第三章 基本放大电路 3.1 放大器概述 3.2 三极管基本放大电路 3.3 具有稳定工作点的放大电路 *3.4 共射电路图解法 3.5 共集电极放大电路 本章小结 3.1 放大器概述 一个放大器必须含有一个或多个有源器件,如三极管、 场效晶体管等,同时还包含电阻、电容、电感、变压器等无 源元件。放大器框图如图所示。 3.1 放大器概述 3.1.1 对放大器的基本要求 (1)要有足够的放大倍数。放大倍数是衡量放大器放 大能力的参数,放大倍数有电压放大倍数、电流放大倍数和 功率放大倍数。 (2)要具有一定宽度的通频带。 (3)非线性失真要小。 非线性失真:在放大信号的过程中,放大了的信号与 原信号相比,波形将产生畸变,这种现象称为非线失真。 (4)工作要稳定。 各参数不随时间变化,无输入时无输出。 3.1 放大器概述 3.1.2 放大器的输入 放大器输入端与前级输出端相连接示意图如图所示。 对输入信号的要求:由信号源提供给放大器的电流、电 压及功率都不允许超过放大器的最大允许值。 3.1 放大器概述 3.1.3 放大器的输出 放大器输出端与下级输入端相连接示意图如图所示。 对输出信号的要求:由一个放大器输出给下一级电路的 电流、电压和功率都不能超过放大器最大允许值。 3.2 三极管基本放大电路 3.2.1 基本放大电路的组成 三极管基本放大电路如图所示。 3.2 三极管基本放大电路 电路中各器件的作用如下。 (1)V:放大管,起 电流放大作用。 (2) VBB:基极偏置 电源,为发射结提供正向偏 压。 (3) Rb:基极偏置电 阻。一般是几十千欧至几百 千欧。 (4) VCC:集电极直流电源,为集电结提供反向偏压。 (5) Rc:集电极电阻。一般是几百欧至几千欧。 3.2 三极管基本放大电路 电路中各器件的作用如下。 (6) C1、C2 :输入和输出耦合电容。 (7) RL:负载电阻。 (8) Vs:信号源电压;Rs :信号源内阻。 3.2 三极管基本放大电路 3.2.2 放大器中电流及电压符号使用规定 电路中的电压、电流都是由直流成分和交流成分叠加而 成。对直流分量和交流分量,作如下规定: (1)用大写字母带大写下标表示直流分量。 (2)用小写字母带小写下标表示交流分量。 (3)用小写字母带大写下标表示直流分量与交流分量的 叠加。 (4)用大写字母带小写下标表示交流分量的有效值。 3.2 三极管基本放大电路 3.2.3 放大器的静态工作点 1.静态工作点 单电源供电的放大电路如图所示。 3.2 三极管基本放大电路 静态:放大器无信号输入时的直流工作状态叫静态。 静态工作点:在静态下电流电压共同确定的点叫静态工 作点,用 Q 表示。一般描述静态工作点的量用 VBEQ、IBQ、 VCEQ 和 ICQ 表示。 IBQ ? VCC ? VBEQ Rb ICQ ? ?IBQ VCEQ ? VCC ? ICQ Rc VBEQ :硅管一般为 0.7 V,锗管为 0.3 V。 一个放大器的静态工作点的设置是否合适,是放大器能否 正常工作的重要条件。 3.2 三极管基本放大电路 2.静态工作点对放大器工作状态的影响 若 Rb 阻值适当,使 IBQ 有 合适的数值,则基极的总电流 IBQ+ib 始终是单方向的电流, 即它只有大小的变化,没有正 负极性的变化,这样就不会使 发射结反偏而截止,从而避免 了输入电流 ib 的波形失真。 3.2 三极管基本放大电路 3.2.4 放大原理 1.放大电路 放大电路如图所示。 输出:从集电极和发射极之间输出 输入:从基极和发射极之间输入。 电路中,vBE、iB、ic、vCE 随 vi 变化,变化作用如下: vi→vBE→iB→iC→vCE→vo 3.2 三极管基本放大电路 2.放大原理 vi 的变化将产生变化的基极电流,使基极总电流发生变化, 集电极电流在集电极电阻上产生压降,使放大器的集电极电压 将随之vce变?化VC。C -通iC过Rc C2 耦合,隔断直流,因此输出信号电压 vo 也随之变化。只要电路参数能使三极管工作在放大区,则 vo 的 变化幅度将比 vi 的变化幅度大很多倍。 3.2 三极管基本放大电路 2. 波形 输出电压与输入电压相位相反,又称这种共发射极的单管 放大电路为反相放大器。 3.2 三极管基本放大电路 3.2.5 直流通路与交流通路 放大信号中,即有直流成分又有交流成分。 1.直流通路的画法 (1)定义:放大器的直流电流流通的回路,包括输入 直流通路和输出直流通路。 (2)画法:将电容视为开路,其他不变。如图所示。 电路 直流通路 3.2 三极管基本放大电路 2.交流通路的画法 (1)定义:放大器的交流信号电流的流通回路。 包括输入交流通路和输出交流通路。 (2)画法:将容量较大的电容视为短路;将直流 电源视为短路,其他元件照画。上述所示电路的交流通 路如图所示。 3.2 三极管基本放大电路 3.2.6 基本放大电路的分析方法 1.放大器常用指标 (1)放大倍数 ① 电压放大倍数 Av: ② 电流放大倍数 Ai: ③ 功率放大倍数 Ap: Av ? vo vi Ai ? io ii Ap ? po pi 3.2 三极管基本放大电路 (2)放大器的增益 增益 G:用分贝数表示放大倍数。单位为分贝(dB)。 ① 电压增益Gv: Gv ? 20 lg Av (dB) ② 电流增益Gi: Gi ? 20 lg Ai (dB) ③ 功率增益Gp: GP ? 10 lg AP (dB) 3.2 三极管基本放大电路 (3)输入电阻和输出电阻 输入电阻 ri:输入交流电压 vi与输入回路产生的输入电流 ii 之比。 ri ? vi ii 也可视为从输入端看进去的等效电阻。如图所示 ri 。 ri越 大,放大器要求信号源提供的电流越小,信号源的负担越小。 在电压放大器中希望放大器输入电阻大一些。 3.2 三极管基本放大电路 输出电阻 ro:从放大器输出端(不包括外接负载电阻)看进去 的交流等效电阻。如上图所示 ro 。 ro 表示放大器带负载的能力。输出信号时,自身损耗越小, 带负载的能力就越强,所以输出电阻越小越好。 3.2 三极管基本放大电路 (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,放大电路在不同频率下的放大倍数如图所示。 中频区: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。如图所示。 下限截止频率 fL:信号频率下降到使放大倍数为中频时 的 0.707 所对应的频率。 上限频率 fH:信号频 率上升到使放大倍数为中 频时的 0.707 所对应的频 率。 通频带: fL 与 fH 之间的频率范围称为通频带。记作BW, 即:BW = fH - fL 。 3.2 三极管基本放大电路 2.放大器的估算法 (1)静态工作点的估算 [例 3-1] 图示的放大器的直流通路中,Vcc = 12 V,三极 管 ? = 50,其余元件参数见图,估算静态工作点。 解: IBQ ? VCC ? VBEQ Rb ? VCC Rb ? 12 V 200 k? ? 60 ?A ICQ ? ?IBQ = 50 × 60 ?A = 3 mA VCEQ ? VCC ? ICQ Rc = 12 V - 3 mA ×2 k? = 6 V 3.2 三极管基本放大电路 (2)输入电阻和输出电阻的估算零。 ① 三极管输入电阻 rbe的估算公式 三极管基极和发射极之间存在一个等效电阻,称为三极 管的输入电阻,用 表示。在低频小信号时,用下式估算。 rbe ? 300? ? (1 ? ? ) 26 mV I EQ ② 放大器的输入电阻 ri 和输出电阻 ro 的估算 ri ? Rb // rbe 一般 Rb>> rbe,所以 ri ? rbe ro 的估算是从放大器输出端(不包括外接负载电阻)看进去 的交流等效电阻。 3.2 三极管基本放大电路 (3)放大器放大倍数的估算 放大器输出端外接负载电阻 RL 时,等效负载电阻 RL? ? Rc // RL vo ? ?ic RL? Av ? vo vi ? ? ?ib RL? ib rbe ? ? ?RL? rbe 负号表示输出电压 vo 的相位与输入电压 vi 相位相反。 3.2 三极管基本放大电路 [例 3-2] 图示的电路中,设三极管 ? = 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)求静态工作点 IBQ ? VCC Rb ? 12 V 270 k? ? 44.4 ?A ICQ ? ?IBQ = 50 × 44.4 ?A = 2.2 mA VCEQ ? VCC ? ICQ Rc =12 V - 2.2 mA ×3 k? = 5.4 V 3.2 三极管基本放大电路 (2) rbe rbe ? 300 ? ? (1 ? ? ) 26 mV I EQ ? 300 ? ? (1 ? 50)? 26 mV 2.2 mA ? 903 ? ? ?????k? (3)求电压放大倍数 AV Av ? ? ?RL? rbe R'L ? RC ? RL RC ? RL ? 1.5 k? A? ? ?50? 1.5 ? 0.9 ?83.3 3.2 三极管基本放大电路 (4)求输入电阻 ri ? Rb // rbe ? 0.9 k? (5)求输出电阻 rO=RC=3 k? 3.3 具有稳定工作点的放大电路 3.3.1 分压式偏置电路的结构及工作原理 1.电路结构 Rb1 :上偏流电阻 Rb2 :下偏流电阻 Re :发射极电阻 Ce :发射极旁路电容 基极电压 VBQ 由 Rb1 和 Rb2 分压后得到,即 VBQ ? VCC ? Rb2 Rb1 ? Rb2 由此, VBQ 的大小与三极管的参数无关。 3.3 具有稳定工作点的放大电路 2.工作原理 温度变化时,三极管的参数将发生变化,导致工作点偏 移。分压式偏置电路稳定工作点的过程可表示为: T(温度) ? (或? ?) ? ICQ ?? IEQ ?? VEQ ?? VBEQ ?? IBQ ? 其中 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 能力不因而降低。 3.3 具有稳定工作点的放大电路 3.3.2 静态工作点的计算 分压式偏置电路:ICQ 先计算,再算 IBQ 最后算 VCEQ 。 I CQ ? I EQ ? VEQ Re ? VBQ ? VBEQ Re ? VBQ Re IBQ ? I CQ ? VCEQ ? VCC ? ICQ ? Rc ? IEQ ? Re ? VCC ? ICQ ( Rc ? Re ) 3.3 具有稳定工作点的放大电路 [例 3-3] 在图所示的两个放大电路中,已知三极管 ? = 50, VBEQ = 0.7 V,电路其他参数所图所示。 (1)试求两个电路的静态工作点; (2)若两个三极管的 ? = 100,则各自的工作点怎样变化? 3.3 具有稳定工作点的放大电路 解 (1)先计算两个电路的静态工作点 图(a)为固定偏置电路 IBQ ? VCC ? VBEQ Rb ? 12 V ? 0.7 V 560 k? ? 0.02 mA ICQ ? ?IBQ ? 50? 0.02 mA ? 1 mA VCEQ ? VCC ? ICQ Rc ? 12 V ? 1 mA ? 5 k? ? 7 V 3.3 具有稳定工作点的放大电路 图(b)为分压式偏置电路 VBQ ? VCC ? Rb2 Rb1 ? Rb2 ? 12 V ? 20 k? 20 k? ? 50 k? ? 3.4 V VEQ ? VBQ ?VBEQ ? 3.4 V ? 0.7 V ? 2.7 V I CQ ? I EQ ? VEQ Re ? 2.7 V 2.7 kΩ ? 1 mA VCEQ ? VCC ? ICQ (Rc ? Re ) ? 12 V - 1 mA ? (5 k? ? 2.7 k?) ? 4.3 V 3.3 具有稳定工作点的放大电路 (2)两个三极管 ? = 100 时 ICQ ? ?IBQ ? 100? 0.02 mA ? 2 mA VCEQ ? VCC ? ICQ Rc ? 12 V ? 2 mA ? 5 k? ? 2 V 可见,? 增大,导致 ICQ 增大,使 VCEQ 降低 在图(b)中,? 增大一倍, VCEQ 不变, IBQ 减少一半。 3.3 具有稳定工作点的放大电路 3.3.3 电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的计算 [例 3-4] 在图中,已知三极管 ? ? 50, VBEQ = 0.7 V, 电路其他参数所图所示。试计算:(1)静态工作点;(2) 电压放大倍数 AV、输入电阻 ri 和输出电压 ri 。 3.3 具有稳定工作点的放大电路 解 (1)计算静态工作点 VBQ ? VCC ? Rb2 Rb1 ? Rb2 ? 12 ? 20 V ?? ? 10 ?4V VEQ ? VBQ ?VBEQ ? 4 V ? 0.7 V ? 3.3 V IBQ ? ICQ ? ? 0.033 mA VCEQ ? VCC ? ICQ (Rc ? Re ) ? 12 V ? 1.65 ? (? ? 2) V ? 5.4 V 3.3 具有稳定工作点的放大电路 (2)计算 AV 、 ri 、 ri rbe ? 300 ? ? (1 ? ? ) 26 mV I EQ ? 300 ? ? 51? 26 mV ? 1.1 k? 1.65 mA R'L ? Rc ? RL Rc ? RL ? 1.33 k? Av ? ? ?RL? rbe A? ? ? ?RL? rbe ? ? 50?1.33 ? ?60.5 1.1 ri ? Rb1 // Rb2 // rbe ? 0.94 k? ro ? Rc= 2 k? *3.4 共射电路图解法 3.4.1 图解分析法简介 图解分析法:运用晶体管特性曲线,通过作图的方法来 分析放大电路的方法称为图解分析法。 1.用图解法(直流负载线)分析静态工作点 直流负载线:根据,VCE = VCC? ICRC 在和的直角坐标图上 画出相应的点,连接这些点得到 一条直线,由于它代表放大器输 出部分直流通路的方程式,所以 将这条线称为直流负载线。 = VC画C 法= :12取V,VC称E 为= 0开时路,电IC压? 点VRC。eC 称连为接短该路两电点流成点一。条I直C =线0,时这,就V是CE 直流负载线。将直流负载线画在晶体管的输出特性曲线坐标内,求 出IBQ ,就能决定静态工作点。 *3.4 共射电路图解法 [例 3-5] 某一放大器电路如图(a)所示。三极管的输 出特性曲线由(b)给出。试在输出特性曲线上作出直流负 载线,并确定静态工作点。若图(a)中 Rc 改为 2.5 k? 其他 参数保持不变,直流负载线和静态工作点的情况又如何改变? *3.4 共射电路图解法 解 画出放大电路的直流通路如图(c)所示。作出静态 工作点 Q,改变 RC 后,静态工作点为。Q' VCE ? VCC ? IC Rc ? 20 V ? IC ? 5.1?103 ? 为 令 VCE M 点; = 0,得 IC ? 20 V 5.1 k? ? 4 mA 即 令 IC = 0,得 VCE = 20 V,即为N点。 连接 M、N 两点,此直流即为直流 负载线。 确定静态工作点 Q IBQ ? VCC RB ? 20 V 470 k? ? 40 μA *3.4 共射电路图解法 在图(b)中找出对应 IB ? 40 μA 的曲线,此曲线与直流负载 线MN的交点即为放大电路的静态工作点Q。在Q 处分别作垂线交 于横坐标、作水平线交于纵坐标可得VCEQ ? 10 V,ICQ ? 2 mA 。 若 Rc ? 2.5 k? ,VCC= 20 V,则可得 VCE ? VCC ? IC Rc ? 20 V ? 2.5?103 ? ? IC 当 VCE = 0 时, IC = 8 mA ; IC = 0 时, VCE = 20 V。作出直 流负载中 M1N1 所示。由于 IB ? 40 μA ,此时静态工作点为Q?。 *3.4 共射电路图解法 2.用图解法分析输出端带负载时的放大倍数 (1)交流负载线 画交流负载线的步聚如下: ① 在输出特性曲线上作出直流负载线 MN,并确定静态 工作点 Q 的位置。 两点②,得在到轴辅上助确线定DiNC 。? VRC'LC 辅助点 D 的位置,并连接 D、N ③ 过静态工作点 Q 作辅助线 DN 的平行线 M?N? 即得 交流负载线。 *3.4 共射电路图解法 (2)输出端带负载时放大倍数的图解分析 如图所示。