三極管基本放大電路的分析

1、第第7章章 基本放大電路基本放大電路 放大電路的功能是利用三極管的電流控制作用， 或場效應(yīng)管電壓控制作用，把微弱的電信號(hào)（簡稱信 號(hào)，指變化的電壓、電流、功率）不失真地放大到所 需的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)將直流電源的能量部分地轉(zhuǎn)化為按輸 入信號(hào)規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號(hào)。放大電路 的實(shí)質(zhì)，是一種用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的 能量轉(zhuǎn)換裝置。 放大電路組成的原則是必須有直流電源，而且電 源的設(shè)置應(yīng)保證三極管或場效應(yīng)管工作在線性放大狀 態(tài)；元件的安排要保證信號(hào)的傳輸，即保證信號(hào)能夠 從放大電路的輸入端輸入，經(jīng)過放大電路放大后從輸 出端輸出；元件參數(shù)的選擇要保證信號(hào)能不失真地放 大，并滿足放大電路的性能指

2、標(biāo)要求。 本章將依據(jù)上述原則，介紹幾種常用的基本放大 電路的組成，討論它們的工作原理、性能指標(biāo)和基本 分析方法。掌握這些基本放大電路，是學(xué)習(xí)和應(yīng)用復(fù) 雜電子電路的基礎(chǔ)。 1. 1. 電路的組成電路的組成 7.1共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路 電路組成及各元作用電路組成及各元作用 圖7.1 共發(fā)射極基本放大電路 2. 各元件作用 (1) 三極管V：實(shí)現(xiàn)電流放大。 (2) 集電極直流電源UCC :確保 三極管工作在放大狀態(tài)。 (3) 集電極負(fù)載電阻RC :將三極管集電極電流的變 化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓詫?shí)現(xiàn)電壓放大。 (4) 基極偏置電阻RB :為放大電路提供靜態(tài)工作點(diǎn)。 (5) 耦合電容C1和C2

3、 :隔直流通交流。 3.工作原理 (1) ui直接加在三極管V的基極和發(fā)射極之間，引起 基極電流iB作相應(yīng)的變化 。 (2) 通過V的電流放大作用， V的集電極電流iC也將變化 。 (3) iC的變化引起V的集電 極和發(fā)射極之間的電壓uCE變化。 (4) uCE中的交流分量uce經(jīng)過C2暢通地傳送給負(fù)載 RL，成為輸出交流電壓uo,，實(shí)現(xiàn)了電壓放大作用。 靜態(tài)分析就是要找出一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn),通常 由放大電路的直流通路來確定。如圖7.2所示。 圖7.2 共發(fā)射極放大電路的直流通路和靜態(tài)工作點(diǎn) 靜態(tài)分析靜態(tài)分析 靜態(tài)分析通常有兩種方法 1. 估算法 (7. 1a) (7.1b) ICIB (7

4、. 2) UCE = UCC - IC RC (7.3) B BECC B R UU I B CC B R U I 2. 圖解法 (1) 作直流負(fù)載線 由 uCE = UCC - iC RC 令iC=0時(shí)，uCE= UCC，在橫軸上得M點(diǎn)(UCC ，0) 令uCE=0時(shí)， ，在縱軸上得N點(diǎn)(0， ) 連接M N 即直流負(fù)載線 C CC R U C CC R U (2) 求靜態(tài)工作點(diǎn) 直流負(fù)載線與iB=IB對(duì)應(yīng)的那條輸出特性曲線的交 點(diǎn)Q，即為靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖7.3(b)所示 (a) (b) 圖7.3 靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解 例7.1 試用估算法和圖解法求圖7.4 (a) 所示放大 電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，

5、已知該電路中的三極管=37.5，直 流通路如圖7.4(b)所示，輸出特性曲線如圖7. 4 (c) 所示。 圖7. 4 例7. 1的圖 解： 10 用估算法求靜態(tài)工作點(diǎn) 由式(7. 1)(7. 3)得 IB0.04mA=40A ICIB=37.50.04mA=1.5mA UCE=UCC - ICRC=12-1.54=6V 20 用圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn) 由 uCE = UCC - iCRC = 12 - 4iC得 M點(diǎn)(12，0)； N點(diǎn)(0，3) MN與iB=IB=40A的那條輸出特性曲線相交點(diǎn)，即 是靜態(tài)工作點(diǎn)Q。從曲線上可查出：I B =40A， IC=1.5mA，UCE=6V。與估算法所得結(jié)

6、果一致。 3.電路參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響 (1) RB 增大時(shí)，IB減小，Q點(diǎn)降低，三極管趨向于 截止。 (2) RB 減小時(shí)，IB 增大，Q點(diǎn)抬高，三極管趨向 于飽和。此時(shí)三極管均會(huì)失去放大作用。 1. 圖解法 (1) 負(fù)載開路時(shí)輸入和輸出電壓、電流波形的分 析 根據(jù)ui波形，在輸入特性曲線上求iB和uBE的波形 根據(jù)iB波形，在輸出特性曲線和直流負(fù)載線上求 iC、 uRC和uCE的變化 ，如圖7.5所示。 動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析 圖7.5(a) (2) 帶負(fù)載時(shí)輸入和輸出電壓、電流波形分析 作交流負(fù)載線： 10 先作出直流負(fù)載線MN，確定Q點(diǎn)。 20 在uCE坐標(biāo)軸上，以UCE為起點(diǎn)向正方向取一

7、段IC R/L 的電壓值，得到C點(diǎn)。 30 過CQ作直線CD，即為交流負(fù)載線，如圖7. 5所 示。 (3) 放大電路的非線性失真 截止失真: 三極管進(jìn)人截止區(qū)而引起的失真 。通 過減小基極偏置電阻RB的阻值來消除。 圖7.5(b) 飽和失真： 三極管進(jìn)入飽和區(qū)而引起的失真。通過增 大基極偏置電阻RB的阻值來 消除。 失真波形如圖7.6所示。 圖 7. 6 截止失真 飽和失真： 三極管進(jìn)入飽和區(qū)而引起的失真。通 過增大基極偏置電阻RB的阻值來 消除。 失真波形如圖7.7所示。 圖 7. 7 飽和失真 為了減小和避免非線性失真，必須合理地選擇靜 態(tài)工作點(diǎn)Q的位置，并適當(dāng)限制輸入信號(hào)ui 的幅度。一

8、 般情況下，Q點(diǎn)應(yīng)大致選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)，當(dāng)輸入 信號(hào)ui 的幅度較小時(shí)，為了減小管子的功耗，Q點(diǎn)可適 當(dāng)選低些。若出現(xiàn)了截止失真，通常采用提高靜態(tài)工 作點(diǎn)的辦法來消除，即通過減小基極偏置電阻RB的阻 值來實(shí)現(xiàn)；若出現(xiàn)了飽和失真，則反向操作，即增大 RB。 2. 微變等效電路法 (1) 三極管微變等效電路 圖7.11 三極管的微變等效電路 rbe=300+(1+) )( )( )(26 mAI mV E (2) 放大電路微變等效電路 放大電路的微變等效電路就是用三極管的微變等 效電路替代交流通路中的三極管。交流通路指：放大 電路中耦合電容和直流電源作短路處理后所得的電路。 因此畫交流通路的原

9、則是：將直流電源UCC短接；將輸 入耦合電容C1和輸出耦合電容C2短接。圖7. 1的交流通 路和微變等效電路如圖7.12所示。 (b) 交流通路 (c)微變等效電路 圖 7.12 共發(fā)射極基本放大電路 (3) 動(dòng)態(tài)性能分析 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)Au 輸入電阻輸入電阻Ri 輸入電阻指從放大電路輸入端AA/ (如圖7.13)看進(jìn)去 的等效電阻，定義為： Ri= 由圖7. 12可知 = rbeRB be L beb Lb i o u r R rI RI U U A i i i I U R i i I U 若考慮信號(hào)源內(nèi)阻(如圖7. 13)，則放大電路輸入電 壓Ui是信號(hào)源Us在輸入電阻Ri 上的

10、分壓，即 輸出電阻輸出電阻Ro 輸出電阻指從放大器放大器信號(hào)源短路、負(fù)載開 路，從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，定義為： Ro= Si i Si RR R UU o o I U 圖 7. 13 放大電路的輸入電阻和輸出電阻 由圖7.12可知 Ro= = RC 工程中，可用實(shí)驗(yàn)的方法求取輸出電阻。在放大 電路輸入端加一正弦電壓信號(hào)，測出負(fù)載開路時(shí)的輸 出電壓U/o；然后再測出接入負(fù)載RL時(shí)的輸出電壓Uo， 則有 式中： U/o 、Uo是用晶體管毫伏表測出的交流有效值。 L Lo o o R RR U U / L o o o R U U R) 1( o o I U 例7.3 圖7.4(a)所示電路的交流

11、通路和微變等效電路 如圖7.14所示，試用微變等效電路法求： 10 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 、Ri、Ro。 20 斷開負(fù)載RL后，再計(jì)算 、Ri、Ro。 圖7.14例7. 3的圖 u A u A 解：10 由例7. 1可知 IE1.5mA 故 = 967 Ri = RB / rbe=300 / 0.9670.964k Ro=RC=4k mA mV I mV r E be 5 . 1 26 ) 5 .371 (300 26 )1 (300 78 967. 0 )4/4(5 .37 / be L u r R A 20 斷開RL后 Ri = RB / rbe = 300 / 0.9670.964k Ro= R

12、C = 4k 156 967. 0 45 .37 be C u r R A 當(dāng)溫度變化、更換三極管、電路元件老化、電源 電壓波動(dòng)時(shí)，都可能導(dǎo)致前述共發(fā)射極放大電路靜態(tài) 工作點(diǎn)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響放大電路的正常工作。在這 些因素中，又以溫度變化的影響最大。因此，必須采 取措施穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。常用的辦法有兩 種，一是引入負(fù)反饋；另一是引入溫度補(bǔ)償。 穩(wěn)定工作點(diǎn)的電路穩(wěn)定工作點(diǎn)的電路 1. 射極偏置電路射極偏置電路 (a)電路圖 (b)微變等效電路 圖 7.15 射極偏置電路 (1) 各元件作用 基極偏置電阻RB1、RB2：RB1、RB2為三極管提 供一個(gè)大小合適的基極直流電流IB，調(diào)節(jié)RP的

13、阻值， 可控制IB的大小。R的作用是防止RP阻值調(diào)到零時(shí)，燒 壞三極管。一般RB1的阻值為幾十千歐至幾百千歐； RB2的阻值為幾十千歐。 發(fā)射極電阻RE：引入直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作 點(diǎn)。一般阻值為幾千歐。 發(fā)射極旁路電容CE：對(duì)交流而言，CE短接RE , 確保放大電路動(dòng)態(tài)性能不受影響。一般CE 也選擇電解 電容，容量為幾十微法。 (2) 穩(wěn)定工作點(diǎn)原理 利用RB1和RB2的分壓作用固定基極UB。 利用發(fā)射極電阻RE產(chǎn)生反映Ic變化的UE，再引 回到輸入回路去控制UBE，實(shí)現(xiàn)IC基本不變。 穩(wěn)定的過程是： T Ic IE UE UBE IBIC (3) 靜態(tài)分析 該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)一般用估算法來

14、確定，具體 步驟如下： 由：UB UCC，求UB。 由：IE ，求IC、IE。 由IC=IB，求IB。 由UCE = UCC - ICRC - IERE UCC - IC(RC+RE) 求UCE 。 21 2 BB B RR R E B R U (4) 動(dòng)態(tài)分析 該電路動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)一般用微變等效電路來確定， 具體步驟為： 畫出微變等效電路，如圖7.15(c)； 求電壓放大倍數(shù) 、輸入電阻Ri 、輸出電阻Ro 。 比較圖7.15(c)和圖7.12(c)可知：射極偏置放大電路 的動(dòng)態(tài)性能與共發(fā)射極基本放大電路的動(dòng)態(tài)性能一樣。 圖 7.15(c) 射極偏置電路的微變等效電路 例7.4在圖7.16所示

15、的電路中，三極管的=50， 試求： 10 靜態(tài)工作點(diǎn)。 20 電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。 30 不接CE 時(shí)的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電 阻。 40 若換用=100的三極管，重新計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和 電壓放大倍數(shù)。 圖 7.16 例7. 4的電路 解：10 求靜工作點(diǎn) UB=3.5V IC1.4mA IB0.028mA=28A UCE12-1.4(3+2)=5V 12 2 . 615 2 . 6 21 2 CC BB B U RR R 2 7 . 05 . 3 E BEB E R UU I 50 4.1 C I )( ECCCC RRIU 20 求Au、Ri、Ro rbe =300+(

16、1+) =300+(1+50) =1.25 k R /L=RCRL= 0.75 k 故: Au= = -50 = -30 Ri = rbe /RB1/RB2=1.25/6.5/6.2=0.97 k Ro RC = 3 k )( )(26 mAI mV E4 . 1 26 13 13 be L r R 25. 1 75. 0 30 計(jì)算不接CE 時(shí)的Au、R/i 、R/o 當(dāng)射極偏置電路中CE不接或斷開時(shí)的交流通路如圖 7.17(a)所示，圖7.17(b)為對(duì)應(yīng)的微變等效電路。 圖 7.17 不接CE 時(shí)的電路 由圖7. 17(b)可得： 故： A/u = ri = rbe+(1+)RE R /

17、i = ri / RB1 / RB2 = RB1RB2 LbLCLCoo RIRIRRIU)/( EbbebEebebi RIrIRIrIU)1( Ebe L Ebbeb Lb i o Rr R RIrI RI U U )1 ()1 ( b Ebbeb b i I RIrI I U )1 ( )1( Ebe Rr 輸出電阻可由圖7.18求出，由圖可知，所以 圖 7. 18 不接CE時(shí)求輸出電阻的等效電路 0 b I Co R I U R / 將有關(guān)數(shù)據(jù)分別代入上式得 A/u = - 0.36 R /i =103.25 k R /o =3 k 由此可見，電壓放大倍數(shù)下降了很多，但輸入電阻 得到了提高。 40 當(dāng)改用=100的三極管后，其靜態(tài)工作點(diǎn)為 IE = 1.4mA IC=1.4mA IB = 14A UCE = UCC - IC (RC+RE) = 12 - 1.4(3+2) = 5V 可見，在射極偏置電路中，雖然更換了不同的管 子，但靜態(tài)工作點(diǎn)基本上不變。 2 7 . 05 . 3 E BEB