第2章 基本放大电路.ppt

1、第二章基本放大电路，2.1共发射极放大电路，2.2共集电极电路和共基极电路，2.3场效应晶体管基本放大电路，2.4多级放大电路，2.5放大电路的频率特性，2.6小信号调谐放大器，2.7实践训练：基本放大电路的模拟测试，当三极管放大信号时，电路中有三种不同的连接方式(或三种配置)。即共发射极、共集电极和共基极连接，分别将发射极、集电极和基极作为输入回路和输出回路的交流公共端，构成不同配置的放大电路，如图2-1所示。2.1.1共发射极放大电路1的组成和放大功能。电路的基本组成和具有各元件功能的共发射极放大电路的组成如图2-2所示。本电路中使用了NPN管。为了保证放大电路能够无失真地放大交流信号，放

2、大电路的组成应遵循以下原则：2.1共发射极放大电路，下页，返回，1)保证三极管在放大区工作2)保证信号的有效传输2)指定放大电路中电压和电流的方向和符号1)指定电压和电流的正方向。为了便于分析，规定在输入和输出电路的公共端，电压的正方向为负。电流方向以三极管各电极的实际电流方向为正方向。2)电压和电流的调节符号为便于讨论，对于图2-3所示的放大电路，在交流信号ui、2.1共发射极放大电路的作用下，下一页，返回到上一页，可以得到图2-4所示的三极管集电极电流波形，并对其符号进行如下调节：(1)对于图2-4(a)所示的波形，使用大写字母，例如，IC代表集电极的直流电流。(2)如图2-4(b)所示，

3、交流分量由小写字母和小写下标表示。例如，ic代表集电极的交流电流。(3)如图2-4(c)所示的波形是DC分量和交流分量的和，即交流叠加在DC上，总的变化由小写字母和大写下标表示。如果iC代表集电极电流的总瞬时值，则其值为iC=IC ic。2.1共发射极放大器电路，下一页，返回，上一页，(4)用大写字母和小写下标表示交流有效值。例如，Ic代表集电极正弦交流电流的有效值。3.静态分析1) DC路径和静态工作点所谓的DC路径是指当输入信号ui=0时DC电流流经的路径。绘制DC路径时，打开电路中的电容并短路电感。对应于图2-3的DC路径如图2-5(a)所示。2)放大电路静态工作点的估算：直流路径如图2

4、-5(a)所示，直流电源VCC通过基极偏置电阻Rb为三极管的发射极结提供正向偏置电压，2.1共发射极放大电路，下一页，返回上一页，通过集电极电阻Rc为三极管的集电极结提供反向偏置电压。静态基极电流IBQ从DC路径获得，其中UBEQ是发射极结直流电压，当三极管导通时变化很小。当VCCUBEQ时，您可以使用IBQVCC/Rb。根据三极管的电流放大特性，得到静态集电极电流ICQ然后集电极和发射极之间的电压可以根据集电极回路2.1共发射极放大电路，下一页，回到上一页、当三极管处于临界饱和状态时，它仍然满足IC=IB，此时的基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS表示，则为4。动态分析当在放大电路中加入正

5、弦交流信号ui时，在交流输入信号ui的作用下，只有交流电流流经的路径称为交流路径。绘制交流路径时，放大电路中的耦合电容短路；由于DC电源VCC的内阻很小(理想电压源的内阻约为零)，它对交流变化的影响很小，因此DC电源被视为交流短路。图2-3所示的基本级联电路的交流路径为当正弦交流信号ui加到放大电路中时，电路中各极的电压和电流在直流的基础上变化，即瞬时电压和电流被直流和交流叠加。在图2-3中，输入信号ui通过耦合电容器C1在三极管的基极和发射极之间传输，因此当基极和发射极之间的电压改变时，uBE将相应地改变，并且相应的基极电流将与在原始ibQ的基础上由ui改变引起的变化IB叠加。2.1共发射极

6、放大电路，下一页，返回上一页，此时，基极的总电流是DC和交流的叠加，即集电极电流是经过三极管放大后得到的，集电极和发射极之间的电压是2.1.2放大电路的图形化分析方法由于三极管是一个非线性器件，用图形化方法分析更直观。1.静态图示法以图2-8(a)所示的共发射极放大电路为例，2.1共发射极放大电路，下一页，返回上一页、在分析静态时，将电容器C1和C2视为开路，则该电路可绘制为图2-8(b)所示的d C路径。三极管静态工作点的四个量是基极回路中的IBQ和UBEQ以及集电极回路中的ICQ和UCEQ，这将在下面分别讨论。1)基本回路是如图2-8(b)所示的DC路径。基极回路由功率VCC、电阻Rb和发

7、射极结构组成。VCC和Rb是线性电路，而发射极结的伏安特性是非线性的，如图2-8(c)所示。UBEQ和IBQ可以通过图2-8(c)中的三极管输入特性曲线来求解。UBEQ是发射极结直流电压。三极管导通时，uBE=UBEQ变化不大，硅管的UBEQ为0.60.8伏，取0.7伏；锗的UBEQ=0.10.3V，取0.3V.2.1共发射极放大电路，下页，返回上一页，2)集电极电路为集电极电路，三极管的管压降UCEQ和集电极电流ICQ之间的关系符合三极管本身的输出特性，即IBQ=40A的曲线，如图2-9所示。功率VCC和Rc之间的关系是线性的，也就是说，用上述公式在三极管输出特性曲线上画一条直线就可以了。如

8、图2-9所示，它分别在M (12V，0mA)和N (0V，3mA)处与横轴和纵轴相交，其斜率为-1/Rc，由集电极电阻Rc决定。由于讨论的是静态工作条件，电路中的电压和电流都是直流，所以直线MN称为DC负载线。2.1共发射极放大器电路，下一页，返回上一页，2。动态图解法1)输入回路的动态图解法以图2-8(a)所示的基本共发射极放大电路为例，其输入特性如图2-10(a)所示。当信号ui=20sint(mV)加到输入端时，由于DC阻断电容C1的存在，施加到三极管发射极结的电压是静态uBEQ和ui的叠加值，即IB可以用UBE值在三极管输入特性曲线上对应计算，iB是静态电流ibQ和交流电流iB的叠加值

9、，即2.1共发射极放大电路，下页，返回上一页、 当输入信号ui处于正半周并且iB从40A变为60A时，放大器电路的工作点从Q移动到Q1，然后回到Q .当输入信号ui在半个周期内为负，并且iB从40A变为20A时，放大器电路的工作点从Q移动到Q2，然后回到Q.也就是说，随着iB的变化，放大器电路的工作点将沿着DC负载线在Q1和Q2之间移动。因此，直线段Q1 Q2是运行点运动的轨迹，这通常被称为动态运行范围。2.1共发射极放大器电路，下一页，返回上一页，3。当交流负载线放大器电路工作时，输出端必须始终与某个负载相连，如图2-11(a)所示，负载电阻RL=4k，那么RL的接入会影响放大器电路的工作状

10、态吗？这是下面要讨论的问题。在静态下，由于DC阻断电容器C2，RL对DC路径没有影响，因此电路的DC负载线与之前的空载情况相同。对于交流电，电容器C2可视为短路，DC电源VCC的内部电阻约为零，wh如果输入信号保持不变且ui=20sint(mV)，则ib保持不变。当流经三极管的电流被放大时，ic与负载开路时相同。2.1共发射极放大器电路，下一页，返回上一页，此时，电流关系仍然满足iC=ICQ ic。其中DC分量只流经Rc支路，而交流分量流经Rc和R1的并联支路。此时，管压降满足以下等式：通过C2的DC阻断效应，输出交流电压uo为4。用图解法分析静态工作点位置对放大质量的影响。1)非线性失真由于

11、三极管是一个非线性器件，当静态工作点Q设置得较低，即IBQ和ICQ太小时，输入信号ui不能正常放大。2.1共源共栅放大电路，下一页，返回上一页，如图2-13(a)所示，输入信号ui的负半周将使工作点进入三极管输出特性曲线的截止区，从而不能正常放大。这种失真称为截止失真。由于输入信号和输出信号反相，从图中可以看出，输出信号uo的正半周产生失真，截止失真也称为顶部失真。2)选择静态工作点的原则(1)如果放大电路的输出电压不失真且尽可能大，静态工作点Q应位于交流负载线的中点附近。(2)如果输入信号的幅度很小，在波形不失真的前提下，静态工作点应选择得较低，这样可以降低电路的功耗。2.1共发射极放大器电

12、路，下页，下页，3)温度对静态工作点的影响在实际工作中，由于半导体材料的热敏性，三极管的参数几乎与温度有关，导致放大器电路静态工作点不稳定，影响其正常工作。5.静态工作点稳定电路1)分压偏置电路1)电路结构分压偏置电路如图2-15(a)所示。与固定偏置电路不同，基极DC偏置电位UBQ是由VCC除以基极偏置电阻Rb1和Rb2得到的，所以该电路称为分压偏置电路；2.1共发射极放大器电路，下一页，返回上一页，同时，在电路中增加发射极电阻Re，以稳定电路的静态工作点。(2)静态工作点的估计分压偏置放大器电路的DC路径如图2-15(b)所示。当三极管在放大区工作时，IBQ很小。当I1IQ满足时，I1I2

13、具有：2.1共发射极放大器电路。下一页，返回上一页、(3)Q点的稳定过程当I1IBQ满足时，UBQ被固定。如果温度上升，2)固定偏置电路的电路组成(1)发射极电阻re如图2-16所示。(2)静态工作点的估算是基于以下电路：2.1共发射极放大电路，下页，回到上一页、2.1.3微变量等效电路方法1。放大电路的动态性能指标放大电路的放大对象是变化。除了确保放大器电路具有合适的静态工作点，更重要的是研究其放大性能。衡量放大电路性能的主要指标是放大系数、输入电阻ri和输出电阻ro。为了说明每个指标的含义，放大器电路由图2-17所示的有源线性四端网络表示。在图中，端子1-2是放大器电路的输入端子，rs是信

14、号源的内阻，us是信号源的电压。此时，放大器电路的输入电压和电流分别为ui和ii。3-4端为放大电路的输出端，与实际负载电阻RL相连，uo和io分别为电路的输出电压和输出电流。2.1共发射极放大器电路，下一页，后一页，前一页，1)放大倍数是衡量放大器电路放大能力的指标。放大倍数是指输出信号与输入信号的比值，可以表示为电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，其中最常用的是电压放大倍数。放大器电路的输出电压uo和输入电压ui之比称为电压放大Au，即放大器电路的输出电流io和输入电流ii之比，电流放大Ai，即放大器电路的输出功率Po和输入功率Pi之比，以及功率放大Ap，即2.1共源共栅放大器电路，

15、下一页，返回上一页， 2)输入电阻ri放大电路的输入电阻是从输入端1-2看到的等效电阻，等于放大电路的输出端与实际负载电阻R1相连后输入电压ui与输入电流ii的比值，即ri是信号源的等效负载，如图(2-18)所示。 从图中可以看出，ri是衡量放大电路对信号源影响的一个重要参数。值越大，放大器电路从信号源请求的电流越小，信号源对放大器电路的影响越小。2.1共发射极放大器电路，下一页，返回上一页，3)从输出端到放大器电路的等效电阻称为输出电阻ro，如图2-19所示。从图中可以看出，等效输出电阻用Davenan定理分析：输入信号源us短路(电流源开路)，但信号源的内阻rs应保持不变，放大器电路的等效

16、输出电阻通过简化电阻串并联法计算。2.三极管的微变量等效模型是一个非线性元件，因为放大电路中含有三极管，所以直接分析和计算比较复杂。然而，当三极管的静态工作点正常，输入稍有变化的交流信号时，三极管的电压和电流近似为线性。2.1共发射极放大电路，下一页，返回到上一页，因此，为了计算方便，三极管相当于一个线性元件，这叫做三极管的微变量等效模型；放大电路相当于线性电路，通常称为微变量等效电路。1)当三极管基极和发射极之间的等效放大电路正常工作时，发射极结导通，即基极和发射极等效为一个导通的PN结，如图2-20(a)所示。三极管的两个输入端口相当于一个交流电阻rbe，如图2-20(b)所示。它是三极管

17、输入特性曲线上工作点附近的小电压变化和小电流变化的比值。根据三极管输入电路的结构分析，rbe的值可由以下公式计算：2.1共发射极放大电路，下页，下页，其中rbb为基极区的体电阻，对于低频低功率晶体管，rbb约为100，500，除非另有规定，rbb=300通常被认为；IEQ是发射极静态电流。2)三极管的集电极和发射极等效当三极管工作在放大区时，ic的尺寸只受ib控制，ic=ib，即实现三极管可控的恒流特性。因此，三极管的集电极和发射极可以等效于一个理想的控制电流源，大小为ib，如图2-20(c)所示。结合图2-20(b)和图2-20(c)，得到三极管微变化的等效模型，如图2-20(d)所示。2.1共发射极放大器电路，下一页，返回上一页，3。用微变量等效电路分析放大电路的动态性能指标，如图2-21(a)所示。为了分析动态性能指标，首先画出放大器电路的交流路径，如