模电第2单元

第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术主编曾令琴2.1小信号单级放大电路的基本组态2.2共射组态的单级放大电路2.5三种组态放大电路性能比较2.3共集电极组态的单级放大电路2.4共基极组态的单级放大电路2.6单极型管的单级放大电路2.7多级放大电路2.8放大电路的频率响应第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术掌握放大电路的基本构成及特点，理解基本放大电路静态工作点的设置目的及其求解方法；熟悉非线性失真的概念；初步掌握运用微变等效电路法求解电路的电压放大倍数、电路的输入电阻和输出电阻；了解多级放大电路的常用耦合方式。技术能力上要求掌握示波器、信号发生器、电子毫伏表等常用电子仪器的使用方法；具有对共射放大电路进行静态工作点调试的能力；掌握基本放大电路安装、调试的工艺技能。任务导入第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术2.1小信号单级放大电路的基本组态放大电路是电子技术中应用十分广泛的一种单元电路。所谓“放大”，是指将一个微弱的电信号，通过某种装置，得到一个波形与该微弱信号相同、但幅值却大很多的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。“放大”作用的实质是电路对电流、电压或能量的控制作用。扬声器负载输入信号源扩音器中放大电路的组成为放大器提供能量的直流电源RS+－US放大电路+－u0i0话筒送来的微弱音频信号第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术ui放大电路微弱输入小信号uiu0幅度大大增强的输出信号u0放大电路的放大作用，实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号。输入信号的作用则是控制这种转移，使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。放大电路的核心元件是晶体管，因此，放大电路若要实现对输入小信号的放大作用，必须首先保证晶体管工作在放大区。晶体管工作在放大区的外部偏置条件是：其发射结正向偏置、集电结反向偏置。此条件是通过外接直流电源，并配以合适的偏置电路来实现的。第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术电子技术中以晶体管为核心元件，利用晶体管的以小控大作用，可组成各种形式的放大电路，基本放大电路的形式分以下三种组态：＋u0－＋ui－bce＋u0－＋ui－bec＋u0－＋ui－bec共射组态放大电路共集电组态放大电路共基组态放大电路无论放大电路的组态如何，其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后，输出时其信号幅度显著增强。第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术2.2共射组态的单级放大电路基本放大电路的核心元件是晶体管，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，并保证晶体管工作在线性放大区。（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。1.放大电路的组成原则第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术2.2.2共射放大电路各部分的作用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为：3DG6管RBUBBC1+RCUCCC2+放大电路的核心元件——三极管输入回路耦合电容基极电阻基极电源集电极电阻为放大电路提供能量的直流电源输出回路耦合电容上图所示为双电源组成的共发射极基本放大电路。第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，各部分的作用分别如下：晶体管的作用是把放大电路输入的小电流进行放大，并控制能量转移向放大电路提供能量，保证晶体管的放大作用。基极偏置电阻的作用是为放大电路提供合适的静态工作点，保证晶体管工作在放大区。输入耦合电容的作用是通交隔直。一方面防止放大电路内直流部分对输入的影响，另一方面让输入交流信号顺利通过。输出耦合电容的作用是隔离放大电路内部的直流和让放大的交流信号顺利输出。集电极电阻的作用是将放大后的集电极电流转换成电路所需的电压输出。3DG6管RBC1+RCC2++UCC第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术3DG6RBC1+RCC2++UCCcebuiu0ibiCuCEiBIB基极固定偏置电流放大后的集电极电流iC通过RC将放大的电流转换为放大的晶体管电压输出。uCE经C2滤掉了直流成分后的输出电压信号电流和基极固定偏流的叠加显然，放大电路内部各电流、电压都是交直流共存的。uit0输入交流信号电流iBt0IBiCt0ICuCEt0ICRCu0t0反相！输入信号电压2.2.3共射放大电路的工作原理第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术需放大的信号电压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控制集电极电流iC变化；iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化，即：uCE=UCC-iCRC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。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。第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术输入信号ui=0、只在直流电源UCC作用下电路的状态称“静态”。直流分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。C1+C2+ICUBE放大电路的直流通道UCE3DG6RBRC＋UCCcebIC=βIBUCE=UCC－ICRCIB=RBUCC-UBE直流下耦合电容C1、C2相当于开路，由直流通道求工作点上的IB：IB由图可得由晶体管放大原理可求得IC：由图又可求得工作点上UCE：式中ICRC前面的负号表示输出电压与集电极电流IC反相。①静态分析估算法2.2.4共射放大电路的静态分析第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术ICIEIBUBEUCERBRC＋UCCceb已知放大电路直流通道中UCC=10V，RB=250kΩ，RC=3kΩ，β=50，试求该放大电路的静态工作点Q。V42.4386.110mA86.10372.050μA2.372507.010CCCCEBCBBECCBRiUUIIRUUICIB=37.2μA所以静态工作点Q：IC=1.86mAUCE=4.42V注意：计算中一定要弄明白各量的单位，不允许写错！第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术UBE(V)IB0.5V0.7V死区uit0ibt0t1t1t2t3t4t3t2t4此时ui小于死区的部分将无法得到传输，只有大于死区的部分才能转换成电流ib通过晶体管。由于输入信号大部分无法通过晶体管，ib电流波形与ui波形完全不一样了，造成输入信号输入时严重的“截止失真”。输入信号电压波形假如不设置静态工作点不设置静态工作点行吗？结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术利用晶体管的输入、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：②用图解法求解静态工作点a.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：uBEiBiCuCE第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术b.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：UCEICIEIBUBERBRC＋UCCcebUCE=UCC－ICRC令UCE=0，可得：IC=UCC/RC令IC=0可得：UCE=UCCICUCEUCCRCUCC连接两点作出直流负载线c.确定静态工作点只有IBQ对应的交点才是Q点QIBQ直流负载线上交点有多个第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术固定偏置的放大电路存在很温度T↑→Q点↑→IC↑→UCE↓→VC↓ICUCEQ若温度上升，将造成输出特性曲线上移。静态工作点Q随之上移Q'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”。上述固定偏置共射放大电路有哪些不足？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。为不失真地传输信号，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。第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术RCC2＋CE＋C1＋对固定偏置的放大电路进行改造。3DG6cbeRBRE+UCCRB2RB1分压电阻射极反馈电阻射极旁路滤波电容为稳定工作点Q而添加的负反馈环节分压电阻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。2.2.5分压式偏置的共射放大电路第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术分压式共射放大电路稳定Q点作用说明第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术RCC2＋CE＋C1＋3DG6cbeRE+UCCRB2RB1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。这种分压式偏置的共发射极基本放大电路需要满足I1I2的小信号条件。在满足I1I2IB的小信号条件下，当温度发生变化时，虽然也要引起IC的变化，但对基极电位没有多大影响。实际模拟电子线路中，设计流过RB1和RB2支路的电流远大于基极电流IB，因此可近似把RB1和RB2视为串联，串联可以分压，根据分压公式可确定基极电位：CCB2B1B2BURRRV第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术分压偏置共射放大电路静态工作点估算直流分析时，此电路需满足I1≈I2IB的小信号条件。C2＋C1＋CE＋RC3DG6cbeRE+UCCRB2RB1I1I2IBVBB2B1B2CCBRRRUV显然VB的大小与温度无关。分压式偏置共射放大电路的直流通道偏置电阻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：第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术上述分析步骤，就是分压式偏置的共发射极电压放大电路求解静态工作点的估算法。显然，基极电位VB的高低对静态工作点影响非常大。UBERCβcbeRE+UCCRB2RB1I1I2IBVBB2B1B2CCBRRRUV)(ECCCCCERRIUUIEICUCECBIIEBEBECRUVII分压偏置共射放大电路静态工作点估算第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术V412102010CCB2B1B2BURRRVRsus+－+ui－RL+uo－+UCCRCC1C2VRB1RB2RECE+++图示电路，已知UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，β=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。（1）用估算法计算静态工作点mA65.127.04EBEQBEQCQRUUIIA33mA5065.1CQBQIIV75.3)23(65.112)(ECCQCCCEQRRIUU第2单元低频小信号放大电路模拟电子技术ICUCE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：Qibu0Q点的上移造成放大过程中信号的一部分进入饱和区，发生饱和失真，集电极电流上削波。放大电路输出电压同样产生饱和