第二章 放大电路分析基础1

返回＞＞第二章放大电路分析基础实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。§1放大电路工作原理一、放大电路的组成原理以共发射极放大电路为例放大电路的组成的原则是：⑴为保证三极管工作在放大区，发射结必须正向偏置；集电结必须反向运用。⑵电路中应保证输入信号能加至三极管的发射结，以控制三极管的电流。同时，也要保证放大了的信号从电路中输出。耦合电容(隔直电容)的作用：使交流信号顺利通过，而无直流联系。耦合电容容量较大，一般采用电解电容器，而电解电容分正负极，接反就会损坏。上图是NPN型三极管组成的放大电路，若用PNP型，则电源和电解电容极性反接就可以了。实际中，为了方便，采用单电源，如下左图。习惯画法如下右图。二、直流通路和交流通路当输入信号为零时，电路只有直流电流；当考虑信号的放大时，我们应考虑电路的交流通路。所以在分析、计算具体放大电路前，应分清放大电路的交、直流通路。由于放大电路中存在着电抗元件，所以直流通路和交流通路不相同。直流通路：电容视为开路，电感视为短路交流通路：电容和电感作为电抗元件处理，一般电容按短路处理，电感按开路处理。直流电源因为其两端的电压固定不变，内阻视为零，故在画交流通路时也按短路处理。要求同学能画出一个放大电路的直流通路和交流通路。下面我们画出基本共发射极电路的交、直流通路。同样，放大电路的分析也包含两部分直流分析：又称为静态分析，用于求出电路的直流工作状态，即基极直流电流IB；集电极直流电流IC；集电极与发射极间的直流电压UCE。交流分析：又称为动态分析，用来求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。§2放大电路的直流工作状态放大电器核心器件是具有放大能力的三极管，而三极管要保证在放大区，其e结应正向偏置，c结应反向偏置，即要求对三极管设置正常的直流工作状态，如何计算出一个放大电路的直流工作状态，是本节讨论的主要问题。直流工作点，又称静态工作点，简称Q点（Quiescent[kwaI5esEnt]adj.静止的）。它可通过公式求出，也可以通过作图的方法求出。一、解析法确定静态工作点根据放大电路的直流通路，可以估算出该放大电路的静态工作点。求静态工作点就是求IBICUCE1.求IB由于三极管导通时，UBE变化很小，可视为常数。一般地硅管UBE＝0.6～0.8V取0.7V锗管UBE＝0.1～0.3V取0.2V当UCC、Rb已知，可求出IBQ2.求IC3.求UCE二、图解法确定静态工作点三极管电流、电压关系可用其输入特性曲线和输出特性曲线表示。我们可以在特性曲线上，直接用作图的方法来确定静态工作点。图解法求Q点的步骤：1.在输出特性曲线所在坐标中，按直流负载线方程,作出直流负载线。2.由基极回路求出IBQ3.找出这一条输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点的电流、电压即为所求。【例】如下图电路，已知Rb=280kΩ，Rc=3kΩ，Ucc=12V，三极管的输出特性曲线也如下图所示，试用图解法确定静态工作点。解：首先写出直流负载方程，并做出直流负载线uCE=UCC－iCRciC=0，uCE=UCC=12V，得M点；uCE=0，iC=UCC/Rc=12/3=4mA，得N点；连接MN，即得直流负载线。直流负载线与iB=IBQ=40μA这一条特性曲线的交点，即为Q点，从图上可得ICQ=2mA，UCEQ=6V。三、电路参数对静态工作点的影响在后面我们将看到静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数Rb、Rc、UCC对静态工作点的影响，为调试电路给出理论指导。1.Rb对Q点的影响Rb↑→IBQ↓→工作点沿直流负载线下移Rb↓→IBQ↑→工作点沿直流负载线上移2.RC对Q点的影响RC的变化，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。RC↓→N点上升→直流负载线变陡→工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线右移RC↑→N点下降→直流负载线变平坦→工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线左移3.UCC对Q点的影响UCC的变化不仅影响IBQ，还影响直流负载线，因此，UCC对Q点的影响较复杂。UCC↑→IBQ↑→M↑→N↑→直流负载线平行上移→工作点向右上方移动UCC↓→IBQ↓→M↓→N↓→直流负载线平行下移→工作点向左下方移动实际调试中，主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点，而很少通过改变UCC来改变工作点。§3放大电路的动态分析我们讨论当输入端加入信号ui时，电路的工作情况。由于加进了输入信号，输入电流iB不会静止不动，而是变化的。这样三极管的工作状态将来回移动，故又将加进输入交流信号时的状态称为动态。一、图解法分析动态特性通过图解法，我们将画出对应输入波形时的输出电流和输出电压的波形。由于交流信号的加入，此时应按交流通路来考虑。交流负载。在信号的作用下。三极管的工作状态的移动不再沿直流负载线，而是按交流负载线移动。因此，分析交流信号前。应先画出交流负载线。1.画交流负载线交流负载线具有如下两个特点⑴交流负载线必通过Q点，因为当输入信号ui的瞬时值为零时，如忽略电容C1和C2的影响，则电路状态和静态相同。⑵交流负载线的斜率由决定。因此，按上述特点，可做出交流负载线，即通过Q点，作一条的直线，就是交流负载线。具体作法如下：首先作一条的辅助线(此线有无数条)，然后过Q点作一条平行于辅助线的直线即为交流负载线。由于，所以，故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。交流负载线的另外一种作法：交流负载线也可以通过求出交流负载线在uCE坐标的截距，再与Q点相连即可得到。设截距点为，则有：推导过程如下：例：如下图所示电路，做出交流负载线。已知Rb=280kΩ，Re=3kΩ，UCC=12V，RL=3kΩ。解：⑴首先做出直流负载线，求出Q点。⑵做出交流负载线的辅助线取ΔU=6V可得ΔI=4mA，连接这两点即为交流负载线的辅助线。⑶过Q点做辅助线的平行线，即为交流负载线。也可以用：做出交流负载线。2.画输入输出的交流波形图设电路使则：从图2—8可读出相应的数据，画出波形，数据如下表所示ωt0ππ/2π3π/22πiB/uA4060402040IC/mA23212UCE/V64.567.56ic、ib、ube三者同相，uce与它们的相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的，这是共发射极放大电路的特征之一。二、放大电路的非线性失真作为对放大电路的要求，应使输出电压尽可能的大，但它受到三极管非线性的限制，当信号过大或工作点选择不合适，输出电压波形将产生失真。这些失真是由于三极管的非线性(特性曲线的非线性)引起的失真，所以称为非线性失真。1.由三极管特性曲线非线性引起的失真非线性失真。⑴输入特性曲线弯曲引起的失真。⑵输出曲线簇上疏下密引起的失真。⑶输出曲线簇上密下疏引起的失真。⑷输出曲线弯曲也引起失真。2.工作点不合适引起的失真截止失真和饱和失真。⑴截止失真当工作点设置过低(IB过小)，在输入信号的负半周，三极管的工作状态进入截止区。因而引起iB、iC、uCE的波形失真，称为截止失真。对于NPN型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。对于PNP型共e极放大电路，截止失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。⑵饱和失真当工作点设置过高(IB过大)，在输入信号的正半周，三极管的工作状态进入饱和区。因而引起iC、uCE的波形失真，称为饱和失真。对于NPN型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。对于PNP型共e极放大电路，饱和失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。3．最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰—峰Up-p)由于存在截止失真和饱和失真，放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax(或最大峰—峰Up-p)最大不失真输出电压是指：当直流工作状态已定的前提下，逐渐增大输入信号，三极管尚未进入截止或饱和时，输出所能获得的最大不失真电压。如ui增大首先进入饱和区，则最大不失真输出电压受饱和区限制，则如ui增大首先进入截止区，则最大不失真输出电压受截止区限制，则最大不失真输出电压值，选取其中小的一个。三、微变等效电路微变等电路法的基本思想是：当输入信号变化的范围很小时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的。即在一个很小的范围内，输入特性输出特性均可近似地看作是一段直线。因此，就可以给三极管建立一个小信号的线性模型。这就是微变等效电路。利用微变等效电路，可以将含有非线性元件(三极管)的放大电路，转化为我们熟悉的线性电路，然后，就可利用电路分析的有关方法求解。1.三极管的h参数微变等效电路三极管处于共发射极状态时，输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示。输入特性：⑴输出特性：⑵式中代表各电量的总瞬时值，为直流分量和交流瞬时值之和，即：，，，用全微分形式表示，则有⑶⑷令则：前已指出，而代表其变化量，故，同理有当输入为正弦量并用有效值表示时，则有⑸⑹根据上两式可以画出共e极时的三极管的微变等效电路。2.h参数的意义和求法(hybrid)hybrid[5haibrid]n.杂种,混血儿,混合物adj.混合的,杂种的三极管输出交流短路时输入电阻。三极管输入交流开路时电压反馈系数三极管输出交流短路时的电流放大系数β三极管输入开路时的输出导纳由于的影响，一般这个影响很小，可忽略不计。⑸、⑹式可简化为令，并用有效值代替各变化量，可得三极管的简化等效电路。求四、三种基本组态放大电路的分析微变等效电路，主要用于放大电路动态特性分析，三极管有三种接法，故放大电路也有三种基本组态，各种实际放大电路都是这三种基本放大电路的变型及组合。1.放大电路的性能指标放大电路的性能指标有许多种，我们只介绍几个反映放大器性能的基本性能指标。⑴电压放大倍数Au电压放大倍数，是衡量放大电路的电压放大能力的指标。它定义为输出电压的幅值或有效值与输入电压幅值或有效值之比，有时也称为增益。有时亦定义源电压放大倍数Aus，它表示输出电压与信号源电压幅值或有效值之比。显然，当信号源内阻Rs=0时，Aus=Au，Aus就是考虑了信号源内阻Rs影响时的电压放大倍数。⑵电流放大倍数Ai电流放大倍数定义为输出电流与输出电流幅值或有效值之比。⑶功率放大倍数Ap功率放大倍数定义为输出功率与输入功率之比⑷输入电阻ri放大电路由信号源提供输入信号，当放大电路与信号源相连，就要从信号源索取电流。索电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度。所以定义输入电阻来衡量放大电路对信号源的影响。当信号频率不高时，电抗效应不考虑。则有对多级放大电路，本级的输入电阻又构成前级的负载，表明了本级对前级的影响。对输入电阻的要求视具体情况而不同。进行电压放大时，希望输入电阻要高，进行电流放大时，又希望输入电阻要低；有的时候又要求阻抗匹配，希望输入电阻为某一特殊的数值。⑸输出电阻ro输出电阻是从输出端看进去的放大电路的等效电阻，称为输出电阻ro。由微变等效电路求输出电阻的方法，一般是将输入信号源Us短路（电流源开路），注意应保留信号源内阻。然后在输出端外接电源U2，并计算出该电压源供给的电流I2，则输出电阻由下式算出。输出电阻高低表明了放大器所能带动负载的能力。Ro越小，表明带负载能力越强。实验测ro方法：2.共e极放大电路根据共发射极放大电路画出微变等效电路，画微变等效电路时，把C1、C2和直流电源Ucc视为短路。三极管用微变等效电路代替。⑴电压放大倍数式中从输入回路得⑵电流放大倍数⑶输入电阻当时，⑷输出电阻由于当Uo=0时，Ib=0，从而受控源βIb=0，因此可直接得出ro=Rc注意：因ro常用来考虑带负载RL的能力，所以求ro时不应含RL，应将其断开。⑸源电压放大倍数3.共c极放大电路电路如下图所示，信号从基极输入，射极输出，故又称为射极