电子技术第二章晶体管放大电路

第2章基本放大电路能将微弱的信号放大并转换成较强地电信号的电路，称为放大电路，简称放大器。放大器是最基本的、最常见的一种电子设备，也是构成各种电子设备的基本单元之一。本章学习目标：掌握三极管共发射极放大电路和射极输出器的原理；掌握放大器地分析和计算；了解差动放大电路的组成和原理；了解功率放大电路的特点及互补对称放大电路的原理。2.1基本放大电路的基本知识放大电路的作用是将微弱的电信号放大到能够驱动负载工作所需的数值。从表面上看是将信号由小变大，实质上，放大的过程是实现能量转换的过程。扩音机是放大电路应用的一个典型例子，扩音机由话筒、放大电路和扬声器三部分组成，如图所示。话筒是信号源，它将物理量声音转变成约几百微伏到几毫伏微弱的电信号，放大电路将此信号加以放大，并且输出足够大的能量，驱动扬声器工作。放大电路的基本要求：1）一定的输出功率；2）一定的放大倍数；3）失真要小；4）工作稳定。放大电路是将微弱的电信号不失真的放大，一般包含有源器件及两端输入和两端输出，称为有源四端网络。放大电路的基本参数：1）．放大倍数Au2）．输入电阻ri3）．输出电阻ro2.1基本放大电路的组成2-1-1共发射极基本放大电路组成共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2.1基本放大电路的组成2.1.2基本放大电路各元件作用晶体管T--放大元件,iC=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。基极电源EB与基极电阻RB--使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2.1基本放大电路的组成2.1.3基本放大电路各元件作用集电极电源EC--为电路提供能量。并保证集电结反偏。集电极电阻RC--将变化的电流转变为变化的电压。耦合电容C1、C2--隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。信号源负载共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2.1基本放大电路的组成单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE2.1.4共射放大电路的电压放大作用UBEIBICUCE无输入信号(ui=0)时:uo=0uBE=UBEuCE=UCE+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOICUCEOIBUBEO结论：(1)无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE。(IB、UBE)和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。QIBUBEQUCEICUBEIB无输入信号(ui=0)时:uo=0uBE=UBEuCE=UCE？有输入信号(ui≠0)时uCE=UCC－iCRCuo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uoIC2.1.4.共射放大电路的电压放大作用+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO结论：(2)加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但方向始终不变。+集电极电流直流分量交流分量动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析结论：(3)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。(4)输出电压与输入电压在相位上相差180°，即共发射极电路具有反相作用。uitOuotO1.实现放大的条件(1)晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电结反偏。(2)正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。(3)输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。(4)输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。2.直流通路和交流通路因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路，用来计算静态工作点。交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路，用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。例：画出下图放大电路的直流通路直流通路直流通路用来计算静态工作点Q(IB、IC、UCE)对直流信号电容C可看作开路（即将电容断开）断开断开+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiERBRCuiuORLRSes++–+––对交流信号(有输入信号ui时的交流分量)XC0，C可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。短路短路对地短路交流通路用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE放大的概念:放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。放大的实质:用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。对放大电路的基本要求：1.要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。2.尽可能小的波形失真。另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。2.2放大电路的静态分析（图解分析）静态：放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。设置Q点的目的：(1)使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。——静态工作点Q：IB、IC、UCE。静态分析：确定放大电路的静态值。2.2.1用估算法确定静态值1.直流通路估算IBBBECCBRUUI所以BCCBRUI根据电流放大作用CEOBCIIIBBIβIβ2.由直流通路估算UCE、IC当UBEUCC时，+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB由KVL:UCC=IBRB+UBE由KVL:UCC=ICRC+UCE所以UCE=UCC–ICRC例1：用估算法计算静态工作点。已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：注意：电路中IB和IC的数量级不同mAmABCCB04030012.RUImAmABC51040537...IIVVCCCCCE645112.RIUU+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。EECCCCCERIRIUUEBBECCB)1(RβRUUIBCIβIEEBEBBCCRIURIUEBBEBB)1(RIβURI由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。由KVL可得：由KVL可得：IE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB2.2.2用图解法确定静态值用作图的方法确定静态值步骤：1.用估算法确定IB优点：能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。2.由输出特性确定IC和UCC常数B)(CECIUfIUCE=UCC–ICRC+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIB直流负载线方程2.2.2用图解法确定静态值BBECCBRUUICtanR1直流负载线斜率ICQUCEQCCCRUUCC常数B)(CECIUfIUCE=UCC–ICRCUCE/VIC/mA直流负载线Q由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点O2.2.3放大电路的动态图解分析动态：放大电路有信号输入（ui0）时的工作状态。分析方法：微变等效电路法，图解法。所用电路：放大电路的交流通路。动态分析:计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。分析对象：各极电压和电流的交流分量。目的：找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计打基础。交流通路RBRCuiuORL++--RSeS+-ibicBCEii一、动态分析图解法cLceiRu是一条斜率为LR1且通过Q点的直线称为交流负载线CLRR所以交流负载线比直流负载更陡当时，交直流负载重合LR动态分析图解法QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQicQ1Q2ibuiuoRL=由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。动态分析图解法电压放大倍数将减小。QuCE/VttiB/AIBtiC/mAICiB/AuBE/VtuBE/VUBEUCEiC/mAuCE/VOOOOOOQicibuiuoRL2.3.2.2非线性失真如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。若Q设置过高，动画晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。Q2uo适当减小基极电流可消除失真。UCEQuCE/VttiC/mAICiC/mAuCE/VOOOQ12.3.2.2非线性失真若Q设置过低，动画晶体管进入截止区工作，造成截止失真。适当增加基极电流可消除失真。uiuotiB/AiB/AuBE/VtuBE/VUBEOOOQQuCE/VtiC/mAuCE/VOOUCE如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。1.放大倍数放大电路的主要技术指标io:UUAu定义+-信号源Au放大电路SESRiIiU+-+_oURoRLoU+_Ri2.输入电阻iiiIUR3.输出电阻oooIUR0USLR2.3.1微变等效电路法微变等效电路：把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。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。线性化的条件：晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。1.晶体管的微变等效电路UBEIB对于小功率三极管：)mA()mV(26)1()(200EbeIβrrbe一般为几百欧到几千欧。CEBBEbeUIUr2.3.2微变等效电路法(1)输入回路QCEbbeUiu输入特性晶体管的输入电阻晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。IBUBEO(2)输出回路CEBCUIIβrce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不计。晶体管的输出电阻输出特性ICUCEQ输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。CEbcUii晶体管的电流放大系数晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic=ib等效代替，即由来确定ic和ib之间的关系。一般在20～200之间，在手册中常用hfe表示。BCCEceIIUrBcceIiuOibicicBCEibib晶体三极管微变等效电路ube+-uce+-ube+-uce+-1.晶体管的微变等效电路rbeBEC晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。2.放大电路的微变等效电路将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。ibiceSrbeibRBRCRLEBCui+-uo+-+-RSii交流通路微变等效电路RBRCuiuORL++--RSeS+-