第2章放大电路分析基础

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1、第二章 放大电路分析基础,2.1 放大电路工作原理 2.2 放大电路的直流工作状态 2.3 放大电路的动态分析 2.4 静态工作点的稳定及其偏置电路 2.5 多级放大电路,2.1 放大电路工作原理,2.1.1 放大电路的组成原理,图2-1 共发射极基本放大电路,(1) 为保证三极管V工作在放大区, 发射结必须正向运用; 集电结必须反向运用。图中Rb, UBB即保证e结正向运用; Rc, UCC保证c结反向运用。 (2)既然我们要放大信号,那么电路中应保证输入信号能加至三极管的e结,以控制三极管的电流。 （3）图中Rs为信号源内阻；Us为信号源电压；Ui为放大器输入信号。电容C1为耦合电容, 其

2、作用是: 使交流信号顺利通过加至放大器输入端，同时隔直流, 使信号源与放大器无直流联系。C1一般选用容量大的电解电容, 它是有极性的, 使用时, 它的正极与电路的直流正极相连, 不能接反。C2的作用与C1相似, 使交流信号能顺利传送至负载, 同时, 使放大器与负载之间无直流联系。 ,图2 2 单电源共发射极放大电路,各点波形,+,+,2.1.2 直流通路和交流通路 当输入信号为零时,电路只有直流电流;当考虑信号的放大时,我们应考虑电路的交流通路。所以在分析、计算具体放大电路前,应分清放大电路的交、直流通路。 由于放大电路中存在着电抗元件,因而直流通路和交流通路不相同。对于直流通路来说,电容视为

3、开路,电感视为短路;对于交流通路,电容和电感应作为电抗元件处理,当其电抗与其所在回路的串联电阻相比,可忽略其作用时,电容一般按短路处理,电感按开路处理。 直流电源因为其两端电压值固定不变,内阻视为零,故在画交流通路时也按短路处理。 根据上述原则,图22电路的直流通路和交流通路可画成如图23(a)、(b)所示。,图2 2 单电源共发射极放大电路,图2 3 基本共e极电路的交、直流通路,放大电路的分析主要包含两个部分: 直流分析, 又称为静态分析, 用于求出电路的直流工作状态, 即基极直流电流IB; 集电极直流电流IC; 集电极与发射极间直流电压UCE。 交流分析, 又称动态分析, 用来求出电压放

4、大倍数、 输入电阻和输出电阻三项性能指标。 ,2.2 放大电路的直流工作状态,2.2.1 解析法确定静态工作点 由图2 - 3(a)所示, 首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ:,硅管,锗管,(2-1),(2-2),根据三极管各极电流关系, 可求出静态工作点的集电极电流ICQ：,再根据集电极输出回路可求出UCEQ,(2-3),(2-4),【例1】 估算图2 - 2放大电路的静态工作点。设UCC=12 V, Rc=3k, Rb=280k, 。 解 根据公式(2 - 1)、(2 - 3)、 (2 - 4)得,2.2.2 图解法确定静态工作点,将图2 - 3(a)直流通路改画成图2 - 4(a)。

5、 由图a、 b两端向左看, 其iCuCE关系由三极管的输出特性曲线确定, 如图2 - 4(b)所示。由图a、 b两端向右看, 其iCuCE关系由回路的电压方程表示: uCE=UCC-iCRc,uCE与iC是线性关系, 只需确定两点即可: 令iC=0,uCE=UCC,得M点;令uCE=0,iC=UCC/Rc,得N点。将M、N两点连接起来,即得一条直线,因为它反映了直流电流、电压与负载电阻Rc的关系，所以称为直流负载线,如图2-4(c)所示。 由于在同一回路中只有一个iC值和uCE值,即iC、uCE既要满足图2-4(b)所示的输出特性,又要满足图2-4(c)所示的直流负载线,所以电路的直流工作状态

6、,必然是IB=IBQ的特性曲线和直流负载线的交点。只要知道IBQ即可,一般可通过(2-1)式 直接求出。Q点的确定如图2-4(d)所示。,图2 4 静态工作点的图解法,由上可得出用图解法求Q点的步骤: (1) 在输出特性曲线所在坐标中, 按直流负载线方程 uCE=UCC-iCRc, 作出直流负载线。 (2) 由基极回路求出IBQ。 (3) 找出iB=IBQ这一条输出特性曲线, 与直流负载线的 交点即为Q点。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求。,【例2】如图2 - 5(a)所示电路, 已知Rb=280k, Rc=3k, UCC=12V, 三极管的输出特性曲线如图2 - 5(b)所示, 试用图解法

7、确定静态工作点。 ,图2 5 例 2 电路图,解 首先写出直流负载方程, 并作出直流负载线:,然后, 由基极输入回路, 计算IBQ,直流负载线与iB=IBQ=40A这一条特性曲线的交点, 即为Q点, 从图上查出IBQ=40 A, ICQ=2mA, UCEQ=6V, 与例1结果一致。,2.2.3 电路参数对静态工作点的影响,1. Rb对Q点的影响 为明确元件参数对Q点的影响,当讨论Rb的影响时,固定Rc和UCC。 Rb变化,仅对IBQ有影响,而对负载线无影响。如Rb增大,I BQ减小,工作点沿直流负载线下移;如Rb减小,IBQ增大,则工作点将沿直流负载线上移,如图26(a)所示。,图2 6 电路

8、参数对Q点的影响,2. Rc对Q点的影响,Rc的变化, 仅改变直流负载线的N点, 即仅改变直流负载线的斜率。 Rc减小, N点上升, 直流负载线变陡, 工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线右移。 Rc增大, N点下降, 直流负载线变平坦, 工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线向左移。如图2 - 6(b)所示。,3. UCC对Q点的影响 UCC的变化不仅影响IBQ, 还影响直流负载线, 因此, UCC对Q点的影响较复杂。 UCC上升, IBQ增大, 同时直流负载线M点和N点同时增大, 故直流负载线平行上移, 所以工作点向右上方移动。 UCC下降, IBQ下降, 同时直流负载线平行下移。所以工作点向左

9、下方移动。如图2 - 6(c)所示。 实际调试中, 主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点, 而很少通过改变UCC来改变工作点。 ,2.3 放大电路的动态分析,2.3.1 图解法分析动态特性 1. 交流负载线的作法,图2 7 交流负载线的画法,基本放大电路的工作原理,IB,IC,( IC,VCE ),(IB,VBE),(IB,VBE) 和( IC,VCE )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,各点波形,+,+,vCE怎么变化,？,交流放大原理,假设vBE有一微小的变化,vCE的变化沿一条直线,vCE相位如何,？,vCE与vBE反相！,交流负载线具有如下两个特点: (1) 交流负

10、载线必通过静态工作点, 因为当输入信号ui的瞬时值为零时, 如忽略电容C1和C2的影响, 则电路状态和静态时相同。 (2) 另一特点是交流负载线的斜率由 表示。 ,过Q点, 作一条 的直线, 就是交流负载线。,具体作法如下: 首先作一条 的辅助线(此线有无数条), 然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负载线, 如图2 - 7所示。 由于 , 故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。 交流负载线也可以通过求出在uCE坐标的截距, 再与Q点相连即可得到。,连接Q点和 点即为交流负载线。,(2-5),图2 2 单电源共发射极放大电路,图2 8 例 3 中交流负载线的画法,2. 交流波形的画法,表

11、2-1,仍以例3为例, 设输入加交流信号电压为ui=Uimsint, 则基极电流将在IBQ上叠加进ib, 即iB=IBQ+Ibmsint, 如电路使Ibm=20A,则,图2-9 基极、 集电极电流和电压波形,由以上可看出,在放大电路中,三极管的输入电压uBE、电流iB,输出端的电压uCE、电流iC均含直流和交流成分。交流是由信号ui引起的,是我们感兴趣的部分。直流成分是保证三极管工作在放大区不可少的。在输入端,直流成分叠加交流成分,然后进行放大;在输出端,用电容将直流隔掉,取出经放大后的交流成分。它们的关系式为,由图29可看出,基极、集电极电流和电压的交流成分保持一定的相位关系。ic、ib和u

12、be三者相位相同;uce与它们相位相反。即输出电压与输入电压相位是相反的。这是共e极放大电路的特征之一。,2.3.2 放大电路的非线性失真,1.由三极管特性曲线非线性引起的失真 这种失真主要表现在输入特性的起始弯曲部分,输出特性间距不匀,当输入信号又比较大时,将使ib、uce和ic正负半周不对称,即产生了非线性失真,如图210所示。,图2 10 三极管特性的非线性引起的失真,2.工作点不合适引起的失真 当工作点设置过低,在输入信号的负半周,工作状态进入截止区,因而引起iB、iC和uCE的波形失真,这称为截止失真。由图211(a)可以看出,对于NPN三极管共e极放大电路,对应截止失真,输出电压u

13、CE的波形出现顶部失真。 如果工作点设置过高,则在输入信号的正半周,三极管工作状态会进入饱和区,此时,iB继续增大而iC不再随之增大,因此引起iC和uCE的波形失真,这称为饱和失真。由图211(b)可看出,对于NPN三极管共e极放大电路,当产生饱和失真时,输出电压uCE的波形出现底部失真。,图2 11 静态工作点不合适产生的非线性失真,图2 12 最大不失真输出电压,关于图解法分析动态特性的步骤归纳如下: (1) 首先作出直流负载线, 求出静态工作点Q。 (2) 作出交流负载线。 根据要求从交流负载线可画出输出电流、 电压波形, 或求出最大不失真输出电压值。 ,2.3.3 微变等效电路法,1.

14、物理等效电路 三极管的微变等效电路，可从电路知识引入h参数微变等效电路。下面我们从管子工作原理直接得出简化微变等效电路。 电路如图213(a)所示。对信号而言三极管发射结是信号源的负载，它向信号索取电流Ib，如在信号源间接入电阻rbe，如图213(b)所示，此时信号源也向rbe提供电流Ib，则称rbe是三极管be间的等效电阻，即三极管be间可用电阻rbe等效；根据三极管输出特性，只要三极管工作在放大区，三极管就可视为电流源，输出电流ICIb,它是一个受控电流源，其大小和方向均受基极电流Ib的控制。故三极管ce间可用受控电流源Ib等效，如图214所示。,图213 三极管电路及其be间等效电路,综

15、合上述结论，三极管的微变等效电路可用图215所示。该等效电路称为三极管的简化微变等效电路，因为它没考虑ce间的电压变化引起的基区宽度变化，从而使基极电流Ib变化(有时称此为基区宽变效应)。由于该影响较小，一般情况下均将此影响忽略。而ce间的等效电路中，没考虑电阻rce，由于其数值较大，一般在数十千欧到数百千欧，远大于负载电阻，其影响也很小，故也将此影响忽略。在放大电路指标分析和计算中，一般均采用简化等效电路。,图214 三极管输出特性及ce间等效电路,图2-15 三极管的简化等效电路,rbe如何计算呢?画出三极管内部结构示意图,如图2-16 (a)所示,基极与发射极之间由三部分电阻组成:基区体

16、电阻rbb,对于低频小功率管， rbb约为300,对于高频小功率管， rbb约为几十100；re为发射区体电阻,由于重掺杂,故re很小,一般可忽略；re为发射结电阻。基极和集电极之间,rc为集电结电阻,rc为集电区体电阻,Ib是受控电流源。一般由于集电结反向运用,rc很大,可视为开路，则输 入等效电路如图2-16(b)所示。,图2-16 rbe估算等效电路,分析输入等效电路可以写出,又,Ie=(1+)Ib,则,故,其中,发射结动态电阻re可由公式(1-5)求出，即,所以,(IEQ取mA),2. 三极管的h参数微变等效电路 三极管处于共e极状态时, 输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示: 输入特性:,输出特