第11章基本放大电路.

第11章基本放大电路【本章主要内容】放大电路的类型很多，本章主要介绍共发射极交流电压放大电路、共集电极交流电压放大电路和差分放大电路的基本组成、基本工作原理和基本分析方法，为学习后面的集成运算放大电路打好基础。【引例】来自宇宙和人类生产活动中的某些信号源十分微弱，必须经过接收、转换、处理和放大才能利用。放大电路就具有将微弱的电信号加以放大的能力，是电子设备中最常用的基本单元之一，广泛应用于通信、自动控制、科学研究、交通运输、军事装备中。扩音机工作时，是如何把话筒中的微弱语音信号放大成宏亮声音的?能量也能放大吗？11.1共发射极交流电压放大电路晶体管VT：因为发射极为输入回路和输出回路所共有，所以称为共发射极。11．1-1放大电路的基本组成无论何种类型的放大电路，均由三部分组成：晶体管VT直流偏置电路信号提供通路的耦合电容Cl和C21.晶体管VT——放大电路的核心(具有最关键的电流放大作用)2.直流偏置电路——使晶体管发射结正偏(VBVE，VBE=0．6～0．7V)，集电结反偏(VCVR)。当UCC为定值时，选取适当阻值的RB和RC即可满足偏置电路的要求。一般RB约为几百千欧，RC约几千欧。3.信号提供通路的耦合电容Cl和C2——C1的作用是将输入信号(ui)传递到晶体管上，C2的作用是将被晶体管放大后的信号(u0)送到负载RL上。C1和C2的另一个作用是：C1可以隔断直流电源UCC对信号源的影响，C2可以隔断直流电源UCC对负载RL，的影响。所以，C1和C2既称耦合电容器，又称隔直电容器。由于工作要求，Cl和C2的容量较大(容抗很小)，一般为几十至几百微法。11．1．2放大电路的放大原理原理：静态(ui=0，u0=0)；动态(ui≠0，u0≠0)。11．1．2放大电路的放大原理静态(ui=0，u0=0)原理：放大电路静态时，由于ui=0，晶体管没有接收到交流信号，就没有交流信号输出，所以负载RL上的输出信号u0=0。此时在晶体管的电路中，电压、电流只有直流成分，没有交流成分。11．1．2放大电路的放大原理动态(ui≠0，u0≠0)原理：11．1．2放大电路的放大原理动态(ui≠0，u0≠0)原理：输入端用l和2表示，标出输入电压ui；输出端用3和4表示，标出输出电压u0，当放大电路输入端输入电压ui≠0时，ui通过Cl(Cl可视为短路)径直到达晶体管的发射结，叠加在静态值UBE上，总电压可表示为uBE=UBE+ubc，式中ubc=ui。以静态值UBE为基准，ube上下以正弦规律变化，但发射结总电压ube始终为正，保持正偏，晶体管处于放大状态。ube引起基极电流ib，11．1．2放大电路的放大原理动态(ui≠0，u0≠0)原理：ib叠加在静态值IB上。ib被放大β倍变成集电极电流ic，ic叠加在静态值IC上。ic流过集电极电阻RC，产生信号电压降uRc=icRC，uRC叠加在静态电压降URc上。与图11．1-2相比，在图11．1-3上，电阻RC增加了一个信号电压降uRc=icRC。11．1．2放大电路的放大原理动态(ui≠0，u0≠0)原理：根据集电极电阻RC电压降与晶体管管压降之和恒等于电源电压UCC的结论，图11．1-3中晶体管上就应该减少一个等量的电压降uce，使uRC+uce=0，即uce=uRc-icRC。在这里，RC起了这样的作用：将晶体管的电流放大作用(ic=βib)，通过自身的电压降uRc转化为晶体管的管压降uce。从后面的分析将可知道，uce的幅度比ui的幅度大得多。于是，晶体管不仅有电流放大作用，也间接有电压放大作用(需RC配合)。信号管压降uce通过C2(C2可视为短路)送至输出端，这就是输出电压u0。可以看出，u0的幅度比ui大多了，而且相位与ui相反。在以上过程中，各信号分量的关系是11．1．2放大电路的放大原理综上所述，得结论：u0的幅度比ui增大；u0的相位与ui相反；u0的频率与ui相同。放大电路的静态分析：用估算法确定静态值用图解法确定静态值放大电路的动态分析：晶体管的微变等效电路放大电路的微变等效电路11．1-3放大电路的分析方法11．1-3放大电路的静态分析方法用估算法确定静态值：静态时电流中只有直流分量UBE、IB、IC和UCE(静态值)，如何计算静态值呢?因为电路中各量都是直流量，所以该电路称为直流通路。晶体管工作在放大状态时，发射结正偏，偏压UBE=0．6～0．7V(硅管)，是已知量，而且数值很小。因此只需计算IB、IC、UCE三个量即可。11．1-3放大电路的分析方法式中UBE比UCC小得多，估算时一般忽略不计。IC=IBUCE=UCC-ICRC若己知RB、RC、晶体管的和电源电压UCC各值，静态值可以很容易求出11．1-3放大电路的分析方法【例11．1-1】在图11．1-1中，己知UCC=12V，RB=300kΩ，RC=4kΩ，晶体管的=37．5。试估算放大电路的静态值：【解】由式上式：IC=IB、UCE=UCC-ICRC可得IC=IB=37．5×0．04=1．5mAUCE=UCC-ICRC=12-1．5×4=6V11．1-3放大电路的静态分析方法用图解法确定静态值：如图，左侧是晶体管非线性电路，IB、IC、UCE各量均反映在输出特性曲线上，右侧是一段线性电路，电压UCE=UCC-ICRC，变量UCE和IC是线性关系。11．1-3放大电路的静态分析方法求静态值方法：①在坐标轴上各定一个点，当IC=0时，UCE=12V；当UCE=0时②连接两点得一直线，此直线称为直流负载线。③直流负载线与IB=40μA的那条特性曲线有一交点Q，称静态工作点，Q点的三个坐标值就是静态值，即IB=40μA，IC=1．5mA，UCE=6V，与例11．1-1相同。11．1-3放大电路的静态分析方法由上图可以看出，当IB值大小不同时，点Q在负载线上的位置也不同，而IB值是通过基极电阻(偏流电阻)RB调节的。RB增加，IB减小，点Q沿负载线下移；RB减小，IB增加，点Q沿负载线上移。放大电路的静态工作点(静态值)对放大电路工作性能的影响甚大，一般应设置在特性曲线放大区的中部。这是因为点Q设在此处的好处是，线性区范围宽，能获得较大的电压放大倍数，而且信号的失真也小。11．1-3放大电路的静态分析方法【例11．1-2】在例11．1-1中，UCC=12V，RC=4kΩ不变，而基极偏流电阻RB由原来的300kΩ减小为240kΩ，晶体管的输出特性曲线如图11．1-5(b)所示。试用图解法求静态值，并分析工作点位置是否合适。【解】(1)画直流负载线。由于UCC和RC不变，所以负载线仍为原来那条。(2)求静态值。因为IB≈UCC/RB=12／240×103=50μA，工作点为Q'，如图11．1-5(b)所示(特性曲线上原先没有这条线，是补画的，用虚线表示)。(3)分析工作点的位置。可以看出，由于RB减小，IB增加，Q'点上移，线性区的范围小了，不如Q点好。11．1-3放大电路的动态分析方法动态时，输入信号ui·0，放大电路有输入信号。在静态值UBE、IB、IC、UCE各直流分量(直流分量仍用上述方法确定)的基础上，又出现了ui、ube、ib、ic、uce、u0等交流分量，两种分量共存。像直流通路一样，交流分量所经过的路径称为交流通路。画交流通路时要注意两点：一是C1和C2对交流信号相当于短路；二是直流电源对交流信号也相当于短路(因其内阻忽略不计)。这样就可画出放大电路的交流通路：11．1-3放大电路的静态分析方法晶体管的微变等效电路：放大电路的线性化，关键问题是晶体管的线性化。线性化的条件是，晶体管在小信号(微变量)情况下工作。这样，在工作点附近的微小范围内，可用直线段近似地代替晶体管特性的曲线段。图11．1-7(a)是图11．1-6所示交流通路中的晶体管，ube、ib、ic、uce是信号分量，它们的幅值很小，符合线性化条件。图11．1-8(a)和(b)是晶体管的输入特性曲线和输出特性曲线。当放大电路输入信号很小时，工作点Q附近的曲线段ab和cd均可按直线段处理。在图11．1-8(a)上，当UCE为常数时，ΔUBE和ΔIB可认为是小信号ube和ib，两者之比为一电阻，用rbe表示，即11．1-3放大电路的静态分析方法晶体管的微变等效电路：(a)(b)图11．1-7晶体管的微变等效电路11．1-3放大电路的静态分析方法晶体管的微变等效电路：电阻rbe。称为晶体管的交流输入电阻。在小信号条件下，rbe的数值较小，一般约1kΩ。低频小功率晶体管的rbe通常用下式估算：IE为放大电路静态时的发射极电流(计算rbe时，IE可用集电极电流IC代替，因为IE·IC)。这样，在小信号作用下，晶体管的基极和发射极之间就可用等效电阻rbe来代替，如图11．1-7(b)所示。(11．1-4)11．1-3放大电路的静态分析方法晶体管的微变等效电路：根据晶体管电流放大原理，ic=βib，ic受ib控制，若ib不变，ic也不变，具有恒流特性。所以，集电极和发射极之间可用一个受控恒流源来代替，如图11．1-7(b)所示。在图11．1-8(b)中，因为各曲线不完全与横轴平行，当IB为常数时，在Q点附近，ΔUCE和ΔIC可认为就是小信号uce和ic，两者之比为一电阻，用rce表示，即11．1-3放大电路的静态分析方法晶体管的微变等效电路：rce称为晶体管的交流输出电阻，它也是个常数。在图11．1-7(b)中，rce与受控恒流源并联。这就是晶体管在小信号工作条件下完整的微变等效电路。在实际应用中，因为rce数值很大(约几十千欧到几百千欧)，分流作用极小，可忽略不计，故本书在后面的电路中均不画出rce。图11．1-8晶体管的特性曲线11．1-3放大电路的静态分析方法放大电路的微变等效电路：晶体管线性化以后，放大电路的交流通路线性化就十分简单。把图11．1-6中的晶体管VT用图11．1-7(b)代替，就成了放大电路的微变等效电路，如图11．1-9所示。通过放大电路的微变等效电路，进行如下计算。图11.1-9放大电路的微变等效电路11．1-3放大电路的静态分析方法放大电路的微变等效电路：①电压放大倍数Au输入信号为正弦量，电压、电流可用相量表示。输入电压Ui=brbe输出电压U0=-cR′L=-βbR′L式中R′L为等效负载电阻，有电压放大倍数所以11．1-3放大电路的静态分析方法放大电路的微变等效电路：若放大电路输出端开路(未带负载)，则上式中的负号表示输出电压0的相位与输入电压i的相位相反。电压放大倍数Au的数值与晶体管的电流放大系数β和交流输入电阻rbe有关，也与集电极电阻RC和负载电阻RL有关，有负载时|Au|下降。②输入电阻ri和输出电阻r0信号源RS，eS和负载RL都不是放大电路本身的组成部分。把信号源和负载移开，余下的才是放大电路，此时放大电路无输入，无输出。下面分析其输入电阻和输出电阻。11．1-3放大电路的静态分析方法放大电路的微变等效电路：(a)输入电阻ri输入电阻ri就是从放大电路的输入端口看进去的电阻，如图中箭头所示，所以：ri=i/i，即：ri=RB//rbc≈rbc因为基极电阻RB数值为几百千欧，而rbc数值较小，约1kΩ，两个电阻数值大小相差悬殊，所以ri≈rbe。一般为减少信号源的负担，希望放大电路的输入电阻ri尽量大一些，但共发射极放大电路的输入电阻ri不是很大。11．1-3放大电路的静态分析方法放大电路的微变等效电路：(b)输出电阻r0输出电阻r0就是从放大电路的输出端口看进去的电阻，如图中箭头所示，所以r0=RC，放大电路是负载的信号源，一般希望信号源的内阻r0尽量小一些，这样，当它带负载时，输出电压数值才能平稳，带负载能力强。11．1-3放大电路的静态分析方法11．1-3放大电路的静态分析方法11．1．4放大电路的非线性失真在图1