第3章三极管放大电路基础.ppt

1、2020/8/12,1,第三章三极管放大电路基础,2020/8/12,2,本章基本要求,1）熟悉晶体三极管结构、工作原理及特性曲线； 2）掌握由BJT、FET组成的基本放大电路的静态和动态分析，即静态工作点和交流性能参数（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻）的计算；多级放大电路的分析和计算； 3）了解放大电路的频率特性等。,2020/8/12,3,3.1 放大电路的基本概念,“放大”是最基本的模拟信号处理功能。,这里的“放大”是指把微小的、微弱的信号不失真地进行放大。以小能量对大能量的控制作用称为放大作用。,所谓“不失真”就是保证原信号波形的形状、基本参数等不变。,具有放大特性的电子设备：收音机

2、、电视机、手机、扩音器等等。,2020/8/12,4,“放大”的表现形式是将信号的幅度增大若干倍，但在电子技术中，放大的本质并非能量的改变，而是能量的控制与转换，即通过放大器输入信号(如麦克风输出的微弱能量的信号)的控制，使放大器将直流电源提供的能量转换成(较大能量的)交流输出信号。这种以小能量对大能量的控制作用就是放大作用。,2020/8/12,5,一般来说，放大电路就是一个双端口网络。,信号源电压,输入电压,输出电压,Rs,信号源内阻,RL,负载电阻,输入电流,输出电流,2020/8/12,6,3.1.2 放大器的主要性能指标,放大器的增益也称为放大倍数，定义为输出变化量的幅度与输入变化量

3、的幅度的比。,1电压增益,2电流放大增益,3.1.2.1 放大器的增益,2020/8/12,7,3.1.2.1 放大器的增益,4互阻增益,5互导增益,3. 功率增益,(3-3),2020/8/12,8,放大电路的其他性能指标：,输入电阻,输出电阻,最大不失真输出幅度,非线性失真,(3-6),(3-7),最大输出功率与效率,(3-8),通频带,(3-9),2020/8/12,9,输入电阻Ri,放大电路 （放大器）,Ri决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小，即它决定了放大电路对信号源的要求。,一般情况下，要求RiRs,2020/8/12,10,输出电阻Ro,Ro的求法：将信号源短路，即 =0，

4、但保留Rs；且负载RL两端开路，即RL=时,短路,开路,2020/8/12,11,3.增益,实质上就是输出对输入的放大倍数。,2020/8/12,12,在工程上常用以10为底的对数增益表达，其基本单位为B（贝尔，Bel），平时用它的十分之一单位dB（分贝，decibel的缩写）。,由于功率与电压（或电流）的平方成比例，因此功率增益表示为：,2020/8/12,13,4. 频率响应,指在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。,式中：,信号的角频率；,Au () 幅频响应；,相频响应；,2020/8/12,14,3.2 放大电路及其基本分析方法,3.2.1三极管放大电路的3种组态,由B

5、JT构成的放大器3种组态：共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，如图3-4所示。,基极输入集电极输出,基极输入发射电极输出,发射极输入集电极输出,2020/8/12,15,3.2.2 共发射极放大电路的组成,1. 三极管的放大作用,在实际应用中利用三极管放大电路放大微弱信号，其原理电路如图3-5a所示，实际电路中常取 ，于是常采用习惯画法的共射极放大电路图。,2020/8/12,16,放大的原理,2020/8/12,17,2放大电路的组成原则,2020/8/12,18,电路与波形,2020/8/12,19,3.各元器件的作用,2020/8/12,20,2020/8/12,21,4

6、. 基本放大电路中电压和电流的表示方法,2020/8/12,22,3.2. 3 共发射极放大电路的分析,三极管放大电路的分析包括静态(直流)分析和动态(交流)分析，其分析方法有图解法和微变等效分析法。图解法主要用于大信号放大器分析，微变等效分析法用于低频小信号放大器的动态分析。,2020/8/12,23,3.2.3.1 图解法,1. 直流通路和交流通路 当 时，放大电路处于静态，直流电路流经的通路称为放大电路的直流通路。通过直流通路为放大电路提供直流偏置，建立合适的静态工作点。画直流通路时应令交流信号源为零(交流电压源短路，交流电流源开路)，保留其内阻；相关电容器开路，电感短路。 当 时，放大

7、电路处于动态工作状态，交流电流流经的通路称为放大器的交流通路。 画交流通路时，令直流电源为零(直流电压源短路，直流电流源开路)，保留其内阻；令电抗很小的大容量电容和小电感短路；令电抗很大的小容量电容和大电感开路；保留电抗不可忽略的电容或电感。,2020/8/12,24,2静态分析,2020/8/12,25,2静态分析,在 时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态，对直流通路的分析称为静态分析。用作图的方法求得Q点的值。其步骤如下： 1）给定晶体三极管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在输入特性上作出这条直线。根据图3-7(b)由KVL得,则,2

8、020/8/12,26,2）由直流通路得到直流负载线IC f（UCE），并在晶体管的输出特性上作出这条直线。根据图3-7(b)，由KVL得,2020/8/12,27,2020/8/12,28,2020/8/12,29,2动态分析,1）交流通路及交流负载线,2020/8/12,30,2020/8/12,31,输出回路的瞬时电压为,式中,2020/8/12,32,图解法分析共发射极放大器的波形,2020/8/12,33,2020/8/12,34,2020/8/12,35,晶体三极管各极间的电压和电流均为直流和交流的分量,电压放大倍数的计算：,放大电路的电压放大倍数等于输出电压相量与输入电压相量的比

9、值。,2020/8/12,36,(4) 非线性失真,2020/8/12,37,(4) 非线性失真,2020/8/12,38,(4) 非线性失真,C. 双向失真,当静态工作点合适但输入信号幅度过大时，在输入信号的正半周三极管会进入饱和区；而在负半周，三极管进入截止区，于是在输入信号的一个周期内，输出波形正负半周都被切削，输出电压波形近似梯形波，这种情况为双向失真。为了消除双向失真，应减小输入信号的幅度。,2020/8/12,39,【例3-1】链接,2020/8/12,40,3.2.3.2 微变等效电路法,三极管是一个非线性器件，由它组成的放大电路属于非线性电路，不能简单地直接采用线性电路的分析方

10、法进行分析。由图3-11(a)可见，当输入交流信号时，工作点在 之间移动，若该信号为低频小信号，则 在三极管特性曲线 的线性范围内移动，图3-11(b)所示。因此可将三极管视为一个线性二端口网络，并采用线性网络的H参数表示三极管输入、输出电流和电压的关系，从而把包含三极管的非线性电路变成线性电路，然后采用线性电路的分析方法分析三极管放大电路。这种方法称为H参数等效电路分析法，又称为微变等效电路分析法。,2020/8/12,41,1静态分析,时，放大电路只有直流电源作用，电容相当于开路，放大电路的这种状态称为静态，对应的电路称为直流通路，对直流通路的分析称为静态分析。,由图3-14(b)所示直流

11、通路可得,【例3-2】 【例3-3】链接,2020/8/12,42,2动态分析,(3-14),2020/8/12,43,H参数及其物理意义,(3-14),对上述方程取全微分得,由三极管输入输出参数得,(3-15),在输入信号为低频小信号的情况下，可以用交流分量代替相应的电流和电压增量，则式(3-15)可改写为,(3-16),2020/8/12,44,2020/8/12,45,为晶体管输出端交流短路时晶体管的输入电阻，单位为欧姆（）,为晶体管输入端交流开路时反向电压传输比 ，无量纲,为晶体管输出端交流短路时电流放大系数，无量纲,为晶体管输入端交流开路时的输出导纳，其单位为西门子（S）,2020/

12、8/12,46,式（3-16）方程组也可写成矩阵形式,(3-17),(3-18),(3-19),(3-20),2020/8/12,47,2) 放大电路的微变等效电路,在画放大电路的微变等效电路时，首先令图3-13(a)所示放大电路中的耦合电容、交流旁路电容交流短路，令其直流电压源交流接地，得到如图3-15(a)所示放大器的交流通路，然后将三极管用图3-14(c)所示的H参数等效电路来代替三极管符号，即可得到如图3-15(b)所示放大电路的微变等效电路。 由于被放大的交流输入信号ui为正弦量，若已选择了合适的静态工作点，则三极管工作在线性区域，各电极交流电压和电流均为同频率的正弦信号，且用相量表

13、示。,2020/8/12,48,2020/8/12,49,3) 放大电路动态性能参数的计算,(3-21),输入电压为,2020/8/12,50,（2）输入电阻Ri和输出电阻Ro,在图3-15(b)所示的电路中，放大电路相对于信号源而言相当于负载，可用电阻Ri代替，即放大电路的输入电阻。放大电路相对于负载而言相当于信号源，可用戴维南(或若顿)定理等效为电压源和内阻串联(或电流源和内阻并联)的形式，其内阻即为放大电路的输出电阻。,由图3-15(b)可知,放大器的输入电阻为,2020/8/12,51,放大器输出电阻,2020/8/12,52,放大器输出电阻,(3-24),对于一个电压放大器来说，输入

14、电阻应尽可能大些，输出电阻尽可能小。,【例3-4】链接,2020/8/12,53,3.3 放大电路静态工作点的稳定,3.3.1 温度对放大电路静态工作点的影响 固定偏置放大电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。对于图3-7(a)所示的共发射极放大电路，电路的优点是电路组件少，电路简单，易于调整。但由于 ，当电源电压 和偏置电阻 确定后，基极电流 就为某一常数。 当环境温度变化、电源电压波动或组件参数变化时，静态工作点将不稳定，尤其是温度变化引起Q点漂移。,2020/8/12,54,2020/8/12,55,3.3.2 分压偏置式共发射极放大电路,1. 各元件的作用,2020/8/12,5

15、6,1. 各元件的作用,图3-20所示电路是在图3-7(a)所示的共发射极放大电路基础上，引入发射极电阻Re和基极偏置电阻Rb2，构成分压偏置式共发射极放大电路。 其中， 、 分别为上、下偏置电阻，为发射极偏置稳定工作点电阻，电容Ce为发射极交流旁路电容，对直流量相当于开路，为避免Re对交流信号产生压降使电压放大倍数下降，Ce对于交流信号相当于短路，其容量应满足 。 C1、C2为耦合电容，起到通交流分量、隔离直流分量的作用，通常要求 、， 、分别为放大器的输入电阻和负载电阻。,2020/8/12,57,稳定静态工作点的原理,2020/8/12,58,2. 静态工作点的估算,由直流通路可知,(3

16、-26),2020/8/12,59,3动态参数的计算,图3-20(a)的分压偏置式放大电路的交流通路及微变等效电路如图3-21所示 .,2020/8/12,60,3动态参数的计算,1）电压放大倍数,(3-30),2020/8/12,61,2）输入电阻、输出电阻,由KCL得,(3-32),2020/8/12,62,旁路电容Ce的影响,如果将图3-20(a)的电容去掉，其直流通路没有变化，其交流通路和微变等效电路如图3-22所示。电路的电压放大倍数为,(3-33),2020/8/12,63,由图3-22(b) 可得无旁路电容时分压偏置放大电路得输入电阻为,(3-34),【例3-5】 【例3-6】链

17、接,2020/8/12,64,应用示例,解： 1) 选择电路方案。由于本例需要设计一个简易光控开关，因此选用例3-11图所示共发射极放大电路。其中图(a)为驱动一只LED(或其他小灯泡)；图(b)为驱动一个继电器(开关)，由继电器的触点的接通与否去控制其他负载，图中二极管D的作用是当三极管T从饱和到截止状态时，吸收继电器线圈的反峰压，从而保护三极管不被击穿。,2020/8/12,65,2020/8/12,66,2020/8/12,67,2020/8/12,68,3.4 共集电极放大电路及共基极放大电路,3.4.1 共集电极放大电路,共集电极放大电路如图3-20所示，由于输出取自集电极，故也称射

18、级输出器。由其交流通路来看，从基极输入发射极输出，输入输出公用集电极，故称为共集电极放大电路。,2020/8/12,69,1静态分析,由图3-20(b)及KVL可得,由于,(3-35),(3-36),(3-37),由上述三式确定放大电路的静态工作点。,2020/8/12,70,2动态分析,（1）电压放大倍数,（RLRe / RL）,2020/8/12,71,输入电压为,电压放大倍数为,(3-38),（2）输入电阻,(3-39),2020/8/12,72,（3）输出电阻,其中,共集电极放大电路的输出电阻为,2020/8/12,73,(3-40),【例3-8】 【例3-9】链接,2020/8/12

19、,74,(4)提高输入电阻和降低输出电阻方法,2020/8/12,75,3.4.2 共基极放大电路,共基极放大电路如图3-31(a)所示，其输入信号由发射极输入，输出电压取自集电极。由图3-32(a)所示交流流通路可见，输入回路和输出回路共享基极，故称为共基极放大电路。,1静态分析,2020/8/12,76,2动态分析,共基极放大电路的微变等效电路如图3-32(b)所示。,（1）电压放大倍数,(3-41),2020/8/12,77,（2）输入电阻,(3-42),共基极放大电路的输入电阻很小,（3）输出电阻,(3-43),总之共基极放大电路的电压放大倍数较高，输入电阻低，输出电阻高，主要用与高频

20、电路和恒流源电路。,【例3-10】链接,2020/8/12,78,3.5 多级放大电路,1多级放大电路的组成,2020/8/12,79,3.5.1 多级放大电路的级间耦合,2多级放大电路的耦合方式,在多级放大电路中，将把级与级之间的连接方式称为耦合方式。而级与级之间耦合时，必须满足：,（1）耦合后，各级电路仍具有合适的静态工作点；,（2）保证信号在级与级之间能够顺利地传输；,（3）耦合后，多级放大电路的性能指标必须满足实际的要求。,为了满足上述要求,一般常用的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。,2020/8/12,80,1）阻容耦合,2020/8/12,81,阻容耦合放大电路的特点：

21、,(1) 因电容具有“隔直”作用，所以各级电路的静态工作点相互独立，互不影响。这给放大电路的分析、设计和调试带来了很大的方便。此外，还具有体积小、重量轻等优点。,(2) 因电容对交流信号具有一定的容抗，在信号传输过程中，会受到一定的衰减。尤其对于变化缓慢的信号容抗很大，不便于传输。此外，在集成电路中，制造大容量的电容很困难，所以这种耦合方式下的多级放大电路不便于集成。,2020/8/12,82,2）直接耦合,为了避免在信号传输过程中，耦合电容对缓慢变化的信号带来不良影响，也可以把级与级之间直接用导线连接起来，这种连接方式称为直接耦合。,2020/8/12,83,3）变压器耦合,放大器的级与级之

22、间通过变压器连接的方式称为变压器耦合。其电路如图3-27所示。变压器耦合电路多用于低频放大电路中， 变压器可以通过电磁感应进行交流信号的传输，并且可以进行阻抗匹配，以使负载得到最大功率。,2020/8/12,84,4）光电耦合,光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。图3-29(a)所示为常用的三极管型光电耦合器(4N25)原理图。当电信号施加道光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏三极管受到光照后饱和导通，产生电流 ；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止。,2020/8/12,85,光

23、电耦合开关电路,2020/8/12,86,5) 共电耦合问题及其解决方法,在多级放大器中，各级放大电路都由同一直流电源供电。可以将图3-26所示RC耦合放大电路画成如图3-31(a)所示电路，图中 是直流电源的交流等效内阻，其交流通路如图3-31(b)所示。由图3-31(b)可见，输出信号电压 在 上产生的压降将被耦合到T1和T2管的输入端。这种通过直流电源内阻将信号经输出端耦合(传输)到各级放大电路的输入端，称为共电耦合。,2020/8/12,87,5) 共电耦合问题及其解决方法,2020/8/12,88,5) 共电耦合问题及其解决方法,2020/8/12,89,3.5.2 多级放大电路的分

24、析和计算,1. 电压增益,(3-44),2020/8/12,90,【例3-11】链接,2020/8/12,91,3.6 放大电路的频率响应,3.6.1 频率响应基本概念,、 RC 低通电路的频率特性,1. RC低通电路,(3-45),(3-47),2020/8/12,92,2. 频率特性的波特图,2020/8/12,93,二、RC 高通电路的频率特性,RC高通电路如图3-43(a)所示，其电压传输系数为,2020/8/12,94,2020/8/12,95,3.6.2 BJT的高频小信号混合型模型 1. BJT的高频小信号模型,(a) 按三极管物理机构等效,2020/8/12,96,2020/8

25、/12,97,2020/8/12,98,1)共射极电流放大系数的频响,输出回路与三极管H参 等效电路比较得到,2020/8/12,99,(3-55),(3-56),由图3-45可得到,(3-57),2020/8/12,100,2)共发射极截止频率,式(3-57)中,称为共发射极截止频率,随频率升高而下降到0dB时，所对应的频率称为三极管的特征频率。,通常,2020/8/12,101,2. 共发射极放大电路的高频响应,2020/8/12,102,1) 求密勒等效电容,(3-60),(3-61),为从基极到集电极的电压放大倍数；,2020/8/12,103,求密勒等效电容,2020/8/12,10

26、4,2020/8/12,105,2020/8/12,106,2) 高频响应上限频率,(3-62),式中,2020/8/12,107,(3-63),(3-64),(3-65),(3-66),2020/8/12,108,3.6.3 单级阻容耦合放大电路的频率特性,1. 低频段小信号微变等效电路,低频段时图3-48(b) 所示单级共射极RC耦合放大器的小信号等效电路如图3-48(c) 所示，若满足,(3-67),2020/8/12,109,图3-48(c)所示电路，实际上为RC高通电路，其电压增益为：,(3-68),2020/8/12,110,(3-69),2020/8/12,111,【例3-12】

27、 【例3-13】链接,2020/8/12,112,3.6.4 多级放大器的频率响应,2020/8/12,113,3.6.5 晶体三极管应用示例,2020/8/12,114,3.7 场效应管放大电路3.7.1 静态分析,FET放大电路的分析方法与BJT放大电路的分析方法基本相同，可以用图解法和低频小信号等效(微变等效)电路法。,与BJT放大电路相似，给FET栅极提供直流电压的电路称为偏置电路。FET的偏置电路分为固定偏置电路、自给偏置电路和分压式偏置电路三种。,2020/8/12,115,共源组态的基本放大电路如图3-56所示。,图3-56(a)是为FET提供负偏压的固定偏置放大电路，偏置电压由外加电压 提供，由于FET的输入电阻很大，流过栅极的电流几乎为零。因此， 两端的电压降为零,(3-70),1) 固定偏置电路,2020/8/12,116,与BJT固定偏置电路一样，图3-56(a)所示FET固定偏置电路也存在着工作点不稳定的缺陷，因此，实际应用中很少使用，更常用的是自给偏压电路和分压式偏置电路。,2) 自给偏置电路,偏置电阻