三極管放大電路及分析課件

第4章三極管及放大電路基礎4.1

BJT結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)4.2基本共發(fā)射極放大電路4.3放大電路的主要技術(shù)指標4.4放大電路的基本分析方法4.5工作點的穩(wěn)定問題4.6放大電路的三種基本組態(tài)4.7組合（多級）放大電路4.8放大電路頻率響應4.2.1放大的概念本質(zhì)：實現(xiàn)能量的控制。在放大電路中提供一個能源，由能量較小的輸入信號控制這個能源，使之輸出較大的能量，然后推動負載。小能量對大能量的控制作用稱為放大作用。放大的對象是變化量。元件：輸出信號能受輸入信號的控制，雙極型三極管和場效應管。4.2基本共射極放大電路放大原件的受控作用：1、三極管（BJT）的輸出電流（如集電極電流IC受輸入電流IB的控制），場效應管（FET、JFET、MOS）輸出電流ID受輸入電場UGS的控制。2、輸出受輸入控制，輸入信號的微小變化都能在輸出端有較大變換。3、輸出信號的能量由另一個電源提供。4.2.2單管共發(fā)射極放大電路4.2.2.1單管共發(fā)射極放大電路的組成圖1單管共射放大電路的原理電路VT：NPN型三極管，為放大元件；VCC：為輸出信號提供能量；

RC：當iC通過Rc，將電流的變化轉(zhuǎn)化為集電極電壓的變化，傳送到電路的輸出端；

VBB

、Rb：為發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓。組成放大電路的原則：

1.外加直流電源的極性必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。則有：

2.輸入回路的接法應使輸入電壓

u

能夠傳送到三極管的基極回路，使基極電流產(chǎn)生相應的變化量

iB。

3.輸出回路的接法應使變化量

iC能夠轉(zhuǎn)化為變化量

uCE，并傳送到放大電路的輸出端。原理電路的缺點：1.雙電源供電；2.uI、uO

不共地。單管共射放大電路圖3單管共射放大電路C1、C2

：為隔直電容或耦合電容；RL：為負載電阻。該電路也稱阻容耦合單管共射放大電路。4.3放大電路的主要技術(shù)指標圖4放大電路技術(shù)指標測試示意圖1、放大倍數(shù)2、輸出電阻Ro從放大電路輸出端看進去的等效電阻。輸出電阻Ro定義：輸入端信號源短路();輸出端負載開路()時外加一個正弦輸出電壓，得到相應的輸出電流，二者的比值為輸出電阻。輸入端正弦電壓，分別測量空載和輸出端接負載RL

的輸出電壓、。輸出電阻愈小，帶載能力愈強。輸出電阻Ro的測量：圖3放大電路技術(shù)指標測試示意圖4、最大輸出幅度在輸出波形沒有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負載的最大輸出電壓(或最大輸出電流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom、Iom)。5、非線性失真系數(shù)D3、輸入電阻Ri所有諧波總量與基波成分之比，即從放大電路輸入端看進去的等效電阻。Aum6、通頻帶BW7、最大輸出功率與效率

輸出不產(chǎn)生明顯失真的最大輸出功率。用符號Pom表示。

：效率PV：直流電源消耗的功率fL

fHfL：下限頻率fH：上限頻率圖42.4放大電路的基本分析方法基本分析方法兩種圖解法微變等效電路法靜態(tài)分析：電路中未施加輸入信號，僅存在偏置電路直流作用時的電路工作狀態(tài)，如輸入、輸出回路的電流及電壓動態(tài)分析：當外加交流輸入信號時，電路中存在直流、交流信號并存狀態(tài)時的電路狀態(tài)，如放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶、最大輸出功率等。基本分析思路：先靜態(tài)，后動態(tài)4.4放大電路的基本分析方法靜態(tài)工作點：當外加輸入信號為零時，在直流電源VCC的作用下，三極管的基極回路及集電極回路均存在直流電流及直流電壓，這些值在三極管輸入、輸出特性曲線上對應一個點，該點稱靜態(tài)工作點。電路中電抗原件及電源的特點：電容對直流信號的阻抗無窮大，可以認為開路，但對交流信號，阻抗為1/wc,當電容足夠大，可認為短路；電感對直流信號的阻抗很小，可認為短路，而對交流信號，感抗大小為wL;對理想電壓源，由于電壓變化為零，在交流通路中相當于短路；對理想電流源，由于電流變化為0，故在交流通路中相當于開路。圖5(b)4.4放大電路的基本分析方法4.4.1直流通路與交流通路圖5圖5(a)4.4.2靜態(tài)工作點的近似計算bceIBQICQUCEQ圖6硅管UBEQ=(0.6~0.8)V鍺管UBEQ=(0.1~0.2)VICQ

IBQUCEQ=VCC–ICQ

RC【例】圖示單管共射放大電路中，VCC=12V，Rc=3k

，Rb=280k，NPN硅管的

=50，試估算靜態(tài)工作點。圖7解：設UBEQ=0.7VICQ

IBQ=(500.04)mA=2mAUCEQ=VCC–ICQ

Rc=(12-2

3)V=6V4.4.3圖解法在三極管的輸入、輸出特性曲線上直接用作圖的方法求解放大電路的工作情況。一、圖解法的過程(一)圖解分析靜態(tài)1.先用估算的方法計算輸入回路IBQ、UBEQ。2.用圖解法確定輸出回路靜態(tài)值方法：根據(jù)uCE=VCC

-

iCRc式確定兩個特殊點輸出回路輸出特性直流負載線Q圖2.4.2由靜態(tài)工作點Q確定的ICQ、UCEQ

為靜態(tài)值。圖8

【例】圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知Rb=280k

，Rc=3k

，集電極直流電源VCC=12V，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。解：首先估算IBQ做直流負載線，確定Q

點根據(jù)UCEQ=VCC–ICQ

RciC=0，uCE=12V；uCE=0，iC=4mA.0iB

=0μA20μA40μA60μA80μA134224681012MQ靜態(tài)工作點IBQ=40μA，ICQ=2mA，UCEQ=6V.uCE

/V由Q

點確定靜態(tài)值為：iC

/mA圖2.4.3(b)(二)

圖解分析動態(tài)1.交流通路的輸出回路圖8

輸出通路的外電路是Rc和RL的并聯(lián)。2.交流負載線交流負載線交流負載線斜率為：OIBiC

/mAuCE

/VQ靜態(tài)工作點圖93.動態(tài)工作情況圖解分析圖10輸入回路工作情況0.680.72

uBE

iBtQ000.7t6040200uBE/ViB/μAuBE/ViBUBE交流負載線直流負載線4.57.5

uCE912t0ICQiC

/mA0IB=40μA2060804Q260uCE/ViC

/mA0tuCE/VUCEQ

iC圖11輸出回路工作情況分析4.電壓放大倍數(shù)圖12

【例】用圖解法求圖示電路電壓放大倍數(shù)。輸入、輸出特性曲線如右圖，RL=3k

。

uCE=(4.5–7.5)V=-3V

uBE=(0.72–0.68)V=0.04V解：求確定交流負載線取

iB=(60–20)A=40A則輸入、輸出特性曲線上有

二、圖解法的應用(一)用圖解法分析非線性失真

1.靜態(tài)工作點過低，引起

iB、iC、uCE的波形失真ibui結(jié)論：iB波形失真OQOttOuBE/ViB/μAuBE/ViB/μAIBQ

——截止失真iC

、uCE

(uo

)波形失真NPN管截止失真時的輸出uo波形。uo=

uceOiCtOOQ

tuCE/VuCE/ViC

/mAICQUCEQOIB=0QtOO

NPN管uo波形tiCuCE/VuCE/ViC

/mAuo=

uceib(不失真)ICQUCEQ2.Q點過高，引起

iC、uCE的波形失真—飽和失真(二)用圖解法估算最大輸出幅度OiB=0QuCE/ViC

/mAACBDE交流負載線

輸出波形沒有明顯失真時能夠輸出最大電壓。即輸出特性的A、B

所限定的范圍。Q盡量設在線段AB的中點。則AQ=QB，CD=DE(三)用圖解法分析電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響

1.改變Rb，保持VCC，Rc，

不變；OIBiCuCE

Q1Rb增大，Rb減小，Q點下移；Q點上移；Q2OIBiCuCE

Q1Q3

2.改變VCC，保持Rb，Rc，

不變；

升高VCC，直流負載線平行右移，動態(tài)工作范圍增大，但管子的動態(tài)功耗也增大。Q2圖13(a)圖13(b)

3.改變Rc，保持Rb，VCC，

不變；

4.改變

，保持Rb，Rc，VCC

不變；增大Rc，直流負載線斜率改變，則Q點向飽和區(qū)移近。OIBiCuCE

Q1Q2OIBiCuCE

Q1Q2增大

，ICQ增大，UCEQ減小，則Q點移近飽和區(qū)。圖13(c)圖13(d)圖解法小結(jié)

1.能夠形象地顯示靜態(tài)工作點的位置與非線性失真的關(guān)系；

2.方便估算最大輸出幅值的數(shù)值；

3.可直觀表示電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響；

4.有利于對靜態(tài)工作點Q

的檢測等。4.4.4微變等效電路法晶體管在小信號(微變量)情況下工作時，可以在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線，三極管就可以等效為一個線性元件。這樣就可以將非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。微變等效條件研究的對象僅僅是變化量信號的變化范圍很小一、簡化的

h參數(shù)微變等效電路(一)

三極管的微變等效電路

iB

uBE

晶體管的輸入特性曲線

rbe：晶體管的輸入電阻。

在小信號的條件下，rbe是一常數(shù)。晶體管的輸入電路可用rbe等效代替。1.輸入電路Q點附近的工作段近似地看成直線

可認為

uBE與

iB成正比QOiB

uBE

圖14(a)2.輸出電路假設在

Q

點附近特性曲線基本上是水平的(

iC

與

uCE無關(guān))，數(shù)量關(guān)系上，

iC

比

iB大

倍；

iB

iB從三極管輸出端看，可以用

iB恒流源代替三極管；該恒流源為受控源；為iB對iC

的控制。uCE

QiC

O圖14(b)3.三極管的簡化參數(shù)等效電路

注意：這里忽略了uCE

對iC與輸出特性的影響，在大多數(shù)情況下，簡化的微變等效電路對于工程計算來說誤差很小。圖15

三極管的簡化h參數(shù)等效電路cbe+

uBE

+

uCE

iC

iBebcrbe

iB+

uBE

+

uCE

iC

iB(二)

rbe的近似估算公式rbb

：基區(qū)體電阻。re

b

：基射之間結(jié)電阻。低頻、小功率管rbb

約為300

。UT：溫度電壓當量。c

beiBiCiE圖16例.求電路電壓放大倍數(shù)Au；輸入電阻Ri、輸出電阻ROC1RcRb+VCCC2RL+

++VT+

Ri=rbe//Rb，Ro=Rcrbe

ebcRcRLRb+

+

圖17

單管共射放大電路的等效電路電流放大倍數(shù)與電壓放大倍數(shù)之間關(guān)系討論

1.當IEQ

一定時，

愈大則

rbe

也愈大，選用

值較大的三極管其Au

并不能按比例地提高；因：

2.當

值一定時，IEQ愈大則rbe

愈小，可以得到較大的Au，這種方法比較有效。(三)

等效電路法的步驟(歸納)

1.首先利用圖解法或近似估算法確定放大電路的靜態(tài)工作點Q

。

2.求出靜態(tài)工作點處的微變等效電路參數(shù)

和rbe

。

3.畫出放大電路的微變等效電路。可先畫出三極管的等效電路，然后畫出放大電路其余部分的交流通路。

4.列出電路方程并求解。*改進的引入發(fā)射級電阻的共發(fā)射極放大電路及分析如圖所示接有發(fā)射極電阻的單管放大電路，計算電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻。C1RcRb+VCCC2RL+

++VT+

Rerbe

bcRcRLRb+

Ree+

圖18

接有發(fā)射極電阻的放大電路rbe

bcRcRLRb+

Ree+

根據(jù)微變等效電路列方程引入發(fā)射極電阻后，降低了。若滿足(1+

)Re>>rbe

與三極管的參數(shù)

、rbe

無關(guān)。2.放大電路的輸入電阻引入Re后，輸入電阻增大了。3.放大電路的輸出電阻rbe

ebcRcRLRb+

+

Rerbe

bcRcRbRee將放大電路的輸入端短路，負載電阻RL

開路，忽略c、e之間的內(nèi)電阻rce。RL圖194.5工作點的穩(wěn)定問題4.5.1溫度對靜態(tài)工作點的影響

三極管是一種對溫度十分敏感的元件。溫度變化對管子參數(shù)的影響主要表現(xiàn)有：

1.UBE

改變。UBE

的溫度系數(shù)約為–2mV/

C，即溫度每升高1

C，UBE約下降2mV。

2.

改變。溫度每升高1C，

值約增加0.5%~1%，

溫度系數(shù)分散性較大。3.ICBO改變。溫度每升高10C，ICBQ

大致將增加一倍，說明ICBQ

將隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升。溫度升高將導致IC

增大，Q上移。波形容易失真。iCuCEOiBQVCCT=20

C

T=50

C圖20

溫度對Q

點和輸出波形的影響4.5.2靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路一、電路組成——改進的分壓式偏置電路C1RcRb2+VCCC2RL+

+++

+CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB圖21

分壓式工作點穩(wěn)定電路由于UBQ

不隨溫度變化，——電流負反饋式工作點穩(wěn)定電路

T

ICQ

IEQ

UEQ

UBEQ

(=UBQ–UEQ)

IBQ

ICQ

說明：

1.Re

愈大，同樣的

IEQ產(chǎn)生的

UEQ愈大，則溫度穩(wěn)定性愈好。但Re

增大，UEQ

增大，要保持輸出量不變，必須增大VCC。

2.接入Re

，電壓放大倍數(shù)將大大降低。在Re

兩端并聯(lián)大電容Ce，交流電壓降可以忽略，則Au基本無影響。Ce

稱旁路電容

3.要保證UBQ

基本穩(wěn)定，IR>>IBQ，則需要Rb1、Rb2

小一些，但這會使電阻消耗功率增大，且電路的輸入電阻降低。實際選用Rb1、Rb2

值，取IR

=(5~

10)IBQ，UBQ=(5~10)UBEQ。二、靜態(tài)與動態(tài)分析靜態(tài)分析C1RcRb2+VCCC2RL+

+++

+CeuoRb1ReiBiCiEiRuiuEuB由于IR>>IBQ，可得(估算)靜態(tài)基極電流動態(tài)分析C1RcRb2+VCCC2RL+

+++

+CeuoRb1ReiBiCiEiRuirbe

ebcRcRL+

+

Rb2Rb1RcRb2+VCCRL+

+

uiuoRb1Re4.6放大電路的三種基本組態(tài)三種基本接法共射組態(tài)共集組態(tài)共基組態(tài)4.6.1共集電極放大電路C1Rb+VCCC2RL

+Re++RS+~

~

++__+rbebec(b)等效電路——為射極輸出器圖22

共集電極放大電路(a)電路圖一、靜態(tài)工作點C1Rb+VCCC2RL

+Re++RS+~

由基極回路求得靜態(tài)基極電流則(a)電路圖圖22

共集電極放大電路二、電流放大倍數(shù)所以三、電壓放大倍數(shù)結(jié)論：電壓放大倍數(shù)恒小于1，而接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相，又稱射極跟隨器。

~

++__+rbebec(b)等效電路四、輸入電阻

~

++__+rbebec輸入電阻較大。Ri五、輸出電阻+_rbebec~

輸出電阻低，故帶載能力比較強。Ro圖23求射極輸出器Ro

的等效電路C1Rb+VCCC2RL

+Re++RS+~

Rc

該電路為何種組態(tài)放大電路？4.6.2共基極放大電路圖24

共基極放大電路(a)原理電路

VEE

保證發(fā)射結(jié)正偏；VCC

保證集電結(jié)反偏；三極管工作在放大區(qū)。(b)實際電路實際電路采用一個電源VCC

，用Rb1、Rb2分壓提供基極正偏電壓。C1C2+++_+_ReVEEVCCRcRLVTC1C2VCCRb2Rb1+++++__ReCbRLRcC1Rb1+VCCC2RL

+Re++RS+~

RcRb2Cb+

該電路為何種組態(tài)放大電路？一、靜態(tài)工作點(IBQ,ICQ,UCEQ)圖24(b)實際電路C1C2VCCRb2Rb1+++++__ReCbRLRc二、電流放大倍數(shù)微變等效電路由圖可得：所以由于

小于1

而近似等于1，所以共基極放電電路沒有電流放大作用。+_+_Rerbebec圖25

共基極放大電路的等效電路三、電壓放大倍數(shù)+_+_Rerbebec圖26由微變等效電路可得共基極放大電路沒有電流放大作用，但是具有電壓放大作用。電壓放大倍數(shù)與共射電路相等，但沒有負號，說明該電路輸入、輸出信號同相位。四、輸入電阻暫不考慮電阻Re

的作用五、輸出電阻暫不考慮電阻Re

的作用Ro

=

rcb.

已知共射輸出電阻rce

，而rcb

比

rce大得多，可認為rcb

(1+

)rce如果考慮集電極負載電阻，則共基極放大電路的輸出電阻為Ro=Rc//rcb

Rc4.6.3三種基本組態(tài)的比較大(數(shù)值同共射電路，但同相)小(小于、近于

1)大(十幾~一幾百)

小

大(幾十~一百以上)

大(幾十~一百以上)電路組態(tài)性能共射組態(tài)共集組態(tài)共基組態(tài)C1C2VCCRb2Rb1+++++__ReCbRLC1Rb+VCCC2RL

+Re+++

C1Rb+VCCC2RL

++++

Rc4.6.3三種基本組態(tài)的比較

頻率響應大(幾百千歐~幾兆歐)大(幾歐~幾十歐)中(幾十千歐~幾百千歐)rce小(幾歐

~幾十歐)小(幾十千歐以上)中(幾百歐~幾千歐)

rbe組態(tài)性能共射組態(tài)共集組態(tài)共基組態(tài)差較好好4.7組合（多級）放大電路4.7.1多級放大電路的耦合方式三種耦合方式阻容耦合直接耦合變壓器耦合一、阻容耦合圖27阻容耦合放大電路C1RC1Rb1+VCCC2RL+

+VT1+

+Rc2Rb2C3VT2+第一級第二級優(yōu)點：

(1)前、后級直流電路互不相通，靜態(tài)工作點相互獨立；

(2)選擇足夠大電容，可以做到前一級輸出信號幾乎不衰減地加到后一級輸入端，使信號得到充分利用。不足：

(1)不適合傳送緩慢變化的信號；

(2)無法實現(xiàn)線性集成電路。二、直接耦合Rc1Rb1+VCC+

VT1+

Rc2Rb2VT2圖28兩個單管放大電路簡單的直接耦合特點：

(1)

可以放大交流和緩慢變化及直流信號；

(2)

便于集成化。

(3)各級靜態(tài)工作點互相影響；基極和集電極電位會隨著級數(shù)增加而上升；

(4)零點漂移。1.解決合適靜態(tài)工作點的幾種辦法改進電路—(a)電路中接入Re2，保證第一級集電極有較高的靜態(tài)電位，但第二級放大倍數(shù)嚴重下降。

改進電路—(b)穩(wěn)壓管動態(tài)電阻很小，可以使第二級的放大倍數(shù)損失小。但集電極電壓變化范圍減小。VDZRc1Rb1+VCC+

VT1+

Rc2RVT2(b)Rc1Rb1+VCC+

VT1+

Rc2Re2VT2(a)改進電路—(c)+VCCRc1Rb1+

VT1+

Rc2Rb2VT2VDz改進電路—(d)

可降低第二級的集電極電位，又不損失放大倍數(shù)。但穩(wěn)壓管噪聲較大。可獲得合適的工作點。為經(jīng)常采用的方式。(c)Rc1Rb1+VCC+VT1+

Re2Rc2VT2-(d)圖29直接耦合方式實例2.零點漂移直接耦合時，輸入電壓為零，但輸出電壓離開零點，并緩慢地發(fā)生不規(guī)則變化的現(xiàn)象。原因：放大器件的參數(shù)受溫度影響而使Q點不穩(wěn)定。圖30零點漂移現(xiàn)象uOtOuItO放大電路級數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈高，零點漂移問題愈嚴重。抑制零點漂移的措施：(1)

引入直流負反饋以穩(wěn)定Q

點；(2)

利用熱敏元件補償放大器的零漂；圖31利用熱敏元件補償零漂R2R1+VCC+

VT2+

RcVT1uIuOiC1ReRuB1(3)

采用差分放大電路。三、變壓器耦合選擇恰當?shù)淖儽?，可在負載上得到盡可能大的輸出功率。圖32變壓器耦合放大電路第二級VT2、VT3組成推挽式放大電路，信號正負半周VT2、VT3

輪流導電。優(yōu)點：(1)

能實現(xiàn)阻抗變換；(2)

靜態(tài)工作點互相獨立。缺點：(1)

變壓器笨重；(2)

無法集成化；(3)

直流和緩慢變化信號不能通過變壓器。三種耦合方式的比較阻容耦合直接耦合變壓器耦合特點各級工作點互不影響；結(jié)構(gòu)簡單能放大緩慢變化的信號或直流成分的變化；適合集成化有阻抗變換作用；各級直流通路互相隔離。存在問題

不能反應直流成分的變化，不適合集成化有零點漂移現(xiàn)象；各級工作點互相影響不能反應直流成分的變化；不適合放大緩慢變化的信號；不適合集成化適合場合分立元件交流放大電路集成放大電路，直流放大電路低頻功率放大，調(diào)諧放大4.7.2多級放大電路的電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻一、電壓放大倍數(shù)總電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積，即其中，n