放大電路及其分析方法

1、放大電路及其分析方法2.1 放大電路的基本概念 三極管具有電流放大作用，如何使用三極管構(gòu)成一個電路，實現(xiàn)對輸入信號的放大？本節(jié)就來討論這一問題。 基本放大電路是放大電路中最基本的結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成復(fù)雜放大電路的基本單元。它利用雙極型半導(dǎo)體三極管輸入電流控制輸出電流的特性，或場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管輸入電壓控制輸出電流的特性，實現(xiàn)信號的放大。本章基本放大電路的知識是進一步學(xué)習(xí)電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。本書中雙極型半導(dǎo)體三極管簡稱三極管，場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管簡稱場效應(yīng)管。2.1.1 放大的概念 基本放大電路一般是指由一個三極管或場效應(yīng)管組成的放大電路。從電路的角度來看，可以將基本放大電路看成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。放大的作用

2、體現(xiàn)在如下方面： 1放大電路主要利用三極管或場效應(yīng)管的控制作用放大微弱信號，輸出信號在電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強。2輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負載。放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-1-1。圖2-1-1 放大電路結(jié)構(gòu)示意圖 2.1.2 基本放大電路的組成及工作原理一、 共射組態(tài)基本放大電路的組成共射組態(tài)基本放大電路如圖2-1-2所示。在該電路中，輸入信號加在加在基極和發(fā)射極之間，耦合電容器C1和Ce視為對交流信號短路。輸出信號從集電極對地取出，經(jīng)耦合電容器C2隔除直流量，僅將交流信號加到負載電阻RL之上。放大電

3、路的共射組態(tài)實際上是指放大電路中的三極管是共射組態(tài)。圖2-1-2 共射組態(tài)交流基本放大電路二、 放大原理 在輸入信號為零時，直流電源通過各偏置電阻為三極管提供直流的基極電流和直流集電極電流，并在三極管的三個極間形成一定的直流電壓。由于耦合電容的隔直流作用，直流電壓無法到達放大電路的輸入端和輸出端。當輸入交流信號通過耦合電容C1和Ce加在三極管的發(fā)射結(jié)上時，發(fā)射結(jié)上的電壓變成交、直流的疊加。放大電路中信號的情況比較復(fù)雜，各信號的符號規(guī)定如下：uBE代表發(fā)射結(jié)上的交直流總電壓，變量為斜體小寫，下標為正體大寫；ube代表交流量，變量為斜體小寫，下標為正體小寫；UBE代表直流量，相當平均值，將交流量的

4、正半周填平負半周，見圖3-1-3。所以 uBE=UBE+ube由于的改變，使基極電流發(fā)生改變，從而使集電極電流變化： iB=IB+ib ， iC=IC+ic集電極電流變化，通過在Rc上電壓降的變化造成三極管c、e間管壓降的變化： uCE=VCC-iCRc (a) uBE波形圖 (b) ube波形圖 (c) UBE波形圖圖3-1-3 三極管中的三種波形及其表示符號 由于三極管的電流放大作用，ic要比ib大幾十倍，一般來說，只要電路參數(shù)設(shè)置合適，輸出電壓可以比輸入電壓高許多倍。uCE中的交流量有一部分經(jīng)過耦合電容到達負載電阻，形成輸出電壓。完成電路的放大作用。 由此可見，放大電路中三極管集電極的直

5、流信號不隨輸入信號而改變，而交流信號隨輸入信號發(fā)生變化。在放大過程中，集電極交流信號是疊加在直流信號上的，經(jīng)過耦合電容，從輸出端提取的只是交流信號。因此，在分析放大電路時，可以采用將交、直流信號分開的辦法，可以分成直流通路和交流通路來分析。 放大電路的組成原則：1保證放大電路的核心器件三極管工作在放大狀態(tài)，即有合適的偏置。也就是說發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。2輸入回路的設(shè)置應(yīng)當使輸入信號耦合到三極管的輸入電極，形成變化的基極電流，從而產(chǎn)生三極管的電流控制關(guān)系，變成集電極電流的變化。3輸出回路的設(shè)置應(yīng)該保證將三極管放大以后的電流信號轉(zhuǎn)變成負載需要的電量形式（輸出電壓或輸出電流）?；痉糯箅娐返撵o態(tài)分

6、析 放大電路的工作狀態(tài)分為交流和直流狀態(tài)，分別稱為“動態(tài)”和“靜態(tài)”。分析電路的步驟是先靜態(tài)、后動態(tài)。分析方法常用的有計算法、圖解法和微變等效電路法。 由于三極管的特性曲線是非線性的，不能用數(shù)學(xué)表達式來描述，只能用特性曲線來表示。在分析放大電路時可采用圖解的方法，在放大電路的輸入回路，三極管的一方，可以用三極管的輸入特性曲線表示；外電路的一方，可以用基極回路直流通路方程式來描述。在放大電路的輸出回路，可以用三極管的輸出特性曲線和輸出側(cè)直流通路的方程式來描述。曲線是非線性的，方程式是線性的，在坐標平面上，二者交點的坐標值就是解。由于純粹的圖解方法比較麻煩，所以工程上往往采用計算法對放大電路的靜態(tài)

7、進行求解，或用計算和圖解混合的方法進行求解。 2.2.1 放大電路靜態(tài)的基本概念放大電路的靜態(tài)是指交流輸入信號為零時的狀態(tài)，電路中只包含直流量，因此可以用放大電路的直流通路來分析。一、 靜態(tài)和動態(tài)分析放大電路時必須建立正確的靜態(tài)和動態(tài)的概念。靜態(tài)輸入信號等于0時，即 時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。 動態(tài)輸入信號不等于0時，即 時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提，沒有正確的靜態(tài)就不可能有正確的動態(tài)。在進行放大電路動態(tài)分析之前，必須先進行靜態(tài)分析，靜止工作狀態(tài)正確了，動態(tài)的分析才有意義。二、 直

8、流通路和交流通路分析放大電路還必須要正確地區(qū)分直流通路和交流通路。直流通路，從C、B、E向外看，即能通過直流的通路。直流通路有直流負載電阻 Rc 、Rb1、Rb2和Re。交流通路，如從C、B、E向外看，即能通過交流的電路通路。有等效的交流負載電阻 Rc /RL、R b1和R b2。直流電源和耦合電容對交流相當于短路。因為按疊加原理，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、C2 足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零，在交流通路中，可將大容量的耦合電容短路。（圖中的耦合電容是電解電容，容量比較大，電容符號旁邊的“+”號，代表該電容器極板的直流電位應(yīng)高于另一極板）。&nbs, p;(a) 電

9、路圖 (b) 直流通路 (c )交流通路圖2-2-1 基本放大電路的直流通路和交流通路 2.2.2 靜態(tài)工作狀態(tài)的分析一、 靜態(tài)工作狀態(tài)的計算分析法靜態(tài)分析是在輸入信號等于零的情況下進行的，因此和放大電路的直流通路打交道。靜態(tài)參數(shù)的計算方法：在輸入回路有 (a) 直流通路 (b) 用戴文寧定理變換 (c) 變換后的直流通路圖3-2-2 直流通路的變換 (3-2-1) (3-2-2)式（3-2-2）中VCC和Rb是根據(jù)戴文寧定理變換得到的開路電壓和等效內(nèi)阻 (3-2-3) (3-2-4)在輸出回路有 (3-2-5) (3-2-6) 式（3-2-1）是三極管的輸入特性曲線方程，式（3-2-2）是輸

10、入回路的直線方程式，由這兩個關(guān)系式即可求出IB和UBE。由于輸入特性曲線不易獲得，其次輸入特性曲線的X坐標一般只有一伏多（因PN結(jié)的正向壓降小），而VCC一般會有幾伏。所以，在輸入特性曲線上畫式（3-2-2）的直線不太方便，所以實際上往往不采用純粹的圖解法，而采用式（3-2-2）直接進行計算。要想通過式（3-2-2）計算IB，就必須知道變量UBE的數(shù)值，由于三極管工作時，UBE的數(shù)值變化不大，對于硅管約0.60.8V，對于鍺管約0.3V左右。所以，可以把UBE視為常數(shù)，于是基極電流IB就十分容易計算出來了。這種近似，在解決工程問題時，簡化了計算，只要在允許的誤差范圍內(nèi)就可以使用，實際上這種簡化

11、誤差不大。知道了IB，就可以通過IC=IB計算出IC，于是可通過式(3-2-6)計算出管壓降UCE。同時也可以在輸出特性曲線上解得三極管的IC和UCE。 二、 靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析法在輸出特性曲線上圖解的過程見圖2-2-2。直流負載線由兩個點即可確定，在此用的是兩個特殊點，分別在兩個坐標軸上，即（0，VCC/Rc+Re）和（VCC，0）。在輸出特性曲線上決定的直線，稱為直流負載線。直流負載線與IC的交點，稱為靜態(tài)工作點，用Q表示?；蚺c以IBQ為參變量的那條曲線相交的點，即為Q點。Q點對應(yīng)的坐標，專門用加有下標Q的坐標符號來表示，即IBQ、ICQ和UCEQ。如果說求靜態(tài)工作點，也就是求這三個參

12、數(shù)。當然在輸入特性曲線上對應(yīng)有IBQ和UBEQ。如果在不會產(chǎn)生誤解的情況下，為簡單起見，下標Q也可不加。圖2-2-2 放大電路靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析 靜態(tài)圖解分析中，重要的是直流負載線的確定方法：1由集電極輸出回路，列直流負載方程式UCE=VCCIC(Rc+Re)； 2在輸出特性曲線X軸及Y軸上確定兩個特殊點VCC和VCC/ (Rc+Re)即可畫出直流負載線； 3在輸入回路列方程式(3-2-2)，解出IB，即IBQ，于是可計算出ICQ； 4在輸出特性曲線上，根據(jù)ICQ與直流負載線相交，得到Q點，于是可得到Q點在X軸上的數(shù)值UCEQ，或者說Q點對應(yīng)IBQ、ICQ和UCEQ工作點的三個參數(shù)。一般在

13、放大電路中，均是小信號工作，不會進入飽和區(qū)和截止區(qū)，只要靜態(tài)工作點合適，不必考慮失真問題。但在大信號運用時，或工作點設(shè)置不正確，會產(chǎn)生失真，為了具體研究三極管工作的動態(tài)范圍或失真的情況，才需要在輸出特性曲線上進行作圖。三、 分壓偏置(射極偏置)的優(yōu)點如圖2-2-3放大電路偏置電路的形式稱為分壓偏置，它有穩(wěn)定工作點的特點，分壓偏置穩(wěn)定工作點的原理如下因為三極管是一種對溫度非常敏感的半導(dǎo)體器件，溫度變化將導(dǎo)致集電極電流的明顯改變。溫度升高，集電極電流增大；溫度降低，集電極電流減小。這將造成靜態(tài)工作點的移動，有可能使輸出信號產(chǎn)生失真。在實際電路中，要求流過Rb1和Rb2串聯(lián)支路的電流遠大于基極電流I

14、B。這樣溫度變化引起的IB的變化，對基極電位就沒有多大的影響了，就可以用Rb1和Rb2的分壓來確定基極電位。采用分壓偏置以后，基極電位提高，為了保證發(fā)射結(jié)壓降正常，就要串入發(fā)射極電阻Re。圖2-2-3 分壓偏置放大電路Re的串入有穩(wěn)定工作點的作用。如果集電極電流隨溫度升高而增大，則發(fā)射極對地電位升高，因基極電位基本不變，故UBE減小。從輸入特性曲線可知，UBE的減小基極電流將隨之下降，根據(jù)三極管的電流控制原理，集電極電流將下降，反之亦然。這就在一定程度上穩(wěn)定了工作點。分壓偏置基本放大電路具有穩(wěn)定工作點的作用，在第4章我們還會從反饋的角度來說明這個電路具有工作點穩(wěn)定的特性。當流過Rb1和Rb2串

15、聯(lián)支路的電流遠大于基極電流IB（一般大于十倍以上）時，可以用下列方法計算工作點的參數(shù)值 ， ， 2.3.1 放大電路的動態(tài)圖解分析 放大電路加入輸入信號的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)時，電路中的電流和電壓將在靜態(tài)直流量的基礎(chǔ)上疊加交流量?？梢圆捎媒?、直流分開的分析方法，即人為地把直流和交流分量分開后單獨分析，然后再把它們疊加起來。分析交流分量時，利用放大電路的交流通路。一、 交流負載線 在靜態(tài)分析時，確定電路的直流負載線是重要的，在進行動態(tài)分析時，就需要確定放大電路的交流負載線：交流負載是放大電路輸出回路交流通路的等效負載電阻值，象直流負載線一樣，將交流負載畫在輸出特性曲線上，即為交流負載線。圖2-

16、3-1(a)放大電路的交流通路見圖2-3-1(b)。由圖(b)可以看清楚，該放大電路的集電極輸出回路的交流負載電阻是RLRc，因為直流電源對交流相當于短路。(a) 分壓偏置共射組態(tài)基本放大電路 (b) 交流通路圖2-3-1 共射組態(tài)基本放大電路及其交流通路具體作圖如圖2-3-2所示。通過靜態(tài)工作點Q做一條直線，斜率為 ，這條直線即為交流負載線。由于交流負載電阻小于直流負載電阻，所以，在輸出特性曲線上，交流負載線比直流負載線陡?？梢宰饕粭l斜率為 輔助線，然后通過Q點作交流負載線與輔助線平行。圖2-3-2 放大電路的動態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析從物理概念對交流負載線的解釋：靜態(tài)時，無信號變化，集電極電位

17、是直流量，不能通過耦合電容。所以，耦合電容C2上承受集電極靜態(tài)時的電壓值。當輸入信號增加時，基極電流增加，集電極電流增加，Rc上的電壓降增加，所以集電極電位比靜態(tài)時下降，C2向集電極放電，集電極電流增加；當輸入信號減小時，基極電流減小，集電極電流減小，集電極電位比靜態(tài)時增加，向C2充電，流過Rc的電流被分流一部分，集電極電流減小。所以，交流負載線比直流負載線更加陡一些。顯然交流負載線是在輸入信號作用下，工作點的運動軌跡。當輸入信號越來越小，工作點運動的范圍就越來越小，交流負載線向靜態(tài)工作點收縮。當輸入信號等于零時，變?yōu)殪o態(tài)，交流負載線收縮到Q點。所以，交流負載線和直流負載線相交于靜態(tài)工作點Q。

18、關(guān)于交流負載線歸納如下：1. 確定基本放大電路集電極輸出回路的交流負載電阻，本例是。2. 通過輸出特性曲線上的Q點做一直線，其斜率為 ，這條線即是交流負載線。3. 交流負載線與直流負載線相交，且通過Q點。4. 交流負載線是有交流輸入信號時，工作點Q的運動軌跡。二、 交流工作狀態(tài)的圖解分析放大電路交流工作狀態(tài)圖解分析過程 對于圖3-3-1的電路，在輸出特性曲線上作出交流負載線，如圖3-3-3所示。再根據(jù)式(3-2-2)計算出基極電流，在輸入特性曲線上畫出工作點。將輸入信號在輸入特性曲線上畫出，見圖3-3-3中的區(qū)，以確定基極電流的變化，見區(qū)。再將基極電流的變化，過渡到輸出特性曲線上，即可確定集電

19、極電流的變化，見區(qū)，由此可確定管壓降的動態(tài)變化情況，見區(qū)。圖3-3-3 放大電路的動態(tài)圖解分析動畫03-5 由圖解分析，可得出如下結(jié)論：2.3.2 非線性失真和最大不失真輸出幅度一、 波形的非線性失真 放大電路輸出信號要求其形狀保持輸入信號的形狀，如果輸出波形的形狀與輸入波形不同，輸出波形產(chǎn)生變形稱為波形失真。產(chǎn)生失真的原因有多種，這里介紹的是由于三極管輸出與輸入關(guān)系的非線性引起的失真，稱為非線性失真。三極管特性曲線的線性區(qū)是有一定范圍的，如果放大電路工作時，由于靜態(tài)工作點接近飽和區(qū)或截止區(qū)，或是工作點正確，但輸入信號太大，使三極管的工作范圍超出了特性曲線的線性區(qū)，交流量在飽和區(qū)或截止區(qū)放大倍

20、數(shù)低或不能放大就會產(chǎn)生非線性失真。非線性失真包括飽和失真和截止失真。 飽和失真由于放大電路的工作點達到了三極管特性曲線的飽和區(qū)而引起的非線性失真。截止失真由于放大電路的工作點達到了三極管特性曲線的截止區(qū)而引起的非線性失真。 圖3-3-4和圖3-3-5給出了NPN三極管構(gòu)成的基本放大電路的失真情況。要注意不能簡單地通過波形是頂部有失真，還是底部有失真來判斷是飽和還是截止失真。因為對于NPN三極管構(gòu)成的基本放大電路，還是PNP三極管構(gòu)成的基本放大電路，由于供電電壓極性的不同，同一種失真可能出現(xiàn)在頂部，或出現(xiàn)在底部。圖3-3-4 放大器的飽和失真 圖3-3-5 放大器的截止失真 圖3-3-6是圖3-

21、3-1(a)由NPN型三極管構(gòu)成的共射組態(tài)基本基本放大電路的輸入、輸出波形圖，通道1是輸入波形（上部），通道2是輸出波形，波形圖右側(cè)的1和2代表通道號，且為零線位置?？梢钥闯黾姌O輸出波形與基極的輸入波形是反相的，同時輸出波形存在失真，圖3-3-4是飽和失真；圖3-3-5是截止失真。 (a) 飽和失真 (b) 截止失真圖3-3-6 非線性失真的示波器波形圖(共射組態(tài)NPN管)二、 放大電路的最大不失真輸出幅度放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：(1) 工作點Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位；(2) 要有合適的交流負載線。最大不失真動態(tài)范圍的圖解示意圖。3.4.1 三極管低頻小信號模

22、型一 模型的建立 為了克服圖解法分析的麻煩和小信號分析時的缺點，可采用微變等效電路法來計算放大電路的一些動態(tài)參數(shù)。微變等效電路法的核心是在小信號條件下，可以認為三極管是工作在線性區(qū)，于是可以把非線性的三極管用一個線性等效電路來代替，放大電路變成一個線性電路。這樣，就可以利用線性電路的各種分析方法來解決放大電路的計算問題。因為在小信號的條件下，容易保證動態(tài)范圍處于三極管的線性區(qū)；即便達到非線性區(qū)，只要信號足夠小，也可以認為是線性的，這就是“微變”的含義。模型的建立過程由以上分析可知，我們建立一個三極管的線性模型的根據(jù)是： 1. 三極管工作在線性區(qū)，可以用一個線性模型來代替。2. 三極管應(yīng)工作在允

23、許的截止頻率以下，這樣可以不考慮結(jié)電容的影響，有利于簡化計算。3. 小信號意味著三極管在線性條件下工作，微變也具有線性同樣的含義。三極管的低頻小信號模型如圖3-4-1(b)所示。這個模型實際上可由三極管的特性曲線演變而來。在輸入端，rbe相當于三極管的輸入電阻，即輸入特性曲線工作點處斜率的倒數(shù)，具體求法見圖3-4-1(a)，即 （3-4-1）輸出側(cè)，三極管的輸出特性曲線很平直，可用一個電流源來等效。bib代表三極管的電流放大作用，是基極電流變化引起的集電極電流的變化量，反映了三極管具有電流控制電流源（CCCS）的特性。b的求法見圖1-5-10。(a) (b) (c)圖3-4-1 雙極型三極管低

24、頻小信號簡化模型的導(dǎo)出二 模型中的參數(shù)rbe除了從輸入特性曲線上用公式求rbe外，還可以從三極管的拓撲結(jié)構(gòu)求rbe的表達式。 三極管的拓撲結(jié)構(gòu)見圖3-4-2。圖中b是基區(qū)中假想的一個點，rbb是基極b到基區(qū)內(nèi)b間的體電阻；rbc是集電結(jié)電阻，因集電結(jié)反偏，其值很大，對于小功率三極管其值在幾百千歐以上，因其遠遠大于外電路的電阻值，故rbc在簡化模型中往往被忽略；re是發(fā)射結(jié)電阻，發(fā)射結(jié)電流越大其值越小，一般約幾十個歐姆。所以從be兩個電極看進去的等效電阻rbe是兩部分電阻之和，一個是rbb ，另一個是re。這兩個電阻中流過的電流不等，如果按基極電流計算，即歸算到基極回路的電阻值，可用下式表示 （3-4-2）對于小功率三極管rbb200300 W。所以三極管的微變小信號線性簡化模型如圖3-4-3所示，圖中略去了集電結(jié)電阻。有時模型中的變量也用復(fù)數(shù)量表示，見圖3-4-3(b)。 圖3-4-2 三極管的拓撲結(jié)構(gòu) 圖3-4-3 三極管的線性簡化模型在不同的書中有關(guān)模型中的符號寫法有所不同，rbe有時也寫作h11，或hie。b有時寫作h21，或hfe。 3.4.2 放大電路的組態(tài)前面曾經(jīng)提到三極管的組態(tài)，共有三種組態(tài)，共發(fā)射極組態(tài)、共集電極組態(tài)和共基極組態(tài)。3.4.3放