放大电路大综合——史上最全的放大电路介绍

三极管 三极管最基本的作用是放大作用 它可以把微弱的电信号变成一定强度的 信号 当然这种转换仍然遵循能量守恒 它只是把电源的能量转换成信号的能 量罢了 三极管有一个重要参数就是电流放大系数 当三极管的基极上加一 个微小的电流时 在集电极上可以得到一个是注入电流 倍的电流 即集电极 电流 集电极电流随基极电流的变化而变化 并且基极电流很小的变化可以引 起集电极电流很大的变化 这就是三极管的放大作用 利用其放大作用 三极管还可以作电子开关 配合其它元件还可以构成振 荡器 三极管在放大信号时 首先要进入导通状态 即要先建立合适的静态工作 点 也叫建立偏置 否则会放大失真 在三极管的集电极与电源之间接一个电阻 可将电流放大转换成电压放大 当基极电压 UB 升高时 IB 变大 IC 也变大 IC 在集电极电阻 RC 的压降也越 大 所以三极管集电极电压 UC 会降低 且 UB 越高 UC 就越低 UC UB 三极管的工作原理三极管的工作原理 三极管是电流放大器件 有三个极 分别叫做集电极 C 基极 B 发射极 E 分成 NPN 和 PNP 两种 我们仅以 NPN 三极管的共发射极放大电路为例来说明 一下三极管放大电路的基本原理 一 电流放大一 电流放大 下面的分析仅对于 NPN 型硅三极管 如上图所示 我们把从基极 B 流至发 射极 E 的电流叫做基极电流 Ib 把从集电极 C 流至发射极 E 的电流叫做集电极 电流 Ic 这两个电流的方向都是流出发射极的 所以发射极 E 上就用了一个箭 头来表示电流的方向 三极管的放大作用就是 集电极电流受基极电流的控制 假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话 并且基极电流很小的变化 会引起集电极电流很大的变化 且变化满足一定的比例关系 集电极电流的变 化量是基极电流变 化量的 倍 即电流变化被放大了 倍 所以我们把 叫做三极管的放大倍数 一般远大于 1 例如几十 几百 如果我们将一 个变化的小信号加到基极跟发射 极之间 这就会引起基极电流 Ib 的变化 Ib 的变化被放大后 导致了 Ic 很大的变化 如果集电极电流 Ic 是流过一个电阻 R 的 那么根据电压计算公式 U R I 可以算得 这电阻上电压就会发生很大的 变化 我们将这个电阻上的电压取出来 就得到了放大后的电压信号了 二 偏置电路二 偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时 还需要加合适的偏置电路 这有几个 原因 首先是由于三极管 BE 结的非线性 相当于一个二极管 基极电流必须 在输入电压 大到一定程度后才能产生 对于硅管 常取 0 7V 当基极与发 射极之间的电压小于 0 7V 时 基极电流就可以认为是 0 但实际中要放大的信 号往往远比 0 7V 要小 如果不加偏置的话 这么小的信号就不足以引起基极 电流的改变 因为小于 0 7V 时 基极电流都是 0 如果我们事先在三极管的 基极上加上一 个合适的电流 叫做偏置电流 上图中那个电阻 Rb 就是用来提 供这个电流的 所以它被叫做基极偏置电阻 那么当一个小信号跟这个偏置 电流叠加在一起时 小 信号就会导致基极电流的变化 而基极电流的变化 就 会被放大并在集电极上输出 另一个原因就是输出信号范围的要求 如果没有 加偏置 那么只有对那些增加的 信号放大 而对减小的信号无效 因为没有偏 置时集电极电流为 0 不能再减小了 而加上偏置 事先让集电极有一定的 电流 当输入的基极电流变小时 集电极 电流就可以减小 当输入的基极电流 增大时 集电极电流就增大 这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了 三 开关作用三 开关作用 下面说说三极管的饱和情况 像上面那样的图 因为受到电阻 Rc 的限制 Rc 是固定值 那么最大电流为 U Rc 其中 U 为电源电压 集电极电流是不 能无限增加下去的 当基极电流的增大 不能使集电极电流继续增大 时 三极 管就进入了饱和状态 一般判断三极管是否饱和的准则是 Ib Ic 进入饱 和状态之后 三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小 可以理解为 一个开 关闭合了 这样我们就可以拿三极管来当作开关使用 当基极电流为 0 时 三 极管集电极电流为 0 这叫做三极管截止 相当于开关断开 当基极电流很 大 以至于三极管饱和时 相当于开关闭合 如果三极管主要工作在截止和饱 和状态 那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管 四 工作状态四 工作状态 如果我们在上面这个图中 将电阻 Rc 换成一个灯泡 那么当基极电流为 0 时 集电极电流为 0 灯泡灭 如果基极电流比较大时 大于流过灯泡的电流 除以三极管 的放大倍数 三极管就饱和 相当于开关闭合 灯泡就亮了 由于控制电流只需要比灯泡电流的 分之一大一点就行了 所以就可以用一个 小电流来控制一个大电流的通 断 如果基极电流从 0 慢慢增加 那么灯泡的亮 度也会随着增加 在三极管未饱和之前 对于 PNP 型三极管 分析方法类似 不同的地方就是电流方向跟 NPN 的刚 好相反 因此发射极上面那个箭头方向也反了过来 变成朝里的了 2 1 放大电路的基本概念和放大电路的主要性能指标 2 1 1 放大的概念 基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路 1 放大电路主要用于放大微弱信号 输出电压或电流在幅度上得到了放大 输出信号的能量得到了加强 2 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的 只是经过三极管的控制 使之转换成信号能量 提供给负载 放大电路的结构示意图见图 放大概念示意图 2 1 2 放大电路的性能指标 1 放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大 所以输出功率也会有所放大 对 放大电路而言有电压放大倍数 电流放大倍数和功率放大倍数 它们通常都是 按正弦量定义的 放大倍数定义式中各有关量如图所示 放大倍数的定义 电压放大倍数定义为 01 03 i o VVAv 电流放大倍数定义为 02 03 i o IIAi 功率放大倍数定义为 03 03 i i o oio IVIVPPAp 2 输入电阻 Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数 Ri大 放大电路 从信号源吸取的电流则小 反之则大 Ri的定义见图和式 03 04 04 03 i ii IVR 输入电阻的定义 3 输出电阻 Ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力 Ro大 表明放大电路带负载的能 力差 反之则强 Ro的定义见图和式 03 05 05 03 o oo IVR 图 a 是从输出端加假想电源求 Ro 图 b 是通过放大电路负载特性曲线求 Ro a 从输出端求 Vo b 从负载特性曲线求 输出电阻的定义 根据图 03 04 b 在带 RL时 测得 开路时输出为 根据式 oo I V o V 03 05 有 06 03 1 Loo oLoooooooo RVV VRVVIVVIVR 注意 放大倍数 输入电阻 输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数 只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义 4 通频带 放大电路的增益 A f 是频率的函数 在低频段和高频段放大倍数通常都要 下降 当 A f 下降到中频电压放大倍数 A0的时 即 2 1 A fL A fH 03 07 O 0 7 0 2 A A 相应的频率 fL称为下限频率 fH称为上限频率 如图 03 05 所示 图 03 05 通频带的定义 2 2 基本共射放大电路的工作原理 2 2 1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用基本共射放大电路的组成及各元件的作用 1 共射组态基本放大电路 图 共射组态交流基本放大电路 基本组成如下 三 极 管 T 起放大作用 负载电阻 RC RL 将变化的集电极电流转换为电压输出 偏置电路 VCC Rb 使三极管工作在线性区 耦合电容 C1 C2 输入电容 C1 保证信号加到发射结 不影响发射结偏 置 输出电容 C2 保证信号输送到负载 不影响集电结偏置 2 静态和动态 静态 时 放大电路的工作状态 也称直流工作状态 0 i v 动态 时 放大电路的工作状态 也称交流工作状态 0 i v 放大电路建立正确的静态 是保证动态工作的前提 分析放大电路必须要 正确地区分静态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 2 2 2 设置表态工作点的必要性设置表态工作点的必要性 2 2 3 基本放大电路的工作原理及波形分析基本放大电路的工作原理及波形分析 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结 于是有下列过程 o 2 Ccc b cbbe 1 i v c vRiiiiv c v 2 2 4 放大电路的组成原则放大电路的组成原则 2 3 放大电路的分析方法 2 3 1 直流通路和交流通路直流通路和交流通路 放大电路的直流通路和交流通路如图中 a b 所示 直流通路 即能通过直流的通路 从 C B E 向外看 有直流负载电阻 Rc Rb 交流通路 即能通过交流的电路通路 如从 C B E 向外看 有等效的交 流负载电阻 Rc RL Rb 直流电源和耦合电容对交流相当于短路 因为按迭加原理 交流电流流过 直流电源时 没有压降 设 C1 C2 足够大 对信号而言 其上的交流压降近 似为零 在交流通路中 可将耦合电容短路 a 直流通路 b 交流通路 基本放大电路的直流通路和交流通路 2 3 2 图解法 放大电路的静态分析有计算法和图解分析法两种 1 静态工作状态的计算分析法 根据直流通路可对放大电路的静态进行计算 03 08 b BECC B R VV I IC IB 03 09 VCE VCC ICRc 03 10 三极管放大作用 变化的通过转 C i c R 变为变化的电压输出 IB IC和 VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点 用 Q 表示 在测试基本放大电路时 往往测量三个电极对地的电位 VB VE和 VC即可确 定三极管的工作状态 2 静态工作状态的图解分析法 放大电路静态工作状态的图解分析如图所示 图 放大电路静态工作状态的图解分析 直流负载线的确定方法 1 由直流负载列出方程式 VCE VCC ICRc 2 在输出特性曲线 X 轴及 Y 轴上确定两个特殊点 VCC 和 VCC Rc 即可 画出直流负载线 3 在输入回路列方程式 VBE VCC IBRb 4 在输入特性曲线上 作出输入负载线 两线的交点即是 Q 5 得到 Q 点的参数 IBQ ICQ和 VCEQ 例 例 测量三极管三个电极对地电位如图所示 试判断三极管的工作状态 三极管工作状态判断 例 3 2 用数字电压表测得 VB 4 5 V VE 3 8 V VC 8 V 试判断三极管的工 作状态 电路如图所示 电路图 3 放大电路的动态图解分析 交流负载线 交流负载线确定方法 1 通过输出特性曲线上的 Q 点做一条直线 其斜率为 1 RL 2 RL RL Rc 是交流负载电阻 3 交流负载线是有交流输入信号时 工作点 Q 的运动轨迹 4 交流负载线与直流负载线相交 通过 Q 点 放大电路的动态工作状态的图解分析 4 交流工作状态的图解分析 通过图所示动态图解分析 可得出如下结论 1 vi vBE iB iC vCE vo 2 vo与 vi相位相反 3 可以测量出放大电路的电压放大倍数 4 可以确定最大不失真输出幅度 5 最大不失真输出幅度 波形的失真 饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性 失真 截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性 失真 动画 3 2 示波器图形 a 截止失真 b 饱和失真 放大器的截止失真和饱和失真 动画 3 3 放大电路的最大不失真输出幅度 放大电路要想获得大的不失真输出幅度 需要 1 工作点 Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位 2 要有合适的交流负载线 共射组态基本放大电路微变等效电路分析法 1 共射组态基本放大电路 共发射极交流基本放大电路如图所示 Rb1和 Rb2系偏置电阻 C1是耦合电容 将输入信号 vi耦合到三极管的基极 Rc是集电极负载电阻 Re是发射极电阻 Ce是 Re的旁路电容 C2是耦合电容 将集电极的信号耦合到负载电阻 RL上 Rb1 Rb2 Rc和 Re处于直流通路中 如图 03 20 b RC RL相并联 处于 输出回路的交流通路之中 a 共射基本放大电路 动画 3 5 b h 参数微变等效电路 动画 3 6 共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路 2 直流计算 图 03 20 电路的直流通路如图 03 21 a 所示 用戴维宁定理进行变换后如图 03 21 b 所示 因此静态计算如下 IB VCC VBE Rb 1 Re 03 12 VCC VCC Rb2 Rb1 Rb2 03 13 Rb Rb1 Rb2 03 14 IC IB VC VCC ICRc VCE VCC ICRc IERe VCC IC Rc Re 03 15 a 直流通路 b 用戴维定理进行变换 基本放大电路的直流通路 3 交流计算 根据图 03 20 b 的微变等效电路 有 E bb be be i b mV 26 1 Irr rVI b c II L b L c o RIRIV RL Rc RL 电压放大倍数 Av Av RL rbe 03 16 io V V 输入电阻 Ri Ri ii IV rbe Rb1 Rb2 rbe rbb 1 26 mV IE 300 1 26 mV IE 03 17 根据图 03 04 a 求输出电阻的原理 应将图 03 20 b 微变等效电路的输入端 短路 将负载开路 在输出端加一个等效的输出电压 于是输出电阻 Ro Ro rce Rc Rc 03 18 2 4 放大电路静态工作点的稳定 2 4 1 静态工作点的稳定的必要性 三极管是一种对温度十分敏感的元件 温度变化对管子参数的影响主要表现有 1 UBE 改变 UBE 的温度系数约为 2 mV C 即温度每升高 1 C UBE 约下 降 2mV 2 改变 温度每升高 1 C 值约增加 0 5 1 温度系数分散性较大 3 ICBO 改变 温度每升高 10 C ICBQ大致将增加一倍 说明 ICBQ将随温度按指数 规律上升 结论 温度升高将导致结论 温度升高将导致 IC 增大 增大 Q 上移 波形容易失真 上移 波形容易失真 2 4 2 典型的静态 工作点稳定电路 稳定稳定 Q 点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使点常引入直流负反馈或温度补偿的方法使 IBQ在温度变化时与在温度变化时与 ICQ产生产生 相反的变化 相反的变化 2 4 3 稳定静态工作点的措施 复习 1 如何用图解法求静态工作点 用解析式求基极电流 作直线 UCEQ VCC ICQRc与 BJT 输出特性曲线的交点 2 NPN 管共射放大电路 Q 点设置太低 输出电压将会如何 如何调节 3 直流通路 交流通路如何绘制 4 BJT 的 h 参数等效模型如何 基射极等效电阻如何计算 5 共射放大电路静态 动态分析包括哪些参数 6 为什么要稳定静态工作点 如何稳定 2 5 晶体管单管放大电路的三种基本接法 2 5 1 基本共集放大电路 共集组态基本放大电路如图所示 其直流工作状态和动态分析如下 a 共集组态放大电路 b CC 放大电路直流通 路 共集组态放大电路及其直流通路 1 直流分析 将共集组态基本放大电路的直流通路画于图 03 22 b 之中 于是有 IB VCC VBE Rb 1 Re IC IB VCE VCC IERe VCC ICRe 2 5 2 基本共基放大电路 共基组态放大电路如图所示 其直流通路如图所示 共基组态放大电路 共基放大电路的直流通路 1 直流分析 与共射组态相同 2 交流分析 共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图所示 CB 组态微变等效电路 电压放大倍数 Av RL rbeio VV 输入电阻 Ri rbe 1 Re rbe 1 03 22 ii IV 输出电阻 Ro Rc 例题演示 2 6 晶体管基本放大电路的派生电路 2 6 1 复合管放大电路 2 6 2 共射 共基放大电路 2 6 3 共集 共基放大电路 场效应三极管放大电路的分析方法场效应三极管放大电路的分析方法 1 共源组态基本放大电路 2 共漏组态基本放大电路 3 共栅组态基本放大电路 4 三种组态基本放大电路的比较 共源组态基本放大电路共源组态基本放大电路 对于采用场效应三极管的共源基本放大电路 可以与共射 组态接法的基本放大电路相对应 只不过场效应三极管是电压 控制电流源 即 VCCS 共源组态的基本放大电路如图所示 比较共源和共射放大电路 它们只是在偏置电路和受控源 的类型上有所不同 只要将微变等效电路画出 就是一个解电 路的问题了 1 1 直流分析直流分析 将共源基本放大电路的直流通道画出 如图所示 可写出下列方程 VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VGSQ VG VS VG IDQR IDQ IDSS 1 VGSQ VGS off 2 VDSQ VDD IDQ Rd R 于是可以解出VGSQ IDQ和VDSQ 2 2 交流分析交流分析 画出电路的微变等效电路 如图 图图03 30 微微变变等等效效电电路路 与双极型三极管相比 输入电阻无穷大 相当开路 VCCS 的电 流源还并联了一个输出电阻rds 在双极型三极管的简化模型中 因输出电阻很大视为开路 在此可暂时保留 其它部分与双极 型三极管放大电路情况一样 电压放大倍数电压放大倍数 LddsL Lm gs Lddsgsm Lddsgsmo RRrR Rg V RRrVg A RRrVgV v 输入电阻输入电阻 R V I RR i i i g1g2 输出电阻输出电阻 为计算放大电路的输出电阻 可按双口网络计算原则将放大电 路画成下图的形式 将负载电阻RL开路 并想象在输出端加一个电源 将输 入电压信号源短路 但保留内阻 然后计算 于是 交流参数归纳如下 电压放大倍数 Lm i o Rg V V Av 输入电阻 Ri Rg1 Rg2 或 Ri Rg Rg1 Rg2 输出电阻 ddsd o o o RrR I V R ddsooo RrIVR 共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路 共漏组态基本放大电路如图所示 1 1 直流分析直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图之中 于是有 VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VGSQ VG VS VG IDQR IDQ IDSS 1 VGSQ VGS off 2 VDSQ VDD IDQR 由此可以解出VGSQ IDQ和VDSQ 2 2 交流分析交流分析 将上图的 CD 放大电路的微变等效电路画出 如下图所示 电压放大倍数电压放大倍数 比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式 分子都是 gmR L 分母对共源放大电路是 1 对共漏放大电路是 1 gmR L 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 计算输出电阻的原则与其它组态相同 将上图改画为下图 求输出电阻的微变等效电路 g2g1gi RRRR mmmds ds mds o o o gsomdsogsm ds o o 1 1 1 1 1 g R Rg R grR rR grR I V R VVgrRVVg rR V I 交流参数归纳如下 电压放大倍数 Lm Lm i o 1 Rg Rg V V Av 输入电阻 Ri Rg Rg1 Rg2 输出电阻 m mds o o o 1 1 g RgrR I V R 2 3 42 3 4 三种接法基本放大电路的比较三种接法基本放大电路的比较 三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 CE CB CC CS CG CD 电压放大倍数 Lm Lm Lm Lm CG 1 CD CS RgA Rg Rg A RgA v v v 三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 CE CB CC CS CG CD 三种基本放大电路的比较如下三种基本放大电路的比较如下 组态对应关系 CE CB CC CS CG CD 输出电阻Ro c s bbe