第6章 晶体管放大电路 6.1 晶体管放大电路的基本概念 6.2 晶体管放大电路的基本分析方法 6.3 射极输出器 6.4 多级放大电路 1 学习要点 掌握共射放大电路组成、工作原理、 性能特点及分析方法 了解射极跟随器基本特点和多级放大 器的组成和分析 2 6.1 晶体管放大电路的基本概念 6.1.1 概述 一、放大电路的主要任务:把微弱的电信号加以 放大,然后送到负载(某种用电设备)如 仪表扬声器等. 实质:能量转换装置 二、放大器的分类: 1 按哪个极作为接地端分为:共基极电路、共射极 电路、共集电极电路 2 按功能分:电压放大器、电流放大器、功率放大器. 3 按频率高低分:低频、中频、高频放大器 3 6.1.2 低频电压放大电路的组成 RC +C2 C1 + V + + Rs us+- ui - RB + - UBB RL uo - + UCC - 4 (1)晶体管V 放大元件,用基极电流iB控制集电极电 流iC。 (2)电源UCC和UBB 使晶体管的发射结正偏,集电结 反偏,晶体管处在放大状态,同时也是放大电路的能量 来源,提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。 (3)偏置电阻RB 用来调节基极偏置电流IB,使晶体管 有一个合适的工作点,一般为几十千欧到几百千欧。 (4)集电极负载电阻RC。将集电极电流iC的变化转换 为电压的变化,以获得电压放大,一般为几千欧。 (5)电容Cl、C2 用来传递交流信号,起到耦合的作用 。同时,又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离, 起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失,Cl、C2应 选得足够大,一般为几微法至几十微法,通常采用电解 电容器。 5 共发射极放大电路的实用电路(固定式偏置电路) RB C1 + + Rs us+ ui -- RC +UCC C2 + V + RL uo - 6 6.2 晶体管放大电路的基本分析方法 一. 静态分析 (1)静态工作点及作用: ?静态:是指无交流信号输入时,电路中的电流、 电压都处不变(直流)的状态,静态时三极管各极电 流和电压值称为静态工作点Q(主要指IBQ、ICQ和UCEQ )。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、 ICQ和UCEQ。用直流通路进行分析 ?静态工作点的作用 静态工作点保证一个放大器不失真的 把输入信号放大并输出即放大电路必 须有一个合适的静态工作点. 7 (2)静态工作的计算 ?方法:画出放大电路的直流通路(即把放大电路中 的电容看作开路,交流电源看作短路 RB RC +UCC ICQ IBQ + + V UCEQ UBEQ - - I BQ ? UCC ?UBEQ RB ? Ucc RB ICQ ? ?IBQ UCEQ ? UCC ? ICQ RC 8 由UCE=UCC-ICRC所决定的直流负载线 UCC IC/mA RC 两者的交点Q就是静态工作点 80μ A 60μ A ICQ Q 40μ A IB=40μA的输 出特性曲线 20μ A IB=0 0 UCEQ UCC UCE/V 过Q点作水平 线,在纵轴上 的截距即为ICQ 过Q点作垂线, ?静态工作点的 在横轴上的截 作图求解方法 距即为UCEQ 9 二. 动态分析 动态:是指有交流信号输入时,电路中的电流、电压随输入 信号作相应变化的状态。由于动态时放大电路是在直流电源 UCC和交流输入信号ui共同作用下工作,电路中的电压 uCE=UCEQ-icRc(负号表示uce反向)、电流iB=IBQ+ib和iC=ICQ+ic 均包含交、直流两个分量。 (1). 电压放大的过程 交流输入信号ui 通过输入耦合电容C1引起晶体三极管T基—射 极电压u BE变化,使基极电流iB作相应变化;由于三极管T的电 流放大作用,使集电极电流(iC= β iB)相应作更大变化,较大 的iC在RC上产生的交流输出电压通过输出耦合电容C2送到负载 RL上。只要电路元件选择合适,输出电压uO比输入电压ui要大 很多,从而实现了电压放大作用。 10 (2)电压放大倍数的计算 交流通路:(ui单独作用下的电路)。由于电容C1、C2足够 大,容抗近似为零(相当于短路),直流电源UCC去掉(相 当于短接)。 + Rs us+- ui - ic ib V + RC RL uo RB - 11 电压放大倍数 A?u ? U? o U? i ? ? RL? I?c rbe I?b ? ? RL? ?I?b rbe I?b ? ? ?RL? rbe 式中RL'=RC//RL。当RL=∞(开路)时 A?u ? ? ?RC rbe 12 输入电阻Ri Ri ? U? i I?i ? RB // rbe U? 输出电阻RO Ro ? I? ? RC 注意:输出电阻不包括负载电阻 13 例6-1 在图8.8所示电路中,已知Ec = 12V,Rc = 4 kΩ,RB = 400 kΩ, RL = 4 kΩ,β = 50 , r be = 1.2 kΩ 。试求:(1)静态工作点;(2)负载电阻RL接入前、后放 大器的电压放大倍数;(3)如果输入电压的有效值Ui = 10mV,求负载电 阻RL接入前后放大器输出电压的有效值。 解:(1)计算静态工作点 I BQ ≈ = = 0.03 mA I CQ = β IBQ = 50 ×0.03 = 1.5 mA I EQ ≈ I CQ = 1.5 mA UCEQ = Ucc — ICQ Rc = 12 -1.5 × 4 = 6V (2)计算电压放大倍数 负载接入前: Au = —β = = -167 负载接入后: RL′= = = 2 kΩ Au′= —β = - = -83.5 14 3)计算输出电压的有效值 负载接入前: Uo = |Au| Ui = 167×0.01 = 1.67 V 负载接入后: Uo′ = | Auˊ| Ui = 83.5×0.01 = 0.835 V 可见,放大器带上负载后,放大倍数和输 出电压会明显下降。 15 6.3 射极输出器 RB C1 + RS + es+– ui – RE +UCC +C2 + RL uo – 因对交流信号而言,集电极是输入与输出回路 的公共端,所以是共集电极放大电路。 因从发射极输出,所以称射极输出器。 16 6.3.1 静态分析 RB C1 + RS + es+– ui – RE +UCC 直流通路 +C2 RB + RL uo – IC IB + + UCE UB–E RE – IE +UCC 求Q点: IB ? UCC ? UBE RB ? (1 ? ? )RE IE ? (1 ? ? )IB UCE ? UCC ? IE RE 17 6.3.2 动态分析 I?i B I?b + βI?b I?c C RS rbe E E? S-+ U? i - RB I?e RE + RL U?o - 微变等效电路 1. 电压放大倍数 RL? ? RE // RL U?o ? I?eRL? ?(1 ? ?)I?bRL? U?i ? I?brbe ? I?eRL? ? I?brbe ? (1 ? ? )I?bRL? Au ? (1 ? ? )I?b RL? I?brbe ? (1 ? ? )I?b RL? ? (1 ? ?)RL? rbe ? (1 ? ? )RL? 电压放大倍数Au?1且输入输出同相,输出电压 跟随输入电压,故称电压跟随器。 18 2. 输入电阻 I?i B I?b + I?c C βI?b RS rbe E E? S-+ U? i - RB I?e RE + RL U?o - 射极输出器的 输入电阻高,对 前级有利。 ri 与负载有关 ri ri? ri ? RB // ri? ri? ? U? i I?b ? I?brbe ? I?eRE I?b // RL ? rbe ? (1 ? ? )RL? ? ? ri ? RB // rbe ? (1 ? ? )RL? RL? ? RE // RL 19 3. 输出电阻 I?i B I?b + I?c C βI?b RS rbe E E? S-+ U? i - RB I?e RE + RL U?o - ro ro ? RE // rbe ? 1? Rs? β RS? ? RB // RS 通常:( 1 ? β )RE ?? rbe ? Rs? ro ? rbe ? Rs? 1? ? 20 共集电极放大电路(射极输出器)的特点: Au ? (1 ? β )RL? rbe ? (1 ? β )RL? ? ? ri ? RB // rbe ? (1 ? β )RL' ro ? rbe ? Rs? 1? β 1. 电压放大倍数小于1,约等于1; 2. 输入电阻高; 3. 输出电阻低; 4. 输出与输入同相。 21 射极输出器的应用 主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。 1. 因输入电阻高,它常被用在多级放大电路的 第一级,可以提高输入电阻,减轻信号源负担。 2. 因输出电阻低,它常被用在多级放大电路的 末级,可以降低输出电阻,提高带负载能力。 3. 利用 ri 大、 ro小以及 Au ?1 的特点,也可 将射极输出器放在放大电路的两级之间,起到阻 抗匹配作用,这一级射极输出器称为缓冲级或中 间隔离级。 22 例1: 在图示放大电路中,已知UCC=12V, RE= 2kΩ, RB= 200kΩ, RL= 2kΩ ,晶体管β =60, UBE=0.6V, 信号源内阻RS= 100Ω,试求: (1) 静态工作点 IB、IE 及 UCE; (2) 画出微变等效电路;. +UCC (3) Au、ri 和 ro 。 RB C1 + RS + +C2 + es+– ui – RE RL uo – 23 解: (1)由直流通路求静态工作点。 IB ? UCC ? UBE RB ? (1 ? β )RE ? 12 ? 0.6 mA 200 ? (1 ? 60)? 2 ? 0.035mA IE ? (1? ? )IB ? (1? 60)? 0.035mA ? 2.14mA UCE ? UCC ? IE RE ? 12 ? 2? 2.14V ? 7.72V 直流通路 RB IC IB + + UCE UB–E RE – IE +UCC 24 6.4 多级放大电路 6.4.1 多级放大电路的分类: 1.阻容耦合放大电路的特点 各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点:各级 静态工作点互不影响,可以单独调整到合适位置;且不存 在零点漂移问题。缺点:不能放大变化缓慢的信号和直流 分量变化的信号;且由于需要大容量的耦合电容,因此不 能在集成电路中采用。 +UCC RC1 RB11 C2 + RC2 RB21 + C3 Rs us+ - C1+ + ui - RB12 V1 + RE1 + uo1 CE1 - RB22 V2 RE2 RL + CE2 + uo - 25 2. 变压器耦合 优点:前后两级的静态工作点互不影响 缺点:耦合电容使信号能量受到损耗 3. 直接耦合 优点:前后两极的静态工作点相互影响 缺点:前后两级的信号传递不受损耗 (a)变压器耦合 (b)直接耦合 26 6阻.4容.2耦阻合容放大耦电合路放分析大电路的分析 (1)静态分析:各级单独计算。 (2)动态分析 ①电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。 A?u ? U? o U? i ? U? o1 U? i ? U? o U? o1 ? A?u1 ? A?u 2 注意:计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电 阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放 大倍数时,其负载电阻就是第二级的输入电阻。 ②输入电阻就是第一级的输入电阻。 ③输出电阻就是最后一级的输出电阻。 27 例 在图示两级组容耦合放大电路中,已知U CC ? 12 V,RB11 ? 30 kΩ , RB21 ? 15 kΩ , RC1 ? 3 k Ω ,RE1 ? 3 k Ω ,RB12 ? 20 kΩ ,RB22 ? 10 k Ω , RC2 ? 2.5 k Ω , RE2 ? 2 k Ω , RL ? 5 k Ω , ?1 ? ? 2 ? 50 , U BE1 ? U BE2 ? 0.7 V。求: (1)各级电路的静态值; (2)各级电路的电压放大倍数A?u1 、 A?u2 和总电压放大倍A?数u ; (3)各级电路的输入电阻和输出电阻。 Rs us+ - C1+ + ui - RC1 RB11 C2 + RC2 RB21 +UCC + C3 RB12 V1 + V2 + RL uo RE1 + uo1 CE1 - RB22 RE2 + CE2 - 28 解 (1)静态值的估算。 第一级: U B1 ? RB12 RB11 ? RB12 U CC ? 15 ?12 ? 30 ? 15 4(V) I C1 ? I E1 ? U B1 ? U BE1 RE1 ? 4 ? 0.7 3 ? 1.1(mA) I B1 ? I C1 ?1 ? 1.1(mA)? 22(?A) 50 U CE1 ? U CC ? I C1 (RC1 ? RE1 ) ? 12 ? 1.1 ? (3 ? 3) ? 5.4(V) 第二级: U B2 ? R B22 RB21 ? RB22 U CC ? 10 20 ? 10 ? 12 ? 4(V) I C2 ? I E2 ? U B2 ? U BE2 RE2 ? 4 ? 0.7 2 ? 1.65(mA) U CE2 ? U CC ? I B2 I C2 ? I C2 ? 1.65(mA)? 33(?A) ( R ? C2 2? 50 RE2 ) ? 12 ? 1.65 ? (2.5 ? 2) ? 4.62(V) 29 (2)求各级电路的电压放大倍数A?u1 、A?u2 和总电压放大倍A?数u 。 首先画出电路的微变等效电路。如图所示。 三极管 V1 的动态输入电阻为: rbe1 ? 300 ? (1? ?1 ) 26 I E1 ? 300 ? (1? 50) ? 26 1.1 ? 1500 (Ω )? 1.5 (kΩ ) 三极管 V2 的动态输入电阻为: rbe2 ? 300 ? (1 ? ? 2 ) 26 I E2 ? 300 ? (1? 50) ? 26 1.65 ? 1100 (Ω )? 1.1 (kΩ ) 30 第二级输入电阻为: ri2 ? RB21 // RB22 // rbe2 ? 20 // 10 // 1.1 ? 0.94 (kΩ ) 第一级等效负载电阻为: RL1? ? RC1 // ri2 ? 3 // 0.94 ? 0.72 (kΩ ) 第二级等效负载电阻为: RL2? ? RC2 // RL ? 2.5 // 5 ? 1.67 (kΩ ) 第一级电压放大倍数为: A? u1 ?? ?1 RL1? rbe1 ? ? 50? 0.72 1.5 ? ?24 第二级电压放大倍数为: A? u 2 ?? ? 2 R ? L2 rbe2 ? ? 50 ?1.67 1.1 ? ?76 两级总电压放大倍数为: A?u ? A?u1 A?u2 ? (?24) ? (?76) ? 1824 31 (3)求各级电路的输入电阻和输出电阻。 第一级输入电阻为: ri1 ? RB11 // RB12 // rbe1 ? 30 // 15 // 1.5 ? 1.3 (kΩ ) 第二级输入电阻在上面求出,为 0.94 kΩ 。 第一级输出电阻为: ro1 ? RC1 ? 3 (kΩ ) 第二级输出电阻为: ro2 ? RC2 ? 2.5 (kΩ ) 第二级的输出电阻就是两级放大电路的输出电阻。 32 知识拓展 1. 电子门铃的原理 2. 闪光陀螺的原理 33 1. 电子门铃的原理 ? 电子门铃是一个简单有趣实用的电子小制作。其原理很简单, 通过它的学习可以掌握一些基本的电子知识。 (一)主要元件和工作原理 如图所示,这是一个晶体管RC移相音频振荡器,,R4 和RP 是偏置电阻,C4是耦合电容,S是门铃按钮。当 按下S时,电源接通,通过C1~C3、R1~ R3 组成移相 电路,共移相1800,实现了正反馈,通过晶体管具有 放大作用电路起振,从扬声器中发出悦耳的声音。 34 电子门铃的原理图 C1 8200 RP 100KΩ R5 2K Ω + C4 10 R5 5.1K B C2 C3 Ω 8200 8200 VT 8Ω 3DG6 R1 R2 R3 10KΩ 10KΩ10KΩ S E 3V 35 2. 闪光陀螺的原理 闪光陀螺是一个十分有趣的电子玩具,它在静止时不发光,看 不到光环。但是,当你把闪光陀螺旋转起来后,它便会交替出 现红绿两种颜色的两个光环,内外轮流闪光,令人赏心悦目。 (1)闪光陀螺的电路是一个典型的自激多谐振荡器,它两个晶体 管VT1和VT2以及电阻、电容等组成,两个发光二极管VD1、VD2分别接 在两个晶体管的集电极回路中,如图所示。当某个晶体管导通时, 该侧的发光二极管便被点亮。电源开关S被接通后,电路起振,两 个晶体管VT1和VT2轮流导通,两个发光二极管VD1、VD2便交替闪亮。 (2)两个发光二极管VD1、VD2可选用高亮度的发光二极管,一个为 红色,另一个为绿色。 (3)电源开关S是一个离心开关,在静止时离心开关S处于断开状 态,整个电路不工作。当陀螺旋转起来后,利用离心力的作用,S 闭合,接通电源,电路起振。 36 VD1 VD2 (红)R2 R3 (绿) E 15 15 3V R1 R4 51 + C1 C2 + 51 S 47 47 VT1 VT2 9041 9041 37