第二章_放大电路分析基础

第二章放大电路分析基础 教学基本要求通过本章学习 掌握放大器电路的基本结构 掌握模拟电路的基本概念 交流通路和直流通路 静态工作点 直流和交流负载线 饱和失真和截止失真 放大倍数 输入电阻和输出电阻等 能用微变等效电路分析放大电路并计算放大电路的性能指标 能根据输出波形 判断非线性失真的类型及怎样调整电路参数消除非线性失真 基本放大电路 一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路 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 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的 经过三极管的控制 使之转换成信号能量 提供给负载 放大的概念 本质 实现能量的控制 在放大电路中提供一个能源 由能量较小的输入信号控制这个能源 使之输出较大的能量 然后推动负载 小能量对大能量的控制作用称为放大作用 放大的对象是变化量 元件 双极型三极管和场效应管 这里主要介绍电压放大电路 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 2 5多级放大电路 2 1放大电路工作原理 2 1 1放大电路的组成原理 图2 1基本共射极放大电路 1 电路结构由NPN型三极管和若干电阻 电容等组成 如图2 1所示 2 各元件的作用V NPN型三极管 放大电路的核心器件 用来实现放大作用 UBB 保证发射结处于正向偏置 为基极提供偏置电流 Rb 为三极管的基极提供合适的偏置电流 并使发射结获得必须的正向偏置电压 UCC 保证集电结处于反偏 以确保三极管工作在放大状态 也为输出信号提供能量 图2 1基本共射极放大电路 RC 其作用是将集电极电流的变化转换成集 射电压的变换 以实现电压放大 同时电源UCC通过RC加到三极管上 使三极管获得合适的工作电压 所以也起直流负载的作用 C1 C2 耦合电容 作用是 隔离直流 传送交流 一般用电解电容 连接时电容的正极接高电位 负极接低电位 RL 电路的外接负载 可以是耳机 扬声器或其他执行机构 也可以是后级放大电路的输入电阻 3 放大电路的组成原则保证三极管工作在放大区 发射结正偏 集电结反偏 具备合适的静态工作点 保证输入信号加到三极管的输入回路 保证信号电压输送至负载 即在输出回路能得到放大了的交流信号 4 电路的习惯画法图2 1中使用两个电源UBB和UCC 这给使用者带来不便 在实际中 常采用单电源供电 其画法如图2 2所示 图2 2单电源共射极放大电路的习惯画法 2 1 2直流通路和交流通路 分析三极管电路的基本思想 非线性电路经适当近似后可按线性电路对待 利用叠加定理 分别分析电路中的交 直流成分 直流通路 电容相当于开路 电感相当于短路 交流通路 电容短路 电感开路 直流电源对公共端短路 静态 只考虑直流信号 即Ui 0 各点电位不变 直流工作状态 动态 只考虑交流信号 即Ui不为0 各点电位变化 交流工作状态 图2 2单电源共射极放大电路的习惯画法 图2 3基本共射极放大电路的直流通路和交流通路 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放大电路的直流工作状态 静态工作点的求解方法 解析法 图解法 建立正确的静态工作点 简称Q点 目的 使三极管工作在线性区以保证信号不失真 静态分析的任务 根据电路参数和三极管的特性确定静态值 直流值 UBE IB IC和UCE 可用放大电路的直流通路来分析 2 2 1解析法确定静态工作点 近似计算 硅管UBEQ 0 6 0 8 V锗管UBEQ 0 1 0 2 V ICQ IBQ UCEQ UCC ICQRC 图2 3 a 例1 图示单管共射放大电路中 UCC 12V Rc 3k Rb 280k NPN硅管的 50 试估算静态工作点 解 设UBEQ 0 7V ICQ IBQ 50 0 04 mA 2mA UCEQ UCC ICQRc 12 2 3 V 6V 2 2 2图解法确定静态工作点 在三极管的输入 输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况 输出回路 从ab端向左看 iC f uCE 三极管的输出特性方程从ab端向右看 uCE UCC iCRc 直流负载线 输出回路 输出特性 图2 4 由静态工作点Q确定的ICQ UCEQ为静态值 解析法求出 例2 图示单管共射放大电路及特性曲线中 已知Rb 280k Rc 3k 集电极直流电源UCC 12V 试用图解法确定静态工作点 解 首先估算IBQ 做直流负载线 确定Q点 根据UCEQ UCC ICQRc iC 0 uCE 12V uCE 0 iC 4mA 图2 5 a 0 iB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 3 4 2 2 4 6 8 10 12 M IBQ 40 A ICQ 2mA UCEQ 6V uCE V 由Q点确定静态值为 iC mA 图2 5 b 2 2 3电路参数对静态工作点的影响 1 改变Rb 保持UCC Rc 不变 Rb增大 Rb减小 Q点下移 Q点上移 2 改变UCC 保持Rb Rc 不变 升高UCC 直流负载线平行右移 动态工作范围增大 但管子的动态功耗也增大 Q2 图2 6 a 图2 6 b 3 改变Rc 保持Rb UCC 不变 4 改变 保持Rb Rc UCC不变 增大Rc 直流负载线斜率改变 则Q点向饱和区移近 Q2 增大 ICQ增大 UCEQ减小 则Q点移近饱和区 图2 6 c 图2 6 d 思考与练习 电路及参数如下图所示 试求静态工作点 2 3 1图解法分析动态特性 1 交流通路的输出回路 输出通路的外电路是Rc和RL的并联 2 交流负载线 交流负载线斜率为 图2 7交流负载线 2 3放大电路的动态分析 特点 经过Q点 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 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 3 交流波形的画法 从图2 8交流负载线可读出相应的集电极电流iC和电压uCE 列于表2 1 单管共射放大电路当输入正弦波uI时 放大电路中相应的uBE iB iC uCE uO波形 图2 10单管共射放大电路的电压电流波形 图2 9 a 输入回路工作情况 图2 9 b 输出回路工作情况分析 共射极放大电路中各点波形 观察各点波形 可以得出以下几点结论 a 放大器输入交变电压时 三极管各极电流的方向和极间电压的极性始终不变 只是围绕各自的静态值 按输入信号规律近似呈线性变化 b 三极管各极电流 电压的瞬时波形中 只有交流分量才能反映输入信号的变化 因此 需要放大器输出的是交流量 c 将输出与输入的波形对照 可知uo比ui幅度放大且相位相反 通常称这种波形关系为反相或倒相 2 3 2放大电路的非线性失真 1 由三极管特性曲线的非线性引起的失真 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 1 静态工作点过低 引起iB iC uCE的波形失真 ib ui 结论 iB波形失真 截止失真 iC uCE uo 波形失真 NPN管截止失真时的输出uo波形 uo uce 解决方法 将输入回路中的基极偏置电阻Rb减小 以增大IBQ ICQ 从而使静态工作点Q上移 保证在输入信号的整个周期内 三极管工作在输入特性的线性部分 便可解决截止失真问题 O IB 0 Q t O O t iC uCE V uCE V iC mA uo uce ib 不失真 ICQ UCEQ 2 Q点过高 引起iC uCE的波形失真 饱和失真 解决方法 将输入回路中的基极偏置电阻Rb增大 以减小IBQ ICQ 从而使静态工作点Q下移 进入三极管放大区的中间位置 便可解决饱和失真问题 另外 还可以通过调节RC的大小来改善饱和失真 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 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 最大不失真输出电压 图2 12最大不失真输出电压 Q尽量设在线段AB的中点 则AQ QB CD DE 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 1 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系 2 方便估算最大输出幅值的数值 3 可直观表示电路参数对静态工作点的影响 4 有利于对静态工作点Q的检测等 图解法小结 2 3 3微变等效电路法 三极管在小信号 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 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 微变等效条件 研究的对象仅仅是变化量 信号的变化范围很小 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 1 h参数的引出 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 可见 这四个参数具有不同的量纲 而且要在输入开路或输出交流短路条件下求得 注意 h参数都是小信号参数 即微变参数或交流参数 h参数与工作点有关 在放大区基本不变 图2 15三极管简化等效电路 Ib是受控源 且为电流控制电流源 CCCS 电流方向与Ib的方向是关联的 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 可用图示仪测出 一般用公式估算 说明 图2 16rbe估算等效电路 估算公式 低频 小功率管rbb 约为300 2 3 4三种基本组态放大电路的分析 1 放大倍数 1 放大电路的性能指标 电压放大倍数Au 电流放大倍数Ai 互导放大倍数Ag 互阻放大倍数Ar 源电压放大倍数Aus 功率放大倍数Ap 2 输入电阻ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 对信号源来说 放大器相当于它的负载 ri则表征该负载能从信号源获取多大信号 一般来说 ri越大越好 测量ri ri测量电路 3 输出电阻ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 测量ro 输出电阻愈小 带载能力愈强 在输入电压作用下 首先打开S 测得负载开路电压 然后闭合S 测得接入负载时的电压 4 最大输出幅度 在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压 或最大输出电流 可用峰 峰值表示 或有效值表示 Uom Iom 5 非线性失真系数D 所有谐波总量与基波成分之比 即 6 通频带 7 最大输出功率与效率 输出不产生明显失真的最大输出功率 用符号Pom表示 效率PV 直流电源消耗的功率 fLfH fL 下限频率fH 上限频率 图2 3 2 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 讨论 负号 表示共e极放大电路 集电极输出电压与基极输入电压相位相反 放大倍数与 静态工作点有关 2 电流放大倍数 流过负载RL的电流 而 若满足 则 共e极放大电路既有电压放大作用 又有电流放大作用 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 静态工作点的求解 动态性能指标 1 电压放大倍数 通常 所以 且 共C极放大电路的电压放大倍数小于1而接近于1集电极输出电压与基极输入电压相位相同又称为射极跟随器 2 电流放大倍数 忽略Rb分流影响 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 结论 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 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 静态工作点的求解 动态性能指标 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 电流放大倍数小于1且接近于1共基极放大电路又称为电流跟随器 微变等效电路法的步骤 归纳 1 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q 2 求出静态工作点处rbe 3 画出放大电路的微变等效电路 可先画出三极管的等效电路 然后画出放大电路其余部分的交流通路 4 列出电路方程并求解 思考与练习 电路如图所示 求电压放大倍数Au 电流放大倍数Ai 输入电阻ri 输出电阻ro 5 三种基本组态放大电路的比较 5 三种基本组态放大电路的比较 6 三种分析方法的比较 2 4静态工作点的稳定及其偏置电路 2 4 1问题的提出 基本共e极放大电路存在的问题 1 实验中出现的现象 2 静态工作点的位置发生变化的原因温度对晶体管参数的影响 0 5 1 温度对静态工作点的影响 Q 饱和失真 温度升高将导致IC增大 Q上移 波形容易失真 T 20 C T 50 C 图2 24温度对Q点和输出波形的影响 3 解决方法使外界环境处于恒温状态 把放大电路置于恒温槽中 但这样所付出的代价很高 因而只应用于一些特殊需要的地方 从放大电路自身去考虑 使其在工作温度变化范围内 尽量减小工作点的变化 2 4 2射极偏置放大电路 1 电路组成 分压式偏置电路 说明 1 Re愈大 同样的 IEQ产生的 UEQ愈大 则温度稳定性愈好 但Re增大 UEQ增大 要保持输出量不变 必须增大UCC 2 接入Re 电压放大倍数将大大降低 在Re两端并联大电容Ce 交流电压降可以忽略 则Au基本无影响 Ce称旁路电容 2 稳定静态工作点的原理 直流通路 如右图所示 稳定条件 要使基极电位UB恒定 使它与IB无关 2 41 由于IE UE Re 因而要稳定工作点 应使UE恒定 不受的影响 因此要求满足条件 则 2 43 实际中式 2 40 2 42 满足如下关系 2 44 2 44 则 2 43 则 由于UB不随温度变化 电流负反馈式工作点稳定电路 T ICQ IEQ UEQ UBEQ UBQ UEQ IBQ ICQ 稳定过程 若电路调整适当 可使ICQ基本不变 3 静态分析估算法 2 45 利用戴维宁定理基极回路对直流等效为 则静态工作点可按下式计算 4 动态分析微变等效电路 电压放大倍数 输入电阻ri 输出电阻ro 例4 设图2 22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 图2 26多级放大电路方框图 多级放大电路含有输入级 中间级 输出级 对输入级的要求 与信号源的性质有关 当输入信号源为高内阻电压源时 要求输入级也必须有高的输入电阻 以减少信号在内阻上的损失 输入信号源为电流源 为了充分利用信号源 则要求输入级有较低的输入电阻 中间级的任务 电压放大 多级放大电路的放大倍数主要取决于中间级 中间级可能由几级放大电路组成 输出级 推动负载 当负载仅需要足够大的电压时 则要求输出具有大的电压动态范围 更多场合下 输出级推动扬声器 电机等执行部件 需要输出足够大的功率 常称为功率放大电路 三种耦合方式 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合 1 阻容耦合 图2 27阻容耦合放大电路 第一级 第二级 2 5 1多级放大电路的耦合方式 优点 1 前 后级直流电路互不相通 静态工作点相互独立 2 选择足够大电容 可以做到前一级输出信号几乎不衰减地加到后一级输入端 使信号得到充分利用 不足 1 不适合传送缓慢变化的信号 2 无法实现线性集成电路 2 直接耦合 图2 28两个单管放大电路简单的直接耦合 特点 1 可以放大交流和缓慢变化及直流信号 2 便于集成化 3 各级静态工作点互相影响 基极和集电极电位会随着级数增加而上升 4 零点漂移 a 解决合适静态工作点的几种办法 改进电路 a 电路中接入Re2 保证第一级集电极有较高的静态电位 但第二级放大倍数严重下降 改进电路 b 稳压管动态电阻很小 可以使第二级的放大倍数损失小 但集电极电压变化范围减小 改进电路 c UCC 改进电路 d 可降低第二级的集电极电位 又不损失放大倍数 但稳压管噪声较大 可获得合适的工作点 为经常采用的方式 c 图2 29直接耦合方式实例 b 零点漂移 直接耦合时 输入电压为零 但输出电压离开零点 并缓慢地发生不规则变化的现象 原因 放大器件的参数受温度影响而使Q点不稳定 图2 31零点漂移现象 放大电路级数愈多 放大倍数愈高 零点漂移问题愈严重 抑制零点漂移的措施 引入直流负反馈以稳定Q点 利用热敏元件补偿放大器的零漂 采用差分放大电路 3 变压器耦合 选择恰当的变比 可在负载上得到尽可能大的输出功率 图2 33变压器耦合放大电路 第二级VT2 VT3组成推挽式放大电路 信号正负半周VT2 VT3轮流导电 优点 1 能实现阻抗变换 2 静态工作点互相独立 缺点 1 变压器笨重 2 无法集成化 3 直流和缓慢变化信号不能通过变压器 三种耦合方式的比较 例5 图示两级直接耦合放大电路中 已知 Rb1 240k Rc1 3 9k Rc2