第2章 分立元件放大电路 2.1 概述 2.2 晶体管放大电路的组成及其工作原理 2.3 图解分析法 2.4 微变等效电路分析法 2.5 分压式偏置稳定共射放大电路 2.6 共集电极放大电路 2.7 共基极放大电路 2.8 场效应管放大电路 2.9 多级放大电路 2.10互补对称功率放大电路 2.1 概述 2.1.1.放大电路的基本概念 放大电路主要用于放大微弱的电信号,输出电压或电流 在幅度上得到了放大,这里主要讲电压放大电路。 2.1.2.放大电路的主要技术指标 1.放大倍数——表示放大器的放大能力 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求,放大器 可分为四种类型,所以有四种放大倍数的定义。 (1)电压放大倍数定义为: (2)电流放大倍数定义为: (3)互阻增益定义为: (4)互导增益定义为: AU=UO/UI(重点) AI=IO/II Ar=UO/II Ag=IO/UI 2. 输入电阻Ri——从放大电路输入端看进去的 RS ii uS ~ ui 输入端 信号源 等效电阻 Ri Au 输出端 输入电阻: Ri=ui / ii 一般来说, Ri越大越好。 (1)Ri越大,ii就越小,从信号源索取的电流越小。 (2)当信号源有内阻时, Ri越大, ui就越接近uS。 3. 输出电阻Ro——从放大电路输出端 看进去的等效电阻。 输出端 uS ~ Au uso ~ Ro 输出端 4. 通频带 A Am 0.7Am 放大倍数随频 率变化曲线— —幅频特性曲 线 3dB带宽 fL 下限截 止频率 上限截 fH 止频率 f 通频带: fbw=fH–fL 输出电阻的定义: . Ro = Uo . Io RL =?, US =0 输出电阻是表明放大电路带负载的能力,Ro越小,放 大电路带负载的能力越强,反之则差。 2.2 晶体管放大电路的组 成及其工作原理 2.2.1 共射基本放大电路的组成 及其工作原理 2.2.1 共射基本放大电路的组成及其工作原理 一.放大原理 三极管工作在放大区: 发射结正偏, 集电结反偏。 放大原理: VBB UI ? Ui →△UBE →△IB →△IC(β△IB ) ? →△UCE(-△IC×Rc)→ Uo 电压放大倍数: ? ? Au = Uo ? Ui +VCC(+12V) RC IC +△IC B C Rb 1 E IB +△IB 3 T2 U CE +△U CE + UO U BE +△UBE - ui +VCC(+12V) O t RC IC +△IC iB Rb 1 3 T2 + VBB IB +△IB UCE +△UCE UO IBQ O t UI UBE+△U BE - iC ICQ 符号说明 uBE = U BE + ube O uCE t iB = I B + ib UCEQ iC = IC + ic uOo t uCE = U CE + uce O t 二.单管共射极放大电路的结构 及各元件的作用 +VCC RC C1 T 输入 ui Rb VBB 放大元件iC=βiB, 工作在放大区, 要保证集电结反 偏,发射结正偏。 C2 RL uo 输出 参考点 共射放大电路组成 使发射结正偏, 并提供适当的 静态工作点IB 和UBE。 +VCC RC C2 C1 基极电源与 基极电阻 Rb VBB T RL +VCC RC C1 集电极电源, 为电路提供能 量。并保证集 电结反偏。 C2 T Rb RL VBB 共射放大电路 集电极电阻, +VCC 将变化的电流 转变为变化的 RC 电压。 C2 C1 T Rb RL VBB 耦合电容: 电解电容,有极性, 大小为10μF~50μF C1 + ui Rb VBB 作用:隔直通交 隔离输入输出与 +VCC 电路直流的联系, 同时能使信号顺 RC 利输入输出。 C2 + T RL uo 单电源供电 +VCC C1 可以省去 RC C2 T Rb RL VBB 单电源供电 Rb C1 +VCC RC C2 T RL 2.3 图解分析法 引言 2.3.1 静态工作情况分析 2.3.2 动态工作情况分析 引言 一、分析三极管电路的基本思想和方法 基本思想 非线性电路经适当近似后可按线性电路对待, 利用叠加定理,分别分析电路中的交、直流成分。 直流通路(ui = 0)分析静态。 交画流交通流路通路(u原i ≠则0):分析动态,只考虑变化的电压和电流。 1. 固定不变的电压源都视为短路; 2. 固定不变的电流源都视为开路; 3. 视电容对交流信号短路 1 / jωC ≈ 0 2.3.1 静态工作情况分析 放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。 静态分析的任务是根据电路参数和三极管的 特性确定静 态值(直流值)UBE、IB、 IC 和UCE。 可用放大电路的直流通路来分析。 Rb C1 +VCC RC C2 T RL 为什么要 设置静态 工作点? 放大电路建立正确的静态工作点,是为了使三极管 工作在线性区以保证信号不失真。 一、静态工作点的估算 画出放大电路的直流通路 直流通路的画法: Rb RC C1 +VCC 将交流电压源短路 将电容开路。 C2 开路 RL 开路 直流通道 Rb RC +VCC 用估算法分析放大器的静态工作点 ( IB、UBE、IC、UCE) (1)估算IB( UBE ≈0.7V) Rb RC IB UBE +VCC IB = VCC ? UBE Rb ≈ VCC ? 0.7 Rb ≈ VCC Rb Rb称为偏置电阻,IB称 为偏置电流。 (2)估算UCE、IC +VCC Rb RC IC IC= βIB UCE U CE = VCC ? I C RC 例2.3.1:用估算法计算静态工作点。 已知:VCC=12V,RC=4KΩ, Rb RC Rb=300K Ω,β=37.5。 解: UBE ≈0.7V IB ≈ VCC = 12 = 0.04mA= 40μ A Rb 300 IC ≈ βIB = 37.5 × 0.04 =1.5mA +VCC UCE = VCC ? ICRC =12 ?1.5× 4 = 6V 请注意电路中IB和IC的数量级 二 用图解法确定静态工作点 1.静态工作点——Ui=0时电路的工作状态 +VCC 由于电 源的存 在IB≠0 Rb C1 RC IB IC≠0 IC C2 T ui=0时 无信号输入时 RL IE=IB+IC 静态工作点 +VCC Rb C1 RC IB (IB,UBE) UBE IC C2 T UCRE L ( IC,UCE ) (IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲 线上的一个点称为静态工作点。 IB IC IB Q IC UBE UBE Q IB UCE UCE 直流负载线 UCE=VCC–ICRC I V CC C RC 静态IC Q IB UCE 静态UCE VCC 由估算法求出 IB,IB对应的输 出特性与直流 负载线的交点 就是工作点Q 三、电路参数对静态工作点的影响 1. 改变 RB,其他参数不变 iB iC VBB R B↑ → iB ↓ Q 趋近截止区; RB Q Q R B↓ → iB ↑ Q 趋近饱和区。 VBB uBE VCC uCE 2. iB 改变 RC ,其i他C 参数不变 VCC Q RC ICQ Q RC↑ Q 趋近饱和区。 uBE UCEQ VCC uCE 例 2.3.2 设 RB = 38 kΩ,求 VBB = 0 V、3 V 时的 。 iC、uCE iC/mA 5 4 3 2 [解] 1 O0.3 当VBB= 0 V: iB ≈ 0, iC ≈ 0, uCE ≈ 5 V 60 μA 50 μA 40 μA 30 μA 20 μA 10 μA iB= 0 5 V uCE/V UCE ≈ 0.3 V ≈ 0, 当VBB = 3 V: iC ≈ 5 mA iB = VBB ? UBE(on) = 0.06 RB mA iC = ViCCC≈/R0C VCC RC iBB≈ 0 C + 饱截和止 状态 RB B uuCCEE≈≈50V S E? 三极管的开关等效电路 判断是否饱和 临界饱和电流 ICS和IBS : ICS = VCC ? UCE(sat) RC ≈ VCC RC IBS = ICS β ≈ VCC βRC iB > IBS,则三极管饱和。 2.3.2 用图解法确定动态工作情况 1. 交流放大原理(设输出空载) ib IB 静态工作点 IC ic ib Q uiUBE UCE 假设在静态工作点的基础上,输入一微小的正弦信号 ui uCE怎么变化 IC ic uCE也沿着 负载线变化 UCE UCE与Ui反相! uCE 各点波形 uBE =UBE+ube Rb iB =IB +ib iC =IC +ic C1 -+ uCE =UCE+uce ui +VCC iC RC C2 +- uCE uo iB uo比ui幅度放大且相位相反 2.放大器的交流通路 交交流流通通路路—的—画分法析:动态工作将情直况流电压源短路,将电容短路。 对交流信号(输入信号ui) +VCC Rb RC C1 置零 C2 ui 短路 短路 RL uo 1/ωC≈0 交流通路 ui Rb RC RL uo 3.交流负载线 输出端接入负载RL:不影响Q 影响动态! +VCC Rb RC C1 C2 RL 交流负载线 ic uce ui Rb RC RL uo uce=-ic(RC//RL) = -ic RL 其中: R′L = RL // RC 交流量ic和uce有如下关系: uce=-ic(RC//RL)= -ic RL 或ic=(-1/ RL) uce 这就是说,交流负载线的斜率为:? 1 R ′ L 交流负载线的作法: ①斜 率为-1/R'L 。( R'L= RL∥Rc ) ②经过Q点。 IC VCC 交流负载线 RC ①斜 率为-1/R'L 。 ( R'L= RL∥Rc ) 直流负载线 Q IB ②经过Q点。 UCE 注意: VCC (1)交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。 (2)空载时,交流负载线与直流负载线重合。 例 2.3.3 硅管,ui = 10 sin ωt (mV),RB = 176 kΩ, RC = 1 kΩ, VCC = VBB = 6 V,图解分析各电压、电流值。 iC C1 iB + ui+– R VBBB + + uBE uCE – –? RC + RL –VCC [解] 令 ui = 0,求静态电流 IBQ I BQ = 6 ? 0.7 176 = 0.03 (mA) = 30 ( μA) iC ICQ ic Ot iC/mA 6 5 4 3 2 1 O O t 直流负载线(交流负载线) 60 iB iB/μA Q′ 50 ib 40 Q Q″ 30 20 IBQ 30 Q UCEQ iB=10 μA 6 uCE/V O tO uBE/V 0.7 V uce uCE/V Ucem O ui uBE/V t 当 ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ 当 ui = Uim sin ωt ib = Ibmsin ωt ic = Icmsin ωt uce = –Ucem sin ωt uCE = UCEQ uo = uce uo > ui iB = IBQ + Ibmsin ωt iC = ICQ + Icmsin ωt uCE = UCEQ – Ucem sin ωt = UCEQ +Ucem sin (180° – ωt) 放大电路的非线性失真问题 因工作点不合适或者信号太大使放大电路的工作范围超出 了晶体管特性曲线上的线性范围,从而引起非线性失真。 1. iB “Q”过i低B 引起截止失真iC iC 交流负载线 ib ic Q O t O O uBE/V O tO O uiuBE/V t t NPN 管: 顶部失真为截止失真。 PNP 管: 底部失真为截止失真。 不发生截止失真的条件:IBQ > Ibm 。 Q uuCCEE uce 2. “Q”过高引起饱和失真 NPN 管: 集电极临界 底部失真为饱和失真。 iC ICS iC Q 饱和电流 PNP 管: 顶部失真为饱和失真。 O tO O t V ′CC uCE uCE I BS = I CS β = VC′C ? U CE (SAT) β RL′ IBS — 基极临界饱和电流。 不接负载时,交、直流负载线重合,V ′CC= VCC 不发生饱和失真的条件: IBQ + I bm < IBS 饱和失真的本质: 负载开路时: C1+ + ?ui +VCC RC RB iB iC +C2 + V uo RL ? 受 RC 的限制,iB 增大,iC 不可能超过 VCC/RC 。 接负载时: 受 R′L 的限制,iB 增大,iC 不可能超过 V ′CC/R′L 。 (R′L= RC // RL) 选择工作点的原则: 当 ui 较小时,为减少功耗和噪声,“Q” 可设得低一些; 为提高电压放大倍数,“Q”可以设得高一些; 为获得最大输出,“Q” 可设在交流负载线中点。 2.4 微变等效电路 分析法 引言 2.3.1 H参数的引出 2.3.2 H参数小信号