单级低频小信号放大器

第3章单级低频小信号放大器 本章学习目标 3 1放大器的基本概念 3 2基本共射放大器 3 3放大电路的分析方法 3 4分压式偏置放大电路 本章小结 本章学习目标 了解放大器的方框图的组成 理解放大倍数的概念 掌握基本共射极放大电路的组成 理解各元器件的作用 会分析其工作原理 掌握基本共射放大电路的直流通路的画法 并能用估算法计算基本共射放大器的静态工作点 清楚静态工作点的作用 掌握基本共射放大电路的交流通路的画法 理解输入电阻 输出电阻的含义 掌握输入电阻 输出电阻和电压放大倍数的计算 理解图解法的含义 会用图解法进行静态工作点分析并理解因静态工作点设置不当引起的失真 了解失真消除的方法 熟悉分压式偏置共射放大电路的构成及作用 理解其稳定静态工作点的原理 3 1放大器的基本概念 3 1 1放大器概述 3 1 2放大器的放大倍数 3 1 1放大器概述 放大器 把微弱的电信号放大为较强电信号的电路 基本特征是功率放大 扩音机框图 扩音机是一种常见的放大器 如图所示 声音先经过话筒转换成随声音强弱变化的电信号 再送入电压放大器和功率放大器进行放大 最后通过扬声器把放大的电信号还原成比原来响亮得多的声音 3 1 2放大器的放大倍数 放大器的框图 一 放大倍数的分类 1 电压放大倍数 3 1 1 2 电流放大倍数 3 1 2 3 功率放大倍数 3 1 3 三者关系为 3 1 4 二 放大器的增益 增益G 用对数表示放大倍数 单位为分贝 dB 1 功率增益 GP 10lgAP dB 2 电压增益 Gv 20lgAv dB 3 电流增益 Gi 20lgAi dB 增益为正值时 电路是放大器 增益为负值时 电路是衰减器 例如 放大器的电压增益为20dB 则表示信号电压放大了10倍 又如 放大器的电压增益为 20dB 这表示信号电压衰减到1 10 即放大倍数为0 1 3 2单级低频小信号放大器 3 2 1单管共射基本放大电路 3 2 2放大器的静态工作点 3 2 3共发射极电路的放大和反向作用 单级低频小信号放大器 工作频率在20Hz 赫 到20kHz 千赫 内 电压和电流都较小的单管放大电路 3 2 1单管共射基本放大电路 单管共发射极放大电路 一 电路的组成和电路图的画法 1 电路组成 2 元件作用 EB 基极电源 通过偏置电阻Rb 保证发射结正偏 EC 集电极电源 通过集电极电阻RC 保证集电结反偏 Rb 偏置电阻 保证由基极电源EB向基极提供一个合适的基极电流 Rc 集电极电阻 将三极管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化 C1 C2 耦合电容 防止信号源以及负载对放大器直流状态的影响 同时保证交流信号顺利地传输 即 隔直通交 实际电路通常采用单电源供电 如图 b 所示 单管共发射极放大电路 3 电路图的画法 如右图所示 表示接地点 实际使用时 通常与设备的机壳相连 RL为负载 如扬声器等 单电源供电放大器的习惯画法 C1 C2非电解电容器的画法 二 电路中电压和电流符号写法的规定 1 直流分量 用大写字母和大写下标的符号 如IB表示基极的直流电流 2 交流分量瞬时值 用小写字母和小写下标的符号 如ib表示基极的交流电流 3 总量瞬时值 是直流分量和交流分量之和 用小写字母和大写下标的符号 如iB IB ib 即表示基极电流的总瞬时值 3 2 2放大器的静态工作点 静态 无信号输入 vi 0 时电路的工作状态 1 静态工作点Q 静态时晶体管直流电压VBE VCE和对应的IB IC值 分别记作VBEQ IBQ VCEQ和ICQ 如下图所示 VBEQ 硅管一般为0 7V 锗管为0 3V 静态工作点 例3 2 1 在图示单级放大器中 设VG 12V RC 2k 60 求放大器的静态工作点 静态工作点 解从电路可知 晶体管是NPN型 按照约定视为硅管 则 2 静态工作点对放大器工作状态的影响 静态工作点 放大器的静态工作点是否合适 对放大器的工作状态影响非常大 若把左图中的Rb除掉 电路如右图所示 则IBQ 0 当输入端加正弦信号电压vi时 在信号正半周 发射结正偏而导通 输入电流ib随vi变化 在信号负半周 发射结反偏而截止 输入电流ib等于零 即波形产生了失真 除去Rb时放大器工作不正常 2 静态工作点对放大器工作状态的影响 如果Rb阻值适当 则IBQ不为零且有合适的数值 当输入端有交流信号vi通过C1加到晶体管的发射结时 基极电流在直流电流IBQ的基础上随vi变化 即交流ib叠加在直流IBQ上 如果IBQ的值大于ib的幅值 那么基极的总电流IBQ ib始终是单方向的直流电 即它只有大小的变化 没有正负极性的变化 这样就不会使发射结反偏而截止 从而避免了输入电流ib的波形失真 综上可见 一个放大器的静态工作点是否合适 是放大器能否正常工作的重要条件 由电源VG和偏置电阻Rb组成的电路 就是为了提供合适的偏流而设置的 称为偏置电路 3 2 3共发射极电路的放大和反相作用 1 信号放大与反相 由于基极电流对集电极电流的控制作用 集电极电流在静态值ICQ的基础上跟着ib变化ic ICQ ic 同样 集电极与发射极电压也是静态电压VCEO和交流电压vce两部分合成 即vCE VCEQ vce 交流输入信号vi经过电容C1作用在晶体管的发射结 引起基极电流的变化 这时基极总电流为iB IBQ ib 由于集电极电流ic流过电阻RC时 在RC上产生电压降icRC 则集电极与发射极间总的电压应为 负号表示ic增加时vce将减小 即vce与ic反相 经耦合电容C2的 隔直通交 放大器 输出端获得放大后的输出电压vo vce icRc 即vo与vi相反 2 直流通路和交流通路画法 1 直流通路 电容视为开路 电感视为短路 其他不变 2 交流通路 电容和电源视为短路 直流 交流通路画法 单级放大器的工作特点 1 为了不失真地放大信号 放大器必须设置合适的静态工作点 2 共发射极放大器对输入的信号电压具有放大和倒相作用 3 在交流放大器中同时存在着直流分量和交流分量两种成分 直流分量反映的是直流通路的情况 交流分量反映的是交流通路的情况 3 3放大电路的分析方法 3 3 1图解法 3 3 2估算法 3 3 1图解法 通常采用图解法和估算法对放大电路的基本性能进行分析 图解法 利用晶体管特性曲线 通过作图分析放大器性能 一 用图解法分析静态工作点 1 直流负载线 放大器的输出回路 静态工作点的图解分析 由直流通路得VCE和IC关系的方程为VCE VG ICRc 根据上式在左图晶体管输出特性曲线族上作直线MN 斜率是1 Rc 由于Rc是直流负载电阻 所以直线MN称为直流负载线 2 静态工作点的图解分析 静态工作点的图解分析 如图所示 若给定IBQ IB4 则曲线IBQ IB4与直线MN的交点Q 即为静态工作点 过Q点分别作横轴和纵轴的垂线得对应的VCEQ ICQ 由于晶体管输出特性是一组曲线 所以 对应不同的IBQ 静态工作点Q的位置也不同 所对应的VCEQ ICQ也不同 二 用图解法分析输出端带负载时的放大倍数 1 交流负载线 交流通路 交流负载电阻为 过Q点 作斜率为的直线 得交流负载线M N 2 放大倍数的图解分析 如图所示 根据iB的变化范围iBmax和iBmin 得到工作点的变化范围Q1 Q2 可得输出电压的动态范围VCEmax VCEmin 所以输出电压的幅值Vom VCEmax VCEQ 若输入信号的幅值为Vim 则放大器的电压放大倍数为 放大倍数的图解分析 三 静态工作点与波形失真的图解 1 饱和失真 如果静态工作点接近于QA 在输入信号的正半周 管子将进入饱和区 输出电压vce波形负半周被部分削除 产生 饱和失真 2 截止失真 如果静态工作点接近于QB 在输入信号的负半周 管子将进入截止区 输出电压vce波形正半周被部分削除 产生 截止失真 3 非线性失真 饱和失真和截止失真统称为非线性失真 是由于管子工作状态进入非线性的饱和区和截止区而产生的 为了获得幅度大而不失真的交流输出信号 放大器的静态工作点应设置在负载线的中点Q处 工程应用 消除非线性失真的方法 由上页图可知 当静态工作点偏高时 IBQ偏大 出现饱和失真 要消除饱和失真 可将偏置电阻Rb增大 即可使IBQ下降 静态工作点下移动 当静态工作点偏低时 IBQ偏小 出现截止失真 要消除截止失真 可将偏置电阻Rb减小 静态工作点上移动 为调节静态工作点 常将偏置电阻设置成可调电阻 为防止可调偏置电阻调为零电阻时静态工作电流过大引起的三极管损坏 又常将可调偏置电阻与一固定电阻相串联 3 3 2估算法 估算法 应用数学方程式通过近似计算来分析放大器的性能 一 估算静态工作点 由放大器的直流通路得出估算静态工作点的公式 例3 3 1 如图所示放大器 设VG 12V Rb 200k RC 3k 若晶体管电流放大系数 35 试估算静态工作点 估算静态工作点 解 二 估算输入电阻 输出电阻和放大倍数 1 晶体管输入电阻rbe的估算公式 晶体管的输入电阻rbe 晶体管基极和发射极之间交流电压vi与相应交流电流ib之比 估算公式为 rbb是晶体管基区电阻 在小电流 IEQ约几毫安 情况下 低频小功率管约为300 因此 在低频小信号时 从式可见 rbe与静态电流IEQ有关 静态工作点不同 rbe取值也不同 常用小功率管的rbe约为1k 左右 2 放大器的输入电阻ri和输出电阻ro 1 输入电阻ri 输入电阻ri 从放大器输入端看进去的交流等效电阻 从图中可以看出 ri Rb rbe 一般Rb rbe 所以ri rbe 如图所示放大器的交流通路 ri表示放大器从信号源吸取信号幅度的大小 ri越大 信号源内阻损耗越小 放大器得到的有效输入信号越大 结论 单级放大器的输入电阻ri近似等于晶体管的输入电阻rbe 交流通路 2 输出电阻ro 交流通路 输出电阻ro 从放大器输出端 不包括外接负载电阻 看进去的交流等效电阻 因晶体管输出端在放大区呈现近似恒流特性 其动态电阻很大 所以输出电阻近似等于集电极电阻 即 ro表示放大器带负载的能力 输出电阻越小 输出信号时 自身损耗越小 带负载的能力越强 3 估算放大倍数的公式 放大器输出端外接负载电阻RL时 等效负载电阻 即 故 例3 3 2 单级放大器中 Rc 3k 设静态电流IE 2 1mA 晶体管 35 求输出端带负载电阻RL 3k 时 电压放大倍数A v 解 3 4放大器的偏置电路 3 4 1固定偏置电路 3 4 2分压式稳定工作点偏置电路 3 4 1固定偏置电路 固定偏置电路 电路如图所示 由直流通路可见 偏置电流IBQ是通过偏置电阻Rb由电源VG提供 当VG VBEQ时 只要VG和Rb为定值 IBQ就是一个常数 故把这种电路称为固定偏置电路 该电路由于 因此 当环境温度升高时 虽然IBQ为常数 但 和ICEQ的增大会导致ICQ的上升 可见 电路的温度稳定性较差 只能用在环境温度变化不大 要求不高的场合 3 4 2分压式稳定工作点偏置电路 1 元件作用 Rb1 上偏置电阻 Rb2 下偏置电阻 Re 发射极电阻 Ce 发射极旁路电容 电路特点是静态工作点比较稳定 动画分压式偏置电路 2 工作原理 基极电压VBQ由Rb1和Rb2分压后得到 即固定 当环境温度上升时 引起ICQ增加 导致的IEQ增加 使VEQ IEQ Re增大 由于VBEQ VBQ VEQ 使得VBEQ减小 于是基极偏流IBQ减小 使集电极电流ICQ的增加受到限制 从而达到稳定静态工作点的目的 稳定工作点的过程简述如下 T ICQ IEQ VEQ VBEQ IBQ ICQ 例3 4 1 在图具有分压式稳定工作点偏置电路的放大器中 Rb1 30k Rb2 10k Rc 2k Re 1k VG 9V 试估算ICQ和VCEQ 分压式稳定工作点偏置电路 解估算时可认为VBQ是基极开路时的电压值 本章小结 单级低频小信号放大电路是最基本的放大电路 表征放大器的放大能力是放大倍数 即电压 电流和功率三种放大倍数 放大器常采用单电源电路 要不失真地放大交流信号必须使放大器设置合适的静态工作点 以保证晶体管放大信号时