电工与电子技术基本放大电路.ppt

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1、9 基本放大电路,放大电路是由三极管和一些其它元件，如电阻、电容等组成的，其作用是将微弱的电信号进行放大，以便于人们量测和利用。,放大电路的特点：a.在输入小信号（电压和电流）的控制下，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。b.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，三极管只是起到控制的作用，使直流电源在输入信号控制下转换成信号能量，提供给负载。,9.1基本放大电路的组成,本章主要介绍共射放大电路和共集电极放大电路，分析它们的静态（直流）和动态（交流）性能，然后介绍放大电路负反馈及功率放大电路等,本章所介绍的放大电路是工作在中低频，工作频率为20Hz20KHz，若频率超过

2、这个范围，其分析的等效电路参数会随之改变,9.1.1 放大电路的组成原则,(1)必须有直流电源，而且电源的设置应使三极管工作在放大状态，即发射结正偏，集电结反偏。,(2)元件的安排要保证信号的传输，即信号能从输入端加到三极管上，经放大后又能从输出端输出。,(3)元件的选择要保证信号能不失真地放大，并满足性能指标要求。,9.1.2放大电路的组成和各元件的作用,图9-1-1为基本阻容耦合共射极放大电路，它是由信号源、电阻、三极管、电容等元件组成。,各元件的作用如下,是整个放大电路的核心，起放大作用，能将较小的基极电流放大到较大的集电极电流。为此，必须使三极管工作在放大状态，其发射结正偏，集电结反偏

3、。,(1)三极管T（NPN型）：,(2)直流电源EC：,a.使集电结反偏；b.为信号放大提供能源。,(3)基极电源EB和基极电阻RB(偏置电路）：,使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,(4)集电极电阻RC,是将放大了的集电极电流转化为电压信号输出，使放大电路具有电压放大功能。,(5)耦合电容C1、C2,其作用是隔离直流、传送交流。,耦合电容的容值较大，一般为几微法至几十微法的电解电容，连接时要注意其极性。应将正极连在直流电位高的一端。,即对直流而言，容抗为无穷大，相当于开路，使直流电源不加到信号源和负载上；,对交流信号而言，容抗很小，可视为短路，以保证信号源的信号畅通无阻地经过放大电

4、路，到达输出负载端。,在图9-1-1中，用了两个电源EC、EB。而EB的作用仅是使发射结正偏，为了减少电源的种类，可以通过改接RB，由EC提供发射结正偏用的电压而将EB省去。,其改接电路如图9-1-2所示,在电子电路中，常将输入与输出的公共端视为“地”，设其电位为零，作为其它各点电位的参考点。习惯上不画电源的符号，只在联接其正极的一端标出对地的电压值和极性，图9-1-3为基本阻容耦合共射放大电路的简化画法,输入回路,输出回路,对于图9-1-2的电路，输入和输出的公共端为发射极，故称为共发射极放大电路。,9.1.3 放大电路中电压、电流的表示,在放大电路中，加有直流电源，它会在电路元件中产生直流

5、电压及电流，这些由直流电源引起的电压、电流称为直流量或静态值，分别用大写字母大写下标表示（如IB、IC、UCE）。,相当开路,ui0,同时由于输入端加有信号源，也会在电路中产生交流电压、电流，称其为交流量或动态值，分别用小写字母小写下标表示（如ib、ic、uce），有效值用大写字母小写下标表示（如Ib、Ic、Uce）。,Ucc0,相当于短路,由于放大电路既有直流电源又有交流信号源，故分析放大电路时既要分析直流电源引起的直流量，又要分析信号源产生的交流量，分别称其为静态分析和动态分析。,当放大电路工作时，整个电路电压、电流是直流与交流的组合，称为瞬时值，用小写字母大写下标表示（如iB、iC、uC

6、E）。,9.2 放大电路的静态分析,对放大电路进行静态分析和动态分析，就是要分别计算由直流电源和信号源在电路中产生的电压、电流。由于直流电源和信号源所作用的路径不同，需要用不同的电路来分析。直流量所经的路径叫直流通路，交流信号所经的路径叫交流通路。,9.2.1 直流通路和交流通路,信号源不作用，即ui0,只有直流电源单独作用时信号所流经的路径。此时耦合电容C1、C2相当于开路（隔直），图9-1-3放大电路的直流通路如图9-2-1所示,1.直流通路,信号源（es、RS）单独作用，直流电源不作用（将其与地短接UCC0）。C1、C2看作短路，可得图9-1-3的交流通路,如图9-2-2所示。,2.交流

7、通路,例9.2.1 画出图9-2-3所示电路的直流通路和交流通路。,解：直流通路如图9-2-4所示,交流通路如图9-2-5所示,9.2.2 近似估算法计算静态值,对于图9-1-3所示阻容耦合共射放大电路，由其直流通路（图9-2-1)可得,静态基极电流IB为,静态集电极电流IC为,静态集射极电压UCE为,IB称为偏置电流，简称偏流，提供偏置电流的电路称为偏置电路。,这三个值称为放大电路的静态值，由它们确定的工作点称为放大电路的静态工作点,对于图9-1-3的放大电路，当Ucc和RB一定时，偏置电流IB则固定，所以上述放大电路称为固定偏置放大电路。只要调节RB，就可以改变IB，从而改变电路的状态。,

8、解：若IC1.5mA，则,例9.2.2 电路如图9-2-6所示，若三极管为锗管，=70，若将IC调到1.5mA，则RB应为多少？若将UCE调到3.3V，RB应为多大？若不小心将RB调到零，会出现什么情况？应采取怎样的预防措施？,而,故,若将UCE调到3.3V，则,那么,故,若不小心将RB调到零，则由于基极电流过大使管子烧坏。为了避免这种情况，一般RB是由一固定电阻和可调电位器串联构成。,例9.2.3 由PNP管构成的放大电路如图9-2-7所示，试画出其直流通路和交流通路，并写出求静态值的式子。,解：直流通路如图9-2-8所示,交流通路如图9-2-9所示,为负值,由直流通路可得静态值为,9.2.

9、3 用图解法确定静态值,可用图解法分析三极管放大电路的静态和动态。若三极管的输出特性已知时，可用图解法来确定静态值，而且能比较直观地了解静态值的变化对放大电路的影响。,步骤：,已知放大电路、电路参数及三极管的输出特性曲线:,如图9-1-3的固定偏置放大电路，其三极管特性曲线如图9-2-10所示,在三极管的输出特性曲线上画出直流负载线,由图9-1-3所示放大电路的直流通路(图9-2-1)可得,可得,上式表示了三极管的静态集电极电流IC和集射极电压UCE的关系，为直线方程，斜率为tg1/RC，又称为直流负载线。,故可在三极管的输出特性上画出直流负载线,当静态时，ui=0，iC=IC、iB=IB、u

10、CE=UCE。因而三极管的输出特性也表示了静态集电极电流和集射极电压的关系,令,如图9-2-11所示的直线AB即为直流负载线。,求静态基极电流IB,由放大电路的直流通路可得,直流负载线AB与对应iBIB的那条输出特性曲线的交点Q，称为静态工作点。该点所对应的值（IC，UCE，IB）即为所求的静态值。如图9-2-12所示,确定静态工作点，求静态值,如若RB300K，Ucc12V，RC3K,则IB40A，又作图得IC2mA，UCE6V,若将RB增加到600K，则IB20A，可得IC1mA，UCE9V,如图9-2-12中的Q。,由图9-2-12可知，当IB不同，交点Q的位置也不同，静态值也不同。当要

11、改变静态值时，改变IB即调RB就可以。显然，RB增大，IB减小，工作点下移，IC减小，UCE增大。,9.3 放大电路的动态分析,9.3.1 输入和输出电压波形的分析,动态分析是在有输入电压ui加到放大电路之后，分析电路的工作情况。分析方法有两种：图解法和微变等效电路法。首先介绍图解法，即用作图的方法画出输入和输出电压的波形，然后分析电路的工作情况，并得出某些结论。图解法的步骤如下,1.由输入电压ui求得基极电流iB,对于图9-3-1所示的固定偏置共射放大电路，设静态工作点已设定好,对于图9-3-1共射电路，设输入电压为ui=Uimsint，若C1、C2已充电到UBE和UCE，则,一般静态工作点

12、Q设在直流负载线的中间，如图9-2-12所示。,由图9-2-2的交流通路可知,ui=ube；uo=uce,若三极管的输入特性如图9-3-2所示,而uBEUBEui，其波形如图9-3-3所示。,则由uBE得到iB，如下图所示,若ui的幅度足够小，则三极管工作在线性区Q1Q2段，可得iB为,iBIB ib,而交流的基极电流ib也是按正弦规律变化的，即,ibIbmsint,2.画交流负载线,由图9-2-2的交流通路可得,令,则,而iciCIC，代入上式得,a.当iC=IC时，uCE=UCE，说明此直线通过Q点,b.此直线的斜率为1/RL,c.当iC0时，uCEUCE+ICRL，为横轴截距点D,则可在

13、三极管的输出特性曲线上画出交流负载线，如图9-3-4所示,直流负载线,交流负载线,3.由iB求得iC、uCE:如图9-3-5所示,由上图可得,iCIC ic,uCEUCE uce UCEUcem(sint-1800),uouce=Ucemsin(t-1800),结论：,1.在适当的静态工作点和输入信号足够小的情况下（即保证三极管工作在特性曲线的线性区），三极管各极的电压和电流都是由两个分量线性迭加而成的脉动量，其中一个是直流电源引起的直流分量(静态值)，另一个是随输入信号而变化的交流分量(动态值)，如图9-3-6所示。,2.对于共射电路，当ui是正弦量时，电路中各交流量（ib、ic、uce）均

14、为同频率的正弦量，ui 与ib、ic同相，ui与uce（uo）反相，即输出电压uo与输入电压ui相位相反，即倒相。,3.输出电压uo在幅度上比输入电压ui大得多，说明微弱的输入信号被电路线性放大了。另外，只有输出信号的交流分量，才反映输入信号的变化。我们说的放大作用，仅是输出的交流分量与输入信号的关系，而不包含直流分量,其放大电路的电压放大倍数（增益）由图9-3-5可得,9.3.2 放大电路的非线性失真,当放大电路的输出波形与输入波形不相似时，就出现了失真。产生失真的原因有多种，其中最基本的原因之一是静态工作点设置不合适和输入信号幅度过大，使放大电路的工作范围超出了三极管的线性区而进入非线性区

15、。这种由于三极管的非线性造成的失真称为非线性失真。非线性失真又分为截止失真和饱和失真两种。,1.截止失真,当静态工作点取得过低，而输入电压的幅度又相对比较大时，则在ui的负半周部分时间内进入非线性区甚至截止区，如图9-3-6所示。,此时uo的正半周出现平顶，这种由于三极管进入截止区而引起的失真称为截止失真，且ib、ic和uo都失真。,2.饱和失真,当静态工作点取得过高，而输入电压的幅度又相对比较大时，则在ui的正半周部分时间内，三极管进入饱和区工作，如图9-3-7所示,此时uo的负半周出现平顶，这种由于三极管进入饱和区而引起的失真称为饱和失真，且ib 不失真，ic和uo失真。,故为了避免非线性

16、失真，必须合理地设置静态工作点，且输入信号幅度不宜过大。一般静态工作点应选在交流负载线的中点，当输入信号较大时，为降低功耗，可适当将Q点选低些。,故输出电压最大不失真的幅值为,3.输出信号的不失真范围,由图9-3-4可知,为使输出不产生截止失真，应满足,Ucem1ICRL,为使输出不产生饱和失真，应满足,Ucem2UCEUCESUCE,9.3.3 用微变等效电路法分析动态工作情况,当放大电路工作在三极管的线性区时，可用一个线性化的模型来等效一个非线性三极管。等效的条件是放大电路的静态工作点设置在特性曲线的线性区，且输入信号幅度足够小，我们称这个等效电路为微变等效电路。,9.3.3.1.三极管的

17、微变等效电路,对于图9-3-8所示的三极管电路，当输入信号很小时，在静态工作点的附近可以近似认为是直线,a.从输入端看:是ib和ube的关系，根据三极管的输入特性曲线(图9-3-2所示）,在Q点附近，可以将曲线看作直线，则ube与ib之间的关系可以用欧姆定律表示,其中rbe称为三极管的输入电阻，小信号情况下可以看作为一个常数,rbe可用下式近似估算,其中IE是发射极电流的静态值。显然，IE不同，放大电路的静态工作点也不同，其三极管的等效输入电阻rbe也不同。,注意：rbe是动态电阻，只能用来计算交流量，而静态参数IB、IC、UBE和UCE，只能用来计算直流量，不能用于交流量的计算，两者不能混淆

18、，UBErbeIB,由此，三极管的发射结可用电阻rbe代替，如图9-3-9所示,根据三极管的输出特性曲线可知，当将三极管的静态工作点设在线性区（如Q点)，且信号小范围变化，则三极管工作在线性段（放大区）。,b.从输出端看：是ic和uce的关系,在该区域其特性曲线是间隔均匀的水平直线，即ic的变化基本与uce无关，主要受ib的控制，并有,这说明，三极管的输出回路可用一个受控电流源来表示，该受控源在大小和方向上都受ib的控制。当ib=0时，ic=0；当ib改变方向，ic也随之改变方向。,则三极管的集射极可等效成图9-3-10的电路,故非线性元件三极管就可以用图9-3-10所示的线性微变等效电路来代

19、替了。,9.3.3.2.放大电路的微变等效电路,将放大电路交流通路中的三极管用上述三极管微变等效电路代替，就得到放大电路的微变等效电路。当输入为正弦量时，电路中的其它电压、电流均为同频率的正弦量，故可用正弦量的相量来表示。,1.画出已知放大电路的交流通路；2.将三极管用微变等效电路代替，则可得整个放大电路的微变等效电路,画放大电路微变等效电路的步骤,图9-1-3固定偏置共射放大电路的微变等效电路如图9-3-10所示,9.3.3.3 放大电路的动态计算,放大电路的动态计算是指计算放大电路对输入信号的放大能力（用电压放大倍数描述）、对信号源的影响（用输入电阻描述）、带负载能力(用输出电阻描述)。,

20、1.电压放大倍数,定义为输出电压与输入电压的相量之比，即,对于图9-1-3固定偏置共射放大电路,由微变等效电路可得输入电压为,其中,则电压放大倍数为,输出电压为,由电压放大倍数公式,可知,(1)输入电阻ri,定义：对于信号源来讲，放大电路相当于负载，此负载可用一电阻等效，此电阻就是放大电路的输入电阻。如图9-3-11,则输入电阻为,2.输入电阻ri与输出电阻ro,由微变等效电路得,故放大电路的输入电阻为,a.虽然有rirbe，但它们的概念不同，rbe为三极管的输入电阻，而ri为放大电路的输入电阻，不可混淆。,b.对于固定偏置放大电路，其输入电阻较低。,注意：,c.输入电阻ri对放大电路的影响,

21、由图9-3-12可以看出,故ri越大，信号源供给的电流 Ii 越小，信号源的负担小。,由于,故ri越大，信号源端电压 Ui 衰减越小，同样要放大的信号，在输出端得到的电压就越大。,故ri越大，前级的放大倍数就越高。,对于多级放大电路，后一级放大电路对前一级来讲相当负载，那么后级放大电路的输入电阻ri对前级放大倍数就有影响。,这是由于,定义：对负载或后级放大电路而言，放大电路相当于一个信号源(由电动势和内阻构成)，信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。如图9-3-12所示的ro,(2)输出电阻ro,则根据定义得,输出电阻的求法:利用“加压求流法”，即除去信号源（保留内阻）及负载电阻（负载端开路），

22、在负载两端加一个电压，则会产生一个电流，此电压与电流之比即为放大电路的输出电阻。,将图9-3-12的信号源及负载去掉，即令,再在负载开路两端加一电压，则会产生一电流,如对于固定偏置放大电路，由其微变等效电路（图9-3-10)得,RC一般为几千欧的电阻，因此，共射放大电路的输出电阻较高。,3.信号源的电压放大倍数,如果考虑信号源电阻的影响，则信号源的电压放大倍数为,由图9-3-12得,故 ri 越大，其信号源的电压放大倍数越高。,解：求静态工作点,例9-3-1 计算图9-3-13所示的固定偏置放大电路的静态工作点、电压放大倍数 及、输入电阻 ri 及输出电阻 ro,图9-3-14为放大电路的直流

23、通路,则放大电路的静态值为,求输入电阻：画出微变等效电路，如图9-3-15所示,由微变等效电路可得放大电路的等效电阻为,求电压放大倍数,求输出电阻,9.4 静态工作点的稳定,一个合适的静态工作点，是放大电路正常工作的前提与保证。而放大电路的电压放大倍数、输入电阻等性能参数，均与静态工作点的位置有关。,另外能否保证静态工作点的稳定，是能否保证放大电路稳定工作的关键，特别是温度。温度变化时，静态工作点会移动，这样会影响放大电路的工作。,1温度对反向饱和电流ICBO的影响,ICBO 是集电区和基区的少子在集电结反向电压的作用下，形成的漂移电流，如图8-5-4所示，,9.4.1温度对静态工作点的影响,

24、由于是少子形成的运动，故对温度十分敏感,温度每升高10，ICBO约增加一倍。集射极穿透电流ICEO上升更显著，因为ICEO（1+）ICBO,由于当IB0时，IC ICEO，,2.温度对电流放大倍数的影响,由于温度的升高，加快了从发射极注入到基区的载流子运动速度，使基区中电子空穴复合的机会减少，被集电区收集的载流子增加。,所以三极管输出特性对应的这一曲线上移，使得整个输出特性往上平移，如图9-4-1所示。静态工作点Q也上移,在同样IB的情况下，IC增加，使得 增大，其表现是输出特性曲线的间隔变大。,3.温度对发射结电压UBE的影响,当温度升高时，载流子运动加剧，导致发射结的死区电压下降，整个输入

25、特性左移。如图9-4-2所示。,故对于同样大小的IB，UBE将减少。温度每升高1，UBE将减少2.5mV。或者说，对于固定偏置放大电路，加同样的外加电压时，IB将会增大。即,9.4.2 分压偏置式电路,9.4.2.1 稳定静态工作点的原理,电路如图9-4-3（a）所示，其直流通路如图9-4-3（b）所示,由直流通路得,旁路电容,若选择电路参数，使得,则有,若电路参数Ucc、RB1、RB2一定，它们不随温度而变化，故基极电位UB也是固定的。由于UB是由RB1、RB2分压Ucc而得，故称分压偏置式，此时,若选择UBUBE，则,IC不受温度的影响,故只要满足I2IB，UBUBE，则可认为UB和IC（

26、IE）基本与温度无关,分压偏置式电路稳定静态工作点的过程如下,由此可以看出这种电路能稳定静态工作点是由于输出电流的变化通过发射极电阻RE上的压降UE的变化反映出来，并引回到输入电路与UB比较，使UBE发生变化来牵制IB、IC的变化。显然，RE越大，其上的压降越大，对变化的抑制能力越强，电路稳定性越好。但RE太大将会减少输出电压的变化范围，故要适当取值。,注意：,a.I2IB，但I2不能取得太大，否则RB1和RB2就会太小，这样会减小放大器的输入电阻，并增加电路的直流功耗，一般取,（因为锗管的ICBO较大）,b.UBUBE，但UB的选取也不能太大，否则UE也大，Q点上移，放大器的动态范围就会减小

27、。一般取,9.4.2.2 分压偏置式放大电路的动态分析,图9-4-3(a)的分压偏置式放大电路的交流通路如图9-4-4所示。(CE相当短路）,其微变等效电路如图9-4-5所示，则其交流参数为,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,注：旁路电容CE的作用,a.若分压偏置式放大电路无旁路电容，如图9-4-6所示，则由于对于直流来讲电容相当断路，故有无电容直流通路都一样，因此对静态工作点无影响。,但对于交流来讲，其交流通路如图9-4-7所示。,其微变等效电路如图9-4-8所示。,由于发射极电阻RE的接入，分母中增加了（1+）RE一项，使放大倍数下降了许多。特别当（1+）RE rbe时，只有几倍到十几倍。

28、旁路电容的作用是去除RE对放大倍数的影响。,则电压放大倍数,b.对输入电阻来讲，由微变等效电路得,可见由于增加了（1+）RE一项，其输入电阻ri增大了,对于输出电阻ro，RE存在与否对其无影响，仍等于,为了使放大倍数下降不多，又为了增加输入电阻，一般在发射极串入一个小电阻，其电路如图9-4-9所示,例9-4-1计算图9-4-10电路的静态值IB、IC和UCE，电压放大倍数，输入电阻，输出电阻。已知三极管为3DG6，50，C1、C2、CE足够大，其它参数见图。,解:放大电路的直流通路如图9-4-11所示,则放大电路的静态值为,放大电路的交流通路及微变等效电路如图9-4-12所示,三极管的输入电阻为,电压放大倍数为,输出电阻为,输入电阻为,解：静态工作点,例9-4-2 电路如图9-4-13所示，BJT的UBE0.7V，100,求静态工作点；画出小信号模型等效电路；计算、ri、ro 及,基极电流为,集射极电压为,画出小信号模型等效电路：如图9-4-14所示,动态参数的计算：,