大电路的输出与后级放大电路的输入连接在一起,可以采用直接耦合、阻容耦合及变压器耦合等方式。图10.6.2多级放大电路组合框图

输入级需要较高的输入电阻,以减轻信号源的负担;输出级需要较低的输出电阻,以提高放大电路的带载能力,因此,通常采用射极输出器作为多级放大电路的输入级与输出级。

中间级的主要作用是进行电压放大。通常采用共射极放大电路作为多级放大电路的中间级。

由于放大电路的前一级输出信号可看作后一级的输入信号,而后一级又可以看作前一级的负载,因此多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积,即

注意:这里各级的电压放大倍数,并不是空载时得到的,而是要考虑后级对前级的影响,即后级的输入电阻是前级的负载电阻。

多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻,即ri=ri1。同理,多级放大电路的输出电阻就是最后一级放大电路的输出电阻,即ro=ron。

10.6.3差分放大电路

为了能够放大直流信号和方便集成,多级放大电路之间通常采用直接耦合的方式,但是直接耦合存在以下两个问题:

(1)前后级静态工作点相互影响。

(2)零点漂移。

零点漂移指输入信号的电压为零时,输出电压缓慢、无规则变化的现象。当放大电路输入信号后,这种漂移就伴随信号共存于电路中,影响信号的分辨,因此采用差分放大电路作为多级放大电路的输入级,如图10.6.3所示。它由两个对称的三极管放大电路组成,该电路采用单电源供电,信号从两个基极与地之间输入,从两个集电极之间输出。图10.6.3差分放大电路

(1)静态时。ui1ui2=0,两输入端与地之间可视为短路。因电路对称,uo=VC1-VC2=0。

(2)动态时。一对大小相等、相位相同的输入信号称