第2章电子技术基础

第二章基本放大器 2 2共发射极基本放大电路 2 3放大器工作点的稳定 2 4共集电极放大电路与共基极放大电路 2 5阻容耦合放大电路的频率特性 2 1放大电路的基本概念及性能指标 2 1放大电路的基本概念及性能指标 2 1 1放大电路概述 放大 把微弱的电信号的幅度放大 一个微弱的电信号通过放大器后 输出电压或电流的幅得到了放大 但它随时间变化的规律不能变 即不失真 2 1 2放大电路的主要性能指标 1 放大倍数 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求 放大器可分为四种类型 所以有四种放大倍数的定义 1 电压放大倍数定义为 Au uo ui 2 电流放大倍数定义为 Ai io ii 3 功率放大定义为 Ap po Pi 例 某交流放大器的输入电压是100mV 输入电流为0 5mA 输出电压为1V 输出电流为50mA 求该放大器的电压放大倍数 电流放大倍数和功率放大倍数 如果用分贝来表示 它们分别为多少 解 电压放大倍数 电流放大倍数 功率放大倍数 AP Ai Au 10 100 1000用分贝来表示则为 电压放大倍数 Au dB 20lg Au 20lg10 20dB 电流放大倍数 Ai dB 20lg Ai 20lg100 40dB 功率放大倍数 AP dB 10lg AP 10lg1000 30dB在用分贝计算电路放大倍数时 若出现负值则说明该电路不是放大器而是衰减器 2 输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 Ri ui ii 一般来说 Ri越大越好 1 Ri越大 ii就越小 从信号源索取的电流越小 2 当信号源有内阻时 Ri越大 ui就越接近uS 3 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 输出电阻是表明放大电路带负载能力的 Ro越小 放大电路带负载的能力越强 反之则差 输出电阻的定义 2 2共发射极基本放大电路 放大器的目的是将微弱的变化电信号转换为较强的电信号 放大器实现放大的条件 1 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 3 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压 经电容滤波只输出交流信号 共射极放大电路 1 晶体管V的作用 放大元件满足iC iB T应工作在放大区 即保证集电结反偏 发射结正偏 iB iC iE 2 2 1基本放大电路的组成 1 元件的作用 V 2 集电极电源UCC作用 共射极放大电路 集电极电源作用 是为电路提供能量 并保证集电结反偏 3 集电极负载电阻Rc作用 共射极放大电路 集电极电阻的作用是将变化的电流转变为变化的电压 4 基极电阻Rb的作用 Rb 共射极放大电路 基极电阻能提供适当的静态工作点 并保证发射结正偏 5 耦合电容C1和C2作用 1 隔直作用隔离输入 输出与电路的直流通道 2 交流耦合作用能使交流信号顺利通过 共射极放大电路 返回 2 电路中电压和电流符号的规定 1 直流分量 用大写字母和大写下标表示 如IB表示基极的直流电流 2 交流分量 用小写字母和小写下标表示 如ib表示基极的交流电流 3 瞬时值 是直流分量和交流分量之和 用小写字母和大写下标表示 如iB IB ib 即iB表示基极电流的总量 4 交流有效值 用大写字母小写下标表示 如Ib表示基极正弦交电流有效值 1 静态工作点 ui 0时电路的工作状态 2 2 2放大电路的静态分析 ui 0时 IC UBE UCE 由于 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点 所以称为静态工作点 为什么要设置静态工作点 放大电路建立正确的静态工作点 是为了使三极管工作在线性区 以保证信号不失真 画出放大电路的直流通路 2 静态工作点的估算 将交流电压源短路 将电容开路 直流通路的画法 画直流通路 Rb称为偏置电阻 IB称为偏置电流 1 用估算法分析放大器的静态工作点 IB UBE IC UCE IC IB 例 用估算法计算静态工作点 已知 VCC 12V RC 4K Rb 300K 37 5 解 请注意电路中IB和IC的数量级 2 用图解法分析放大器的静态工作点 UCE VCC ICRC 直流负载线 由估算法求出IB IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q IB 静态UCE 静态IC 1 交流放大原理 设输出空载 假设在静态工作点的基础上 输入一微小的正弦信号ui 静态工作点 2 2 3放大电路的动态分析 注意 uce与ui反相 各点波形 uo比ui幅度放大且相位相反 结论 1 放大电路中的信号是交直流共存 可表示成 虽然交流量可正负变化 但瞬时量方向始终不变 2 输出uo与输入ui相比 幅度被放大了 频率不变 但相位相反 对交流信号 输入信号ui 2 用图解法进行放大器的动态性能分析 1 交流通路 分析动态工作情况交流通路的画法 将直流电压源短路 将电容短路 交流通路 2 交流负载线 输出端接入负载RL 不影响Q影响动态 交流负载线 其中 交流量ic和uce有如下关系 即 交流负载线的斜率 交流负载线的作法 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 交流负载线的作法 IB 交流负载线 直流负载线 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 注意 1 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹 2 空载时 交流负载线与直流负载线重合 uo 可输出的最大不失真信号 1 合适的静态工作点 3 静态工作点对波形的影响 uo 2 Q点过低 信号进入截止区 称为截止失真 信号波形 uo 3 Q点过高 信号进入饱和区 称为饱和失真 信号波形 截止失真和饱和失真统称 非线性失真 3 用微变等效电路法求放大器的动态参数 思路 将非线性的三极管等效成一个线性电路 条件 交流小信号 当输入信号很小时 在静态工作点Q附近的工作段可认为是直线 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻rbe 表示输入特性 UBE 1 晶体管的微变等效电路 a 输入特性曲线 Q 3 用微变等效电路法求放大器的动态参数 思路 将非线性的三极管等效成一个线性电路 式中 IE 发射极电流的静态值 晶体管的放大倍数 rbe 输入电阻 其值一般为几百欧到几千欧 动态电阻 返回 输出端相当于一个受ib控制的电流源 输出端还等效并联一个大电阻rce b 输出特性曲线 在线性工作区是一族平行直线 ib iC 在小信号的条件下 rce也是一个常数 阻值很高 约为几十到几百k 在后面微变等效电路中 可忽略不计 输出电阻rce 先将交流通道中的三极管用微变等效电路代替 a 三极管的微变等效电路 2 放大电路的微变等效电路 b 放大电路的微变等效电路 将放大电路交流通道中的三极管用微变等效电路代替 返回 式中 故放大电路的电压放大倍数 输出端开路时 3 电压放大倍数的计算 以上图微变等效电路来计算 显然负载电阻RL越小 放大倍数越低 Au还与 和rBE有关 返回 RL RC RL 2k 返回 4 放大电路输入电阻的计算 放大电路对信号源来说 是一个负载 可用一个电阻等效代替 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 输入电阻对交流而言是动态电阻 返回 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的输入电阻 rbe Rb Rc RL 5 放大电路输出电阻的计算 对于负载而言 放大电路相当于信号源 可以将它进行戴维宁定理等效 等效电路的内阻就是输出电阻 它也是动态电阻 a 将信号源短路 ui 0 和输出端开路从输出端看进去的电阻 b 将信号源短路 ui 0 保留受控源 输入端加电压 uo 以产生电流Io Ro RC 解 放大电路对负载来说 是一信号源 可用等效电动势E0和内阻Ro表示 等效电源的内阻即为输出电阻 输出端开路时 输出端接上负载电阻时 由上列两式可得出 定义 当信号源有内阻时 由图知 所以 例共射放大电路如图所示 设 VCC 12V Rb 300k Rc 3k RL 3k BJT的b 60 1 试求电路的静态工作点Q 解 2 估算电路的电压放大倍数 输入电阻Ri和输出电阻Ro 解 画微变等效电路 Ri rbe Rb rbe 993 Ro Rc 3k 3 若输出电压的波形出现如下失真 是截止还是饱和失真 应调节哪个元件 如何调节 解 为截止失真 应减小Rb 对于前面的电路 固定偏置电路 而言 静态工作点由UBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 2 3放大器工作点的稳定 2 3 1温度对工作点的影响 1 温度对UBE的影响 2 温度对 值及ICEO的影响 VB UB不受温度变化的影响 2 3 2分压式稳定工作点偏置电路 1 结构及工作原理 RE越大 稳定性越好 但太大将使输出电压降低 一般取几百欧 几k UB UE Rb1 VCC RC C1 C2 Rb2 Ce Re RL ui uo Ce将Re短路 Re对交流不起作用 放大倍数不受影响 2 直流通道及静态工作点估算 IB IC UCE VCC ICRC IERe IC IE UE Re UB UBE Re 电容开路 画出直流通道 交流通道 微变等效电路 rbe Rc RL Rb1 Rb2 i1 i2 3 动态性能分析 微变等效电路及电压放大倍数 输入电阻 输出电阻的计算 ri Rb1 Rb2 rbe ro Rc i1 i2 将电容Ce断开路 画出电路的交流小信号等效电路 Ce对电路的影响 e b b c i R i R R b1 be r R u o C L R i u b2 R R i i c b i i i 电压放大倍数 e b c R i R Re b1 be r R u o C L R i u b2 R R i i c b i i i ib 输入电阻 输出电阻 e b c R i R Re b1 be r R u o C L R i u b2 R R i i c b i i i o R ib 2 4 1共集电极电路 1 电路的组成及特点 2 4共集电极放大电路与共基极放大电路 2 直流通道及静态工作点分析 3 动态分析 1 交流通道及微变等效电路 e b c ib R i R be r u o L R i u b R i i c b i i i R u S S e R 2 电压放大倍数 e b c ib R i R be r u o L R i u b R i i c b i i i R u S S e R 2 输入电阻 e b c ib R i R be r u o L R i u b R i i c b i i i R u S S e R 3 输出电阻 ib S b u R R be r R b e c e i b o R 射极输出器的特点 电压放大倍数 1 输入阻抗高 输出阻抗小 射极输出器的应用 1 放在多级放大器的输入端 提高整个放大器的输入电阻 2 放在多级放大器的输出端 减小整个放大器的输出电阻 3 放在两级之间 起缓冲作用 2 4 2共基极电路 1 静态工作点 直流通路 2 动态分析 画出电路的交流小信号等效电路 1 电压放大倍数 e b c R i be r i u e R i i c e i i i R u S S R o u L R R c i b ib 2 输入电阻 3 输出电阻 3 三种组态的比较 共集 共基 共射 2 5阻容耦合放大电路的频率特性 频率响应 放大器的电压放大倍数与频率的关系 其中 称为放大器的幅频响应 称为放大器的相频响应 阻容耦合放大电路的频率特性 如图示Au f关系曲线称为放大电路的幅频特性 下限频率f1和上限频率f2之间的频率范围称为通频带 三个频段 在工业电子技术的低频放大电路中 频率范围约为20 10000Hz 低频段 由于信号频率较低 而级间耦合电容的容抗值较大 产生压降 使Ube Ui 放大倍数降低 中频段 由于耦合电容和发射极电阻旁路的电容的容抗值较大 故对中频段信号来讲其容抗很小 可视作短路 放大倍数与信号频率无关 高频段 由于信号频率较高 耦合电容和发射极电阻旁路电容的容抗比中频段更小 故皆可视作短路 晶体管 下降 Au 下降 电压放大倍数降低 本章小结 1 基本放大电路的组成 三极管加上合适的偏置电路 偏置电路保证三极管工作在放大区 2 交流与直流 正常工作时 放大电路处于交直流共存的状态 为了分析方便 常将两者分开讨论 直流通路 交流电压源短路 电容开路 交流通路 直流电压源短路 电容短路 3 三种分析方法 1 估算法 直流模型等效电路法 估算Q 2 图