三极管放大电路及分析

第4章三极管及放大电路基础4.1BJT结构及性能参数4.2基本共发射极放大电路4.3放大电路的主要技术指标4.4放大电路的基本分析方法4.5工作点的稳定问题4.6放大电路的三种基本组态4.7组合（多级）放大电路4.8放大电路频率响应第四章放大电路的基本原理4.2.1放大的概念本质：实现能量的控制。在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。小能量对大能量的控制作用称为放大作用。放大的对象是变化量。元件：输出信号能受输入信号的控制，双极型三极管和场效应管。4.2基本共射极放大电路第四章放大电路的基本原理放大原件的受控作用：1、三极管（BJT）的输出电流（如集电极电流IC受输入电流IB的控制），场效应管（FET、JFET、MOS）输出电流ID受输入电场UGS的控制。2、输出受输入控制，输入信号的微小变化都能在输出端有较大变换。3、输出信号的能量由另一个电源提供。第四章放大电路的基本原理4.2.2单管共发射极放大电路4.2.2.1单管共发射极放大电路的组成图1单管共射放大电路的原理电路VT：NPN型三极管，为放大元件；VCC：为输出信号提供能量；RC：当iC通过Rc，将电流的变化转化为集电极电压的变化，传送到电路的输出端；VBB、Rb：为发射结提供正向偏置电压。第四章放大电路的基本原理组成放大电路的原则：1.外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。则有：BCΔΔii2.输入回路的接法应使输入电压u能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量iB。3.输出回路的接法应使变化量iC能够转化为变化量uCE，并传送到放大电路的输出端。原理电路的缺点：1.双电源供电；2.uI、uO不共地。第四章放大电路的基本原理单管共射放大电路图3单管共射放大电路C1、C2：为隔直电容或耦合电容；RL：为负载电阻。该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。第四章放大电路的基本原理4.3放大电路的主要技术指标图4放大电路技术指标测试示意图1、放大倍数)(uA电压放大倍数ioUUAu)(iA电流放大倍数ioIIAi第四章放大电路的基本原理2、输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。输出电阻Ro定义：输入端信号源短路();输出端负载开路()时外加一个正弦输出电压，得到相应的输出电流，二者的比值为输出电阻。SLoo0oURURIS0ULRoUoI第四章放大电路的基本原理输入端正弦电压，分别测量空载和输出端接负载RL的输出电压、。oUiUoULooo)1(RUUR输出电阻愈小，带载能力愈强。LoLooRRRUU输出电阻Ro的测量：图3放大电路技术指标测试示意图第四章放大电路的基本原理4、最大输出幅度在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom、Iom)。5、非线性失真系数D3、输入电阻Ri所有谐波总量与基波成分之比，即12322UUUD从放大电路输入端看进去的等效电阻。iiiIUR第四章放大电路的基本原理Aum6、通频带BWm21uA7、最大输出功率与效率输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号Pom表示。VomPP：效率PV：直流电源消耗的功率fLfHfL：下限频率fH：上限频率图4第四章放大电路的基本原理2.4放大电路的基本分析方法基本分析方法两种图解法微变等效电路法静态分析：电路中未施加输入信号，仅存在偏置电路直流作用时的电路工作状态，如输入、输出回路的电流及电压动态分析：当外加交流输入信号时，电路中存在直流、交流信号并存状态时的电路状态，如放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、最大输出功率等。基本分析思路：先静态，后动态第四章放大电路的基本原理4.4放大电路的基本分析方法静态工作点：当外加输入信号为零时，在直流电源VCC的作用下，三极管的基极回路及集电极回路均存在直流电流及直流电压，这些值在三极管输入、输出特性曲线上对应一个点，该点称静态工作点。电路中电抗原件及电源的特点：电容对直流信号的阻抗无穷大，可以认为开路，但对交流信号，阻抗为1/wc,当电容足够大，可认为短路；电感对直流信号的阻抗很小，可认为短路，而对交流信号，感抗大小为wL;对理想电压源，由于电压变化为零，在交流通路中相当于短路；对理想电流源，由于电流变化为0，故在交流通路中相当于开路。第四章放大电路的基本原理图5(b)4.4放大电路的基本分析方法4.4.1直流通路与交流通路图5图5(a)第四章放大电路的基本原理4.4.2静态工作点的近似计算bceIBQICQUCEQ图6bBEQCCBQRUVI硅管UBEQ=(0.6~0.8)V锗管UBEQ=(0.1~0.2)VICQIBQUCEQ=VCC–ICQRC第四章放大电路的基本原理【例】图示单管共射放大电路中，VCC=12V，Rc=3k，Rb=280k，NPN硅管的=50，试估算静态工作点。图7解：设UBEQ=0.7VA40mA)2807.012(bBEQCCBQRUVIICQIBQ=(500.04)mA=2mAUCEQ=VCC–ICQRc=(1223)V=6V第四章放大电路的基本原理4.4.3图解法在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。一、图解法的过程(一)图解分析静态1.先用估算的方法计算输入回路IBQ、UBEQ。2.用图解法确定输出回路静态值方法：根据uCE=VCCiCRc式确定两个特殊点cCCCCECCCEC00RViuVui时，当时，当第四章放大电路的基本原理输出回路输出特性CCCCCECCCEC00RViuVui，，直流负载线Q图2.4.2由静态工作点Q确定的ICQ、UCEQ为静态值。第四章放大电路的基本原理图8【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知Rb=280k，Rc=3k，集电极直流电源VCC=12V，试用图解法确定静态工作点。解：首先估算IBQμA40mA)2807.012(bBEQCCBQRUVI做直流负载线，确定Q点根据UCEQ=VCC–ICQRciC=0，uCE=12V；uCE=0，iC=4mA.第四章放大电路的基本原理0iB=0µA20µA40µA60µA80µA134224681012MQ静态工作点IBQ=40µA，ICQ=2mA，UCEQ=6V.uCE/V由Q点确定静态值为：iC/mA图2.4.3(b)第四章放大电路的基本原理(二)图解分析动态1.交流通路的输出回路图8输出通路的外电路是Rc和RL的并联。2.交流负载线交流负载线交流负载线斜率为：LCLL//1RRRR，其中OIBiC/mAuCE/VQ静态工作点图9第四章放大电路的基本原理3.动态工作情况图解分析图10输入回路工作情况0.680.72uBEiBtQ000.7t6040200uBE/ViB/µAuBE/ViBUBE第四章放大电路的基本原理交流负载线直流负载线4.57.5uCE912t0ICQiC/mA0IB=40µA2060804Q260uCE/ViC/mA0tuCE/VUCEQiC图11输出回路工作情况分析第四章放大电路的基本原理4.电压放大倍数BECEIOΔΔΔΔuuuuAu图12【例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如右图，RL=3k。uCE=(4.5–7.5)V=3VuBE=(0.72–0.68)V=0.04V解：求确定交流负载线LRk5.1//LCLRRR取iB=(60–20)A=40A则输入、输出特性曲线上有7504.03ΔΔBECEuuAu第四章放大电路的基本原理二、图解法的应用(一)用图解法分析非线性失真1.静态工作点过低，引起iB、iC、uCE的波形失真ibui结论：iB波形失真OQOttOuBE/ViB/µAuBE/ViB/µAIBQ——截止失真第四章放大电路的基本原理iC、uCE(uo)波形失真NPN管截止失真时的输出uo波形。uo=uceOiCtOOQtuCE/VuCE/ViC/mAICQUCEQ第四章放大电路的基本原理OIB=0QtOONPN管uo波形tiCuCE/VuCE/ViC/mAuo=uceib(不失真)ICQUCEQ2.Q点过高，引起iC、uCE的波形失真—饱和失真第四章放大电路的基本原理(二)用图解法估算最大输出幅度OiB=0QuCE/ViC/mAACBDE交流负载线输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的A、B所限定的范围。22omDECDUQ尽量设在线段AB的中点。则AQ=QB，CD=DE第四章放大电路的基本原理(三)用图解法分析电路参数对静态工作点的影响1.改变Rb，保持VCC，Rc，不变；OIBiCuCEQ1Rb增大，Rb减小，Q点下移；Q点上移；Q2OIBiCuCEQ1Q32.改变VCC，保持Rb，Rc，不变；升高VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。Q2图13(a)图13(b)第四章放大电路的基本原理3.改变Rc，保持Rb，VCC，不变；4.改变，保持Rb，Rc，VCC不变；增大Rc，直流负载线斜率改变，则Q点向饱和区移近。OIBiCuCEQ1Q2OIBiCuCEQ1Q2增大，ICQ增大，UCEQ减小，则Q点移近饱和区。图13(c)图13(d)第四章放大电路的基本原理图解法小结1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；2.方便估算最大输出幅值的数值；3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4.有利于对静态工作点Q的检测等。第四章放大电路的基本原理4.4.4微变等效电路法晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。微变等效条件研究的对象仅仅是变化量信号的变化范围很小第四章放大电路的基本原理一、简化的h参数微变等效电路(一)三极管的微变等效电路iBuBE晶体管的输入特性曲线常数CEBBEbeUiurrbe：晶体管的输入电阻。在小信号的条件下，rbe是一常数。晶体管的输入电路可用rbe等效代替。1.输入电路Q点附近的工作段近似地看成直线可认为uBE与iB成正比QOiBuBE图14(a)第四章放大电路的基本原理2.输出电路假设在Q点附近特性曲线基本上是水平的(iC与uCE无关)，数量关系上，iC比iB大倍；iBiB从三极管输出端看，可以用iB恒流源代替三极管；该恒流源为受控源；为iB对iC的控制。uCEQiCO图14(b)第四章放大电路的基本原理3.三极管的简化参数等效电路注意：这里忽略了uCE对iC与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小。图15三极管的简化h参数等效电路cbe+uBE+uCEiCiBebcrbeiB+uBE+uCEiCiB第四章放大电路的基本原理(二)rbe的近似估算公式rbb：基区体电阻。reb：基射之间结电阻。　　欧姆，可忽略。只有几：发射区体电阻，一般erEQEQbe26IIUrTEQbbBBEbe26)1(ddIriur低频、小功率管rbb约为300。UT：温度电压当量。cbeiBiCiEbbrberereb图16第四章放大电路的基本原理例.求电路电压放大倍数Au；输入电阻Ri、输出电阻ROC1RcRb+VCCC2RL+++VT+iUOUbebirIU而ocLbLUIRIRioUUAubeLiorRUUAu所以)//(LcLRRRRi=rbe//Rb，Ro=RcoUrbeebcRcRLRbbIcIbI++iU图17单管共射放大电