第二章 放大电路基础

第2章放大电路基础第2章放大电路基础2.1基本放大电路的组成及工作原理2.2图解分析法2.3微变等效电路法2.4放大器的偏置电路与静态工作点稳定2.5共集电极和共基极电路第2章放大电路基础2.1基本放大电路的组成及工作原理2.1.1放大电路的组成放大电路可由正弦波信号源US，晶体三极管V，输出负载RL及电源偏置电路(UBB、Rb、UCC、Rc)组成，如图2.1所示。由于电路的输入端口和输出端口有四个头，而三极管只有三个电极，必然有一个电极共用，因而就有共发射极(简称共射极)、共基极、共集电极三种组态的放大电路。图2.1所示为最基本的共射极放大电路。第2章放大电路基础下面分析基本放大电路中各元件的作用。(1）图中晶体三极管采用NPN型硅管，具有电流放大作用，使IC=βIB。(2）图中基极电阻Rb又称偏流电阻，它和电源UBB一起给基极提供一个合适的基极直流IB，使晶体管能工作在特性曲线的线性部分。(3）图中R为集电极负载电阻。当晶体管的集电极电流受基极电流控制而发生变化时，流过负载电阻的电流会在集电极电阻Rc上产生电压变化，从而引起UCE的变化，这个变化的电压就是输出电压Uo，假设Rc=0，则UCE=UCC，当IC变化时,UCE无法变化，因而就没有交流电压传送给负载RL。第2章放大电路基础(4）图中耦合电容C1、C2起到一个“隔直导交”的作用，它把信号源与放大电路之间，放大电路与负载之间的直流隔开。在图2.1所示电路中，C1左边、C2右边只有交流而无直流，中间部分为交直流共存。耦合电容一般多采用电解电容器。在使用时，应注意它的极性与加在它两端的工作电压极性相一致，正极接高电位，负极接低电位。第2章放大电路基础Uo＋－－＋UiUSRSRbC1Rc＋＋UBBVUCC＋C2RL－图2.1基本放大电路第2章放大电路基础2.1.21.在图2.2所示电路中，当Ui=0时，放大电路中没有交流成分，称为静态工作状态，这时耦合电容C1、C2视为开路，直流通路如图2.3（a）所示。其中基极电流IB，集电极电流IC及集电极、发射极间电压UCE只有直流成分，无交流输出,用IBQ、ICQ、UCEQ表示。它们在三极管特性曲线上所确定的点称为静态工作点，用Q表示，如图2.3（b）所示。第2章放大电路基础Uo＋－UiUSRSRbC1Rc＋＋V＋C2RL－＋UCC图2.2放大电路的习惯画法第2章放大电路基础＋UCCUCEQRcRbbceUBEQIBQICQ(a)(b)QICQIC/mAUCEQIQOOUCE/V图2.3静态工作情况第2章放大电路基础2.动态工作情况分析输入端加上正弦交流信号电压Ui时，放大电路的工作状态为动态。这时电路中既有直流成分，亦有交流成分，各极的电流和电压都是在静态值的基础上再叠加交流分量。如图2.4所示。在分析电路时，一般用交流通路来研究交流量及放大电路的动态性能。所谓交流通路，就是交流电流流通的途径，（1）将原理图中的耦合电容C1、C2视为短路。（2）电源UCC的内阻很小，对交流信号视为短路。图2.2所示的交流通路如图2.5所示。第2章放大电路基础IBOUBEUBEOt(a)OiBt＝tIBibtOO＋(b)OiCt＝tICIctOO＋(c)ui图2.4放大电路的各极间波形第2章放大电路基础OuRctUCC(d)OuCEt＝ttOO＋UCEuce(e)图2.4放大电路的各极间波形第2章放大电路基础RbRc＋VRL－Uo.Ui.图2.5放大电路的交流通路第2章放大电路基础2.2对一个放大电路的分析，不外乎两个方面：第一，确定静态工作点，求解IBQ、ICQ、UCEQ值；第二，计算放大电路在有信号输入时的放大倍数以及输入阻抗、输出阻抗等。常用的分析方法有两种：图解法和微变等效电路法。图解法适用分析大信号输入情况。而微变等效电路法适合微小信号的输入情况。图解法就是在三极管特性曲线上，用作图的方法来分析放大电路的工作情况，它能直观地反映放大器的工作原理。第2章放大电路基础2.2.1在分析静态值时，只需研究直流通路，图2.6（a）所示放大电路的直流通路如图2.6（b）所示。用图解法1.因为cCEcCCcCECCCcCCCCERURURUUIRIUU（2—1）第2章放大电路基础(a)UoUiRbC1Rc＋V＋C2RLUCC20F470k6k20F＋20V图2.6(a)放大电路；(b)直流通路；(c)静态工作点第2章放大电路基础(b)UCCUCERcRbbceUBEICIB图2.6(a)放大电路；(b)直流通路；(c)静态工作点第2章放大电路基础由于式（2—1）是一条直线型方程，当UCC选定后，这条直线就完全由直流负载电阻Rc确定，所以把这条直线叫做直流负载线。直流负载线的作法是：找出两个特殊点M（0，UCC）和N（UCC/Rc，0），将M、N连接，如图2.6(c)所示。其直流负载线的斜率为cRk1tan（2—2）第2章放大电路基础(c)QIC/mA0UCE/V12344812162093.3NIB＝20AM40A60A80Aa图2.6(a)放大电路；(b)直流通路；(c)静态工作点第2章放大电路基础2.确定静态工作点利用IBQ=（UCC-UBEQ）/RB，求得IBQ的近似值（对于UBEQ，硅管一般取0.7V，锗管取0.3V）。在输出特性曲线上，确定IB=IBQ的一条曲线。该曲线与直线MN的交点Q就是静态工作点。Q点所对应的静态值ICQ、IBQ和UCEQ也就求出来了。第2章放大电路基础例2.1求图2.6(a)所示电路的静态工作点。解(1)当IC=0时，UCE=UCC=20V，即M（0，20）当UCE=0时，IC=UCC/Rc=20V/6kΩ=3.3mA,即N（3.3，0）将M、N连接，此即直流负载线。（2）求静态偏流4004.0470)7.020(mkVRUUIbBEQCCBQ第2章放大电路基础如图2.6(c)所示，IBQ=40μA的输出特性曲线与直流负载线MN交于Q（9，1.8）,即静态值为IBQ=40μA,ICQ=1.8mA,第2章放大电路基础2.2.21.放大电路的输入端有输入信号，输出端开路，这种电路称为空载放大电路，虽然电压和电流增加了交流成分，但输出回路仍与静态的直流通路完全一样。因为cCCCCERiUu（2—3）所以，可用直流负载线来分析空载时的电压放大倍数。设图2.6(a)iBEQBEiuUutVusin02.0则第2章放大电路基础由图2.7（a）所示基极电流iB为iB=IBQ+ii=40+20sinωtμA。根据iB的变化情况，在图2.7（b）中进行分析，可知工作点是在以Q为中心的Q1、Q2两点之间变化，ui的正半周在QQ1段，负半周在QQ2段。因此我们画出iC和uCE的变化曲线如图2.7（b）所示，VttutVutmioCEC)sin(3.4sin3.4sin3.49sin7.08.1输出电压为第2章放大电路基础60402006040200IBQib/AuBE/VtuBE/VtUCEQ(a)Q1QQ2iB/A0.40.80图2.7空载图解分析法第2章放大电路基础0tiC/mAIcm＝0.7mAic/mA011.8233.344812162004.7913.3tUCEQUcem＝4.3VuCE/VuCE/VM020AIB＝40A60A80A(b)NQ1QQ2图2.7空载图解分析法第2章放大电路基础所以电压放大倍数为21502.03.4imomioUUUUA第2章放大电路基础2.带负载的动态分析在图2.6(a)所示电路中接上负载RL，其交流通路如图2.8所示。从输入端看Rb与发射极并联从集电极看Rc和RL并联。此时的交流负载为R′L=Rc//RL，显然R′LRc。且在交流信号过零点时，其值在Q点，所以交流负载线是一条通过Q点的直线，其斜率为LRk1tan(2—4)第2章放大电路基础2.2.3对一个放大电路而言，要求输出波形的失真尽可能地小。但是，如果静态值设置不当，即静态工作点位置不合适，将出现严重的非线性失真。在图2.10中，设正常情况下静态工作点位于Q点，可以得到失真很小的iC和uCE波形。当调节Rb，使静态工作点设置在Q1点或Q2点时，输出波形将产生严重失真。第2章放大电路基础饱和失真iciC1iCiC2截止失真4B3210Q1QQ2iC/mA80A60AIB＝40A20AA5101520UCESoUCCuCE1uCEuCE2uCE/V削底（饱和失真）削顶（截止失真）t0uCEt图2.10静态工作点对输出波形失真的影响第2章放大电路基础1.静态工作点设置在Q1点，这时虽然iB正常，但iC的正半周和uCE的负半周出现失真。这种失真是由于Q点过高，使其动态工作进入饱和区而引起的失真，因而称作“饱和失真”。2.截止失真当静态工作点设置在Q2点时，iB严重失真，使iC的负半周和uCE的正半周进入截止区而造成失真，因此称作“截止失真”。作在特性曲线的非线性区所引起的，因而叫作非线性失真。适当调整电路参数使Q点合适，可降低非线性失真程度。第2章放大电路基础2.3微变等效电路法三极管各极电压和电流的变化关系，在较大范围内是非线性的。如果三极管工作在小信号情况下，信号只是在静态工作点附近小范围变化，三极管特性可看成是近似线性的，可用一个线性电路来代替，这个线性电路就称为三极管的微变等效电路。第2章放大电路基础2.3.11.图２.１１（ａ）是三极管的输入特性曲线，是非线性的。如果输入信号很小，在静态工作点Ｑ附近的工作段可近似地认为是直线。在图2.12中，当uCE为常数时，从b、eBBEbeIUr低频小功率晶体管的输入电阻常用下式计算：)()(26)1(300mImVrEbe式中，IE为射极静态电流。第2章放大电路基础IBUCEIBOQIBUBEUBE(a)ICICICQOUCEIBUCEICIB(b)UCE图2.11（a）输入特性曲线;（b）输出特性曲线第2章放大电路基础2.输出端等效图２.１１（ｂ）是三极管的输出特性曲线族，若动态是在小范围内，特性曲线不但互相平行、间隔均匀，且与uＣＥ轴线平行。当uＣＥ为常数时，从输出端c、e极看，三极管就成了一个受控电流源，如图2.12所示，则BCII由上述方法得到的晶体管微变等效电路如图２.１２所示。第2章放大电路基础UBEUCEbcerbeIBICIBrce(b)VUBEebIBICUCE(a)c图２.（a）晶体三极管;（b）晶体三极管的微变等效第2章放大电路基础2.3.2放大电路的微变等效电路通过放大电路的交流通路和三极管的微变等效，可得出放大电路的微变等效电路，如图２.１３所示。第2章放大电路基础RbRc＋RL－Uo.Ui.＋－Ii.Ib.Ic.(a)图２.１３基本放大电路的交流通路及微变等效电路（a）交流通路;（b）微变等效电路第2章放大电路基础Rb＋－(b)rorbecRc－＋eUi.Ii.Ib．riri′＝rbeIb．Ic.bUo.RLRL′图２.１３基本放大电路的交流通路及微变等效电路（a）交流通路;（b）微变等效电路第2章放大电路基础2.3.3静态值仍由直流通路确定，而动态指标可用微变等效电路求得。1.电压放大倍数设在图２.１３（ｂ）中输入为正弦信号，uAbeLiouLbLcbebirRUUARIRIUrIU/故第2章放大电路基础2.输入电阻riri是指电路的动态输入电阻，由图2.13（b）中可看出cLLbecuRRRrRA//当负载开路时式中bebebiiirrRIUr//3.输出电阻roro是由输出端向放大电路内部看到的动态电阻，因rce远大于Rc，ccceoRRrr//第2章放大电路基础例２.3在图２.１４（a）所示