電工電子技術(shù)第七章課件

1、第7章 放大電路基礎(chǔ)7.1 共射極基本放大電路7.2 分壓式偏置放大電路7.3 共集電極放大電路7.4 功率放大電路7.5* 場(chǎng)效應(yīng)晶體管及放大電路7.1 共射極基本放大電路7.1.1 共射極基本放大電路的組成 三極管用于電子電路時(shí)，通常是將一對(duì)端點(diǎn)作為輸入，一對(duì)端點(diǎn)作為輸出。對(duì)于三端電路就有一個(gè)端是輸入電路和輸出電路的公共端。如果輸入信號(hào)加到基極和發(fā)射極之間，而輸出信號(hào)從集電極和發(fā)射極間取出，這樣的電路稱為共射極基本放大電路，如圖7.1所示。它由信號(hào)源、直流電源、三極管、電容、電阻等元件組成，信號(hào)源電壓ui從AO端輸入，放大后的信號(hào)電壓uo從BO端輸出。圖7.1 共射極放大電路 在圖所示的放

2、大電路中，采用NPN型晶體管，VCC是集電極回路的直流電源 (一般在幾伏到幾十伏的范圍)，它的負(fù)端接發(fā)射極,正端通過(guò)電阻RC接集電極，以保證集電結(jié)為反向偏置；RC是集電極電阻(一般在幾千歐至幾十千歐的范圍)，它的作用是將晶體管的集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榧姌O電壓VCE的變化。VBB是基極回路的直流電源,它的負(fù)端接發(fā)射極，正端通過(guò)基極電阻Rb接基極，以保證發(fā)射結(jié)為正向偏置，并通過(guò)基極電阻 Rb(一般在幾千歐至幾百千歐的范圍) (一般在幾十千歐至幾百千歐的范圍)，由VBB供給基極電流 由上式可見(jiàn)，這個(gè)電路的偏流IB決定于VBB，和Rb的大小，VBB和Rb經(jīng)確定后，偏流IB就是固定的，所以這種電路

3、稱為固定偏流電路。Rb又稱為基極偏置電阻。 對(duì)于硅管，VBE約為0.7V左右，對(duì)于鍺管，VBE約為0.2V左右，而VBB一般在幾伏至幾十伏的范圍內(nèi)(常取VBB=VCC)，即VBBVBE，所以近似有（7-1） 電容C1和C2稱為隔直電容或耦合電容(一般在幾微法到幾十微法的范圍)，它們?cè)陔娐分械淖饔檬恰案綦x直流，傳送交流”。對(duì)直流來(lái)說(shuō)，容抗為無(wú)窮大，可近似為開(kāi)路，使直流電源不加到信號(hào)源和負(fù)載上；而對(duì)交流信號(hào)而言，容抗很小，可近似為短路，使輸入、輸出信號(hào)順暢地傳輸；其容量較大，一般是幾微法至幾十微法的電解電容，連接時(shí)應(yīng)注意極性。 值得指出的是， 放大作用是利用晶體管的基極對(duì)集電極的控制作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，

4、 即在輸入端加一個(gè)能量較小的信號(hào)，通過(guò)晶體管的基極電流去控制流過(guò)集電極電路的電流， 從而將直流電源VCC的能量轉(zhuǎn)化為所需要的形式供給負(fù)載。 因此， 放大作用實(shí)質(zhì)上是放大器件的控制作用；放大器是一種能量控制部件 7.1.2共射極基本放大電路的分析 對(duì)于一個(gè)放大電路的分析一般包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：靜態(tài)工作情況和動(dòng)態(tài)工作情況的分析。前者主要確定靜態(tài)工作點(diǎn)，后者主要研究放大電路的性能指標(biāo)。1.靜態(tài)工作情況 所謂靜態(tài)，是指輸入信號(hào)為零時(shí)（即ui=0）放大電路的工作狀態(tài)，此時(shí)放大電路中只有直流電源作用，各處的電壓和電流都是直流量，稱為直流工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，簡(jiǎn)稱靜態(tài)。靜態(tài)分析的目的是通過(guò)直流通路分析放大電路

5、中三極管的工作狀態(tài)。 為了使放大電路能夠正常工作，三極管必須處于放大狀態(tài)。因此，要求三極管各極的直流電壓、直流電流必須具有合適的靜態(tài)工作參數(shù)IB、IC、UBE、UCE ，也即是放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)是放大電路工作的基礎(chǔ)，它設(shè)置的合理及穩(wěn)定與否，將直接影響放大電路的工作狀況及性能質(zhì)量。（1）估算法確定靜態(tài)工作點(diǎn)。 對(duì)應(yīng)于以上四個(gè)數(shù)值，可在三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線上各確定一個(gè)固定不動(dòng)的點(diǎn)“Q”（即靜態(tài)工作點(diǎn)），在圖7.1電路中將VBB和VCC取同一大小，就可將原電路簡(jiǎn)化為如圖7.2所示直流通路圖，其中當(dāng)VCC、Rb、Rc確定以后，IC、UBE、UCE也就隨之確定了?？捎墒剑?-

6、1）估算IB，由IB可得出靜態(tài)時(shí)的集電極電流（7-2） 由圖7.2的輸出回路可知靜態(tài)時(shí)的集電極與發(fā)射極間電壓（7-3）圖 7.2 共射放大電路直流通路圖 圖 7.2 共射放大電路直流通路圖從式（7-1），由圖7.2所示參數(shù)可求得 設(shè)晶體管的=37.5，則從式（7-2）可得將參數(shù)代入式（7-3）可得由此估算得圖7.1所示共射極放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是：IB = 40A，IC = 1.5mA，UCE = 6V。（2）圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)。 同時(shí)，也可采用圖解法確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，步驟如下：圖 7.3 圖解分析 電路由圖7.2可知是由晶體三極管和外部電路一起構(gòu)成輸出回路的整體，因此 在這個(gè)電路中

7、既要滿足晶體管的伏安特性，又要滿足外部電路的伏安關(guān)系，于是，由這兩條伏安關(guān)系曲線的交點(diǎn)便可確定出IC和UCE。 而外部電路的伏安特性關(guān)系為 這是直線方程，可用截距法在輸出特性曲線的坐標(biāo)平面內(nèi)作出這條直線，如圖，由于該直線由直流通路定出，其斜率為 即由集電極負(fù)載電阻Rc決定，故稱之為輸出回路的直流負(fù)載線。由圖可知直流負(fù)載線與IB輸出特性曲線的交點(diǎn)，即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。從Q點(diǎn)查出結(jié)果與估算法所得結(jié)果一樣。2.動(dòng)態(tài)工作情況 當(dāng)接入正弦信號(hào)時(shí)，電路將處在動(dòng)態(tài)工作情況，可以根據(jù)輸入信號(hào)電壓ui通過(guò)圖解確定輸出電壓uo，從而可以得出ui與uo之間的相位關(guān)系和動(dòng)態(tài)范圍。 圖解的步驟是先根據(jù)輸入信號(hào)電壓ui在輸

8、入特性上畫(huà)出ib的波形， 然后根據(jù)ib的變化在輸出特性上畫(huà)出ic和UBE的波形，如圖7.4所示。圖 7.4 圖解法分析動(dòng)態(tài)工作情況 設(shè)放大電路的輸入電壓正弦波，當(dāng)它加到放大電路的輸入端后，三極管的基極和發(fā)射極之間的電壓UBE就是在原有直流電壓UBE的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流量ui（ube），根據(jù)UBE的變化規(guī)律，便可從輸入特性畫(huà)出對(duì)應(yīng)的iB的波形圖，如圖7.4所示。由圖上可讀出對(duì)應(yīng)于峰值的輸入電壓，基極電流iB將在60A與20A之間變動(dòng)。 因?yàn)榉糯箅娐返闹绷髫?fù)載線是不變的，當(dāng)iB在60A與20A之間變動(dòng)時(shí)，直流負(fù)載線與輸出特性的交點(diǎn)也會(huì)隨之而變， 對(duì)應(yīng)于iB=60A的一條輸出特性與直流負(fù)載線的交點(diǎn)

9、是Q 1點(diǎn)， 對(duì)應(yīng)于iB=20A的一條輸出特性與直流負(fù)載線的交點(diǎn)是Q 2點(diǎn)，所以放大電路只能在負(fù)載線的Q 1Q 2段上工作，即放大電路的工作點(diǎn)隨著iB的變動(dòng)將沿著直流負(fù)載線在Q 1與Q 2點(diǎn)之間移動(dòng)，因此，直線段Q 1Q 2是工作點(diǎn)移動(dòng)的軌跡，通常稱為動(dòng)態(tài)工作范圍。 由圖可見(jiàn)，在i的正半周，i先由40A增大到60A，放大電路的工作點(diǎn)將由Q點(diǎn)移到Q 1點(diǎn)，相應(yīng)的ic和IC增到最大值，而uce由原來(lái)的UCE減小到最小值；然后iB由60A減小到40A，放大電路的工作點(diǎn)將由Q 1回到Q，相應(yīng)的ic也由最大值回到IC，而uce則由最小值回到UCE。在的負(fù)半周，其變化規(guī)律恰好相反，放大電路的工作點(diǎn)先由Q移

10、到Q 2，再由Q 2回到Q點(diǎn)。 這樣，就可在坐標(biāo)平面上畫(huà)出對(duì)應(yīng)的iB、iC和uCE的波形圖，如圖7.4所示，UCE中的交流量uce的波形就是輸出電壓uo的波形。綜上分析，可總結(jié)如下幾點(diǎn)： 沒(méi)有輸入信號(hào)電壓時(shí)，三極管各電極都是恒定的電流和電壓（IB、IC、UCE），當(dāng)在放大電路輸入端加入輸入信號(hào)電壓后，iB、iC、uCE都在原來(lái)靜態(tài)直流量的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流量，即 因此，放大電路中電壓、電流包含兩個(gè)分量：一個(gè)是靜態(tài)工作情況決定的直流成分IB、 IC、UCE；另一個(gè)是由輸入電壓引起的交流成分ib、ic和uce。雖然這些電流、電壓的瞬時(shí)值是變化的，但它們的方向始終是不變的。 uCE中的交流分量 u

11、ce（即經(jīng)C2隔直后的交流輸出電壓uo）的幅度遠(yuǎn)比ui為大，且同為正弦波電壓，體現(xiàn)了放大作用。 從圖7.4中還可以看到，uo（）與ui相位相反。這種現(xiàn)象稱為放大電路的反相作用 ， 因而共射極放大電路又叫做反相電壓放大器，它是一種重要的電路組態(tài)。 合適的靜態(tài)工作點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)不失真放大的必要條件。 放大電路在工作時(shí)，輸出端總要接上一定的負(fù)載，如在圖7.5（a）中，負(fù)載電阻RL=4k，這時(shí)放大電路的工作情況是否會(huì)因?yàn)镽L的接人而受到影響呢？這是下面所要討論的問(wèn)題。在靜態(tài)時(shí)，由于隔直電容C2的作用，RL對(duì)電路的Q點(diǎn)無(wú)影響。圖7.5(a) 共射極放大電路帶負(fù)載電路圖 7.5 (b)共射極放大電路帶負(fù)載交

12、流通路 動(dòng)態(tài)工作時(shí)的情況則不同，隔直電容C1和C2在具有一定頻率的信號(hào)作用下，其容抗可以忽略；同時(shí)考慮到電源VCC的內(nèi)阻很小，可視為短路。這樣便可畫(huà)出圖7.5（b）的交流通路圖。此時(shí)圖中的電壓和電流都是交流成分。 由圖中可以看出，放大電路的交流負(fù)載的等效電阻RL為RL與RC的并聯(lián)值，即（7-4）則 可見(jiàn)，交流負(fù)載線要比直流負(fù)載線更陡一些。 另外交流負(fù)載線和直流負(fù)載線必然在Q點(diǎn)相交，這是因?yàn)樵诰€性工作范圍內(nèi)，輸人電壓在變化過(guò)程中是一定經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的。3.微變等效電路（小信號(hào)模型）分析法 晶體管是非線性元件，這可從它的輸入、輸出特性曲線看出。這給放大電路的分析與計(jì)算帶來(lái)了很多不便，在電路分析中學(xué)過(guò)的各

13、種線性電路的分析方法均不能使用。但如果放大電路的輸入信號(hào)電壓很小，就可以設(shè)想把晶體管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來(lái)代替，從而可以把晶體管這個(gè)非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來(lái)處理，這就是晶體管小信號(hào)模型的指導(dǎo)思想。 （1）晶體管的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型 。 如圖7.4（a）中所示的輸入特性曲線上，適當(dāng)選擇IB值，在晶體管工作點(diǎn)已確定為Q點(diǎn)附近的一小段，可認(rèn)為是直線，即輸入特性的線性區(qū)，則uBE與iB成正比，為一個(gè)常數(shù)，其比值用線性電阻rbe表示，稱為晶體管的輸入電阻，取代管子輸入回路，如圖7.6所示。圖7.6（a）晶體管 圖7.6（b）簡(jiǎn)化小信號(hào)模型 它是對(duì)信號(hào)變化量而言的，因此它是一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。

14、對(duì)于低頻小功率管常用下式估算： （7-5） 其值與IE發(fā)射極靜態(tài)工作點(diǎn)電流有關(guān)，當(dāng)Q點(diǎn)越高，IE越大，則rbe越小。該式適用的范圍為0.1mAIE 0，功率管的導(dǎo)電角= 2。 （）乙類放大 。 在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，只有半個(gè)周期三極管導(dǎo)通。稱為乙類放大，如圖7.21（d）所示。如圖2所示，此時(shí)功率管的導(dǎo)電角=。（a）工作點(diǎn)位置 （b）甲類 （c）甲乙類 （d）乙類 圖 7.21 各類功率放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) （）甲乙類放大 。 在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，有半個(gè)周期以上三極管是導(dǎo)通的。稱為甲乙類放大，如圖7.21（c）所示。如圖3所示，此時(shí)功率管的導(dǎo)電角滿足： 0 ，則T2截止，T1承擔(dān)

15、放大任務(wù)，有電流通過(guò)負(fù)載RL； 當(dāng)信號(hào)處于正半周時(shí)，UBE1 = UBE2 0 ，則T1截止，T2承擔(dān)放大任務(wù)，也有電流通過(guò)負(fù)載RL。這樣，一個(gè)在正半周工作，而另一個(gè)在負(fù)半周工作，兩個(gè)管子互補(bǔ)對(duì)方的不足，從而在負(fù)載上得到一個(gè)完整的波形，稱為互補(bǔ)電路?；パa(bǔ)電路解決了乙類放大電路中效率與失真的矛盾。為了使負(fù)載上得到的波形正、負(fù)半周大小相同，還要求兩個(gè)管子的特性必須完全一致，即工作性能對(duì)稱。所以圖1所示電路通常稱為乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路，又稱為無(wú)輸出電容的功率放大電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。 （1）乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的最大輸出功率 。 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的輸出功率是輸出電壓有效值Uo和輸出電流有效值Io的乘

16、積（也常用管子中變化電壓、變化電流有效值的乘積表示）。所以 不難看出，在輸入信號(hào)uo的一個(gè)周期內(nèi)，T1 、T2管輪流導(dǎo)通，而且ie1和ie2流過(guò)負(fù)載的方向相反，從而形成完整的正弦波。由于這種電路中的三極管交替工作，即一個(gè)“推”，一個(gè)“挽”，互相補(bǔ)充，故這類電路又稱為互補(bǔ)對(duì)稱推挽電路。 可見(jiàn)，輸出電壓Uom越大；輸出功率Po越高，當(dāng)三極管進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，輸出電壓Uom最大，其大小為當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí)，可忽略UCE（sat） ，則 電路獲得最大輸出功率為（7-24）（7-25）（7-26） （2）乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的直流電源供給功率。 直流電源供給功率是供給管子的直流平均電流ICAV與電源電壓VC

17、C的乘積。相當(dāng)于正、負(fù)電源同一電壓值而言，ICAV相當(dāng)于單相全波整流電流波形直流成分，即故（7-27） （3）乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的管耗。 直流電源提供的功率與輸出功率之差就是消耗在三極管的功率，即 可求得當(dāng)Uom = 0.63VCC時(shí)，晶體管消耗的功率最大，其值為 每個(gè)管子的最大功耗為（7-30）（7-29）（7-28） （4）乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的效率。 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路的效率是指輸出功率與電源供給功率之比，故當(dāng)Uom（max） VCC時(shí)，有最大值為 實(shí)際應(yīng)用電路由于飽和管壓降UCE（sat）和靜態(tài)ICQ不為零，其效率要比此值低。（7-30）（7-31）2.甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

18、理想情況下，乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出沒(méi)有失真。實(shí)際的乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路，如圖7.23所示。由于沒(méi)有直流偏置，只有當(dāng)輸入信號(hào)ui大于管子的門(mén)坎電壓（NPN硅管約為0.6V，PNP鍺管約為0.2V）時(shí)，管子才能導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號(hào)ui低于這個(gè)數(shù)值時(shí)，T1和T2都截止，ic1和ic2基本為零，負(fù)載RL上無(wú)電流通過(guò)，出現(xiàn)一段死區(qū)，這種現(xiàn)象稱為交越失真。圖 7.23 乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的交越失真 為了克服乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路的交越失真，需要給電路設(shè)置偏置，使之工作在甲乙類狀態(tài)。如圖7.24所示。圖中T3組成前置放大級(jí)（注意，圖中未畫(huà)出T3的偏置電路），給功放級(jí)提供足夠的偏置電流。T1和T2組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)。

19、靜態(tài)時(shí)，在D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T(mén)1、T2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)，工作在甲乙類。這樣，即使ui很小（D1和D2的交流電阻也?。旧峡删€性的進(jìn)行放大。 上述偏置方法的缺點(diǎn)：偏置電壓不易調(diào)整，改進(jìn)方法可采用UBE擴(kuò)展電路。圖 7.24 甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路 圖 7.25 甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路 如圖7.25所示在兩管發(fā)射極與負(fù)載之間接入一個(gè)大容量電容C，這種電路為甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路，通常又稱無(wú)輸出變壓器的電路，簡(jiǎn)稱OTL 電路。圖中T3組成前置放大級(jí)，T1和T2組成互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出級(jí)。在ui = 0時(shí)，調(diào)節(jié)R1、R2，就可使IC3 、VB2和VB1達(dá)到所需大小，

20、給T2和T1提供一個(gè)合適的偏置，從而使K點(diǎn)電位VK = VC = VCC / 2 。ui 0時(shí)，在信號(hào)的負(fù)半周，T1導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載RL，同時(shí)向C充電； 在信號(hào)的正半周，T2導(dǎo)電，則已充電的電容C起著雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路中電源-VCC的作用，通過(guò)負(fù)載RL放電。只要選擇時(shí)間常數(shù)RLC足夠大（比信號(hào)的最長(zhǎng)周期還大得多），就可以認(rèn)為用電容C和一個(gè)電源VCC可代替原來(lái)的+VCC和-VCC兩個(gè)電源的作用。 單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路解決了工作點(diǎn)的偏置和穩(wěn)定問(wèn)題。但輸出電壓幅值達(dá)不到Uom = VCC / 2?，F(xiàn)進(jìn)行分析： 首先在理想情況下，當(dāng)ui為負(fù)半周最大值時(shí)，iC3最小，VB1接近于+VCC，此時(shí)希望T1

21、在接近飽和狀態(tài)工作，即UCE1 = UCES，故K點(diǎn)電位VK = +VCC - UCES VCC。當(dāng)ui為正半周最大值時(shí)，T1截止，T2接近飽和導(dǎo)電，VK = VCES 0。因此，負(fù)載RL兩端得到的交流輸出電壓幅值Uom = VCC / 2。 而實(shí)際情況下，當(dāng)ui為負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)電，因而ib1增加，由于Rc3上的壓降和UBE1的存在，當(dāng)K點(diǎn)電位向+VCC接近時(shí)，T1的基流將受限制而不能增加很多，因而也就限制了T1輸向負(fù)載的電流，使RL兩端得不到足夠的電壓變化量，致使Uom明顯小于VCC / 2。 與OCL電路相比，OTL 電路少用了一個(gè)電源，但由于輸出端的耦合電容容量大，則電容器內(nèi)鋁箔卷繞圈數(shù)多，呈現(xiàn)的電感效應(yīng)大，它對(duì)不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的相移，輸出信號(hào)有附加失真，這也是OTL 電路的缺點(diǎn)。7.4.3 集成功率放大電路 集成功率放大電路用于制作集成功率放大器，它具有輸出功率大、外圍連接元