第二章 放大电路的基本原理

第二章放大电路的基本原理2.1放大的概念2.2单管共发射极放大电路2.3放大电路的主要技术指标2.4放大电路的基本分析方法2.5工作点的稳定问题2.6放大电路的三种基本组态2.7场效应管放大电路2.8多级放大电路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：双极型三极管和场效应管。2.2单管共发射极放大电路2.2.1单管共发射极放大电路的组成图2.2.1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，提供静态基极电流(静态基流)。2.2.2单管共发射极放大电路的工作原理一、放大作用：图2.2.1单管共射放大电路的原理电路)Δ(ΔΔ)Δ(ΔΔΔΔCCCEOBCBBEΙRiuuiiiuu实现了放大作用。ΔΔΙOuu二、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。三、原理电路的缺点：1.双电源供电；2.uI、uO不共地。四、单管共射放大电路图2.2.2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。2.3放大电路的主要技术指标图2.3.1放大电路技术指标测试示意图一、放大倍数)(电压放大倍数uAioUUAu)(电压放大倍数iAioIIAi二、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)。三、非线性失真系数D四、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五、输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。测量Ro：LS0oooRUIUR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Aum六、通频带BWm21uA七、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2.3.2图2.4.1(b)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2.4.1直流通路与交流通路图2.2.2(b)图2.4.1(a)2.4.2静态工作点的近似计算bceIBQICQUCEQ图2.4.1(a)bBEQCCBQRUVI硅管UBEQ=(0.6~0.8)V锗管UBEQ=(0.1~0.2)VICQIBQUCEQ=VCC–ICQRC【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2.4.3(a)解：设UBEQ=0.7VA40mA)2807.012(bBEQCCBQRUVIICQIBQ=(500.04)mA=2mAUCEQ=VCC–ICQRc=(1223)V=6V2.4.3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。图2.4.3(a)【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.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)(二)图解分析动态1.交流通路的输出回路图2.4.4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2.4.5(b)3.动态工作情况图解分析图2.4.5(a)输入回路工作情况0.680.72uBEiBtQ000.7t6040200uBE/ViB/µAuBE/ViBUBE交流负载线直流负载线4.57.5uCE912t0ICQiC/mA0IB=40µA2060804Q260uCE/ViC/mA0tuCE/VUCEQiC图2.4.5(b)输出回路工作情况分析4.电压放大倍数BECEIOΔΔΔΔuuuuAu图2.4.3(a)【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单管共射放大电路当输入正弦波uI时，放大电路中相应的uBE、iB、iC、uCE、uO波形。图2.4.6单管共射放大电路的电压电流波形二、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iC、uCE(uo)波形失真NPN管截止失真时的输出uo波形。uo=uceOiCtOOQtuCE/VuCE/ViC/mAICQUCEQOIB=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(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(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2.4.9(a)图2.4.9(b)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2.4.9(c)图2.4.9(d)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。2.4.4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2.4.10(a)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2.4.10(b)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2.4.11三极管的简化h参数等效电路cbe+uBE+uCEiCiBebcrbeiB+uBE+uCEiCiB4.电压放大倍数Au；输入电阻Ri、输出电阻ROC1RcRb+VCCC2RL+++VT+iUOUbebirIU而bLcoIRIUioUUAubeLiorRUUAu所以)//(LcLRRRRi=rbe//Rb，Ro=RcoUrbeebcRcRLRbbIcIbI++iU图2.4.12单管共射放大电路的等效电路(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2.4.13电流放大倍数与电压放大倍数之间关系讨论1.当IEQ一定时，愈大则rbe也愈大，选用值较大的三极管其Au并不能按比例地提高；EQbeL26)1(300beIrrRAu因：2.当值一定时，IEQ愈大则rbe愈小，可以得到较大的Au，这种方法比较有效。(三)等效电路法的步骤(归纳)1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q。2.求出静态工作点处的微变等效电路参数和rbe。3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交流通路。4.列出电路方程并求解。二、微变等效电路法的应用uA.1计算电压放大倍数例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。C1RcRb+VCCC2RL+++VT+iUOURerbebcRcRLRboUbIcIbI+ReeIe+iU图2.4.14接有发射极电阻的放大电路rbebcRcRLRboUbIcIbI+ReeIe+iU根据微变等效电路列方程eebebiRIrIUbe)1(II其中LbLCORIRIU而ebeLiO)1(RrRUUAueLRRAu引入发射极电阻后，降低了。uA若满足(1+)Rerbe与三极管的参数、rbe无关。uA2.放大电路的输入电阻bebeiii//)1(RRrIUR引入Re后，输入电阻增大了。3.放大电路的输出电阻coRRrbeebcRcRLRboUbIcIbI++ReeIcIrbebcRcRbbIbIReeIe将放大电路的输入端短路，负载电阻RL开路，忽略c、e之间的内电阻rce。RLiU图2.4.14(b)讨论引入Re后对输出电阻的影响。cIrbe