三极管偏置电路

简单放大器 三极管的主要用途之一就是利用其电流放大能力构成放大电路 在生产和科学实验中 往往要求用微弱的电信号去控制或者推动较大功率的负载 放大电路的应用十分广泛 是电子设备中最普遍的一种基本电路 基本放大电路 也称简单放大器 又是组成各种复杂放大电路的基本单元 其中单级共射放大电路 是放大电路中员基本的形式 本章教学基本要求 本章是电子技术课程的重点内容之一 对于基本交流放大电路 应了解其中各元件的作用 理解基本放大电路工作原理 掌握放大器主要技术性能数据 放大倍数Au 输入电阻ri 输出电阻ro 的分析计算 掌握放大电路静态和动态分析的基本方法 了解设置合适静态工作点的意义 了解非线性失真和频率特性的概念 掌握典型负反馈放大电路射极输出器线路的特点及应用 理解放大器的三种工作状态 甲类 乙类 甲乙类 了解互补对称功率放大器电路的构成 特点及其工作原理 了解场效应管放大器偏置电路的构成 能简化小信号电路模型 理解源极跟随器工作原理 能分析 计算场效应管放大器的输入电阻 输出电阻以及放大倍数 主要内容 共射极放大器射极输出器互补对称功率放大器场效应管放大器 共射极放大器 共射放大器的组成放大器电路的静态分析放大器电路的动态分析例题分析 共射放大器的组成 放大的条件是 发射结正向偏置 集电结反向偏置 放大电路的简化 放大电路中各元件的作用 晶体管T是放大电路的核心 晶体管T是放大电路中的放大元件利用它的电流放大作用 在集电极电路获得放大了的电流 这电流受输入信号的控制 如果从能量观点来看 输入信号的能量是较小 而输出的能量是较大 但这并不是说放大电路把输入的能量放大了 能量是守恒的 不能放大 输出的较大能量是来自直流电源愿UCC 也就是能量较小的输入信号通过晶体管的控制作用 去控制电源UCC所供给的能量 以在输出端获得一个能量较大的信号 这就是放大作用的实质 晶体管也是一个控制元件 电源UCC除为输出信号提供能源外 它还保证使发射结处于正向偏置集电结处于反向偏置 以使晶体管起到放大作用 同时与RB配合 为基极提供大小适当的基极电流IB 以使放大电路获得合适的工作点 通常UCC一般为几伏到几十伏 RB的阻值一般为几十干欧到几百千欧 电源UCC是放大电路的能源 集电极负载电阻RC简称集电极电阻 它主要是将集电极电流的变化变换为电压的变化以实现电压放大 RC的阻值一般为几千欧到几十千欧 RC是放大电路将电流放大作用转换成电压放大作用的元件 耦合电容C1和C2它们一方面起到隔直作用 C1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路而C2则用来隔断放大电路与负载之间的直流通路 使三者之间无直流联系 互不影响 另一方面又起到交流耦合作用 保证交流信号畅通无阻地经过放大电路 沟通信号源 放大电路和负载三者之间的交流通路 通常要求耦合电容上的交流压降小到可以忽略不计 即对交流信号可视作短路 因此电容值要取得较打 对交流信号频率其容抗近似为零 C1和C2的电容值一般为几微法到几十微法 用的是极性电容器 连接时要注意其极性 电路的特点 工作时 不管有无信号输入 总有电流经过RB流入晶体管基极 从而保证发射结始终为正向偏置且当交流信号为零时 其偏置电压固定不变 因此 称为固定偏置放大电路 放大器电路的静态分析 静态工作点的设置静态工作点的计算 静态计算 静态工作点的设置 什么是静态工作点静态工作点的作用静态工作点的设置 什么是静态工作点 当ui 0时 电路中的IB IC UCE的大小 就构成放大电路的静态工作点 即 输入信号为零时电路的工作电压和电流就叫做放大电路的静态工作点 静态工作点的作用 三极管是一个非线性元件 其输入特性与二极管的正向特性相同 输出特性具有恒流特性 为了讨论静态工作点的作用 我们先看假如不设置静态工作点 放大电路的工作将会出现什么问题 不设置静态工作点的工作情况 由此可见 在交流放大电路中 如果不设置合适的静态工作点 就不能正常放大交流信号 失真 交流放大电路的工作特点交流放大电路中既有直流电源 又有交流信号源 当交流信号电压ui 0时 电路中只有直流电流流通 当ui 0时 电路电流中既有直流分量 又有交流分量 因此它是一个交直流并存的电路 由于晶体管是一个非线性元件 因此晶体管放大电路实质上是一个非线性电路 我们就不能直接引用交流电路的概念来分析交流放大电路 静态工作点的设置 在交流放大电路中 必须设置合适的静态工作点 才能正常放大交流信号 静态工作点设置的原则是 保证正常的输入信号能不失真的输出 静态工作点必须非常稳定 这样 输出信号才不会失真或者 放大电路才可能正常工作 静态工作点的计算 由于没有交流输入信号 C1和C2具有隔离直流的作用 所以 放大电路的静态分析电路可等效为 直流通路 静态计算 工作点的计算 确定输入回路静态工作点 这是一个直线方程 它与iB和uBE两坐标轴的交点为 uBE 0 iB UCC RB和iB 0 uBE UCC 这条直线称为输入回路的负载线 静态计算 工作点的计算 确定输出回路的静态工作点 它也是一个直线方程 它与iC和uCE两坐标轴的交点为 uCE 0 iC UCC RC和iC 0 uCE UCC 这条直线称为输出回路的负载线 因为IBQ已经求出 静态计算 工作点的计算 我们也可以不用作图 直接求出静态工作点 例题分析 例1 如已知放大电路中的UCC 20V RB 480k RC 6k 晶体管的 40 求放大电路的静态工作点 放大器电路的动态分析 非线性电路线性化处理放大电路的动态分析与计算放大电路的波形失真分析 非线性电路线性化处理 三极管是一个非线性元件 所以 放大电路实际上是一个非线性电路 在对三极管电路的分析中就不能直接使用前面所学过的各种分析方法 为了能对三极管的放大电路进行有效的简单的分析和计算 在分析之前可对三极管进行线性化处理 输入特性的线性化处理输出特性的线性化处理 输入特性的线性化处理 如果我们用切线代替输入特性 则当电压有一个增量 UBE时 其电流也有一个相应的增量 IB 而且 由于在工作点附近输入特性与切线基本重合 所以 可由切线得斜率求得 也就是说 在设置了静态工作点之后 在工作点附近就可以用相应的切线代替直线 于是 电压和电流的增量之间就有了线性关系 所以 当电压增量 UBE按正弦量变化时 电流增量 IB也按正弦规律变化 可见 放大电路中的电压和电流中既含有直流分量也含有交流分量 如果我们只分析交流分量 就可以不考虑直流分量 令直流分量为零 所以 仅就交流输入电压而言 三极管的输入端可等效为 称为三极管的动态输入电阻 在小信号时 rbe是一常数 低频小功率管可用下式估算 其值一般为几百 几千欧姆 输出特性的线性化处理 如果同样对输出特性采用对输入特性的小增量法 从图中可见 输出特性近似水平直线 也就是说 当电压uce发生变化时 电流ic近似不变 即具有恒流特性 只有当ib发生变化时 ic才会发生变化 且ic ib 只受ib的控制 于是 三极管的输出端可用一个受控电流源来等效 只有当ib发生变化时 ic才会发生变化 且ic ib 只受ib的控制 于是 三极管的输出端可用一个受控电流源来等效 说明 在实际中 由于输出特性曲线并不是完全与横轴平行 所以 严格说 受控电流源是有内阻的 见教材P116图5 1 7中的rce 称为三极管的输出电阻 只是因为rce通常很大 三极管的输出特性较为平坦 工程上不记rce的影响 所以 采用简化的等效电路代替三极管来分析计算放大电路的动态性能指标 放大电路的动态分析与计算 画出放大电路的交流通路 将放大电路中的电容C1和C2视为短路 令UCC 0 将UCC短接到地 可得到放大电路的交流通路如下 再将三极管用等效电路代替得 放大电路的动态指标的计算 电压放大倍数Au 不失真输出正弦信号的向量 幅值 与输入正弦信号的向量 幅值 之比放大电路的输入电阻ri 放大电路的输入电压与输入电流的比值放大电路的输出电阻ro 放大电路从输出端看进去的等值电阻ro可在没有信号源作用 将信号源短路 时求得 电压放大倍数 设输入信号为正弦交流信号 负载开路 带负载 带负载的放大倍数 空载放大倍数 可见 带上负载后 放大电路的放大倍数将降低 负载越大 即RL越小 等效电阻也越小 放大倍数下降越多 负号表示输出电压与输入电压反相 输入电阻 由于RB rbe 所以 因为rbe一般为几百欧 几千欧 所以 其输入电阻较低 当信号源作用于电路时 ri相当于信号源的负载电阻 所以 通常希望ri大一些好 输出电阻 因为RC一般为几千欧 所以 其输出电阻较高 带负载能力不强 对负载电阻而言 rO电阻相当于负载的信号源内阻 所以 希望小一点好 输出电阻ro可在没有信号源作用 将信号源短路 时求得 放大电路的波形失真分析 当放大电路的静态工作点设置在输出特性的放大区时 放大器工作在放大状态 输出信号完全不失真的反映输入量的变化 当工作点设置的不合适时 输出量就不能复现输入信号 这是 放大电路出现了失真 如果工作点太低 靠近截止区使输出产生的失真叫截止失真 如果工作点太高 靠近饱和区使输出产生的失真叫饱和失真 0 t uBE uBEQ iBQ uCE V ic mA 0 0 t uCE 1 根据ui的波形通过输入特性画出iB波形 2 画出输出回路的交流负载线 3 通过交流负载线画出iC和uCE的波形 由此再一次证明了 放大电路要正常工作 必须设置一个合适的静态工作点 工作点适合 输出完全复现输入 工作点过低 产生截止失真 工作点过高 产生饱和失真 例题分析 例1 一单管放大电路如图所示 已知晶体管的电流放大系数 50 1 计算放大电路的静态工作点 2 计算负载电阻RL按入或断开时 放大电路的电压放大倍数Au Auo 3 计算放大电路的输入电阻ri 输出电阻ro 4 如果信号源内阻RS 200 试求RL接入或断开时 放大电路对 S的电压放大倍数 解 计算放大电路的静态工作点 画出放大电路的直流通路求出静态工作点如下 计算电压放大倍数Au Auo 画出放大电路的交流通路画出放大电路的微变等效电路 计算电压放大倍数 空载放大倍数带负载的放大倍数 可见接入负载后 放大器的电压放大倍数将降低 计算放大电路的输入电阻ri 输出电阻ro 要注意 ro是放大器本身的输出电阻 其大小与外接负载电阻从的大小无关 计算放大电路对 S的电压放大倍数AuS0 Aus 考虑信号源内阻时 放大器微变等效电路的输入电路可简化为图中ri是放大电路的输入电阻 输入信号 i与信号源电动势 S的关系这时放大电路的电压放大倍数 空载放大倍数 带负载的放大倍数 与 2 中的计算结果比较 可见考虑信号源内阻比亦将降低放大电路的电压放大倍数 射极输出器 电路构成静态分析动态分析小结 电路构成 如果在放大电路中将输出信号从发射极取出 这样 就需要在发射极接一个电阻 而同时 集电极电阻失去了将电流变化转换成电压变换的作用 所以短接 这样就构成了射极输出器电路 静态分析 直流通路 静态工作点 动态分析 画出射极输出器的交流通路画出射极输出器的微变等效电路 动态参数的计算 交流电压放大倍数 可见 射极输出器的电压放大倍数略小于1 且输入输出电压同相 所以 也称射极输出器为电压跟随器 射极输出器虽然不具有电压放大能力 但因具有电流放大作用 Ie 1 Ib 因此射极输出器具有电流放大和功率放大作用 射极输出器虽然不具有电压放大能力 但由于其输出电阻小 输入电阻大 无论从电源获取信号的能力还是带负载能力都很强 所以 在多级放大器中 也用其做中间极 起缓冲隔离作用 动态参数的计算 输入电阻ri 可见 射极输出器的输入电阻远大于基本共发射极放大器的输入电阻 ri rbe 所以 在多级放大电路中 射极输出器往往用做输入级 以提高电路获取信号的能力 动态参数的计算 输出电阻ro 用外加电压法求输出电阻 电路如右图 信号源应除源 做短路处理 内阻RS和RB的并联 通常 故 由上面分析可见 射极输出器的输出电阻很低 也说明射极输出器具有恒压特性 所以 在多级放大电路中 射极输出器往往用做输出级 以提高放大器带负载的能力 小结 射极输出器具有如下特点放大倍数接近于1 输出电压与输入电压同相 输入电阻高 输出电阻低 小结 射极输出器的用途 用作多级放大电路的输入级 以减轻信号源负担 利用输入电阻高的特性 用作多级放大电路的输出级 以提高放大电路的带载能力 利用输出电阻低的特性 作为两个共发射极放大电路之间的中间缓冲级 以改善工作性能 利用其阻抗变换作用 作为功率放大器 互补对称功率放大器 概述放大器的三种工作状态互补对称功率放大器 概述 在前面介绍的基本放大电路中 其主要作用是将微弱的小信号进行放大 因此 我们所关系的主要是波形的失真和放大能力 放大倍数 而没有提及功率损耗和效率问题 但是 通常的放大电路的目的除了对信号进行电压放大外 还需要对信号进行功率放大以推动执行机构工作 所以 当微弱信号的电压被放大以后 通常还需要进行功率放大 而功率放大电路中的电压和电流就不再象电压放大电路中那样是微弱的信号了 故在分析中就必须考虑功率的损耗和效率问题 我们统常把完成电压放大的部分电路称为电压放大级 而把完成功率放大的部分电路称为功率放大级 这样的电路也称为功率放大器 值得注意的是 和电压放大一样 功率放大器也并不是真的将功率放大了 而是通过三极管的控制作用 将直流电源的能量转换成交流电的形式供给负载 通常功率放大都是由射极输出器完成 对功率放大电路的基本要求 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率 晶体管往往工作在极限状态 PCM ICM U BR CEO 由于功率较大 则必须考虑效率问题 效率即负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比 由于功率较大 在电路设计中要考虑散热问题 如加散热片 放大器的三种工作状态 甲类工作状态乙类工作状态甲乙类工作状态 甲类工作状态 设置了合适的静态工作点 输出波形正负对称而且不失真 静态工作点Q大致设在交流负载线的中点 不论有无输入信号 电源供给的功率PE UCCIC总是不变的甲类工作状态的效率很低 最高为50 Q 提高效率的途径有两条一是增大放大电路的动态工作范围来增加输出功率一是减小电源供给的功率 乙类工作状态 为减小电源供给的功率 在UCC不变的条件下使IC减小 即将静态工作点Q沿负载线下移 若静态工作点下移到IC 0处 则称为乙类工作状态 Q 特点 设置静态工作点在截止区 输入信号只有正半波能够被输出 所以输出波形严重失真 甲乙类工作状态 静态工作点介于甲类工作状态与乙类工作状态之间称为甲乙类工作状态 Q 特点 静态工作点很低 放大器仍处于截止失真状态 输出波形负半周不能完全被输出 互补对称功率放大器 设计思想功率放大电路的组成放大器的工作状态互补对称功率放大器存在的问题及改进措施 设计思想 因为 放大器的输出功率为 放大器输出电压uce的有效值 放大器集电极电流ic的有效值 放大器的直流电源的输出功率为 放大器在甲类放大时 放大器的效率为 放大器的损耗为 可见 在同样的输出功率下 减小 降低 直流电源的输出功率是减少损耗 提高效率的手段之一 要实现上述目的 其手段和放法很多 目前使用广泛的是互补对称功率放大电路 功率放大电路的组成 因为射极输出器具有功率放大的作用 所以 采用射随器作为基本放大形式 由于集成的原因 大电容和变压器都无法实现集成 所以 放大器之间采用直接耦合形式 即 输入端和输出端的电容被取消 放大器的工作状态 为了不失真的放大输入信号 放大器必须工作在甲类工作状态 由于电路的静态工作点设置在输出特性的中点 所以 IC较大 直流电源的输出功率较大 而输出电压的最大值也只能有0 5UCC 所以 该类电路的效率很低 为了提高效率 必须降低放大器的静态工作点 在乙类 或甲乙类 工作状态下 直流电源输出功率较小 但是 降低工作点的直接后果就是输出波形的失真 为此 我们采用了两个异型管 PNP NPN 组成一个新的放大电路 让它们分别工作在输入信号的两个半波 从而得到完整的输出信号 互补对称功率放大器 特点 T1和T2都是射极输出器两个异型管子 轮流导通半个周期 互相弥补了对方的失真 所以称互补 电路中正负电源对称 管子参数和特性也对称 所以 称为互补对称电路 存在的问题及改进措施 在电路中由于放大器工作在乙类工作状态 IB 0 而三极管的输入特性存在死区 所以 在输入电压正负交界处出现了失真 这种失真称为交越失真 为了克服交越失真 可给管子设置一定的静态偏流IB 使其恰好克服交越失真 这时 放大电路工作在甲乙类工作状态 电路中因需要两个电源 给使用带来不便 所以 实际中只使用一个电源 另一个电源的作用由接在输出端的电容器完成 交越失真 输入电压ui较小时 不足以克服死区电压而产生的失真 克服办法 将静态工作点上移一点儿 是进入甲乙类状态 由图可见 互补对称放大电路实际上是由两组射级输出器组成的 所以 它还具有输入电阻高 输出电阻低的特点 电容C取值足够大 以保证动态时 电容两端电压基本不变 静态时 电容C两端电压为0 5UCC 所以 T3 T4两管的发射极电位也为0 5UCC 静态时 作为驱动管的T1 它的集电极电路中的二极管D1 D2导通 它们的正向压降为互补管T3 T4 提供了一定的基极偏置电压 保证T3 T4工作在甲乙类工作状态 动态时 由于二极管D1 D2的动态电阻很小 动态电压可忽略不计 所以 T3 T4两管的基极电位对输入信号而言可视为相等 具有推动级的互补对称放大电路 电路的工作过程 在ui的负半周 RL作为T2的负载得到在uo的正半周 C对交流视为短路 电源对电容器充电 在ui的正半周 RL作为T3的负载得到在uo的负半周 此时 电容C起电源的作用 负载电流由电容C的放电电流构成 T3的偏置电阻R1不接到UCC的正端而接到A点 是为了取得电压负反馈 以保证静态时A点的电位稳定在0 5UCC T IC3 IC3R3 VA VB3 IC3 VA 复合管 互补对称功率放大电路中 需要一对异型 特性对称的NPN和PNP功率管 在输出功率不太大时 可直接选配管子 但是 当输出功率在及十毫瓦以上时 就需要采用中功率管和大功率管 但是 大功率管却不易配对 通常采用复合管来实现配对 构成复合管的规律 两个管子的基极电流能流通第一个管子的C E只能接第二个管子的C B 如果第一个管子的C E与二个管子的B E连接 由于uB2E2 0 7V 使uC1E1受此约束 不能处于放大状态 复合管的类型与第一个管子类型相同 由复合管组成的互补对称放大电路 无输出电容的互补对称放大电路 场效应管放大器 场效应管是非线性元件属于电压控制电流型器件 所以 在用它组成放大电路时 也需要为其设置静态偏置电路 以建立合适的静态工作点 建立合适的删源偏置电压UGS 场效应