放大電路分析基礎

1、返回第二章 放大電路分析基礎實際中常常需要把一些微弱信號，放大到便于測量和利用的程度。例如，從收音機天線接收到的無線電信號或者從傳感器得到的信號，有時只有微伏或毫伏的數(shù)量級，必須經(jīng)過放大才能驅動揚聲器或者進行觀察、記錄和控制。所謂放大，表面上是將信號的幅度由小增大，但是，放大的實質是能量的轉換，即由一個較小的輸入信號控制直流電源，使之轉換成交流能量輸出，驅動負載。§1放大電路工作原理一、放大電路的組成原理以共發(fā)射極放大電路為例放大電路的組成的原則是：為保證三極管工作在放大區(qū)，發(fā)射結必須正向偏置；集電結必須反向運用。電路中應保證輸入信號能加至三極管的發(fā)射結，以控制三極管的電流。同時，也

2、要保證放大了的信號從電路中輸出。耦合電容(隔直電容)的作用：使交流信號順利通過，而無直流聯(lián)系。耦合電容容量較大，一般采用電解電容器，而電解電容分正負極，接反就會損壞。上圖是NPN型三極管組成的放大電路，若用PNP型，則電源和電解電容極性反接就可以了。實際中，為了方便，采用單電源，如下左圖。習慣畫法如下右圖。二、直流通路和交流通路當輸入信號為零時，電路只有直流電流；當考慮信號的放大時，我們應考慮電路的交流通路。所以在分析、計算具體放大電路前，應分清放大電路的交、直流通路。由于放大電路中存在著電抗元件，所以直流通路和交流通路不相同。直流通路：電容視為開路，電感視為短路交流通路：電容和電感作為電抗元

3、件處理，一般電容按短路處理，電感按開路處理。直流電源因為其兩端的電壓固定不變，內(nèi)阻視為零，故在畫交流通路時也按短路處理。要求同學能畫出一個放大電路的直流通路和交流通路。下面我們畫出基本共發(fā)射極電路的交、直流通路。同樣，放大電路的分析也包含兩部分直流分析：又稱為靜態(tài)分析，用于求出電路的直流工作狀態(tài)，即基極直流電流IB；集電極直流電流IC；集電極與發(fā)射極間的直流電壓UCE。交流分析：又稱為動態(tài)分析，用來求出電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。§2 放大電路的直流工作狀態(tài)放大電路核心器件是具有放大能力的三極管，而三極管要保證在放大區(qū)，其e結應正向偏置，c結應反向偏置，即要求對三極管設置正常的

4、直流工作狀態(tài)，如何計算出一個放大電路的直流工作狀態(tài)，是本節(jié)討論的主要問題。直流工作點，又稱靜態(tài)工作點，簡稱Q點（Quiescent kwaI5esEnt adj.靜止的）。它可通過公式求出，也可以通過作圖的方法求出。一、解析法確定靜態(tài)工作點根據(jù)放大電路的直流通路公示求解的方法，可以估算出該放大電路的靜態(tài)工作點。求靜態(tài)工作點就是求IB IC UCE1. 求IB由于三極管導通時，UBE變化很小，可視為常數(shù)。一般地硅管 UBE0.60.8V 取0.7V鍺管 UBE0.10.3V 取0.2V當UCC、Rb已知，可求出IBQ2. 求IC3. 求UCE二、圖解法確定靜態(tài)工作點三極管電流、電壓關系可用其輸入

5、特性曲線和輸出特性曲線表示。我們可以在特性曲線上，直接用作圖的方法來確定靜態(tài)工作點。圖解法求Q點的步驟：1. 在輸出特性曲線所在坐標中，按直流負載線方程,作出直流負載線。2. 由基極回路求出IBQ3. 找出這一條輸出特性曲線與直流負載線的交點即為Q點。讀出Q點的電流、電壓即為所求。    【例】如下圖電路，已知Rb=280k，Rc=3k，Ucc=12V，三極管的輸出特性曲線也如下圖所示，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。解：首先寫出直流負載方程，并做出直流負載線uCE=UCCiCRciC=0，uCE=UCC=12V，得M點；uCE=0，iC=UCC/Rc=12/

6、3=4mA，得N點；連接MN，即得直流負載線。直流負載線與iB=IBQ=40A這一條特性曲線的交點，即為Q點，從圖上可得ICQ=2mA，UCEQ=6V。三、電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響重要在后面我們將看到靜態(tài)工作點的位置十分重要，而靜態(tài)工作點與電路參數(shù)有關。下面將分析電路參數(shù)Rb、Rc、UCC對靜態(tài)工作點的影響，為調(diào)試電路給出理論指導。1. Rb對Q點的影響RbIBQ工作點沿直流負載線下移RbIBQ工作點沿直流負載線上移2. RC對Q點的影響RC的變化，僅改變直流負載線的N點，即僅改變直流負載線的斜率。RCN點上升直流負載線變陡工作點沿ib=IBQ這一條特性曲線右移RCN點下降直流負載線變平坦工

7、作點沿ib=IBQ這一條特性曲線左移3. UCC對Q點的影響UCC的變化不僅影響IBQ，還影響直流負載線，因此，UCC對Q點的影響較復雜。UCCIBQMN直流負載線平行上移工作點向右上方移動UCCIBQMN直流負載線平行下移工作點向左下方移動實際調(diào)試中，主要通過改變電阻Rb來改變靜態(tài)工作點，而很少通過改變UCC來改變工作點。§3 放大電路的動態(tài)分析我們討論當輸入端加入信號ui時，電路的工作情況。由于加進了輸入信號，輸入電流iB不會靜止不動，而是變化的。這樣三極管的工作狀態(tài)將來回移動，故又將加進輸入交流信號時的狀態(tài)稱為動態(tài)。一、圖解法分析動態(tài)特性通過圖解法，我們將畫出對應輸入波形時的輸

8、出電流和輸出電壓的波形。由于交流信號的加入，此時應按交流通路來考慮。交流負載。在信號的作用下。三極管的工作狀態(tài)的移動不再沿直流負載線，而是按交流負載線移動。因此，分析交流信號前。應先畫出交流負載線。1. 畫交流負載線交流負載線具有如下兩個特點交流負載線必通過Q點，因為當輸入信號ui的瞬時值為零時，如忽略電容C1和C2的影響，則電路狀態(tài)和靜態(tài)相同。交流負載線的斜率由決定。因此，按上述特點，可做出交流負載線，即通過Q點，作一條的直線，就是交流負載線。具體作法如下：首先作一條的輔助線(此線有無數(shù)條)，然后過Q點作一條平行于輔助線的直線即為交流負載線。由于，所以，故一般情況下交流負載線比直流負載線陡。

9、交流負載線的另外一種作法：交流負載線也可以通過求出交流負載線在uCE坐標的截距，再與Q點相連即可得到。設截距點為，則有：推導過程如下：例：如下圖所示電路，做出交流負載線。已知Rb=280k，Re=3k，UCC=12V，RL=3k。解：首先做出直流負載線，求出Q點。做出交流負載線的輔助線取U=6V可得I=4mA，連接這兩點即為交流負載線的輔助線。過Q點做輔助線的平行線，即為交流負載線。也可以用：做出交流負載線。2. 畫輸入輸出的交流波形圖設電路使則：從圖28可讀出相應的數(shù)據(jù)，畫出波形，數(shù)據(jù)如下表所示t0/23/22iB/uA4060402040IC/mA23212UCE/V64.567.56ic

10、、ib、ube三者同相，uce與它們的相位相反。即輸出電壓與輸入電壓相位是相反的，這是共發(fā)射極放大電路的特征之一。二、放大電路的非線性失真作為對放大電路的要求，應使輸出電壓盡可能的大，但它受到三極管非線性的限制，當信號過大或工作點選擇不合適，輸出電壓波形將產(chǎn)生失真。這些失真是由于三極管的非線性(特性曲線的非線性)引起的失真，所以稱為非線性失真。1. 由三極管特性曲線非線性引起的失真非線性失真。輸入特性曲線彎曲引起的失真。輸出曲線簇上疏下密引起的失真。輸出曲線簇上密下疏引起的失真。輸出曲線彎曲也引起失真。2. 工作點不合適引起的失真截止失真和飽和失真。截止失真當工作點設置過低(IB過小)，在輸入

11、信號的負半周，三極管的工作狀態(tài)進入截止區(qū)。因而引起iB、iC、uCE的波形失真，稱為截止失真。對于NPN型共e極放大電路，截止失真時，輸出電壓uCE的波形出現(xiàn)頂部失真。對于PNP型共e極放大電路，截止失真時，輸出電壓uCE的波形出現(xiàn)底部失真。飽和失真當工作點設置過高(IB過大)，在輸入信號的正半周，三極管的工作狀態(tài)進入飽和區(qū)。因而引起iC、uCE的波形失真，稱為飽和失真。對于NPN型共e極放大電路，飽和失真時，輸出電壓uCE的波形出現(xiàn)底部失真。對于PNP型共e極放大電路，飽和失真時，輸出電壓uCE的波形出現(xiàn)頂部失真。3最大不失真輸出電壓幅值Umax(或最大峰峰Up-p)由于存在截止失真和飽和失

12、真，放大電路存在最大不失真輸出電壓幅值Umax(或最大峰峰Up-p) 最大不失真輸出電壓是指：當直流工作狀態(tài)已定的前提下，逐漸增大輸入信號，三極管尚未進入截止或飽和時，輸出所能獲得的最大不失真電壓。如ui增大首先進入飽和區(qū)，則最大不失真輸出電壓受飽和區(qū)限制，則如ui增大首先進入截止區(qū)，則最大不失真輸出電壓受截止區(qū)限制，則最大不失真輸出電壓值，選取其中小的一個。 三、微變等效電路微變等電路法的基本思想是：當輸入信號變化的范圍很小時，可以認為三極管電壓、電流變化量之間的關系基本上是線性的。即在一個很小的范圍內(nèi)，輸入特性輸出特性均可近似地看作是一段直線。因此，就可以給三極管建立一

13、個小信號的線性模型。這就是微變等效電路。利用微變等效電路，可以將含有非線性元件(三極管)的放大電路，轉化為我們熟悉的線性電路，然后，就可利用電路分析的有關方法求解。1. 三極管的h參數(shù)微變等效電路三極管處于共發(fā)射極狀態(tài)時，輸入回路和輸出回路各變量之間的關系由以下形式表示。輸入特性： 輸出特性： 式中代表各電量的總瞬時值，為直流分量和交流瞬時值之和，即：，用全微分形式表示，則有仔細弄清楚 令 則：前已指出，而代表其變化量，故，同理有當輸入為正弦量并用有效值表示時，則有根據(jù)上兩式可以畫出共e極時的三極管的微變等效電路。2. h參數(shù)的意義和求法(hybrid)仔細查閱hybrid 5haibridn

14、.雜種, 混血兒, 混合物adj.混合的, 雜種的三極管輸出交流短路時輸入電阻。三極管輸入交流開路時電壓反饋系數(shù)三極管輸出交流短路時的電流放大系數(shù)三極管輸入開路時的輸出導納由于的影響，一般這個影響很小，可忽略不計。、式可簡化為令，并用有效值代替各變化量，可得三極管的簡化等效電路。   求 四、三種基本組態(tài)放大電路的分析微變等效電路，主要用于放大電路動態(tài)特性分析，三極管有三種接法，故放大電路也有三種基本組態(tài)，各種實際放大電路都是這三種基本放大電路的變型及組合。1. 放大電路的性能指標放大電路的性能指標有許多種，我們只介紹幾個反映放大器性能的基本性能指標。電

15、壓放大倍數(shù)Au電壓放大倍數(shù)，是衡量放大電路的電壓放大能力的指標。它定義為輸出電壓的幅值或有效值與輸入電壓幅值或有效值之比，有時也稱為增益。有時亦定義源電壓放大倍數(shù)Aus，它表示輸出電壓與信號源電壓幅值或有效值之比。顯然，當信號源內(nèi)阻Rs=0時，Aus=Au，Aus就是考慮了信號源內(nèi)阻Rs影響時的電壓放大倍數(shù)。電流放大倍數(shù)Ai電流放大倍數(shù)定義為輸出電流與輸出電流幅值或有效值之比。功率放大倍數(shù)Ap功率放大倍數(shù)定義為輸出功率與輸入功率之比輸入電阻ri放大電路由信號源提供輸入信號，當放大電路與信號源相連，就要從信號源索取電流。索電流的大小表明了放大電路對信號源的影響程度。所以定義輸入電阻來衡量放大電路

16、對信號源的影響。當信號頻率不高時，電抗效應不考慮。則有對多級放大電路，本級的輸入電阻又構成前級的負載，表明了本級對前級的影響。對輸入電阻的要求視具體情況而不同。進行電壓放大時，希望輸入電阻要高，進行電流放大時，又希望輸入電阻要低；有的時候又要求阻抗匹配，希望輸入電阻為某一特殊的數(shù)值。輸出電阻ro輸出電阻是從輸出端看進去的放大電路的等效電阻，稱為輸出電阻ro。由微變等效電路求輸出電阻的方法，一般是將輸入信號源Us短路（電流源開路），注意應保留信號源內(nèi)阻。然后在輸出端外接電源U2，并計算出該電壓源供給的電流I2，則輸出電阻由下式算出。輸出電阻高低表明了放大器所能帶動負載的能力。Ro越小，表明帶負載

17、能力越強。實驗測ro方法：    2. 共e極放大電路根據(jù)共發(fā)射極放大電路畫出微變等效電路，畫微變等效電路時，把C1、C2和直流電源Ucc視為短路。三極管用微變等效電路代替。電壓放大倍數(shù)式中從輸入回路得電流放大倍數(shù)輸入電阻當時，輸出電阻由于當Uo=0時，Ib=0，從而受控源Ib=0，因此可直接得出ro=Rc注意：因ro常用來考慮帶負載RL的能力，所以求ro時不應含RL，應將其斷開。源電壓放大倍數(shù) 3. 共c極放大電路電路如下圖所示，信號從基極輸入，射極輸出，故又稱為射極輸出器，等效電路如下圖所示。注意共集電極的理解，不能當共發(fā)射極。電壓放大倍數(shù)

18、式中通常，所以Au<1且Au1。即共集電極放大電路的電壓放大倍數(shù)小于1而接近于1，且輸入電壓的輸出電壓同相位，故又稱為射極跟隨器。電流放大倍數(shù)Ai輸入電阻ri共c極放大電路輸入電阻高，這是共c極電路的特點之一。輸出電阻ro按輸出電阻的計算辦法，信號源Us短路，在輸出端加入U2，求出電流I2，則有：其等效電路如圖。可得式中ro是一個很小的值。輸出電阻小，這是共c極電路的又一特點。4. 共b極放大電路 共b極電路是從發(fā)射極輸入信號，從集電極輸出信號。電路和等效電路如下：注意共基極的理解，是交流信號共基極。電壓放大倍數(shù)Au定義： 式子與共發(fā)射極相同，但輸出與輸入同相。輸入電阻ri 與共e極放大

19、電路相比，其輸入電阻減小輸出電阻ro當Us=0時，Ib=0，Ib=0，故 ro=Rc電流放大倍數(shù)AiIo=Ic Ii=-Ie §4 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路一、溫度對晶體管的影響ICBOICEO輸出特性曲線上移。UBEIB輸出特性曲線間距增大可見，IC二、電流反饋式偏置電路我們知道，工作點的變化集中在集電極電流Ic的變化。因此，工作點穩(wěn)定的具體表現(xiàn)就是Ic的穩(wěn)定。為了克服Ic的漂移，可將集電極電流或電壓變化量的一部分反過來饋送到輸入回路，影響基極電流Ib的大小，以補償IC的變化，這就是反饋法穩(wěn)定工作點。反饋法中常用的電路有電流反饋式偏置電路、電壓反饋式偏置電路和混合反饋

20、式偏置電路三種，其中最常用的是電流反饋式偏置電路，電路如上圖原理：ICUEUBEIBIC電路上要滿足要保持基極電位UB恒定，使它與IB無關UCC=(IR+IB)RB2+IRRB1IR>>IB說明UB與晶體管無關，不隨溫度而改變。由于IE=UE/Re，所以要穩(wěn)定工作點，應使UE恒定，不受UBE的影響，因此要求滿足條件UB>>UBE具備上述條件，就可以認為工作點與三極管參數(shù)無關，達到穩(wěn)定工作點的目的。同時，當選用不同值的三極管時，工作點也近似不變，有利于調(diào)試和生產(chǎn)。穩(wěn)定工作點的過程可表示如下：IEIEReUBEIE實際公式中應滿足如下關系IR(510)IB (硅管可以更小)

21、UB(510)UBE對于硅管，UB=35V；鍺管，UB=13V。三、靜態(tài)工作點的計算1近似算法2應用戴維寧定理可以更精確地計算基極回路等效為直流工作點的計算四、動態(tài)分析首先畫出微變等效電路圖，和原來的電路相比只是多了一個電阻，只對輸入電阻有影響。其它不變。電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻五、舉例例1：如圖 UCC=24V，Rb1=20k，Rb2=60k，Re=1.8k，Rc=3.3k，=50， UBE=0.7V，求其靜態(tài)工作點解： 例2：如圖(a)、(b)為兩個放大電路。已知三極管的參數(shù)均為=50，=200，UBEQ=0.7V，電路的其它參數(shù)如圖所示。分別求出兩個放大電路的電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出

22、電阻。如果三極管的值均增大一倍，分析兩個電路的Q點各將發(fā)生什么變化。三極管的值均增加一倍，兩個放大電路的電壓放大倍數(shù)如何變化。解：求Au，ri和ro圖(a)是共發(fā)射極基本放大電路，圖(b)是具有電流負反饋的工作點穩(wěn)定電路。它們的微變等效電路分別如下圖所示。為求出動態(tài)特性參數(shù)，首先得求出它們的靜態(tài)工作點。放大電路(a)的靜態(tài)工作點：放大電路(b)的靜態(tài)工作點：放大電路(a)的動態(tài)特性參數(shù)：放大電路(b)的動態(tài)特性參數(shù)：變?yōu)?00時，兩個電路的工作點將發(fā)生什么變化。(a) IBQ不變(b)其它都沒有變變?yōu)?00時，兩個放大電路的電壓放大倍數(shù)如何變化(a) (b)  §5 多級放

23、大電路一、多級放大電路的組成多級放大電路方框圖如下所示。對輸入級的要求，與信號源的性質有關，例如，當輸入信號源為高阻電壓源時，則要求輸入級也必須有高的輸入電阻(例如用共集電極放大電路)，以減少信號在內(nèi)阻上的損失。如果輸入信號為電流源，為了充分利用信號電流，則要求輸入級有較低的輸入電阻(例如用共基極放大電路)。中間級的主要任務是電壓放大，多級放大電路的放大倍數(shù)，主要取決于中間級，它本身就可能由幾級放大電路組成。輸出級主要是推動負載。當負載僅需較大的電壓時，則要求輸出具有大的電壓動態(tài)范圍。更多場合下，輸出級推動揚聲器、電機等執(zhí)行部件，需要輸出足夠大的功率，常稱為功率放大電路。二、多級放大電路的耦合

24、方式1阻容耦合通過電阻、電容將前級輸出接至下級輸入。從圖上看實際上只接入了一個電容，但考慮到輸入電阻，則每個電容都與電阻相連，故稱這種連接為阻容耦合。阻容耦合的優(yōu)點：由于前后級是通過電容相連的，所以各級的靜態(tài)工作點是相互獨立的，不互相影響，這給放大電路的分析、設計和調(diào)試帶來了很大的方便。而且只要電容選的足夠大，就可以使得前級輸出的信號在一定的頻率范圍內(nèi)，幾乎不衰減地傳到下一級。所以阻容耦合方式在分立元件組成的放大電路中得到廣泛的應用。阻容耦合的缺點：不適用傳送緩慢變化的信號。更不能傳送直流信號；另外，大容量的電容在集成電路中難以制造，所以，阻容耦合在線性集成電路中無法采用。2直接耦合為了避免電

25、容對緩慢信號帶來的不良影響，去掉耦合電容，將前級輸出直接連到下一級，我們稱之為直接耦合。但這又出現(xiàn)了新問題。第二級發(fā)射結正向電壓僅有0.7V左右，所以限制了第一級管子的集電極電壓，使其處于飽和狀態(tài)附近，限制了輸出電壓。如果選擇過大，將會使V2管的基極電流增大，可使V2管進入飽和，甚至燒毀V2管的發(fā)射結。解決辦法：在V2管的發(fā)射極接入電阻Re2，提高了V2管的基極電位UB2，從而保證第一級集電極可以有較高的靜態(tài)電位，而不致于進入飽和區(qū)。但是，Re2的接入，將使第二級的電壓放大倍數(shù)大降低。(加旁路電容因頻率低作用不大，如果頻率較高就采用阻容耦合方式)用穩(wěn)壓管VDz代替電阻Re2，由于穩(wěn)壓管的動態(tài)電

26、阻很小，這樣可使第二級的放大倍數(shù)損失較小，解決了前一電路物缺陷。但V2集電極電壓變化范圍變小，限制了輸出電壓的幅度。如果是多于二級的放大電路，還會帶來電平上移問題。(如果Uz=5.3V，則UB2=5.3+0.7=6V，為保證V2管工作在放大區(qū)，且也要求具有較大的動態(tài)范圍，即要求UCE2較大，設UCE2=5伏，則UC2=UE2=Uz=5+5.3V=10.3V。若有第三級，則UC3=UCE3+UE3=UCE3+UB3-0.7=UCE3+UC2-0.7=5+10.3-0.7=14.6V如此下去，使得基極、集電極電位逐級上升，最終由于UCC的限制而無法實現(xiàn)。)前一級的集電極經(jīng)過穩(wěn)壓管接至下一級基極，這樣既降低了UB2，又和致使放大倍數(shù)下降太多。但穩(wěn)壓管噪聲大。第二級采用PNP管