模拟电子电路及技术基础第五章

第五章基本放大电路5.1基本要求及重点、难点5.2习题类型分析及例题精解5.3习题解答第五章基本放大电路第五章基本放大电路1.基本要求(1)理解基本放大器的组成原理、各元件的作用；掌握基本放大器直流、交流通路的确定方法；熟练掌握直流偏置电路(包括固定偏流、电流负反馈型偏置及分压偏置电路)的分析、计算，即静态工作点的计算；掌握工作状态(截止、放大和饱和)的判断方法。(2)掌握放大器的直流、交流图解分析法，能绘制简单电路的直流负载线和交流负载线；掌握非线性失真的判断和动态范围的确定等。5.1基本要求及重点、难点第五章基本放大电路(3)理解晶体三极管低频交流小信号模型及其参数；掌握晶体管放大器基本组态(共射、共基和共集)电路组成、工作原理及主要指标；熟练掌握应用微变等效电路法对三种基本放大器进行交流分析、计算；掌握三种放大器的性能特点及应用。(4)了解场效应管放大器偏置电路分析、图解法和解析法；理解场效应管的低频小信号模型及其参数；掌握场效应管三种基本组态电路的分析、计算。(5)理解多级放大器级联原则、级间耦合方式及主要性能指标的计算；掌握多级放大器中后级对前级的负载效应的分析方法；掌握CC-CE、CE-CC和CE-CB组合放大器的特点及分析计算。第五章基本放大电路2.重点、难点重点：晶体管和场效应管放大器基本组态CE(CS)、CB(CG)、CC(CD)放大器的组成、工作原理、主要特点及其分析与计算。难点：图解法和微变等效电路法，尤其是场效应管放大器的分析和计算。第五章基本放大电路1.晶体管电路能否正常放大信号的判别判别的依据是放大器组成的三条规则：①晶体管必须偏置在放大区；②待放大的信号要加到发射结的输入回路；③输出端负载能有效获得放大后的信号。若违背其中任何一条，则电路都不能正常放大信号。5.2习题类型分析及例题精解第五章基本放大电路【例5-1】试判断图5-1所示各电路能否正常放大输入信号ui。若不能，应如何修改电路？第五章基本放大电路图5-1例5-1电路图第五章基本放大电路解电路(a)不能正常放大，因为发射结零偏而使晶体管处于截止状态。只需将偏电阻RB改接到基极与地之间即可正常放大。电路(b)不能正常放大。由于稳压二极管反向击穿后，其动态电阻极小，因而将输入信号对地短路。修改办法是选用一电阻代替稳压二极管。电路(c)不能正常放大，原因是集电极输出端被电源－UCC短路，所以要在集电极和CC相接点与电源之间串接一电阻才能正常放大。电路(d)也不能正常放大。因为场效应管的栅源之间零偏，当输入信号大于零时，其PN结正偏，所以不能正常放大。修改办法是在源极与地之间接一自偏压电阻。第五章基本放大电路2.确定放大器的直流通路和交流通路放大器的分析包括直流分析和交流分析，并要遵循“先直流，后交流”的原则。为此首先要确定放大器的直流和交流通路，其规则是：(1)对于直流通路，将原电路中的所有电容开路，电感短路，直流电源保留，即得直流通路。(2)对于交流通路，将原电路中对输入信号的耦合电容、旁通电容短路，容抗极大的小电容开路，直流电源对地短路，即得交流通路。第五章基本放大电路【例5-2】电路如图5-2所示。已知ui=5sin2π×103tmV，试画出其直流通路和交流通路。解将电路中的电容CB、CE、CC和Co开路，便得图5-3所示的直流通路。在画交流通路时，应对不同数值电容的容抗大小有一数量的概念，如1μF电容对频率为1kHz的容抗约为160101014.321π2143CfCZ第五章基本放大电路图5-2例5-2电路图第五章基本放大电路图5-3图5-2的直流通路第五章基本放大电路对于本电路，由于输入信号频率为1kHz，所以数值为10μF(ZC=16Ω)的耦合电容CB、CC和50μF(ZC=3.2Ω)的旁通电容CE均可视为短路。而数值为100pF的Co因其容抗达1.6MΩ，故应视为开路。再将正、负电源对地短路，即得图5-4所示的交流通路。第五章基本放大电路图5-4图5-2的交流通路第五章基本放大电路3.放大器直流(静态)工作点的计算首先明确：放大器的直流分析要在其直流通路上进行。由于集电极总是位于放大器的输出回路，因此所谓直流工作点计算，主要是估算ICQ和UCEQ。工作点计算的要点：若晶体管偏置在放大状态下，即隐含有如下的已知近似条件NPN管UBEQ=0.7V(硅管)UBEQ=0.3V(锗管)PNP管UBEQ=－0.7V(硅管)UBEQ=－0.3V(锗管)及ICQ=βIBQ另外，为使计算简便，晶体管三个电极电流的参考方向最好设为实际方向，即NPN管的IC和IB流入管内，而IE流出管外；PNP管则正好相反。第五章基本放大电路【例5-3】电路如图5-2所示。已知晶体管的β=100，试计算该管的静态工作点。解电路的直流通路如图5-3所示(应逐步掌握在电路图中直接看出直流通路，而不必将其画出)，设定各极电流的参考方向为实际方向。由发射结回路可得UEE=(1+β)IBQRE+0.7+IBQRB即ICQ=βIBQ=100×0.01=1mAUCEQ=UCC+UEE－ICQ(RC+RE)=6+6－1×(3+2)=7VmA01.021013307.06)1(7.0EBEEBRRUIQ第五章基本放大电路【例5-4】电路如图5-5(a)所示。已知晶体管的β=80，试计算该电路的静态工作点。解电路的直流通路如图5-5(b)所示。图中设定各极电流的参考方向为实际方向，此时PNP管放大器ICQ和UECQ(=－UCEQ)的计算与NPN管完全相同，即UECQ=UCC－(RC+RE)ICQ=12－(1.5+2.3)×2=4.4VUCEQ=－UECQ=－4.4VmA25.17.07.37.0V7.327601227ERB2CB2B1EEB2RB2RUIRRURUQ第五章基本放大电路图5-5例5-4电路图及直流通路第五章基本放大电路4.放大器的图解法分析图解法的要点是在晶体管的输出特性上分别作直流负载线和交流负载线。按“先直流，后交流”的分析原则，其中直流负载线是截距为集电极电源电压而斜率为集电极回路直流总电阻的负倒数的一条直线。直流负载线与由基极回路确定的IBQ的交点即为直流工作点Q。交流负载线是过Q点的一条直线，其斜率为集电极回路交流总电阻的负倒数。由此可见，交、直流负载线与电路元件参数有一一对应关系，即已知放大电路参数可进行图解，确定Q点、输出动态范围等。反之，已知图解的负载线和Q点也可确定放大电路参数。这是图解法分析的另一类问题。由于放大状态下iE≈iC，所以共集电极放大器也可在晶体管共射输出特性上进行图解。第五章基本放大电路【例5-5】共集电极放大电路及其图解分别如图5-6(a)、(b)所示。(1)试用图解法确定电路参数UCC、RE和RL的数值，并确定其输出动态范围；(2)设管子的临界饱和压降UCES=1V，为使放大器输出跟随范围最大，应如何改变RB并确定此时的Q点。第五章基本放大电路图5-6例5-5电路图第五章基本放大电路解(1)因为在电阻负载下，直流负载线的斜率绝对值总是小于或等于交流负载线的斜率，所以图(b)中截距为12V、斜率值为1/3的直线为直流负载线，而斜率值为1/2的直线为交流负载线。由图(a)知，输出回路的直流总电阻为RE，交流总电阻为RE∥RL，故UCC=12V，RE=3kΩ,RE∥RL=2kΩ,即RL=6kΩ。输出动态范围Uopp=2×4=8V。(2)由于Q点偏向截止区，为增大输出跟随范围，应将Q点上移，所以要减小RB，以增大ICQ。要使跟随范围最大应满足UCEQ－UCES=ICQ(RE∥RL)第五章基本放大电路而UCEQ=UCC－ICQRE，联立上式可解得此时的ICQ为对于本题UCEQ=UCC－ICQRE=12－2.2×3=5.4V其最大输出动态范围Uopp=2ICQ(RE∥RL)=2×2.2(3∥6)=8.8VmA2.2)6//3(3112)(LEECESCCCRRRUUIQ)(LEECESCCCRRRUUIQ第五章基本放大电路5.单管放大器基本组态的判别及其性能指标(Au、Ri和Ro)的计算实际应用中只有三种基本组态放大器，即共发射极、共集电极和共基极放大器。对于场效应管，对应有共源极、共漏极和共栅极放大器。其判别方法是：直流偏置下的晶体管，哪个电极直接接地(电源)或通过旁通电容接地(电源)或者作输入和输出的公共支路，即为共该极的放大器。反之，按指标要求也可接成相应组态的放大器。第五章基本放大电路图5-7例5-6电路图第五章基本放大电路【例5-6】晶体管放大电路如图5-7所示。已知晶体管的β=100，rbe=2kΩ，所有电容对交流信号呈短路。为了分别满足以下要求，电路应接成什么组态？三个端点①、②、③分别该如何连接？并加以验证。(1)要求Au＝≈－100;(2)要求Au=≈1;(3)要求Au＝≈－1;(4)要求输入电阻Ri最小，此时Ri=？(5)要求输出电阻Ro最小，此时Ro=？ioUUioUUioUU第五章基本放大电路解(1)要求电压放大倍数为负且数值较大，因此必须接成射极交流接地的共射组态，即③端接地或接电源，①端接输入电压，②端接输出。此时(2)要求电压放大倍数近似为1，只能接成共集组态，即②端接地或开路，①端接输入电压，③端接输出。此时10022100beCiorRUUAu1210122101)1()1(EbeEioRrRUUAu第五章基本放大电路(3)要求电压放大倍数为负且数值大为减小，因此只能接成射极接电阻的共射组态，即③端开路，①端接输入电压，②端接输出。此时(4)因为共基放大器的输入电阻最小，所以电路必须接成共基组态，即①端接地，③端接输入电压，②端接输出。此时1210122100)1(EbeCioRrRUUAuk02.01012//21//beEirRR第五章基本放大电路(5)由于共集放大器的输出电阻最小，因此只能接成共集组态，即②端接地或开路，①端接输入电压，③端接输出。此时k02.01012//21//beEorRR第五章基本放大电路6.场效应管放大器性能分析要点(1)直流工作点计算：由于场效应管为压控平方率器件，因此只有在已知转移特性曲线或方程的前提下，通过图解法或计算法(需解一元二次方程)确定IDQ。(2)交流性能分析：分析方法与晶体管放大器相同，即在确定基本组态后，套用对应的指标公式计算。第五章基本放大电路7.多级放大器的性能指标计算及组合放大器选择与判别指标计算原则：通过对每一单级指标的计算来计算多级的指标。指标计算要点：首先确定每一级为何种组态的放大器，然后利用对应公式计算每级的电压放大倍数，计算时要把后级的输入电阻作为其负载。多级放大器的电压增益为每一单级的乘积；输入电阻为带有后级负载的第一级的输入电阻；输出电阻为有前级源内阻的末级的输出电阻。第五章基本放大电路多级放大器的级数和各级组态的选用原则：(1)在满足增益要求的前提下，级数越少越好，一般不要超过三级；(2)多级放大器的主增益级应选用共射组态放大器；(3)要求输入电阻大时，第一级应选用共集、共源或共漏组态放大器；(4)要求输入电阻小时，第一级应选用共基或共栅组态放大器；(5)要求输出电阻小时，末级应选用共集或共漏组态放大器；(6)要求电流输出时，末级应选用共基或共射组态的互导放大器。第五章基本放大电路5-1在图P5-1所示的放大电路中，三极管的β=50,RB=500kΩ,RC=6.8kΩ,RL=6.8kΩ,UCC=12V,UBEQ=0.6V。(1)计算静态工作点；(2)若要求ICQ=0.5mA,UCEQ=6V，求所需的RB和RC值。5.3习题解答第五章基本放大电路图P5-1第五章基本放大电路解(1)ICQ=βIBQ=50×0.023=1.15mAUCEQ=UCC－ICQRC=12－1.15×6.8=4.2V(2)mA023.05006.012BBECCBRUUI