放大电路大综合.docx

三极管三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信 号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢 了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数6。当三极管的基极上加一个微 小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流6倍的电流，即集电极电流。 集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极 电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。利用其放大作用，三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振 荡器。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点， 也叫建立偏置，否则会放大失真。在三极管的集电极与电源之间接一个电阻，可将电流放大转换成电压放大： 当基极电压UB升高时，IB变大，IC也变大，IC在集电极电阻RC的压降也越大， 所以三极管集电极电压UC会降低，且UB越高，UC就越低， UC二AUB。三极管的工作原理三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C,基极B,发射极E。 分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下 三极管放大电路的基本原理。一、电流放大下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至 发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电 极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个 箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制 （假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化， 会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化 量是基极电流变化量的6倍，即电流变化被放大了 6倍，所以我们把6叫做 三极管的放大倍数（6 般远大于1,例如几十，几百）。如果我们将一个变化 的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化 被放大后，导致了 Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那 么根据电压计算公式U二R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我 们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。二、偏置电路三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几 个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必 须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取）。当基极与发射极 之间的电压小于时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小 于时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电 流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫 做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号 就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。 另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小 了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集 电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减 小的信号和增大的信号都可以被放大了。三、开关作用下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻Rc的限 制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是 不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大 时，三 极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*BIco进入 饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为 一个 开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三 极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大， 以至于三极管饱和时"目当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态， 那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。四、工作状态如果我们在上面这个图中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流 为0时，集电极电流为0,灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电 流除以三极管 的放大倍数6）,三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。 由于控制电流只需要比灯泡电流的6分之一大一点就行了，所以就可以用一个 小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮 度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN 的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来一一变成朝里的了。放大电路的基本概念和放大电路的主要性能指标放大的概念基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。1. 放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大， 输出信号的能量得到了加强。2. 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使 之转换成信号能量，提供给负载。放大电路的结构示意图见图。放大概念示意图放大电路的性能指标(1)放大倍数输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放 大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，它们通常都是按正 弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图所示。放大倍数的定义 电压放大倍数定义为村=V/ V(03.01)电流放大倍数定义为A. = I /1(03.02)功率放大倍数定义为A = P /P V I/V I(03.03)p o i o o i 1(2)输入电阻R输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，R大，放大电路从 信号源吸取的电流则小，反之则大。R的定义见图和式 R = VJI.(03.04)输入电阻的定义(3)输出电阻R o 、.-.输出电阻是表明放大电路带负载的能力，R大，表明放大电路带负载的能 力差，反之则强。R。的定义见图和式。oRo= V/ Io(03.05)图(a)是从输出端加假想电源求R，图(b)是通过放大电路负载特性曲线求R。(a)从输出端求V '(b)从负载特性曲线求O输出电阻的定义根据图(b)，在带Rl时，测得Vo，io，开路时输出为V。根据式()有R =M> /曲=(V， V )/1 = (V， V )R /Voo o o o o o o L o=(V /V ) - 1R(03.06)ooL注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数， 只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。通频带放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数通常都要 下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的土 时，即AA()=A(f)二专机 0.7Ao相应的频率七称为下限频率，称为上限频率，如图所示。.I图通频带的定义基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的组成及各元件的作用(1)共射组态基本放大电路T°外C1 眼图 共射组态交流基本放大电路基本组成如下：三极管T起放大作用。负载电阻R，R将变化的集电极电流转换为电压输出。偏置电路VC，R使三极管工作在线性区。耦合电容CC： C 输入电容5保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。 输出电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。(2)静态和动态静态一 V. = 0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。动态一V. 0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正 确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。设置表态工作点的必要性基本放大电路的工作原理及波形分析放大原理输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程:放大电路的组成原则放大电路的分析方法直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路如图中（a），（b）所示。直流通路，即能通过直流的通路。从C、B、E向外看，有直流负载电阻、R、 c R，。交流通路，即能通过交流的电路通路。如从C、B、E向外看，有等效的交流 负载电阻、由直流负载列出方程式VCE=VCC- ICRc2. 在输出特性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点VCC和VeC/Rc,即可画出直流负载线。3. 在输入回路列方程式V二V-IR4. 在输入特性曲线上，作出输入负臼载线，两线的交点即是Q。5.得到Q点的参数I、I和V。BQ CQ CEQ例：测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。三极管工作状态判断例：用数字电压表测得V=V、V=V、V =8 V,试判断三极管的工作状态。 电路如图所示 BEC电路图(3) 放大电路的动态图解分析交流负载线交流负载线确定方法：1. 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为1/R。2. R=RR，是交流负载电阻。L3. 交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。4. 交流负载线与直流负载线相交，通过Q点。放大电路的动态工作状态的图解分析(4) 交流工作状态的图解分析通过图所示动态图解分析，可得出如下结论：1. v v i i v |-v |iBEBCCEo2. v与v才目位才目反；3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数；4. 可以确定最大不失真输出幅度。（5）最大不失真输出幅度波形的失真饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性 失真。截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性 失真。（动画3-2）示波器图形（a）截止失真（b）饱和失真放大器的截止失真和饱和失真（动画3-3）放大电路的最大不失真输出幅度放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；2. 要有合适的交流负载线。共射组态基本放大电路微变等效电路分析法（1）共射组态基本放大电路共发射极交流基本放大电路如图所示。R和R系偏置电阻。Cb1是耦合电容，将输入信号v耦合到三极管的基极。R1是集电极负载电阻。耳是发射极电阻，C是R的旁路电容。ee eC是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻R上。R2、R、R和R处于直流通路中，如图（b）。R、相并联，处于输出回路 b1 b2 c eC L的交流通路之中。路（动画3-6）共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路（2）直流计算图电路的直流通路如图(a)所示，用戴维宁定理进行变换后如图(b)所示。 此静态计算如下：=(V ,V )/ R ' +(1+ )RV：C、CVCC Rb：/ (Rb+Rb2)eR '= R R 牛 IB1b2V VCC-|CRcV = V -I R -I R =V -I (R+R)CC C c e(a)直流通路基本放大电路的直流通路(b)用戴维定理进行变换CE CC C c E e(3)交流计算根据图(b)的微变等效电路，有I = V / r b i be七=匕 + (1 +8 )26 mV I Ic =8，bV = Ic R = -8 Ib R R = R R 电压放大倍数AL c LvA 二 V / V 二一BR / r v o iLbe输入电阻R iR. = V /1.二r UBE改变。UBE的温度系数约为-2 mV/°C，即温度每 升高1°C, UBE约下降2mV。2.6改变。温度每升高1°C,B值约增加 1 %，温度系数分散性较大。 改变。温度每升高10°C, I大致将增加一倍，说明I将随温度按指数规律上 升。CBQCBQ结论：温度升高将导致Ig增大，Q上移。波形容易失真。典型的静态工作点稳 定电路稳定q点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使Ibq在温度变化时与Icq产生 相反的变化。稳定静态工作点的措施复习：1.如何用图解法求静态工作点用解析式求基极电流，作直线UcEQ=Vcc - IcqRc与BJT输出特性曲线的交点。管共射放大电路Q点设置太低，输出电压将会如何如何调节3. 直流通路、交流通路如何绘制的h参数等效模型如何基射极等效电阻如何计算5. 共射放大电路静态、动态分析包括哪些参数6. 为什么要稳定静态工作点如何稳定晶体管单管放大电路的三种基本接法基本共集放大电路共集组态基本放大电路如图所示，其直流工作状态和动态分析如下。(a)共集组态放大电路(b) CC放大电路直流通路共集组态放大电路及其直流通路(1)直流分析将共集组态基本放大电路的直流通路画于图(b)之中，于是有I =( V 'V )/ R ' +(1+ )RB CCBEbeC= Ibv = vir= vir基本共基放大电路共基组态放大电路如图所示，其直流通路如图所示。CE CC E e CC C e共基放大电路的直流通路共基组态放大电路(1) 直流分析与共射组态相同。(2) 交流分析共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图所示。CB组态微变等效电路电压放大倍数A =V / V =6R' / rv o iLbe输入电阻R = V /1 = r /(1+6)R 2 r /(1+3)i i ibeebe输出电阻R2Ro例题演示晶体管基本放大电路的派生电路复合管放大电路共射-共基放大电路共集-共基放大电路场效应三极管放大电路的分析方法1共源组态基本放大电路2共漏组态基本放大电路3共栅组态基本放大电路4三种组态基本放大电路的比较共源组态基本放大电路对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组 态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制 电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图所示。比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的 类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的 问题了。(1)直流分析可写出下列方程将共源基本放大电路的直流通道画出，如图所示。V=V R /(R +R )G DD g2 g1 g2V = V-V= V-I RGSQ G S G DQI = I1-(V/V )2DQ DSSGSQ GS(off)V = V -I (R +R)DSQ DD DQ d于是可以解出V、I和V。GSQ DQ DSQ(2)交流分析画出电路的微变等效电路，如图与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。VCCS的电 流源还并联了 一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中， 因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型 三极管放大电路情况一样。电压放大倍数 V =-g 1/ (r /R /R )o m gs ds d L, g / (r / R / R )VgsR，l = rd / RJI Rl输入电阻A = m gs ds . d LvR =匕=R / Ri i glg2输出电阻为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成下图的形式将负载电阻R开路，并想象在输出端加一个电源就,将输入，于是L电压信号源短路，但保留内阻。然后计算R = V /1 = r HRo o o ds d交流参数归纳如下电压放大倍数.: V ,A 广黄="g m RLi输入电阻R = R 伊(R /R?) 尸i = g o R- R=R( R / r oi gi 祟= . . . 一一 一=Vo = V /Rr/ z 7/(1/g )人:;mj !gs虹:二饵 ds d m>oR/ r /(!/g、E R R / r ds/(1 / g n) z TR/( R / r )g：dsm+,V=jbViRbo o内=0 zds，m 1 + g mRV' gz rv1牛g於 .；'；.；, ；,；.；'；.m L _ = R 111.M1Tmdr1 s hJ- r k-1kJg:：<mCE： RCC R ； + R /RCC： R / be b sICB： RCB：屁/恨/(1+例CS： A = -g R'v m L ICS： Fds Rd ,CD：人=g m RLI、n v 'h gmRLL)二 CG：Av =+ g m RLCG： R¥(l/gm)1时11_LLCE1丁以nr类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位Ua=1/2Ucc，可以通过调节rwi来实现，又由于rwi的一端接在A点，因此在电路中引入脚.直流电 压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号时，经T1放大.倒相后同时作用于的基极,U的负半周 使T管导通（T管截止），有电流通过负载R同时向电容C充电，在U的正半周，T23L,0i3导通（七截止），则已充好的电容器C0起着电源的作用，通过负载rl放电，这样在rl 上就得到完整的正弦波.C2和R构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范 围.OTL电路的主要性能指标1. 最大不失真输出功率Pom理想情况下，P=U 2/8R,在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，来求得 om CC L实际的 pom=Uo2/Rl。2. 效率二Po/Pe 100%七一直流电源供给的平均功率理想情况下，功率M =%,在实验中，可测量电源供给的 平均电流Id，从而求 得pe=ucc Idc，负载上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以计算实际效率 了。3. 频率响应4. 输入灵敏度输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号之值。