模拟电子技术第三章-单管放大器

第三章单管放大器3.1单管共射放大器3.2放大器的分析3.3稳定静态工作点电路3.4三极管其它组态单管放大器3.5场效应管单管放大器引言单管放大器是指由一只晶体管构成的放大器。三极管可以组成3种形式的单管放大器，分别是：共发射极放大器、共集电极放大器、共基极放大器。3.1单管共射放大器图3-1阻容耦合共射放大器3.1.1一个典型的共射放大器1.放大器基本结构2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC元件作用：三极管T：电流放大作用，是放大器的核心元件。Rb：提供合适的基极电流IB。Rc：集电极电位因iC的变化而改变，从而引起输出端电压变化。电容C1、C2：耦合电容，隔离直流，通过交流。2.静态工作点的定义交流输入信号ui=0时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点或直流工作点Q，称为Q点，常记作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC思考输出电压必然失真！设置合适的静态工作点！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？3.1.2放大器的组成原则组成放大器时必须遵循以下原则：•合适的静态工作点：合适的直流电源，合适的电路参数。•动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。•对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC在图3-2(a)中，该电路不具有放大作用。改正方法是将电容C1移至如图3-1的位置。在图3-2(b)中，该电路交流信号无法输出。改正的方法是在集电极与直流电源VCC之间加一集电极电阻Rc，以便把放大的集电极电流转化为输出电压。图3-2例题3.1的电路图2CbRcRiu1Cou+_+_+VCC(a)eR1C2CbRiuCC+Vou+_+_(b)【例3.1】试分析图3-2所示电路是否具有放大作用。如果不能放大，如何改正？3.2放大器的分析放大器的分析包括两方面的内容：一、静态分析（又称直流分析或静态工作点分析）二、动态分析（又称交流分析或小信号分析）3.2.1直流通路和交流通路一般情况下，在放大器中，直流量和交流量总是共存的。但由于电容、电感及电源等的存在，直流量和交流量流经的通路是不完全相同的。需要分别给出直流通路和交流通路进行相应的分析。直流通路：是在直流电源作用下直流电流流经的通路，遵循以下原则：①电容视为开路；②电感视为短路；③电压信号源视为短路但保留其内阻；④电流信号源视为开路并保留其内阻。bRcR+VCCbRcRLRou+_iu+_TTiibici2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC直流通路交流通路是输入交流信号作用下，信号流经的通路,遵循以下原则：①耦合电容或旁路电容视为短路；②凡是不变的信号就视为0，直流电压源视为接地，直流电流源视为开路；③在不考虑内阻时，二极管、稳压管都可视为短路。bRcR+VCCbRcRLRou+_iu+_TTiibici2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC交流通路3.2.2等效电路法在小信号作用下，晶体管的非线性可近似用线性电路来等效。（一）静态分析1、画出放大电路的直流通路2、根据回路电压方程及三极管的电流关系,有：BQCCBEQbCCbI=(VU)/RV/RCQBQCCbI=βIβV/RCEQCCCQcU=VIRbRcR+VCCbRcRLRou+_iu+_TTiibici2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC（二）动态分析1、画出放大电路交流通路；2、交流通路中的三极管用微变等效电路代替，得到放大电路的交流等效电路。3、根据交流等效电路求Au、Ri、RobRbercRLRiu+_ou+_iibiciiRoRbRbercRou+_iibicioibRcR+VCCbRcRLRou+_iu+_TTiibici2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCC1）放大倍数'occLbLibbeu=-i(R//R)=-βiRu=irbebb'EQ26mVr=r+(1+β)ImA'oLuibeuβRA==ur思考：负载开路时的AubRbercRLRiu+_ou+_iibiciiRoRbRbercRou+_iibicioi2）输入阻抗根据Ri的定义iiibbeiibibeuuR==R//riuR+uribeRr3）输出阻抗画出求Ro的等效电路:令ui=0，对图分析可知ib=0，受控电流源ic=βib=0，即受控电流源相当于开路，当外加一个uo必然产生io，则：oococoouiRR===RiibRbercRLRiu+_ou+_iibiciiRoRbRbercRou+_iibicioi求输出阻抗等效电路bRbercRLRiu+_ou+_iibiciiRoRbRbercRou+_iibicioi解：（1）求Q点【例3.2】在图示阻容耦合电路中，已知VCC=12V,Rb=510kΩ，Rc=3kΩ；晶体管的=150Ω，β=80，导通时UBEQ=0.7V；RL=3kΩ。（1）求出电路的Au、Ri和Ro。（2）若所加信号源内阻Rs=2kΩ，求出Aus=uo/us=?bb'r2CbRcRTiu1CLRou+_+_+VCCTbebb'CQU26rrβ1508013251.33kI1.77'oLuibe33uβR33A==8090ur1.33iibbeiuR==R//riocR=RusA36ci+++___suiuousRbRbercRLRbiiiooiiusussiisuuuRA===AuuuR+R（2）求Au、Ri和Ro。（3）求Aus。P79习题2（a，b，c，d）画出图示电路的直流通路和交流通路。3.2.3图解分析法已知放大管的输入特性图、输出特性图以及放大器中各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大器进行分析即为图解法。1.静态分析1）图解法求静态工作点+_+_bRcRBIBICICIBEUCEUCCVCCVbRcR+VCCbRcRLRou+_iu+_TTiibiciUCE=VCC-ICRc输出回路方程：2）电路参数对静态工作点的影响通过上述静态工作点的图解过程可以看出，影响静态工作点的参数有VCC、Rb和Rc。改变Rb：输出回路负载线不变，Q点将沿该负载线上下移动，如图(a)所示。改变Rc：输出回路负载线斜率变化，Q点在IBQ所在的那条输出特性曲线上移动，如图(b)所示。改变VCC：输出回路负载线平移，Q点发生移动，如图(c)所示。改变VCC，输出回路负载线和IBQ所在的那条输出特性曲线均发生变化，故一般对VCC的改变要慎重。(a)(b)(c)电路参数对静态工作点的影响uCEVCCVCC/RCIBQ1IBQ2IBQ3QQ1Q20QQ1Q2IBQuCEVCC0OQQ1Q2IBQ0CCV'CCV''iCiCiCVCCuCE2.动态分析（1）由放大管输入特性曲线及ui描绘输入回路中电压uBE和电流iB的波形（2）由iB的变化曲线、输出特性曲线及输出端负载线画出uCE和iC的波形。输入回路图解法输出回路图解法iBuBEiBtuBEtibuiUBEQQ1Q20000iC交流负载线QQ1Q2'A'BICUCEtuCE/VtIBQ00直流负载线AuoBuCE/ViC3.静态工作点的设置与非线性失真的分析放大器的工作点Q1设置太低，引起截止失真。放大器的工作点为Q2设置太高，引起饱和失真。Q点选择不当引起的失真·iB/μAic/mAIBQ1IBQ2Q1Q1Q2Q2uBE/VuCE/Vic1ic2ib1ib2ube1ube2uce1uce2(a)(b)直交交消除失真方法？截止失真：消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。饱和失真：减小Rb能消除截止失真吗？消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，减小VBB，增大VCC。2最大不失真输出电压Uom：比较UCEQ与（VCC－UCEQ），取其小者，除以。这可不是好办法！4.静态工作点选取的一般原则通过以上分析可知，静态工作点的选择要根据输出电压uo的幅值和交流负载综合考虑。若输入信号ui幅值较大，则输出电压uo的幅值也较大，为了减小波形失真，静态工作点最好选择在交流负载线的中点，这样可保证uo的正、负半周对称。若输入信号ui的幅值不大，其输出电压的幅值较小，此时，为降低直流电源VCC的功率损耗，在不产生失真的前提下，常把静态工作点选得低一些，静态工作点可选择在交流负载线中点偏下的地方。5.图解法的局限性和适用范围①图解法必须具备所用管子的特性曲线，一般情况下，测试三极管特性曲线费用较高，因此，图解法不经济。②图解法只能分析简单无反馈电路，对较复杂的放大器显得无能为力。③图解法未考虑三极管的结电容影响，只适合于中低频放大器。④但是，图解法却有一个优点，它对理解放大器原理是很有帮助的，尤其是在设计大功率放大器输出端电路时，往往要用到图解法的概念。3.3稳定静态工作点电路3.3.1静态工作点稳定的必要性放大器的静态工作点对放大性能有着重要的影响。因此，选择合适的工作点并使之保持稳定，就成为保证放大器正常工作的关键。静态工作点不稳定因素：电源电压的变化、电路元件由于老化而引起参数值的改变、以及温度对器件参数的影响等.晶体管在不同环境温度下的的输出特性曲线稳定静态工作点的方法有：①在电路中加入二极管、热敏电阻等温度敏感元件，这种方法往往适用范围小、调试麻烦且成本高。②通过引入负反馈电路来稳定工作点，这是最有效的方法。iCVCC/RcUCEQuCEVCCICQIBQIBQ1IBQ2Q0'QICQTβUBEICBO3.3.2带Re的共射放大器b2CCBb1b2RVUR+R分压式偏置稳定放大器b1RcR+VCCTb2ReRLRVBBeC2C1Cb1RcR+VCCTb2ReR1IBICIBB'+VCCcReRbRBIEICI直流通路:如果Rb1、Rb2及Re的值选得合适就可满足I1IB，此时有：UB与晶体管参数基本无关b1RcR+VCCTb2ReR1IBICIBB'Re的作用T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓（UB基本不变）→IB↓→IC↓Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。Re有上限值吗？IC通过Re转换为ΔUE影响UBE温度升高IC增大，反馈的结果使之减小（一）静态分析beRR1βb2CCBQb1b2RVUR+RBQBEQEQeUUI=REQBQII1+βCEQCCCQceUVI(R+R)式1这里顺便讨论一下如何选择Re的值。利用戴维宁定理，可将上图变换成下图所示电路，其中：BBBQbBEQEQeV=IR+U+IRBBBEQEQbeV-UIRR1βb2BBCCb1b2RV=VR+Rbb1b2R=R//RVBB+VCCcReRbRBIEICIb1RcR+VCCTb2ReR1IBICIBB'1RUVIeBEQBBEQ同式（二）动态分析（1）电压放大倍数（2）输入阻抗（3）输出阻抗''oLuLCLibeuβRA=R=R//Ruriibeb1b2iuR==r//R//RiocR=R射极偏置电路的微变等效电路bib1Rb2RbercRLR+biβ_+_ouiub1RcR+VCCTb2ReRLRVBBeC2C1Cb1RcR+VCCTb2ReR1IBICIBB'+VCCcReRbRBIEICI【例3.3】在带Re的共射放大器，分析Ce开路时，将引起电路哪些动态参数发生变化？如何变化？解：旁路电容开路时的交流等效电路如下图所示无旁路电容的微变等效电路bib1Rb2RbercRLR+biβ_+_ouiueReiibbeee''ocLbLu=ir+iRu=-iRβiR'oLuibeeiib1b2beeiocuβRA=ur(1β)RuR==R//R//r(1