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第二章放大电路分析基础 2 1放大电路工作原理2 2放大电路的直流工作状态2 3放大电路的动态分析2 4静态工作点的稳定及其偏置电路2 5多级放大电路 电子课件二 2 1放大电路工作原理 2 1 1电路的组成原理 图2 1共发射极基本放大电路 1 为保证三极管V工作在放大区 发射结必须正向运用 集电结必须反向运用 图中Rb UBB即保证e结正向运用 Rc UCC保证c结反向运用 2 图中Rs为信号源内阻 Us为信号源电压 Ui为放大器输入信号 电容C1为耦合电容 其作用是 使交流信号顺利通过加至放大器输入端 同时隔直流 使信号源与放大器无直流联系 C1一般选用容量大的电解电容 它是有极性的 使用时 它的正极与电路的直流正极相连 不能接反 C2的作用与C1相似 使交流信号能顺利传送至负载 同时 使放大器与负载之间无直流联系 图2 2单电源共发射极放大电路 2 1 2直流通路和交流通路 图2 2电路的直流通路和交流通路可画成如图2 3 a b 所示 图2 3基本共e极电路的交 直流通路 放大电路的分析主要包含两个部分 直流分析 又称为静态分析 用于求出电路的直流工作状态 即基极直流电流IB 集电极直流电流IC 集电极与发射极间直流电压UCE 交流分析 又称动态分析 用来求出电压放大倍数 输入电阻和输出电阻三项性能指标 2 2放大电路的直流工作状态 2 2 1解析法确定静态工作点由图2 3 a 所示 首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ 硅管 锗管 根据三极管各极电流关系 可求出静态工作点的集电极电流ICQ 再根据集电极输出回路可求出UCEQ 例1 估算图2 2放大电路的静态工作点 设UCC 12V Rc 3k Rb 280k 解根据公式 2 1 2 3 2 4 得 2 2 2图解法确定静态工作点 将图2 3 a 直流通路改画成图2 4 a 由图a b两端向左看 其iC uCE关系由三极管的输出特性曲线确定 如图2 4 b 所示 由图a b两端向右看 其iC uCE关系由回路的电压方程表示 uCE UCC iCRc uCE与iC是线性关系 只需确定两点即可 图2 4静态工作点的图解法 由上可得出用图解法求Q点的步骤 1 在输出特性曲线所在坐标中 按直流负载线方程uCE UCC iCRc 作出直流负载线 2 由基极回路求出IBQ 3 找出iB IBQ这一条输出特性曲线 与直流负载线的交点即为Q点 读出Q点坐标的电流 电压值即为所求 例2 如图2 5 a 所示电路 已知Rb 280k Rc 3k UCC 12V 三极管的输出特性曲线如图2 5 b 所示 试用图解法确定静态工作点 图2 5例2电路图 解首先写出直流负载方程 并作出直流负载线 然后 由基极输入回路 计算IBQ 直流负载线与iB IBQ 40 A这一条特性曲线的交点 即为Q点 从图上查出IBQ 40 A ICQ 2mA UCEQ 6V 与例1结果一致 2 2 3电路参数对静态工作点的影响 1 Rb对Q点的影响 图2 6电路参数对Q点的影响 Rb增大 IBQ减小 Q点沿直流负载线下移 Rb减小 IBQ增大 Q点沿直流负载线上移 如图2 6 a 所示 2 Rc对Q点的影响 Rc的变化 仅改变直流负载线的N点 即仅改变直流负载线的斜率 Rc减小 N点上升 直流负载线变陡 工作点沿iB IBQ这一条特性曲线右移 Rc增大 N点下降 直流负载线变平坦 工作点沿iB IBQ这一条特性曲线向左移 如图2 6 b 所示 3 UCC对Q点的影响UCC的变化不仅影响IBQ 还影响直流负载线 因此 UCC对Q点的影响较复杂 UCC上升 IBQ增大 同时直流负载线M点和N点同时增大 故直流负载线平行上移 所以工作点向右上方移动 UCC下降 IBQ下降 同时直流负载线平行下移 所以工作点向左下方移动 如图2 6 c 所示 实际调试中 主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点 而很少通过改变UCC来改变工作点 2 3放大电路的动态分析 2 3 1图解法分析动态特性1 交流负载线的作法 图2 7交流负载线的画法 交流负载线具有如下两个特点 1 交流负载线必通过静态工作点 因为当输入信号ui的瞬时值为零时 如忽略电容C1和C2的影响 则电路状态和静态时相同 2 另一特点是交流负载线的斜率由表示 过Q点 作一条的直线 就是交流负载线 具体作法如下 首先作一条的辅助线 此线有无数条 然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负载线 如图2 7所示 由于 故一般情况下交流负载线比直流负载线陡 交流负载线也可以通过求出在uCE坐标的截距 再与Q点相连即可得到 连接Q点和点即为交流负载线 例3 作出图2 5 a 的交流负载线 已知特性曲线如图2 5 b 所示 UCC 12V Rc 3k RL 3k Rb 280k 解首先作出直流负载线 求出Q点 如例2所示 为方便将图2 5 b 重画于图2 8 显然作一条辅助线 使其取 U 6V I 4mA 连接该两点即为交流负载线的辅助线 过Q点作辅助线的平行线 即为交流负载线 可以看出相一致 与按 相一致 图2 8例3中交流负载线的画法 2 交流波形的画法 表2 1 仍以例3为例 设输入加交流信号电压为ui Uimsin t 则基极电流将在IBQ上叠加进ib 即iB IBQ Ibmsin t 如电路使Ibm 20 A 则 图2 9基极 集电极电流和电压波形 2 3 2放大电路的非线性失真 1 由三极管特性曲线非线性引起的失真 图2 10三极管特性的非线性引起的失真 2 工作点不合适引起的失真 图2 11静态工作点不合适产生的非线性失真 放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax或峰 峰值Up p 最大不失真输出电压是指 当工作状态已定的前提下 逐渐增大输入信号 三极管尚未进入截止或饱和时 输出所能获得的最大不失真输出电压 如ui增大首先进入饱和区 则最大不失真输出电压受饱和区限制 Ucem UCEQ Uces 如首先进入截止区 则最大不失真输出电压受截止区限制 Ucem ICQ R 最大不失真输出电压值 选取其中小的一个 如图2 12所示 所以 3 输入信号幅值过大会引起双向失真 图2 12最大不失真输出电压 关于图解法分析动态特性的步骤归纳如下 1 首先作出直流负载线 求出静态工作点Q 2 作出交流负载线 根据要求从交流负载线可画出输出电流 电压波形 或求出最大不失真输出电压值 2 3 3微变等效电路法 1 三极管的h参数微变等效电路 三极管处于共e极状态时 输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示 输入特性 输出特性 式中iB iC uBE uCE代表各电量的总瞬时值 为直流分量和交流瞬时值之和 即 用全微分形式表示uBE和iC 则有 2 8 2 9 令 则 2 8 2 9 式可写成 2 14 2 15 则式 2 14 2 15 可改写成 2 16 2 17 图2 13完整的h参数等效电路 2 h参数的意义和求法三极管输出交流短路时的输入电阻 也可写成hie 三极管输入交流开路时的电压反馈系数 也可写成hre 三极管输出交流短路时的电流放大系数 也可写成hfe 三极管输入交流开路时的输出导纳 也可写成hoe 图2 14从特性曲线上求出h参数 由于h12 h22是uCE变化通过基区宽度变化对iC及uBE的影响 一般这个影响很小 所以可忽略不计 这样 2 16 2 17 式又可简化为 图2 15简化等效电路 图2 16rbe估算等效电路 2 3 4三种基本组态放大电路的分析 放大电路的性能指标 1 电压放大倍数Au 2 电流放大倍数Ai 3 功率放大倍数Ap 4 输入电阻ri 5 输出电阻ro 图2 17ro测量原理图 实际中 也可通过实验方法测得ro 测量原理图如图2 17所示 第一步令RL 时 测出放大器开路电压Uo 第二步接入RL 测得相应电压为Uo 而 2 共e极放大电路 图2 18共e极放大电路及其微变等效电路 1 电压放大倍数 2 电流放大倍数 由等效电路图2 18 b 可得Ii Ib Io Ic Ib 则 考虑Rb的作用 电流在输入端存在分流关系 考虑负载Rc RL的影响 电流在输出端也存在一个分流关系 3 输入电阻ri 由图2 18 b 可直接看出ri Rb ri 式中 由于Ui Ibrbe 所以ri rbe 当Rb rbe时 则 ri Rb rbe rbe 4 输出电阻ro 由于当Us 0时 Ib 0 从而受控源 Ib 0 因此可直接得出ro Rc 注意 因ro常用来考虑带负载RL的能力 所以 求ro时不应含RL 应将其断开 5 源电压放大倍数 3 共c极放大电路 图2 19共c极放大电路及其微变等效电路 1 电压放大倍数 2 电流放大倍数 3 输入电阻ri 共c极放大电路输入电阻高 这是共c极电路的特点之一 4 输出电阻ro 图2 20求ro等效电路 则 综上所述 共c极放大电路是一个具有高输入电阻 低输出电阻 电压增益近似为1的放大电路 所以共c极放大电路可用来作输入级 输出级 也可作为缓冲级 用来隔离它前后两级之间的相互影响 4 共b极放大电路 图2 21共b极放大电路及其微变等效电路 1 电压放大倍数 2 输入电阻ri 与共e极放大电路相比 其输入电阻减小到rbe 1 3 输出电阻ro 4 电流放大倍数 2 4静态工作点的稳定及其偏置电路 1 温度上升 反向饱和电流ICBO增加 穿透电流ICEO 1 ICBO也增加 反映在输出特性曲线上是使其上移 2 温度上升 发射结电压UBE下降 在外加电压和电阻不变的情况下 使基极电流IB上升 3 温度上升 使三极管的电流放大倍数 增大 使特性曲线间距增大 图2 22温度对Q点和输出波形的影响实线 20 时的特性曲线 虚线 50 时的特性曲线 图2 23电流反馈式偏置电路 1 要保持基极电位UB恒定 使它与IB无关 由图2 23可得 此式说明UB与晶体管无关 不随温度变化而改变 故UB可认为恒定不变 2 40 2 41 2 由于IE UE Re 所以要稳定工作点 应使UE恒定 不受UBE的影响 因此要求满足条件 稳定工作点的过程可表示如下 2 42 2 43 实际中公式 2 40 2 42 满足如下关系 对硅管 UB 3 5V 锗管 UB 1 3V 对图2 23所示静态工作点 可按下述公式进行估算 如要精确计算 应按戴维宁定理 将基极回路对直流等效为 如图2 24所示 然后按下式计算直流工作状态 图2 24利用戴维宁定理后的等效电路 图2 25图2 23的微变等效电路 图2 23的动态分析如下所述 1 电压放大倍数 2 输入电阻ri 由图2 25可得 3 输出电阻ro 例4 设图2 23中UCC 24V Rb1 20k Rb2 60k Re 1 8k Rc 33k 50 UBE 0 7V 求其静态工作点 2 5多级放大电路 2 5 1多级放大电路的耦合方式常用的耦合方式有三种 即阻容耦合 直接耦合和变压器耦合 1 多级放大电路的组成 图2 29多级放大电路组成的方框图 信号源 中间级 输出级 负载 输入级 多级放大电路 2 阻容耦合 图2 30阻容耦合放大电路 图2 31直接耦合放大电路 3 直接耦合 图2 32直接耦合方式实例 4 变压器耦合 图2 33变压器耦合放大电路 2 5 2多级放大电路的指标计算1 电压放大倍数 由于 则上式可写成 加以推广到n级放大器 图2 34三级阻容耦合放大电路 图2 35考虑前后级相互影响 2 输入电阻和输出电阻一般说来 多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻 而输出电阻就是输出级的输出电阻 由于多级放大电路的放大倍数为各级放大倍数的乘积 所以 在设计多级放大电路的输入级和输出级时 主要考虑输入电阻和输出电阻的要求 而放大倍数的要求由中间级完成 具体计算输入电阻和输出电阻时 可直接利用已有的公式 但要注意 有的电路形式 要考虑后级对输入级电阻的影响和前一级对输出电阻的影响 例6 图2 36为三级放大电路 图