电工电子技术教学PPT三极管放大电路.ppt

电工电子技术 清华大学出版社 第6章三极管放大电路 项目一三极管放大电路分析项目二稳压电源的认识及应用 项目一三极管放大电路分析 任务一学习单管放大电路任务二学习放大电路的主要性能指标任务三学习放大电路的图解分析法任务四学习微变等效电路分析法动手做单管交流放大电路任务五学习多级放大电路 a 扩音机的功能框图 b 扩音机的结构框图 c 最简单的放大器 图6 1扩音机的功能 结构框图和简单放大器 扩音机 典型的信号放大电子设备常用的三极管放大电路还有哪些 是怎样实现信号放大的 项目引入 由一个晶体三极管实现 任务一学习单管放大电路 1 放大电路的组成2 放大电路中电压和电流符号的规定3 放大电路的工作原理 单管放大电路 a 放大电路方框图 b 电路原理图 图6 2单管放大电路 1 放大电路的组成 1 输入回路 给放大电路的输入端 三极管的发射结 提供一定频率和幅度的交流电压信号ube ui 电容c1 隔直通交 基极电源ubb和基极偏置电阻rb 给发射结提供正向偏置电压和偏置电流ib 使三极管有合适的静态工作点 2 输出回路 电源ucc 为输出信号提供能量 并通过rc给集电结提供反向偏置电压 使三极管处于放大状态 集电极电阻rc可将集电极电流的变化变换为电压的变化 以实现放大电路的电压放大 耦合电容c2与c1相似 负载rl为扬声器 继电器线圈等的交流阻抗 一般为几百至几千欧 3 三极管 放大电路的核心 具有电流放大作用 图6 3简化的单管放大电路 a 信号直接输入输出 b 变压器耦合信号输入输出 图6 4信号输入输出的其他形式 2放大电路中电压和电流符号的规定 表6 1放大电路中电压和电流的符号 3 放大电路的工作原理 若rb rc和vcc取合适的值 可使三极管工作在放大区域 发射结正偏 集电结反偏 无输入信号 即ui 0时放大器的工作状态称为静态 此时电路中只有直流分量 静态工作点 ibq icq uceq 图6 5放大器的直流通路 1 静态工作情况分析 根据基尔霍夫定律ibq vcc ubeq rb vcc rbuceq vcc icqrc由三极管的放大特性可知icq ibq由静态值 uceq ibq 和 uceq icq 可分别在输入特性曲线和输出特性曲线上确定出相应的静态工作点 硅管 0 7v 锗管 0 3v 图6 6放大电路各极电流电压波形 2 动态工作情况分析有交流信号输入 ui uimsin t ube ubeq uimsin t ib ibeq ibmsin t ic icq icmsin t uce vcc icrc vcc icq ic rc vcc icqrc icrc uceq icrc 因uce uceq uce故uo uce icrc uo icmrcsin t ib ibmsin t ic icmsin t 由于c2隔直通交作用 uce中的直流不能输出 则负载电阻rl上只有放大后的交流信号uce 即输出电压uo 即uo uce icrc icmrcsin t 输入ui时 ib ic ube和uce都是由静态直流分量和交流分量叠加而成 共射极放大电路的倒相作用 ib ic与ui相位相同 uo与ui的相位相反 放大电路工作原理实质 用微弱的信号电压ui通过三极管的基极控制三极管ic ic在rl上形成压降作为输出电压 而icq是直流电源ucc提供的 三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用 把直流电能转化成交流电能的功率 结论 想一想 晶体管工作在放大区时 发射结电压和集电结电压偏置情况怎样 任务二学习放大电路的主要性能指标 1 放大倍数 2 输入电阻 3 输出电阻 4 通频带 图6 7放大电路二端口网络示意图 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标 其值为输出量与输入量之比 用a表示 电压放大倍数au uo ui电流放大倍数ai io ii 功率放大倍数ap po pi 1 放大倍数 有效值 输入电阻ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻 定义为输入电压有效值ui和输入电流有效值ii之比ri越大 表明放大电路从信号源索取的电流越小 放大电路所得到的输入电压ui越接近信号源电压us 即信号源内阻上的电压越小 信号电压损失越小 如果信号源内阻rc为一常量 为了使输入电流大 些 则应使ri小一些 因此 放大电路输入电阻的大小要视需要而定 2 输入电阻 任何放大电路的输出电路都可以等效成一个有内阻的电压源 从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻ro ro的测量方法与求电池内阻的方法相同 空载时测得输出电压为uo 接入负载时的输出电压为uo 则有可求得当采用恒压源时 放大器的输出电阻越小越好 就如希望电池的内阻越小越好一样 可以增加输出电压的稳定性 即改善负荷性能 3 输出电阻 因为放大器中有电容元件 故对不同频率的交流信号有着不同的放大倍数 通常频率太高或太低放大倍数都要下降 只有对某一频率段放大倍数才较高且保持不变 图6 8放大器通频带 4 通频带 下限频率 上限频率 通频带 任务三学习放大电路的图解分析法 在三极管特性曲线上 用作图的方法来分析放大电路的工作情况 称为图解法 利用图解法分析电路的优点是直观且物理意义清楚 1 静态工作情况分析2 动态工作情况分析3 非线性失真 1 静态工作情况分析 由静态值 ubeq ibq 和 uceq icq 可分别在输入特性曲线和输出特性曲线上确定出相应的静态工作点q a 放大电路 b 静态工作点 图6 9放大电路直流图解分析 直流负载线 找出两个特殊点m 0 vcc 和n vcc rc 0 连接m n 直流负载线的斜率为静态工作点q ibq vcc ubeq rb vcc rb在输出特性曲线上 确定ib ibq的一条曲线 与直线m n的交点为静态工作点q 对应的静态值icq ibq uceq即求出 交流负载线 反映动态时电流与电压的变化关系 交流负载线斜率为当输入信号为零时 放大电路仍应工作在静态工作点q 可见交流负载线也要通过q点 直流负载线 反映静态时电流ic与电压uce的变化关系 比直流负载线陡 例6 1 求静态工作点 设 50rl 18k 解 1 作直流负载线当ic 0时 uce vcc 12v 即m 0 12 当uce 0时 ic vcc rc 3 3ma即n 3 3 0 将m n连接 直线mn即为直流负载线 2 求静态电流ibq 40 a的输出特性曲线与直流负载线mn交与q 6 2 即静态值为ibq 40 a icq 2ma uceq 6v 2 动态工作情况分析 设输入信号ui 0 02sin tv 则晶体三极管发射结上的总电压ube ubeq ui 0 7 0 02sin t 在0 68 0 72v之间变化 由于晶体三极管工作在输入特性曲线的线性区 随着ube的变化 工作点沿着q q1 q q2 q往复变化 故ib随ui按正弦规律变化 变化范围为20 60 a之间 即ib 20sin t a 1 由输入特性曲线找ib的变化规律 当ib在20 60 a之间变化时 在输出特性上 三极管即工作在20 60 a之间 输出端开路时 晶体三极管外部电路ic与uce的关系为uce vcc icrc 其变化轨迹与直流负载线重合 2 由输出特性曲线找ic和uce的变化规律 在ib 20 a时 三极管工作于q2点 ib 60 a时 工作于q1点 随着ui的变化 工作点仍沿着q q1 q q2 q的轨迹往复变化 这就找到了ic与uce的变化规律 ic在1 3ma间变化 ic在1 3ma之间变化ic sin tma q1到q2之间为动态工作范围 ic sin tmauce在3 9v之间变化uo uce 3sin t 此时 放大电路对输入信号ui的电压放大倍数为 2 由输出特性曲线找ic和uce的变化规律 图6 10三极管交流图解分析 3 非线性失真 非线性失真 当电路静态工作点设置不合适或者信号太大 超出了晶体管特性曲线上的线性范围时 电路出现失真现象 q1为静态工作点 截止失真 由于其位置过低 即使输入的是正弦电压 但在它的负半周 晶体管进入截止区工作 ib的负半周和uce的正半周被削平 出现失真 因为这是晶体管的截止引起的 q2为静态工作点 饱和失真 因其位置太高 ui在的正半周期 晶体管进入饱和区工作 此时ib虽然正常 但ic的正半周和uce的负半周出现失真 这种失真是因为三极管进入饱和引起的 任务四学习微变等效电路分析法 当输入交流信号足够小时 通常用微变等效电路法进行分析 1 三极管微变等效电路2 放大电路的微变等效电路 1 输入端等效如果输入信号很小 可认为三极管在静态工作点附近的工作段是线性的uce为常数的条件下 当晶体管在静态工作点上叠加一个交流信号时 有输入电压的微小变化量 ube以及相应的基极电流变化量 ib 从b e看进去三极管就是一个线性电阻即为晶体管的交流 或动态 输入电阻rbe低频小功率管的输入电阻 1 三极管微变等效电路 射极静态电流 温度电压当量 2 输出端等效在小范围内 可以认为曲线间相互平行 间隔均匀 且与轴线平行 uce为常数的条件下 当基极电流有一增量 ib时 由于ib对ic的控制作用 ic必产生更大的增量 ic1 ib表明 从晶体管输出端c e看进去的电路可以用一个大小为 ib或 ib的受控源来等效 其中 rce为晶体管输出电阻 有 rce是由于输出特性曲线不平坦所致 即uce增大时ic也稍有增大 当输出特性曲线较平坦时 rce很大 可认为是 可将图6 13 b 中的rce开路 图6 13三极管的微变等效电路 根据放大电路的交流通路和三极管的微变等效 可以得放大电路的微变等效电路 a 交流通路 b 微变等效电路 图6 14基本放大电路的交流通路及微变等效电路 2 放大电路的微变等效电路 假设在输入端输入正弦信号 图中电压表示为式中当负载开路时 1 放大电路电压放大倍数 放大电路对于信号源来说 是一个负载 可以用一个电阻来等效代替 这个电阻是信号源的负载电阻 也就是放大电路的输入电阻ri 即 3 放大电路的输出电阻输出电阻是由输出端向放大电路看进去的动态电阻 因rbe远大于rc 所以ro rc rce rc 2 放大电路的输入电阻 例6 2 在如图6 15 a 所示的电路中 若 50 ube 0 7v 试求 1 静态工作点参数ibq icq uceq uo的值 2 计算动态指标au ri ro的值 解 1 求静态工作点参数 画出微变等效电路 2 计算动态指标 想一想 交流放大电路中为什么要设置静态工作点 通常希望放大电路的输入电阻大一些还是小一些 为什么 输出电阻呢 为什么 动手做单管交流放大电路 预习要求 1 理解静态工作点的概念 电路参数对静态工作点的影响 静态工作点与波形失真的关系 2 回顾单管放大电路静态工作点的计算和分析方法 分析图6 16所示单管放大电路的工作原理 指出各元件的作用并说明元件值大小对放大器特性的影响 3 令 100 计算图6 16所示单管放大电路的静态工作点 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 4 分析电压放大倍数au 输出电压uo 负载rl的关系 一 实训目的 1 训练电子电路布线 安装等基本技能 能正确使用仪表对放大电路静态工作点 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻等进行测量 2 通过实训 进一步加深对单管交流放大电路工作原理的理解 3 观察静态工作点对放大电路工作性能的影响 熟悉放大电路静态工作点的调整与测试方法 4 测量交流放大电路的电压放大倍数 观察负载电阻变化时对电压放大倍数的影响 二 实训仪器与器件 三 实训内容 1 静态工作点的调整2 测量电压放大倍数au 并观察负载rl对au的影响3 观察静态工作的位置与波形失真的关系 四 注意事项 1 检查各元器件的参数是否正确 测量三极管的 值 2 按图6 16所示电路 在插座板上接线 安装完毕后 应认真检查接线是否正确 牢固 3 测静态工作点电压要用万用表直流挡 五 实训报告要求 1 整理测试数据 分析静态工作点au ri ro的测量值与理论估算值存在差异的原因 2 回答下列问题 静态工作点是否仅与rw有关 还与哪些参数和因素有关 负载电阻rl对au有何影响 还有其他因素影响au吗 改善波形失真可采取什么措施 任务五学习多级放大电路 1 多级放大电路的组成2 多级放大电路的增益3 差动放大电路 1 多级放大电路的组成 声控自动门装置用于汽车 电瓶车出入频繁的厂房车库大门的自动开关控制 在汽车行至距大门约30m处 驾驶员按喇叭声持续3s以上 大门自动打开 汽车进门延续数秒钟后 大门又自动关闭 对其他非喇叭声或小于持续3s的喇叭声响不起控制作用 多级放大电路中由三个单管 三极管 放大电路组成包括声电转换 前置放大级和选频放大级等部分 图6 17声控电路中的多级放大电路 图6 18多级放大电路的组成方框图根据信号源和负载性质的不同 对各级电路有不同要求 第一级称为输入级 或前置级 一般要求有尽可能高的输入电阻和低的静态工作电流 以减小输入级的噪声 中间级主要提高电压放大倍数 但级数过多易产生自激振荡 推动级 激励级 输出一定幅度信号推动功率放大电路工作 功率输出级则以一定功率驱动负载工作 对于n级电压放大电路 其总的放大倍数是各级电压放大倍数的乘积 即贝尔 bel 对电压放大倍数au取对数表示的单位分贝db 1db 10 1bel 增益 放大倍数用分贝单位表示衰减 当输出量小于输入量时 增益为负值用增益表示多级放大电路的总电压放大倍数时 可把各级电压放大倍数的乘积转化为各级放大电路的电压增益之和 即au每增加十倍 电压增益增加20db 2 多级放大电路的增益 3 差动放大电路 零漂 零点浮移 指放大器的输入信号为零时 输出不为零的观象 多级放大电路易出现零点浮移现象 差动放大电路 为抑制零漂 多级放大电路第一级的晶体管通常选用高质量的硅管 或利用二极管 热敏元件进行补偿 也成为集成运算放大器的基本组成单元 基本差动放大电路 输入信号由两个三极管的基极输入 输出电压取自两管的集电极 电路结构对称 两个三极管的特性及对应电阻元件参数相同 两管的静态工作点也必然相同 a 差放输入端加差模信号 b 差放输入端加共模信号 图6 19差动放大电路 输入信号由两个三极管的基极输入输出电压取自两管的集电极电路结构对称 两个三极管的特性及对应电阻元件参数相同 两管的静态工作点也必然相同 差模输入信号uid 大小相等而极性相反的两个输入信号 当输入信号uid直接加到放大电路的两个输入端时 由于电路对称 则两管输入分别为差模输入 uid1和uid2是差模信号 1 差模输入信号 共模输入信号uic 大小相等而极性相同的两个输入信号共模输入 将差动放大电路的两个三极管的温漂电压折合到输入端 由于电路对称 元件参数相同 就相当于在两个管子的输入端加上大小相等而极性相同的共模信号 抑制零漂能力 差动放大电路对共模信号没有放大能力 而是具有抑制共模信号的能力 2 共模输入信号 共模抑制比kcmr的表达式为或共模抑制比越大 差动放大电路对共模信号的抑制能力越强kcmr反映差动放大电路的质量在理想状态下 由于ac 0 所示kcmr 3 共模抑制比kcmr 单位为分贝 db 项目二稳压电源的认识及应用 任务一学习整流电路任务二学习滤波电路动手做整流滤波电路任务三学习稳压电路任务四学习具有放大环节的串联调整型稳压电路任务五学习集成稳压电路 问题的提出 日常生活中常用到直流稳压电源 如手机 复读机等 这些直流稳压电源是怎样工作的 怎样获得直流稳压电压 稳压电源的组成 直流稳压电源一般由变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路等四部分组成 变压器将常规的交流电压 220 380v 变换成所需要的交流电压 整流电路将交流电压变换成单方向脉动的直流压 滤波电路再将单方向脉动的直流电中所含的大部分交流成分滤掉 得到一个较平滑的直流电压 稳压电路用来消除由于电网电压波动 负载改变对其产生的影响 从而使输出电压稳定 任务一学习整流电路 1 单相半波整流电路 a 单相半波整流电路 b 电压 电流波形 u2正半周期时 va vb 二极管正向导通 rl上的电压为uo 电流为id u2负半周期时 va vb 二极管反向截止 rl上无电压 半波整流 在交流电一个周期内负载rl上只有半个周期导通 也就是整流电路仅利用了电源电压u2的半个波 单向脉动输出电压 常用一个周期的平均值来表示 即流过负载的平均电流为二极管截止时承受的最大反向电压为根据二极管最大平均整流电流if id和urm就可以选择合适的整流器件 图6 21单相桥式整流电路图 图6 22单相桥式整流电路波形图 2 单相桥式整流电路 在rl上输出电压平均值uo为流过负载的平均电流为整流二极管所承受的最大反向电压urm 变压器二次电压有效值 想一想 单相半波整流 全波整流及桥式整流电路中 流过每个二极管的平均电流相同吗 每个管子承受的反相电压相同吗 任务二学习滤波电路 滤波 利用电容和电感的电抗作用 滤掉整流后的交流成分 使输出的直流电平滑 并提高负载上电压的整流平均值 滤波电路一般由电容 电感及电阻元件等组成 a c型 b l型 c lc型 d rc 型 e lc 型 图6 23常用的滤波电路 桥式整流电容滤波电路 利用电容充放电作用使输出电压uo比较平滑图6 24桥式整流电容滤波电路直流 不能通过电容 xc 因容抗xc 1 2 fc交流 只要c足够大 如几百微法至几千微法 xc则很小 可看成短路 即被电容c旁路 流过rl的电流基本上是一个平滑的直流电流从电容的特性看 由于电容两端电压不能突变 故负载两端的电压也不会突变 因此使输出电压平滑 达到滤波目的 1 电容滤波电路 c型滤波 滤波过程及波形输出电压的大小与rl c有关 a rlc较大 b rlc较小 图6 25电容滤波电路rlc变化时的输出电压波形 不加滤波电容 加滤波电容 放电时间常数为越大 放电越慢 电压uo越高 滤波效果越好 通常为式中 t为电源电压的周期 t 2 此时桥式整流电容滤波电路输出电压的平均值为uo 1 2u2 决定着滤波效果 注意 滤波电容一般用电解电容 其正极接高电位 负极性接低电位 否则易击穿 爆裂 选二极管参数时 正向平均电流的参数应选大一些 因为开始时电容c上的电压为零 通电后电源经整流二极管给c充电 通电瞬间二极管流过短路电流 称浪涌电流 通常是正常工作电流io的 5 7 倍 总之 电容滤波电路比较简单 直流电压较高 纹波也较小 缺点是输出特性较差 适用于小电流的场合 电感电容滤波电路是利用电感线圈对交流电具有较大的阻抗 而对直流的电阻很小的特点 使输出脉动电压中的交流分量几乎全部降落在电感上经电容滤波 再次滤掉交流分量 得到较平滑的直流输出电压 lc滤波器适用于电流较大 负载变化较大的场合 图6 26电感电容滤波电路 2 电感电容滤波电路 lc t型滤波 型滤波电路 等效于先c滤波后 再经过l c滤波 型滤波电路的滤波效果比lc滤波器更好 输出电压也较高 但输出电流较小 带负载能力较差 图6 27 型lc滤波电路 3 复式 型滤波电路 lc 型滤波 任务三学习稳压电路 稳压 利用稳压管的稳压作用 使整流滤波后的输出电压保持恒定 无论是电网电压的波动 还是负载电阻的变化都会引起输出电压的不稳定 因此必须稳压 1 并联型稳压二极管稳压电路 1 设rl不变 电网电压升高使ui升高 导致uo升高 而uo uz 根据稳压管的特性 当uz升高一点时 iz将会显著增加 限流电阻r上压降增大 吸收了ui的增加部分 保持uo不变 反之亦然 2 设电网电压不变 rl阻值增大时 il减小 r上压降ur将会减小 由于uo uz ui ur 故uo升高 即uz升高 iz增加 由于流过限流电阻r的电流为ir iz il 可使r上的电流不变 导致压降ur基本不变 则uo也就保持不变 反之亦然 在实际使用中 这两个过程是同时存在的 而两种调整也同样存在 因而无论电网电压波动或负载变化 都能起到稳压作用 注意 稳压二极管的这种稳压调节能力是极有限的 它只适用负载电流变化小 一般为几十ma 稳压要求不高的场合 2 串联型晶体管稳压电路 并联型稳压电路 输出电流较小 输出电压不可调 不能满足多数场合下的应用 串联型稳压电路 以稳压管稳压电路为基础 利用晶体管的电流放大作用 增大负载电流 在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定 并且 通过改变反馈网络参数使输出电压可调 图6 33串联型晶体管稳压电路 只要调整ib可以控制uce的变化 负载电流最大变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳定电流之差 即 izmax izmin 因此扩大负载电流最简单的方法是利用晶体管的电流放大作用 将稳压管稳定电路的输出电流放大后 再作为负载电流电路采用射极输出形式 因而引入了电压负反馈 可以稳定输出电压 当电网电压上升引起ui上升ui uo ube ib uce uo 当负载rl电阻变小引起负载电流增大rl il uo ube ib uce uo 调整管 三极管vt起到了调整输出电压的作用基准电压 稳压二极管向调整管基极提供的稳定直流电压 稳压管vz的稳定电压uz不变 则ube下降 uz不变 ube上升 由稳压管稳压电路输出电流的分析可知晶体管基极电流的最大变化范围为 izmax izmin 由于晶体管的电流放大作用 负载电流的最大变化范围为 大大提高了负载电流的调节范围 输出电压为 串联型稳压电源 由于调整管与负载相串联线性稳压电源 由于调整管工作在线性区 任务四学习具有放大环节的串联调整型稳压电路 二极管稳压电路输出电压的数值是固定的 并且基本上是由稳压二极管的稳压值所决定的 基本串联型稳压电路虽然带负载能力得到了提高 但其稳压效果比用硅二极管稳压电路还要差一些 改进的办法是在稳压电路中引入放大环节 图6 34具有放大环节的串联调整型稳压电路 调整管 放大管 集电极电阻 vt2的作用是将电路输出电压的变化量和基准电压比较后进行放大 然后再送到调整管进行输出电压的调整 只要输出电压有一点微小的变化 就能引起调整管的uce1发生较大变化 提高了稳压电路的灵敏度 改善了稳压效果 取样电路 送到放大管vt2的基极 稳定的基准电压 图6 34具有放大环节的串联调整型稳压电路 调整管 放大管 集电极电阻 取样电路 稳定的基准电压 ui uo vb2 ube2 ib1 ic2 uc2 uo uce1 ic1 ube1 稳压原理 ube2 vb2 uz 可实现输出电压的调节 一个实用的串联调整型稳压电路至少包含调整管 基准电压电路 取样电路和比较放大电路四部分 其方框如图6 35所示 图6 35实用串联调整型稳压电源的方框图 任务五学习集成稳压电路 优点 分立元件的稳压电源 输出功率大 灵活 适用性强弱点 体积大 焊点多 调试麻烦和可靠性差 集成稳压器 随着电子电路集成化和功率集成技术的发展 稳压电源中的调整环节 放大环节 基准环节 取样环节和启动保护电路等全部集成在一块半导体硅片上而形成 目前用得最广泛的是串联调整式的三端集成稳压器 分为固定输