第十五章基本放大電路

1、第十五章 基本放大電路半導(dǎo)體三極管具有放大作用，利用這種電流放大作用，可以組成各種類型的放大電路。15.1基本放大電路的組成晶體管 T： 放大電路中的放大元件，整個電路的核心。當es變化時，iB變化，利用其電流放大作用，iC有較大變化，iC受輸入信號的控制。集電極電源EC：不僅為輸出信號提供能量，保證集電結(jié)反向偏置，使晶體管起到放大作用。是放大電路的能源（放大電路把微弱電信號放大成較強的信號，能量的來源不是信號源和三極管本身，而是EC。即輸入信號通過三極管的控制作用去控制電源EC所供給的能量，在輸出端得到一個能量較大的信號。集電極負載電阻RC：將集電極電流的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化，以實現(xiàn)電壓放大

2、?；鶚O電源EB和基極電阻RB：保證發(fā)射結(jié)正向偏置，并提供合適的基極電流IB，使放大電路獲得合適的靜態(tài)工作點。耦合電容C1和C2：隔斷直流，耦合交流的作用。使交流信號能順利地通過放大電路進行放大。同時隔斷直流，使EC產(chǎn)生的直流電流不能流入信號源和負載電阻。負載電阻RL：放大電路輸出端所接負載，經(jīng)過放大的電壓或電流就是供它使用的。原圖需兩個直流電源，使用時不方便，改為基極、集電極共用EC。與以往交流電路相比，有以下特點：1必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點指無信號輸入時，放大電路各處的電壓、電流值IB，IC，UBE，UCE，在輸入輸出特性曲線上對應(yīng)一點，叫靜態(tài)工作點，靜態(tài)工作點的設(shè)置對放大電路有很

3、大影響。如不設(shè)靜態(tài)工作點，使IB=0，則ui正半周，e結(jié)導(dǎo)通，ui負半周，e結(jié)截止，放大電路無輸出，iB=0，iC=0，輸出信號不能再現(xiàn)輸入信號的波形，造成放大電路的失真，所以必須在無信號時，就有一個直流IB，IB與信號電流疊加，使iB>0，?；蛘f，UBE與ui疊加，使uBE>死區(qū)電壓。*在交流放大電路中既有直流分量又有交流分量，是一個交直流共存電路。2三極管放大電路是非線性電路由于三極管是一個非線性元件，所以放大電路實質(zhì)上是一個非線性電路。因此不能直接用交流線性電路的概念來分析交流放大電路。分析方法：靜態(tài)分析：ui=0，確定IB，IC，UBE，UCE動態(tài)分析：ui0，確定Au，r

4、i，ro15.2 放大電路的靜態(tài)分析一、直流通路法C1、C2視作開路 二、圖解法未知時，用圖解法當時，；當時，直流負載線與輸出特性曲線的交點Q稱為靜態(tài)工作點。從圖上可求出Q點所對應(yīng)的IB，IC，UCE。 改變RB可以改變IB，從而改變Q點以滿足對三極管工作狀態(tài)的要求。RB偏置電阻 IB-偏置電流15.3 放大電路的動態(tài)分析一、微變等效電路法所謂微變等效電路，就是把非線性元件晶體管線性化，將放大電路等效成一個線性電路。1晶體管的微變等效電路rbe稱為晶體管的輸入電阻，它表示晶體管的輸入特性。在小信號的情況下， rbe是一常數(shù)，由它確定ube和ib之間的關(guān)系。因此，晶體管的輸入電路可用rbe等效代

5、替。常用下式估算晶體管的輸出特性曲線是一組曲線，在線性區(qū)是近似等距離的平行直線。當UCE=常數(shù)時，IC與I B之比即為晶體管的電流放大系數(shù)。在小信號的條件下，為常數(shù)。因此，晶體管的輸出電路可用一個等效恒流源iC= iB代替，以表示晶體管的電流控制作用。另外，輸出特性曲線不與橫軸完全平行，當IB=常數(shù)時，UCE與I C之比稱為晶體管的輸出電阻?？醋魇芸仉娏髟吹膬?nèi)阻，其阻值很高，可忽略不計。2放大電路的微變等效電路放大電路的交流通路：放大電路的微變等效電路3. 電壓放大倍數(shù)的計算設(shè)輸入的是正弦信號，則電流、電壓都可以用相量表示。 為放大電路的等效交流負載。放大電路的電壓放大倍數(shù)：4放大電路輸入電阻

6、的計算放大電路的輸入端總是與信號源(或前級放大電路)相聯(lián)的，其輸出端總是與負載(或后級放大器)相聯(lián)的。因此，放大電路與信號源及負載之間都是相互影響的。放大電路對于信號源來說，是一個負載，可以用一個電阻等效代替。這個電阻是信號源的負載電阻，也就是放大電路的輸入電阻ri ，即 *希望放大電路的輸入電阻大一些。因為如果 ri 較小，將從信號源取用較大電流；與信號源內(nèi)阻分壓使Ui減小；后級放大電路的輸入電阻為前級的負載電阻，ri 較小，會使前級電壓放大倍數(shù)下降。5. 放大電路輸出電阻的計算放大電路對于負載來說，是一個信號源，其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻ro。將負載電阻去掉，利用計算電源等效內(nèi)阻的方法可

7、知，輸出電阻 ro為：*希望放大電路的輸出電阻小一些。因為放大電路對負載或?qū)蠹壏糯箅娐穪碚f，是一個信號源，輸出電阻相當于信號源的內(nèi)阻，若輸出電阻較大，當負載變化時，輸出電壓的變化較大，也就是放大電路帶負載的能力較差。二、圖解法放大電路加上輸入信號ui后，利用圖解法可出各支路電壓和電流隨ui而變化的波形，從而求出輸出電壓值和電壓放大倍數(shù)。非線性失真15.4 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定為了保證有較好的放大效果，且不引起非線性失真，放大電路應(yīng)有穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。 一、溫度對靜態(tài)工作點的影響靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的主要原因是受溫度的影響常稱之為溫度漂移 溫度變化影響、UBE和ICBO，前二者對硅管影響大，后者對鍺管

8、影響大。上述各參數(shù)的變化都會引起集電極電流IC的變化(參數(shù)增大，IC增加；反之則減小)。為了抑制這種變化，一般采用偏置電路控制的手段因為偏流IB是控制集電極電流IC變化的，也就是：當IC增大時，IB要自動減小以牽制IC增大的效果。這在前面介紹的基本放大電路中是不能實現(xiàn)的，因為其IB是不隨溫度而變的，稱為固定偏置電路。T增大，Q點上移；常用的穩(wěn)定靜態(tài)工作點的偏置電路是-分壓式偏置電路二、分壓偏置放大電路1電路圖中RB1和RB2構(gòu)成偏置電路 為發(fā)射結(jié)提供偏壓2穩(wěn)定Q點的條件和過程由直流通路和KCL得 I1=I2+IB設(shè)I2>>IB 可認為VB與晶體管的參數(shù)無關(guān)，不受T影響，僅為RB1和

9、RB2的分壓電路所固定。在電路中引入發(fā)射極電阻后，可得 設(shè) VB>>UBE 同樣可以認為IC不受溫度影響?？梢?，當滿足條件：I2>>IB 和VB>>UBE，電路的靜態(tài)工作點得以基本穩(wěn)定。一般?。?IB =（5-10）IB VB=（5-10）VBE穩(wěn)定靜態(tài)工作點的物理過程TICVE=IEREUBE = VB- VEIBIC這一物理過程的實質(zhì)是一種負反饋，RE愈大穩(wěn)定性愈好，但太大將使VE增高。為使 RE 不影響交流分量的放大，而引入發(fā)射極旁路電容CE3靜態(tài)分析4動態(tài)分析不加CE 為放大電路的等效交流負載。放大電路的電壓放大倍數(shù) *加上RE使Au下降 *加上RE

10、使ri增大，有利 *加上RE，ro基本不變加上CE ，令RE=0，得 有時把RE分成RE1和RE2兩部分，RE2被CE短路，用RE1代替RE。兼顧Au和ri的需要。15.5 放大電路的頻率特性（略）15.6 射極輸出器（共集電極放大電路，電壓跟隨器）輸入信號加在基極和地之間，輸出信號從發(fā)射極和地之間取出。因為電源UCC對交流信號相當于短路，所以集電極是輸入回路和輸出回路的公共端。一、靜態(tài)分析直流通路如左圖所示 二、動態(tài)分析以上分析可知：電壓放大倍數(shù)接近于1，但恒小于1，即UO略小于Ui。說明：射極輸出器雖無電壓放大作用，但因具有電流放大作用，因此射極輸出器具有電流放大和功率放大作用。輸出電壓與

11、輸入電壓同相，具有電壓跟隨作用。 *式中的可以理解為折算到基極電路的發(fā)射極電阻。*射級輸出器的輸入電阻很高，可達幾十K到幾百K。用外加電壓法求輸出電阻，電路如圖。是信號源（除源，應(yīng)做短路處理）內(nèi)阻RS和RB的并聯(lián)值。*射極輸出器的輸出電阻很低，也說明射極輸出器具有恒壓特性。小結(jié)：1、特點：放大倍數(shù)接近于1；輸入電阻高;輸出電阻低。2、用途：用作多級放大電路的輸入級，以減輕信號源負擔(dān)（利用輸入電阻高的特性）；用作多級放大電路的輸出級，以提高放大電路的帶載能力（利用輸出電阻低的特性）；15.7 多級放大電路及其極間耦合方式一、基本概念放大器的輸入信號都很弱，經(jīng)過一級放大得到的輸出信號仍不能推動負載

12、工作，須經(jīng)過許多多級放大器對信號進行連續(xù)放大，從而獲得必要的電壓幅值或足夠的功率。多級放大器的組成模式可用下列框圖示意：耦合：多級放大電路中，前后兩級之間的聯(lián)接方式。常用的級間耦合有阻容耦合、直接耦合及變壓器耦合三種方式。阻容耦合方式的結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，適合于交流放大電路；直接耦合結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)整比較繁瑣。在集成電路得到極大發(fā)展以來，直接耦合的應(yīng)用越來越多；變壓器耦合結(jié)構(gòu)雖比較簡單，但元件體積大、重量大、不適于電路的小型化和集成化，在應(yīng)用上有許多局限性，許多場合已被前兩種方式所取代。二、阻容耦合如圖為阻容耦合的兩級放大電路：第一級的輸出信號由C2耦合到第二級的輸入電阻上，故稱為阻容耦合1.隔

13、直作用 前后兩級的靜態(tài)工作點互不影響；2容抗很小 交流信號可順利通過電容耦合到下一級 ；3低頻特性差 低頻時容抗較大，交流信號損失較大；4難于集成 集成電路無法制造大容量的耦合電容。靜態(tài)分析（略）動態(tài)分析微變等效電路（略） 例： 例 三、直接耦合為了能對緩慢變化的信號或直流信號進行放大，不能采用阻容耦合而只能采用直接耦合將前級的輸出信號直接接到后級的輸入端：直接耦合的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但右圖存在著嚴重問題，一是前后級靜態(tài)工作點的相互影響；二是所謂的零點漂移。由圖可見，VC1=VB2，RC1不僅是第一級的負載電阻又是第二級的偏置電阻，它們之間的靜態(tài)值是相互影響的。按圖中的耦合方式，晶體管T1的集電極

14、電位被鉗制在0.60.7V，必然使T1的集電結(jié)處于零偏置，基本上工作在飽和區(qū)。這樣的電路已失去放大作用。常用的解決方法是提高第二級的基極電位。如在第二級加發(fā)射極電阻或加穩(wěn)壓管進行改進，既能有效傳遞信號，由能使每一級都有合適的靜態(tài)工作點。零點漂移理想的直接耦合放大電路應(yīng)在輸入信號為零時，保持輸出電壓不變。但實際的放大電路往往在輸入端短接時(ui=0)，所測得的輸出電壓并不恒定，而是緩慢地、無規(guī)則地變化著，這就是零點漂移。(當放大電路的輸入端短路時，輸出端還有緩慢變化的電壓產(chǎn)生)零點漂移產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度的變化、電源電壓的波動、電路元件參數(shù)的變化等，但溫度變化的影響是最嚴重的。放大器的級

15、數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，零點漂移越嚴重。（當放大器第一級的靜態(tài)工作點稍有偏移時，第一級的輸出電壓將發(fā)生微小的變化，這種緩慢的微小的變化會逐級被放大，致使放大器的輸出端產(chǎn)生較大的漂移電壓。特別是漂移電壓的大小可以和有效信號相比時，無法分辨，導(dǎo)致放大器無法正常工作。）抑制零點漂移的辦法可加入深度的負反饋。特別要注重對第一級零點漂移的抑制。零點漂移問題在直接耦合放大電路中更為突出。原因：1.直接耦合放大電路放大的信號是緩慢變化的信號，與漂移電壓難以區(qū)分。2.無隔直電容，不能對緩慢變化的信號起隔離作用。15.8差動放大電路抑制零點漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)是直接耦合差動放大電路。許多直接耦合放大電路的第一級都

16、采用差動放大電路。一、差動放大電路的工作原理由電路的對稱結(jié)構(gòu)，兩只晶體管具有相同的靜態(tài)工作點，而有溫度變化所引起的參數(shù)的變化也具有對稱性。1零點漂移的抑制在靜態(tài)時，ui1=ui2=0，相當于輸入端短接，考慮對稱性，有IC1=IC2 VC1=VC2 uo= VC1-VC2 =0當溫度升高時，集電極的電流都要升高；電位都要下降，在完全對稱時，它們的變化量也都相同，即IC1= IC2 VC1= VC2 uo= VC1-VC2 =0可見對稱差動電路完全抑制了零點漂移，并且對所有同向漂移都具有抑制作用。2信號輸入 (非靜態(tài)時，差動放大電路的信號輸入有不同方式)(1) 共模輸入：兩個輸入信號的大小相等，極

17、性相同。ui1=ui2若電路完全對稱，對共模信號的輸出電壓等于零，即共模放大倍數(shù)為零。差動電路抑制共模信號的能力大小是零點漂移抑制能力的標志。(2) 差模輸入：兩個輸入信號的大小相等，極性相反。ui1=-ui2設(shè)ui1>0，ui2<0，則IC1>0，IC2<0；因而VC1<0，VC2>0。進而輸出電壓uo=VC1-VC2為兩管各自輸出電壓變化量的2倍。(3) 比較輸入：兩個輸入信號電壓既非共模，又非差模。ui1ui2(最常見)為此，設(shè)兩個信號分別由共模信號和差模信號構(gòu)成，即ui1=uic+uid ，ui2=uicuid，則uic=(ui1+ui2)/2，ui

18、d=(ui1ui2)/2*比較輸入信號的放大作用可分解為對共模信號分量和差模信號分量的處理。例如,ui1=10mV,ui2 =6mV?？煞纸獬晒材Ｐ盘枮閡ic=8mV,及差模信號uid=2mV。二、典型差動放大電路差動放大電路是靠對稱性來抑制零點漂移的，但實際上的理想對稱性是不存在的。因而零點漂移并不能完全被抑制，為此采用下面的典型電路。RE的主要作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點。RE愈大抑制零點漂移的作用愈顯著，但UCC一定時，RE過大將使集電極電流過小而影響電壓放大倍數(shù)。負電源EE來補償RE兩端的直流壓降，以獲得合適的靜態(tài)工作點。電位器Rp是調(diào)平衡用的，稱調(diào)零電位器。因?qū)嶋H電路的不完全對稱，可以用Rp進行靜態(tài)時輸出電壓的調(diào)節(jié)。*Rp對差模信號有反饋作用，阻值不宜過大，一般在101102。1雙端輸入雙端輸出由R的分壓，各晶體管的差模輸入為總信號ui的一半，但極性相反。（1）靜態(tài)分析 （2）動態(tài)分析RE