第二章 电子技术教案

教案纸开发区职业技术学院33第一章基本放大电路引言所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。因此，放大器在电子技术中有着广泛的应用，是现代通信、自动控制、电子测量、生物电子等设备中不可缺少的组成部分。放大的过程是实现能量转换的过程，即利用有源器件的控制作用将直流电源提供的部分转换为与输入信号成比例的输出信号。因此放大电路实际上是一个受输入信号控制的能量转换器。本章主要介绍放大电路的基本概念及结构组成；低频小信号放大电路的工作原理、静态工作点的估算方法；反馈对放大电路性能的影响。2.1基本放大电路的概念及工作原理基本放大电路一般是指有一个三极管或场效应管组成的放大电路。放大电路的功能是利用三极管的控制作用，把输入的微弱电信号不失真地放大到所需的数值，实现将直流电源的能量部分地转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路的实质是用较小的能量去控制较大能量转换的一种能量转换装置。三极管有三个电极,三极管对小信号实现放大作用时在电路中可有三种不同bec＋－＋－uiuobec＋－＋－uiuo(a)(b)bec＋－＋－uiuo(c)图2.1(a)共(发)射极电路;(b)共集电极电路;(c)共基极电路教案纸开发区职业技术学院34的连接方式（或称三种组态）,即共(发)射极接法、共集电极接法和共基极接法。这三种接法分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端,而构成不同的放大电路,如图2.1(以NPN管为例)所示。一、放大电路的组成原则放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大，单凭晶体管的电流放大作用显然无法完成。必须在放大电路中设置直流电源，使其保证晶体管工作在线性放大区。因此，放大电路的组成原则为：(1)核心元件晶体管必须发射结正偏，集电结反偏；(2)输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路，以保证晶体管的以小控大作用；(3)输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转换成负载需要的电压形式；(4)不允许被传输小信号放大后出现失真。二、共发射极放大电路1.电路组成共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式，其电路组成的一般形式如图2.2（a）所示图2.2（a）双电源的单管共发射极放大电路教案纸开发区职业技术学院35实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，如图2.2（b）所示各部分的作用分别为：（1）三极管T：晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用（2）集电极电源UCC：向放大电路提供能量，并保证晶体管工作在放大区（3）集电极电阻RC：是将放大的集电极电流转换成晶体管的输出电压。（4）固定偏置电阻RB：为放大电路提供合适的静态工作点。（5）耦合电容C1和C2：C1隔离直流和让输入交流信号顺利通过。C2隔离直流和让放大的交流信号顺利输出。2.工作原理以图2.2（b）所示的固定偏置电阻的单管共发射极电压放大器为例来说明放大电路的工作原理。放大电路内部各电压、电流都是交直流共存的。其直流分量及其注脚均采用大写英文字母；交流分量及其注脚均采用小写英文字母；叠加后的总量用英文小写字母，但其注脚采用大写英文字母。例如：基极电流的直流分量用IB表示；交流分量用ib表示；总量用iB表示。需放大的信号电压ui通过C1转换为放大电路的输入电流，与基极偏流叠加后加到晶体管的基极，基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流iC变化；iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化，即：图2.2（b）单电源的单管共发射极放大电路教案纸开发区职业技术学院36uCE=UCC-iCRC由上式可看出：当iC增大时，uCE就减小，所以uCE的变化正好与iC相反，这就是它们反相的原因。uCE经过C2滤掉了直流成分，耦合到输出端的交流成分即为输出电压u0。若电路参数选取适当，u0的幅度将比ui幅度大很多，亦即输入的微弱小信号ui被放大了，这就是放大电路的工作原理。思考：1.放大电路的基本概念是什么？放大电路中能量的控制与变换关系如何？2.基本放大电路的组成原则是什么？以共射组态基本放大电路为例加以说明3.如果共发射极电压放大器中没有集电极电阻RC，能产生电压放大吗？教案纸开发区职业技术学院372.2基本放大电路的静态分析（4课时）输入信号ui=0、只在直流电源UCC作用下电路的状态称“静态”。静态分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。首先，要画出要分析电路的直流通路，以图2.2（b）为例，直流下耦合电容C1、C2相当于开路，其等效的直流通路如图2.3所示.。一、解析法确定静态工作点由图2.3所示,首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ:根据三极管各极电流关系,可求出静态工作点的集电极电流ICQ：再根据集电极输出回路可求出UCEQ:思考：不设置静态工作点行吗？分析：假如不设置静态工作点结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路图2.3固定偏置电阻的单管共发射极放大电路的直流通路cBQCQIIcCQCCCEQRIVU教案纸开发区职业技术学院38中设置静态工作点。例：已知图示电路中UCC=10V，RB=250KΩ，RC=3KΩ，β=50，试求该放大电路的静态工作点Q。二、用图解法求解静态工作点利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法。其分析步骤一般为：1.按已选好的管子型号在手册中查找、或从晶体管图示仪上描绘出管子的输入、输出特性如下图所示：2.画出直流负载线。此步骤是图解法求静态工作点的关键。由放大电路的直流通道可得：UCE=UCC－ICRC，令UCE=0，可得：IC=UCC/RC；令IC=0可得：UCE=UCC，连接两点作出直流负载线。3．确定静态工作点V42.4386.110mA86.10372.050μA2.372507.010CECBUII教案纸开发区职业技术学院39直流负载线上交点有多个，只有IBQ对应的交点才是Q点。思考：上述固定偏置共射放大电路有哪些不足？分析：固定偏置的放大电路存在很大的不足。例如当晶体管所处环境温度升高时，晶体管内部载流子运动加剧，因此将造成放大电路中的各参量将随之发生变化。温度T↑→Q点↑→IC↑→UCE↓→VC↓如果VCVB，则集电结就会由反偏变为正偏，当两个PN结均正偏时，电路出现“饱和失真”。不失真地传输信号，实用中需对上述电路进行改造。分压式偏置的共发射极放大电路可通过反馈环节有效地抑制温度对静态工作点的影响。分压式偏置的共发射极放大电路由于设置了反馈环节，因此当温度升高而造成IC增大时，可自动减小IB，从而抑制了静态工作点由于温度而发生的变化，保持Q点稳定。教案纸开发区职业技术学院40此电路就是能够抑制温度影响而引起静态工作点变化的分压式偏置的共发射极电压放大电路。三、分压式偏置共射放大电路的静态分析静态分析时，此电路需满足I1≈I2IB的小信号条件。偏置电阻RB1和RB2应选择适当数值，使之符合：I1≈I2IB的条件。在小信号条件下，IB可近似视为0值。忽略IB时，RB1和RB2可以对UCC进行分压。即：B2B1B2CCBRRRUVEBEBECRUVIICBII)(ECCCCCERRIUU上述分析步骤，就是分压式偏置的共发射极电压放大电路的估算法。显然，基极电位VB的高低对静态工作点的影响非常大。讨论：基极电位VB的高低对静态工作点Q的影响设置合适的静态工作点是对放大电路的基本要求。基极电位VB选择偏高或偏低时，Q点随之上移或下行。设VB较高时：教案纸开发区职业技术学院41VB设置的高低，取决于两个基极偏置电阻的数值选择，当RB1太大时，VB值就会较低，引起静态工作点Q下行：结论：VB值小Q点低，截止失真！VB的高低对放大电路的静态工作点影响很大。温度对Q点的影响也不能忽视。分压式偏置的共发射极放大电路由于加设了负反馈环节，因此当温度升高时，具有自调节能力。设放大电路环境温度升高，此时由于电路具有对温度变化的自调节能力，因此集电极电流通常恒定，即:EBCRVI通过分析可知，交流放大电路中如果不设置静态工作点，输入的交流信号就无法全部通过放大电路，造成传输过程中信号的严重失真；若静态工作点设置不合适，同样会发生传输过程中的饱和失真和截止失真。设置合适的静态工作点显然是放大电路保证传输质量的必要条件，其设置的温度变化IC基本不受影响教案纸开发区职业技术学院42原则是：保证正常的输入信号不失真的输出且保证静态工作点的相对稳定。分压式偏置的共射放大电路显然可以实现上述原则。通过选择合适的分压电阻RB1和RB2，可获得一个恰当的基极电位VB值，以确保晶体管的发射结正偏和集电结反偏。这样，在信号传输的过程中晶体管就会始终工作在放大区，使放大电路正常工作。电路中的反馈电阻RE则起到了稳定工作点的作用，从而抑制了由于温度变化对放大电路产生的影响。教案纸开发区职业技术学院43＋－ube＋－ucecbeibicib＋－ubeuce＋－cbeicib(a)(d)ib＋－ceuceicib＋－ubebrberbee(b)(c)2.3基本放大电路的动态分析所谓动态,是指放大电路输入信号不为零时的工作状态。当放大电路加入交流信号ui时,电路中各电极的电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成的。所以，在分析电路时，可以采用交、直流分开的分析方法，即人为地把直流量和交流量分开后分别进行分析，然后再把它们叠加起来。求解放大电路的动态输入电阻r0、输出电阻ri及电压放大倍数Au等参量的过程称为动态分析。一、共发射极放大电路的动态分析1．画交流通路原则：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2.微变等效电路法（1）三极管基-(发)射极间的等效根据三极管的输入特性,当输入信号ui在很小范围内变化时,输入回路的电压uBE、电流iB在uCE为常数时,可认为其随ui的变化作线性变化,即三极管输入回路基极与发射极之间可用等效电阻rbe代替。其等效电路如图2.4（b）所示。根据三极管输入回路结图2.4三级管的微变等效电路CEbeBEbeBbuuurii常数教案纸开发区职业技术学院44构分析,rbe的数值可以用下列公式计算:(2)三极管集(电)-(发)射极间的等效当三极管工作于放大区时,ic的大小只受ib控制,而与uCE无关,即实现了三极管的受控恒流特性,ic=βib。所以,当输入回路的ib给定时,三极管输出回路的集电极与发射极之间,可用一个大小为βib的理想受控电流源来等效,如图2.26(c)所示。二、.以分压式偏置共发射极放大电路为例进行分析①分析直流电路，求出“Q”，计算rbe。②画电路的交流通路。③在交流通路上把三极管画成H参数模型。bebeB2B1i////rrRRiurii26()(1)()bebbEQmVmVrrI教案纸开发区职业技术学院45beCbebCbi0uArRriRiuu若电路接入负载，此时电路放大倍数：beLbeLCu'//'ArRrRR交流等效输出电阻：r0=RC共发射极放大电路的主要任务是对输入的小信号进行电压放大，因此电压放大倍数Au是衡量放大电压性能的主要指标之一。共射放大电路的电压放大倍数随负载增大而下降很多，说明这种放大电路的带负载能力不强。共射放大电路中含有交流反馈电阻的动态分析动态分析：ebeLuC0ebeB2B1i)1('A),//(//RrRRRRrRRR显然电路中加了交流反馈电阻Re后，电路中的电压放大倍数进一步降低了。思考：输入、输出电阻对放大器有何影响？输入电阻ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流的大小。为减轻信号源负担，总希望Ri大些。另外，较大的输入电阻ri，也可降低信号源内阻RS的影响，使放大电路获得较强的输入电压。在共发射极放大电路中，由于RB比rbe大得多，ri近似等于rbe，一般只有几百欧至几千欧，阻值比较低，教案纸开发区职业技术学院46即共射放大器输入电阻不理想。对负载而言，总希望放大电路