第十章基本放大电路

第10章基本放大电路 第10章基本放大电路 10 1共发射极放大电路的组成10 2共发射极放大电路的分析10 3静态工作点的稳定10 4射极输出器 10 5差分放大电路10 6互补对称放大电路 10 7场效晶体管及其放大电路 第10章交流放大电路 10 1共发射极放大电路的组成 电路中各元件的作用 晶体管T晶体管是电流放大元件 在集电极电路获得放大了的电流iC 该电流受输入信号的控制 集电极电源电压UCC电源电压UCC除为输出信号提供能量外 它还保证集电结处于反向偏置 以使晶体管具有放大作用 集电极负载电阻RC将iC的变化变换为uC的变化 实现电压放大 偏置电阻RB它的作用是提供大小适当的基极电流 以使放大电路获得合适的工作点 并使发射结处于正向偏置 耦合电容C1和C2 起隔直作用 起交流耦合的作用 即对交流信号可视为短路 10 2共发射极放大电路的分析 10 2 1静态分析 放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态 静态分析是要确定放大电路的静态值 直流值 IB IC UBE和UCE 1 用放大电路的直流通路确定静态值 可用右图所示的直流通路来计算静态值 硅管的UBE约为0 6V 比UCC小得多 可以忽略不计 例10 2 1 在共发射极基本交流放大电路中 已知UCC 12V RC 4k RB 300k 试求放大电路的静态值 解 2 用图解法确定静态值 根据直线方程 可得出 在晶体管的输出特性曲线组上作出一直线 它称为直流负载线 与晶体管的某条 由IB确定 输出特性曲线的交点Q称为放大电路的静态工作点 由它确定放大电路的电压和电流的静态值 基极电流IB的大小不同 静态工作点在负载线上的位置也就不同 改变IB的大小 可以得到合适的静态工作点 IB称为偏置电流 简称偏流 通常是改变RB的阻值来调整IB的大小 图解过程说明 0 IB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 2 3 2 4 6 8 10 12 图解过程 IC mA UCE V 例10 2 1 在共发射极基本交流放大电路中 已知UCC 12V RC 4k RB 300k 晶体管的输出特性曲线如上图 1 作出直流负载线 2 求静态值 得出静态工作点Q 静态值为 2 由 0 IB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 2 3 1 5 2 4 6 8 10 12 M 求得静态值为 IB 40 A IC 1 5mA UCE 6V IC mA UCE V 10 2 2动态分析 放大电路有输入信号时的工作状态称为动态 动态分析是在静态值确定后 分析信号的传输情况 输入电阻ri 输入电阻ro 动态分析的两种基本分析方法微变等效电路法和图解法 1微变等效电路法 这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路 晶体管在小信号 微变量 情况下工作时 可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线 三极管就可以等效为一个线性元件 1 晶体管的微变等效电路 在晶体管的输入特性曲线上 将工作点Q附近的工作段近似地看成直线 当UCE为常数时 UBE与 IB之比 称为晶体管的输入电阻 在小信号的条件下 rbe是一常数 由它确定ube和ib之间的关系 因此 晶体管的输入电路可用rbe等效代替 低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算 rbe是对交流而言的一个动态电阻 动态 晶体管输出特性曲线是一组近似等距离的平行直线 当UCE为常数时 IC与 IB之比为 即为晶体管的电流放大系数 在小信号的条件下 是一常数 由它确定ic受ib的控制关系 因此 晶体管的输出电路可用一受控电流源ic ib等效代替 UCE 晶体管的输出特性曲线不完全与横轴平行 在小信号的条件下 rce也是一常数 在等效电路中与 ib并联 由于rce的阻值很高 可以将其看成开路 当IB为常数时 UCE与 IC之比 称为晶体管的输出电阻 由以上分析可得出晶体管的简化微变等效电路 2 放大电路的微变等效电路 对交流 动态 分量而言 电容 直流电源也可以认为是短路 可画出放大电路的交流通路 将交流通路中的三极管用其微变等效电路来代替 即得到放大电路的微变等效电路 交流通路 基本放大器的微变等效电路 当输入的是正弦信号时 各电压和电流都可用相量表示 3 电压放大倍数的计算 rbe E B C RC RL RB RS 由上图可列出 式中 故放大电路的电压放大倍数 可见 接入RL 电压放大倍数降低 当放大电路输出端开路 未接RL 时 例10 2 3 在共发射极基本交流放大电路中 已知UCC 12V RC 4k RB 300k 试求电压放大倍数Au 解 在例10 2 1中已求出 4 放大电路输入电阻的计算 如果放大电路的输入电阻较小 第一 将从信号源取用较大的电流 从而增加信号源的负担 第二 经过内阻Rs和ri的分压 使实际加到放大电路的输入电压Ui减小 从而减小输出电压 第三 后级放大电路的输入电阻 就是前级放大电路的负载电阻 从而将会降低前级放大电路电压放大倍数 因此 通常希望放大电路的输入电阻能高一些 放大电路对信号源 或对前级放大电路 来说 是一个负载 可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 它是对交流信号而言的一个动态电阻 以共发射极基本放大电路为例 其输入电阻为 共发射极基本放大电路的输入电阻基本上等于晶体管的输入电阻 是不高的 注意 ri与rbe意义不同不能混淆 5 放大电路输出电阻的计算 放大电路对负载 或对后级放大电路 来说 是一个信号源 如果放大电路的输出电阻较大 相当于信号源的内阻较大 其内阻即为放大电路的输出电阻ro 它也是一个动态电阻 因此 通常希望放大电路输出级的输出电阻小一些 当负载变化时 输出电压的变化较大 也就是放大电路带负载的能力较差 放大电路的输出电阻可在信号源短路 和输出端开路的条件下求得 从基本放大电路的微变等效电路看 电流源相当于开路 故 RC一般为几千欧 因此 共发射极放大电路的输出电阻较高 2图解法 首先在输入特性上作图 由输入信号ui确定基极电流的变化量ib 再在输出特性上作图 得到交流分量ic和uce即 uo 由图解分析可得出 1 交流信号的传输情况 O uBE V Q1 Q Q2 60 40 20 O O 60 40 20 0 58 0 6 0 62 UBE t t iB A 在输入特性上作图 ui uBE V iB A IB ib O IB 40 A 20 60 80 3 Q 1 5 6 12 N 0 M t O O Q2 2 25 0 75 2 25 1 5 0 75 IC 3 9 3 6 9 接负载后 Uom减小 Au下降 t Q1 空载输出电压 iC mA uCE V uCE V iC mA ic UCE uo uce 2 电压和电流都含有直流分量和交流分量 即 3 输入信号电压ui和输出电压uo相位相反 4 失真现象 失真是指输出信号的波形不像输入信号的波形 原因 静态工作点不合适 Q点过低截止失真 Q点过高饱和失真 信号太大 超出了特性曲线上的线性范围 称为非线性失真 10 3静态工作点的稳定 由于某种原因 例如温度的变化 将使集电极电流的静态值IC发生变化 从而影响静态工作点的稳定 上一节所讨论的基本放大电路偏置电流 当RB一经选定后 IB也就固定不变 称为固定偏置放大电路 它不能稳定Q点 放大电路不仅要有合适的静态工作点Q 而且要保持Q点的稳定 为此 常采用分压式偏置放大电路 由直流通路可列出 若使 则 基极电位 可认为VB与晶体管的参数无关 不受温度影响 而仅为RB1和RB2的分压电路所固定 若使 则 因此 只要满足和两个条件 VB和IE或IC就与晶体管的参数几乎无关 不受温度变化的影响 使静态工作点能得以基本稳定 对硅管而言 在估算时一般可取I2 5 10 IB和VB 5 10 UBE 这种电路稳定工作点的实质是 当温度升高引起IC增大时 发射极电阻RE上的压降增大 使UBE减小 从而使IB减小 以限制IC的增大 工作点得以稳定 电容CE的作用是使交流旁路 防止RE上产生交流压降降低电压放大倍数 CE称为交流旁路电容 例10 3 1 在分压式偏置放大电路中 已知UCC 12V RC 2k RE 2k RB1 20k RB2 10k RL 6k 晶体管的 1 试求静态值 2 画出微变等效电路 3 计算该电路的Au ri和ro 解 1 2 3 10 4射极输出器 射极输出器是从发射极输出 在接法上是一个共集电极电路 10 4 1静态分析 用直流通路确定静态值 10 4 2动态分析 由射极输出器的微变等效电路可得出 1 电压放大倍数 式中 2 输入电阻 射极输出器的输入电阻很高 3 输出电阻 右图中将信号源短路 保留其内阻RS RS与RB并联后的等效电阻为R S 在输出端将RL取去 外加一交流电压 产生电流 通常 故 例如 40 rbe 0 8k RS 50 RB 120k 由此得 可见射极输出器的输出电阻是很低的 射极输出器的主要特点是 电压放大倍数接近1 输入电阻高 输出电阻低 因此 它常被用作多级放大电路的输入级或输出级 例10 4 1 用射极输出器和分压式偏置放大电路组成两级放大电路 如下图所示 已知 UCC 12V 1 60 RB1 200k RE1 2k RS 100 后级的数据同例10 3 1 即RC2 2k RE2 2k R B1 20k R B2 10k RL 6k 2 37 5 试求 1 前后级放大电路的静态值 2 放大电路的输入电阻ri和输出电阻ro 3 各级电压放大倍数Au1 Au2及两级电压放大倍数Au 解 由于电容有隔直作用 各级放大电路的静态值可以单独考虑 同时耦合电容上的交流压降可以忽略不计 使前级输出信号电压差不多无损失地传送到后级输入端 1 前级静态值为 后级静态值同例10 3 1 即 2 放大电路的输入 输出电阻 式中 为前级的负载电阻 其中ri2为后级的输入电阻 已在例10 3 1中求得 ri2 0 79k 于是 输出电阻 3 计算电压放大倍数 前级 后级 见例10 3 1 两级电压放大倍数 10 5差分放大电路 差分放大电路用两个晶体管组成 电路结构对称 在理想情况下 两管的特性及对应电阻元件的参数值都相同 因此 两管的静态工作点也必然相同 10 5 1静态分析 在静态时 ui1 ui2 0 则IC1 IC2 VC1 VC2 故输出电压 uO VC1 VC2 0 差分放大电路的优点是具有抑制零点漂移的能力 什么是零点漂移 一个理想的放大电路 当输入信号为零时 其输出电压应保持不变 不一定是零 但实际上 主要由于环境温度的变化 输出电压并不保持恒定 而在缓慢地 无规则地变化着 这种现象称为零点漂移 或称温漂 它影响放大电路的工作 对差分放大电路 由于电路的对称性 当温度变化时 两边的变化量相等 即 IC1 IC2 VC1 VC2 虽然每个管子都产生了零点漂移 但是 由于两集电极电位的变化是互相抵消的 所以输出电压依然为零 即 uO VC1 VC1 VC2 VC2 VC1 VC2 0 零点漂移完全被抑制了 电位器RP起调零作用 因为电路不可能完全对称 静态时输出电压不一定等于零 可通过调节RP使静态输出电压为零 在静态时 设IB1 IB2 IB IC1 IC2 IC 忽略阻值很小的RP可列出 上式中前两项较第三项小得多 可略去 则每管的集电极电流 发射极电位VE 0 每管的基极电流 每管的集 射极电压 接入RE是为了稳定和获得合适的静态工作点 负电源EE用来抵偿RE上的直流压降 10 5 2动态分析 1 共模输入 两个输入信号电压的大小相等 极性相同 即ui1 ui2 这样的输入称为共模输入 在共模输入信号的作用下 若电路完全对称时 两管集电极电位的变化相同 因而 输出电压等于零 所以对共模信号没有放大能力 亦即放大倍数为零 2 差模输入 两个输入电压的大小相等 而极性相反 即ui1 ui2 这样的输入称为差模输入 设ui1 0 ui20 IC20 故 uO VC1 VC2 可见 在差模输入时 输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍 由于差模信号使两管的集电极电流一增一减 其变化量相等 通过RE的电流近于不变 RE上没有差模信号压降 故RE对差模信号不起作用 可得出下图所示的单管差模信号通路 单管差模电压放大倍数 同理可得 双端输出电压为 双端输入 双端输出差分电路的差模电压放大倍数为 当在两管的集电极之间接入负载电阻时 式中 两输入端之间的差模输入电阻为 两集电极之间的差模输出电阻为 例10 5 1 在前图所示的差分放大电路中 已知UCC 12V EE 12V 50 RC 10k RE 10k RB 20k RP 100 并在输出端接负载电阻RL 20k 试求电路的静态值和差模电压放大倍数 解 式中 3 比较输入 两个输入信号电压既非共模 又非差模 它们的大小和相对极性是任意的 这种输入常作为比较放大来运用 差值电压 ui1 ui2 经放大后 输出电压为 为了便于分析 可将这种信号分解为共模分量和差模分量 例如 其中 2mV是共模分量 8mV和 8mV 是差模分量 为了全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力 通常引用共模抑制比KCMRR来表征 10 6互补对称功率放大电路 10 6 1对功率放大电路的基本要求 在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级 1 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率 2 效率要高 放大电路有三种工作状态 1 甲类工作状态 静态工作点Q大致在负载线的中点 这种工作状态下 放大电路的最高效率为50 对功率放大电路的基本要求是 2 甲乙类工作状态 3 乙类工作状态 静态工作点Q沿负载线下移 静态管耗减小 但产生了失真 静态工作点下移到IC 0处 管耗更小 但输出波形只剩半波了 10 6 2互补对称放大电路 1 无输出变压器 OTL 的互补对称放大电路 图中两个晶体管T1 NPN型 和T2 PNP型 的特性基本相同 静态时 调节R3 使A点的电位 输出耦合电容CL上的电压也为 R1和D1 D2上的压降使两管获得合适的偏压 工作在甲乙类状态 OTL电路 在ui的正半周 T1导通 T2截止 电流iC1自上而下流过负载RL 在ui的一个周期内 电流iC1和iC2以正反方向交替流过负载RL 在RL上合成而得出一个交流输出信号电压uo 电流是靠电容CL放电形成的 为了使输出波形对称 CL的容量必须足够大 这种功率放大电路在理想情况下的效率为78 5 在ui的负半周 T1截止 T2导通 电流iC2自下而上流过负载RL iC2 RL UCC CL uo iC1 OTL电路 2 无输出电容 OCL 的互补对称放大电路 OCL电路需用正负两路电源 其工作原理与OTL电路基本相同 10 7场效应管及其放大电路 10 7 1绝缘栅场效应管 结构示意图 N沟道增强型绝缘栅场效应管 构成 用一块杂质浓度较低的P型薄硅片作为衬底 其上扩散两个相距很近的高掺杂N 型区 再在两个N 型区之间的二氧化硅绝缘层的表面及两个N 型区的表面分别安置三个电极 栅极G 源极D和漏极D 并在表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层 由于柵极电流几乎为零 栅源电阻RGS很高 最高可达1014 P型硅衬底 N B S G D 耗尽层 ID 0 当在柵极和源极之间加正向电压但数值较小时 0 UGS UGS th 由柵极指向衬底方向的电场吸引电子向上移动 填补空穴在P型硅衬底的上表面形成耗尽层 此时仍然没有漏极电流 UGS N N UDS 当栅 源电压UGS 0时 D与S之间是两个PN结反向串联 无论D与S之间加什么极性的电压 总有一个PN结是反向偏置的 漏极电流ID均接近于零 当UGS大于一定数值时 UGS UGS th 在栅极下P型半导体表面形成N型层 通常称它为反型层 这就是沟通源区和漏区的N型导电沟道 与P型衬底间被耗尽层绝缘 UGS