第2章 基本放大电路的分析2012

第二章放大电路的基本原理2.1　放大的概念2.2　放大电路的主要技术指标2.3　单管共发射极放大电路2.4　放大电路的基本分析方法2.5　工作点的稳定问题2.6　放大电路的三种基本组态2.8　多级放大电路2.1　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。扩音机的原理图在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源提供的能量。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。(1)电压放大倍数(2)电流放大倍数适用条件:IoIiUoUiIoIiAuAi==Uo没有明显失真1.放大倍数放大电路Ri+-+-RsRoRL正弦测试电压放大电路技术指标测试示意图Us+-Ui+-Uo负载电阻2.2、放大电路的主要技术指标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Uom(或Iom)表示2.最大输出幅度所有的谐波总量与基波成分之比:3.非线性失真系数4.输入电阻Ri愈大，抗干扰能力愈强IoIi放大电路Ri+-+-RsRoRL正弦测试电压放大电路技术指标测试示意图Us+-Ui+-Uo负载电阻从放大电路输入端看进去的等效电阻5.输出电阻Ro愈小，带载能力愈强。IoIi放大电路Ri+-RsRo+-Ui+-Uo从放大电路输出端看进去的等效电阻放大倍数在高频和低频段分别下降至中频放大倍数的0.707倍时所包括的频率范围,用BW表示。如图所示.BW0.707AvmAvmAvOf放大电路的通频带6.通频带输出功率:无明显失真时的最大输出功率,用Pom表示。效率:PV为直流电源消耗的功率。7.最大输出功率与效率VBBuiRbRCVT+-uoVCC~原理电路一、单管共射放大电路组成IBiCVT是放大电路的核心，VCC提供输出信号能量，Rb和VBB提供发射结偏置电压UBE和静态基极电流IB。uCEUBERC将iC的变化量转化为uCE的变化量，2.3单管共发射极放大电路二、单管共射放大电路的工作原理定性分析:在输入端加一Δui将依次产生ΔuBE、ΔiB、ΔiC、ΔuCE和ΔuoUCEUBEibic适当选择参数，Δuo可比Δui大得多，从而实现放大作用。VBBuiRbRCVT+-uoVCC~原理电路1.三极管必须工作在放大区，★组成放大电路的原则：3.ΔiC能够转化为ΔuCE,并传送到放大电路的输出端。2.Δui能够传送到三极管的基极回路,产生相应的ΔiB，原理电路缺点:1.双电源供电2.ui、uo不共地VBBuiRbRCVT+-uoVCC~原理电路RbRcVT+-uo单管共射放大电路+-uiRLC1C2+VCC++C1、C2是隔直或耦合电容，RL是放大电路的负载电阻，省去了基极直流电源VBB。克服了原理电路的缺点,比较实用。★单管共射放大电路的改进电路RbRcVT+-uo单管共射放大电路+-uiRLC1C2+VCC++补充：关于电压、电流符号的规定放大电路中既有直流量如直流电源VCC；又有交流量如交流电压ui，还有交直流复合（叠加）量如交流电流iB。直流分量：大写字母+大写下标；如：IB交流分量：小写字母+小写下标；如：ib瞬时值：小写字母+大写下标；如：iB直流分量+交流分量；如：iB=IB+ib交流有效值：大写字母+小写下标；如：Ib为便于区分，特作以下规定：两种基本分析方法图解法微变等效电路法2.4.1　直流通路与交流通路2.4　放大电路的基本分析方法RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uoRbRcVT+-uiRL+-uo交流通路RbRcVT+VCC直流通路电容相当于开路电感相当于短路RbRcVT+VCC直流通路1.直流通路用于放大电路的静态分析。在直流通路中:RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uo电容和理想电压源相当于短路电感和理想电流源相当于开路2.交流通路用于放大电路的动态分析。在交流通路中:RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uoRbRcVT+-uiRL+-uo交流通路2.4.2、静态工作点的近似估算静态工作点:外加输入信号为零时,三极管的IBQ,ICQ,UBEQ,UCEQ，在输入输出特性曲线上对应一个点Q点。UBEQ可近似认为：硅管UBEQ=(0.6~0.8)V锗管UBEQ=(0.1~0.3)V静态分析(估算静态工作点)讨论对象是直流成分。+-UBE+-UCEIBIC由图中的直流通路,估算方法:IBRb+UBEQ=VCCICQRc+UCEQ=VCC可求得单管放大电路的静态工作点的值为:直流通路VT+VCCRbRc[例]设单管共射放大电路中,VCC=12V,Rc=3kΩ,Rb=280kΩ,β=50,试估算静态工作点。解:设UBEQ=0.7V,则RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uo2.4.3、图解法（一）图解法的过程图解法即可分析静态,也可分析动态。过程一般是先静态后动态。1.图解分析静态任务:用作图法确定静态工作点,求出IBQ,ICQ和UCEQ。由于输入特性不易准确测得,一般用近似估算法求IBQ和UBEQ。下面主要讨论输出回路的图解法。+-uCE+-uCEVTRcVCCMNiCiCRbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uo输出回路的等效电路iB=IBQVCCICQRcVCCUCEQiC/mAuCE/VO根据输出回路方程uCE=VCC–iCRc作直流负载线，与横坐标交点为VCC,与纵坐标交点为VCC/Rc，直流负载线与特性曲线iB=IBQ的交点即Q点,如图示。Q直流负载线和静态工作点的求法斜率为-1/RC，是静态工作点的移动轨迹。+-uCE+-uCEVTRcVCCMNiCiCRbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uo280KΩ3KΩ3KΩ12ViB=80μА6040200[例]试用图解法确定下图所示电路的静态工作点。1226QiC/mAOuCE/V4解：首先估算IBQ+-UBE+-UCEIBIC=40μAuCE=12-3iCIBQ=VCC-UBEQRbIBQ输出回路方程IBQ=40μAICQ=2mAUCEQ=6V2.图解分析动态动态分析(估算动态技术指标)讨论对象是交流成分。RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uoVT+-ΔuCE+-ΔuCEMNΔiCΔiC交流通路的输出回路RCRL交流负载线iB=80μА60402001226QiC/mAOuCE/V4直流负载线画法：过静态工作点Q，作一条斜率为-1/（RC//RL）的直线。ΔuCE=-ΔiC(RC//RL)交流负载线：描述放大电路的动态工作情况。VT+-ΔuCE+-ΔuCEMNΔiCΔiC交流通路的输出回路RCRLQIBQ402060iB/μАuBE/VOiCOtiBOt0.7ΔuBEUBEQOtuBEOtuCEUCEQΔuCE0.720.68ΔiB放大电路动态工作情况交流负载线iB=80μА60402001226QiC/mAOuCE/V4直流负载线用图解法求放大电路的放大倍数假设IBQ附近有一个变化量ΔiB，在输入特性上找到相应的ΔuBE，在输出特性的交流负载线上找到相应的ΔiC和ΔuCE。则电压放大倍数：ΔuBEAu=ΔuCE电流放大倍数：ΔiBΔiCAi=Au=ΔuBEΔuCE=4.5-7.50.072-0.68=-75负号表示uCE与uBE反相位7.54.5QIBQ402060iB/μАuBE/VOiCOtiBOt0.7ΔuBEUBEQOtuBEOtuCEUCEQΔuCE0.720.68ΔiB交流负载线iB=80μА60402001226QiC/mAOuCE/V4直流负载线结论：uBEQuCEQiBQiBOtOtuBEOtuCEOtiCiCQ由右图可知：单管共射放大电路中，(1).交直流并存，(2).有电压放大作用，(3).有倒相作用。uoui3.图解法的步骤（一）画输出回路的直流负载线，（二）估算IBQ，确定Q点，得到ICQ和UCEQ，（三）画交流负载线，（四）求电压放大倍数。Q点过低iC/mAOuCEiC/mAtO（二）、图解法的应用1.分析非线性失真QuCEtOUCEQICQ截止失真uCE波形出现顶部失真。交流负载线iB饱和失真交流负载线iC/mAOuCEQICQtOiC/mAuCEtOUCEQuCE波形出现底部失真。iBQ点过高OuCEiC/mA2.用图解法估算最大输出幅度QiB=0μАCDEABQ点应尽量设在交流负载线上线段AB的中点。若CD=DE，则否则交流负载线直流负载线OuCEiCOuCEiC3.分析电路参数对静态工作点的影响Q1Q2VCCRCVCCRb1RC1VCCRC2增大RC，Q点靠近饱和区。增大Rb，Q点靠近截止区。OuCEiCuCEOiCQ1Q2VCCRCVCCβ2>β1Q1Q2VCC2RCVCC2VCC2>VCC1VCC1RCVCC1VCC升高时,Q点移向右上方,Uom增大，三极管静态功耗也增大。β增大时，特性曲线上移，Q点移近饱和区。　　晶体管在小信号(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2.4.4微变等效电路法iBuBEOOiCuCE（一）简化的h参数微变等效电路1.三极管的等效电路QΔiBβΔiBΔiBQΔuBE以共射接法三极管为例三极管特性曲线的局部线性化rbe=ΔuBEΔiBΔiC=βΔiB输入端可等效为一个电阻。输出端可等效为一个受控电流源。由以上分析可得三极管的微变等效电路三极管的简化h参数等效电路+-+-rbeΔuBEΔiCβΔiBΔuCEΔiBecb此电路忽略了三极管输出回路等效电阻rce。+-bce+-ΔuBEΔuCEΔiBΔiC用简化的微变等效电路计算单管共射放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻。+-+-rbeuiiCβibuoibecbRcRLRb单管共射放大电路的等效电路先画出三极管的等效电路，再依次画出放大电路的交流通路RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uo电压放大倍数：Au=uoui=-βibRc//RLibrbe=rbe-βRc//RL输入电阻：=Rb//rbe输出电阻：Roui=0RL=∞Ri=uiiiuoio=Ro=Rc+-uoio+-+-rbeuiiCβibuoibecbRcRLRbui+-rbeiCβibibecbRcRb2.rbe的近似估算公式rbe≈rbb΄+(1+β)26IEQ其中:rbb΄是三极管的基区体电阻,若无特别说明,可认为rbb΄约为300Ω,26为常温下温度的电压当量,单位为mV。IEQ的单位为mA。=rbe-βRc//RLAurbe≈rbb΄+(1+β)26IEQ分析以下两式Au与β不成比例。若β值一定,可适当提高IEQ得到较大的Au。可看出:可减小Rb或增大VCC，但要注意三极管的非线性及安全工作区。RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uo3.等效电路法的步骤确定放大电路的静态工作点Q，(4)列出电路方程并求解。(3)画出放大电路的微变等效电路，(2)求出Q点处的β和rbe，（二）微变等效电路法的应用分析下图所示接有射级电阻的单管放大电路++--rbeuiiCβibuoibecbRcRLRbRe接有发射极电阻的单管共射放大电路RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uoReui=ibrbe+(1+β)ibReuiβRL′uoAu==-rbe+(1+β)Re若(1+β)Re>>rbe则Au≈-βRL′(1+β)Reuo=-βibRL′其中RL′=Rc//RL++--rbeuiiCβibuoibecbRcRLRbRe++--rbeuiiCβibuoibecbRcRLRbReRi=[rbe+(1+β)Re]//RbRo≈Rcui′+-ui′=ibrbe+(1+β)ibReii′=ibRi′=rbe+(1+β)ReRi′RiRi=Ri′//Rb[例]图示放大电路中,β=501.试估算放大电路的静态工作点,2.求电压放大倍数,3.求输入电阻和输出电阻。接有发射极电阻的单管共射放大电路RbRcVT+-uiRLC1C2+VCC+-uoRe240Ω3kΩ3kΩ解:直流通路如图所示IBQRb+UBEQ+IEQRe=VCCIBQ=VCC-UBEQRb+(1+β)Re=0.04mAICQ=βIBQ=50×0.04=2mA≈IEQUCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe=12-2×(3+0.82)=4.36VIBQICQIEQ+-UBEQ+VCCRbRcVTRe直流通路rbe≈rbb΄+(1+β)26IEQ=300+(1+50)262=963ΩβRL′Au=-rbe+(1+β)Re=-1.75Ri=[rbe+(1+β)Re]//Rb=36.3KΩRo≈Rc=3KΩ射极电阻Re使电压放大倍数降低++--rbeuiiCβibuoibecbRcRLRbRe只能用于分析小信号，不能用来求解静态工作点Q，只能解决交流分量的计算问题，不能分析非线性失真和最大输出幅度。任何复杂的电路，可方便求解动态参数如放大倍数、输入电阻、输出电阻等。微变等效电路分析法作图麻烦，只能分析简单电路，求解误差大，不易求解输入电阻、输出电阻等动态参数。形象直观，适用于Q点分析、非线性失真分析、最大不失真输出幅度的分析，能够用于大、小信号。图解分析法缺点优点两种分析方法特点比较2.5工作点的稳定问题2.5.1温度对静态工作点的影响三极管是一个对温度非常敏感的器件，随温度的变化，三极管参数会受到影响：1）UBE改变。温度每升高1℃，UBE约下降2mV2）β改变。温度每升高1℃，三极管的电流放大系数β增大3）ICB0改变。温度升高，三极管的反向饱和电流ICB0将急剧增加。温度每升高10℃，UCB0大致将增加一倍。OuCEiC温度对Q点的影响Q2Q1VCCRCVCC一、温度对静态工作点的影响TUBEQICBOβICQ温度升高,静态工作点移近饱和区，使输出波形产生饱和失真。饱和失真外因:环境温度的变化。内因:三极管本身所具有的温度特性。解决措施:保持放大电路的工作温度恒定。2.从放大电路自身解决。引起静态工作点波动的原因:二、分压式静态工作点稳定电路1）电路组成Rb1Rb2：偏置电阻组成分压电路RE：发射极电阻直流电流负反馈CE：射极旁路电容交流分量时将RE短路RLC2Rb1Rb2RcVT+-uiC1+VCC+-uoReCeuBuEiRiBiCTUBEQIBQICQUBQ基本不变,不受温度影响ICQUEQuB=Rb1+Rb2Rb1VCCIEQ2）稳定Q点原理一般取IBQ<