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1、第六章 晶体管放大电路,6.1 放大电路基本概念及工作原理 6.2 基本放大电路分析 6.3 共集电极放大电路及共基极放大电路 6.4 多级放大电路 6.5 功率放大电路,6.1 放大电路基本概念及工作原理,6.1.1放大的概念,放大电路的结构示意图如图6-2所示，有以下特点： （1）放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。 （2）输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,图6-2 放大电路的结构示意,6.1.2放大电路的组成,晶体管放大电路有共发射极（简称共射极）、共基极、共集电极三种组态
2、的放大电路。,(a)共射极组态 (b)共集电极组态 (c)共基极组态 图6-1 放大电路的三种组态（连接方式）,1 放大电路的组成,该电路组成元件有：三极管VT、电容C1、C2、输出负载RL及偏置电路（UCC、RB、RC）等。,图6-3 共发射放大电路,1）三极管VT VT是放大电路的核心元件，利用其集电极电流与基极电流之间的iC=iB关系，使输入端一个很小的变化量能在输出端引起一个较大的变化量，从而实现放大作用。,2）集电极电源UCC UCC是整个放大电路的能源。它使集电结处于反向偏置，发射结处于正向偏置，这是三极管具有放大作用的必要条件；同时，它还向负载提供能量。 3）基极电阻RB RB为
3、三极管基极提供合适的正向偏流，既保证三极管工作在线性放大区，又有合适的工作点。,电路中各元件的作用为：,4）集电极电阻RC RC可将集电结提供合适的偏置电压，并将集电极电流的变化变换为电压uCE的变化，以实现电压放大。 5）耦合电容C1和C2 C1和C2分别接在输入端和输出端，一方面利用它来隔断直流，其中C1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，而C2则用来隔断放大电路与负载之间的直流通路。另一方面，又起到交流耦合作用，由于电容对交流信号呈现很小的阻抗，保证交流信号顺利通过，构成信号源、放大电路和负载之间的交流通路。,2 放大电路中电压、电流方向及符号的规定,表5-1 电压、电流符号的规定,
4、3 直流通路和交流通路,放大电路中的UCC为直流电源，ui为交流信号，所以电路中既有直流量，又有交流量。,a)直流通路 b)交流通路 图6-4 共射放大电路直流通路、交流通路,1）直流通路 直流通路是在直流电源作用下直流电流流过的通路，用于研究静态工作点。画直流通路时，电容视为开路；电感视为短路；信号电压源视为短路，但应保留其内阻。,2）交流通路 交流通路是输入信号作用下交流信号流经的通路，用于研究动态参数。画交流通路时：耦合电容视为短路；直流电源对交流信号视为短路。,6.1.3 放大电路工作原理,在直流电源+UCC和交流信号源ui的共同作用下，放大电路中既有直流量，也有交流量。输入交流电压u
5、i通过电容C1加到晶体管的基极，引起基极电压的变化，,，从而引起基极电流iB的相应变化。iB的变化使集电极电流iC随之变化，iC的变化量在集电极电阻RC上产生压降。而集-射极间电压 当iC增大时，uCE就减小，所以uCE的变化正好与iC相反。uCE中的直流分量被电容C2滤掉，交变分量经C2耦合到输出端，成为输出电压u0，其大小为：,。若电路中各元件的参数选取适当，u0的幅度将比ui大很多，即小信号ui被放大了。,图6-5 放大电路的工作原理,6.1.4放大电路的主要技术指标,放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的指标。按放大参量的不同可分为电压放大倍数、电流放大倍数、功率放大倍数等。 1）电压放
6、大倍数 电压放大倍数定义为输出电压变化量与输入电压变化量之比。在测试电压放大倍数时，一般在放大电路的输入端加上一个正弦波电压信号，此时，电压放大倍数可用输出电压与输入电压的正弦相量之比来表示，即：,2）电流放大倍数 电流放大倍数定义为输出电流变化量与输入电流变化量之比。对于输入为正弦波信号时，同理可用输入电流与输出电流的正弦相量之比来表示，即：,3）功率放大倍数定义为放大电路的输出功率Po与输入功率Pi之比，即Ap=Po/Pi。,1、放大倍数,2、输入电阻,输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，如图6-6所示，定义为输入电压有效值ui和输入电流有效值ii之比，即,图6-6 放大电路的输入
7、、输出电阻,3、输出电阻,输出电阻是从输出端往放大电路看进去的等效电阻。输出电阻是用来衡量放大电路带负载能力的重要指标，输出电阻越大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源，如图6-6所示。输出电阻在信号源短路（us=0）、负载断开（RL=）时、在输出端外加一个正弦测试电压u，以产生一个相应的输出电流i，则输出电阻r0定义为两者的比值，即：,ro越小，负载电阻RL变化时，uo的变化越小，放大电路的带负载能力越强。,当两级放大电路相互连接时，后级放大电路的输入电阻ri2是前级放大电路的负载电阻，而前级放大电路则可视为后级放大电路的信号源，其内阻就是
8、前级放大电路的输出电阻ro1。,6.2 基本放大电路分析,放大电路的分析主要包含两个部分: 1）静态分析，又称为直流分析，分析对象为直流分成分，用来确定没有加入交流信号时，电路中各处的直流电压和直流电流值。 2）动态分析，又称交流分析，分析对象为交流成分，用来估算放大电路加入交流信号时的各项动态指标，如电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。,6.2.1放大电路的静态分析,静态是指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。静态值的分析通常有两种方法：
9、近似估算法和图解法.,6.2.1.1 放大电路静态分析的估算法,共发射极放大电路的直流通路如图6-4所示。由KVL可知，三极管的基极电流IB、集电极电流IC以及UCE间满足关系式：,只要RB不变，放大电路的偏流IB是固定的，具有这种特点的电路称为固定偏流电路。,【例6-1】在图例6-1所示固定偏流放大电路中，已知NPN硅管的电流放大倍数b=37.5，UCC=12V，RC=4KW，Rb=300KW，试用近似估算法求静态工作点Q值。,解：因为放大器件为硅三极管，可取三极管UBE=0.7V。,由计算公式得：,图例6-1 固定偏流放大电路及其直流通路,6.2.1.2 静态工作点的稳定,1 分压式偏置电
10、路 分压式偏置共射放大电路如图6-7所示，发射极电阻RE起直流负反馈的作用（有关负反馈内容可参阅后续内容），可稳定静态工作点，电容CE称为旁路电容，可使发射极交流接地，使电阻RE对电路交流工作无影响。,a) 放大电路 b) 直流通路 图6-7 分压式偏置放大电路及其直流通路,分压式偏置共射放大电路的直流通路如图6-7所示。一般情况下，此电路满足以下两个条件：首先，由于IB很小，所以I1IB或I2 I1；其次，UBUBE。 电路在满足上述两条件下由KVL可得：,2分压式偏置电路的静态分析,6.2.1.3 图解法确定静态工作点,利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法，称为图解法。图解法
11、一般步骤如下： 1）用估算法求出基极电流IBQ（如40A）。 2）根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。 3）作直流负载线。根据集电极电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC，其斜率为1/RC，只与集电极负载电阻RC有关，称为直流负载线. 4）求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB=40A的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q，该点就是静态工作点，如图6-8(b)所示。,a) 直流负载线 b) Q点的确定 图6-8 直流负载线及
12、Q点的确定,在给定的VCC和RC不变的情况下，静态工作点的合适与否取决取基极偏流IB。当IB比较大时，静态工作点将沿负载线向上移动，使得Q点的位置离饱和区较近，因此容易使信号正半周期进入到晶体管的饱和区而造成饱和失真；反之，Q点则向下移动离截止区较近，使信号负半周期容易进入截止区从而造成放大信号的截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真，如图6-9所示。为此，须合理设置Q值的位置才能使输入信号有效放大。,图6-9 非线性失真示意图,6.2.2放大电路的动态分析,6.2.2.2 微变等效电路分析法,图6-13 三极管的微变等效分析,其中，ib、ic和uce均是由uBE的变化量ube产生的。如
13、果ube与UBE相比为一小信号电压，三极管将以Q点为中心上下变化，如图6-13所示，点Q是ube0时的三极管的工作点，称为静态工作点。,三极管的输入电阻,低频小功率三极管的输入电阻常用下式估算,从三极管的输出特性曲线可以看出，当三极管工作在放大区时，输出特性为一组近似与横轴平行的直线，因此uCE对iC的影响不大，iC只由iB决定,对交流信号而言，三极管的输出电路可用一个受控电流源等效,a) 低频三极管 b) 微变等效电路 图6-14 低频信号三极管的微变等效电路,a) 放大电路交流通路 b) 放大电路的微变等效电路 图6-15 共射放大电路的交流通路及微变等效电路,6.2.3用微变等效电路求解
14、放大电路的动态指标,6.2.3.1固定偏流放大电路,1）放大电路电压放大倍数Au的计算,2）放大电路输入电阻ri的计算,3）放大电路输出电阻r0的计算,6.2.3.2分压式偏置共射放大电路,(a)交流通路 (b)微变等效电路 图6-16 分压式偏置共射放大电路直流通路及微变典型模型,1) 电压放大倍数Au的计算,若负载电阻RL断开，则相应开环电压放大倍数为,2) 输入电阻ri,3）输出电阻r0,4）源电压放大倍数Aus,若考虑信号源内阻时，即将US作为放大器的输入信号，由相应微变等效电路图6-17可知，Aus重新定义为输出电压Uo与信号源电压Us的比值，即,图6-17 带信号源内阻的放大电路,
15、【例6-4】在图6-16所示的分压式偏置放大电路中，若RB1=75k，RB2=25k，RC=RL=2k，RE=1k，UCC=12V，晶体管采用3DG6管，=80，Rs=0.6k。1)估算电路静态值；2）计算电路的电压放大倍数Au、输入电阻ri以及输出电阻ro和源电压放大倍数Aus等动态值；3）计算不接电容Ce时的电压放大倍数Au、输入电阻ri以及输出电阻ro，并与接Ce时的Au，ri，ro进行比较。,解： 1）估算法计算Q点：,2）动态值计算：,3) 不接电容Ce时，电路所对应的微变等效电路如图例6-4所示，则,因此,6.3 共集电极放大电路及共基极放大电路,如图6-18所示电路，具有内阻Rs
16、的信号源Us从基极输入，信号从发射极输出，而集电极交流接地，作为输入、输出的公共端，故称共集电极电流。由于信号从射极输出，所以该电路又称为射极输出器（亦称射极跟随器）。,图6-18 共集电极放大电路及其直流通路,1 电路的静态分析,根据电路基础知识可得到的关系式有,因此有基极静态电流,集电极静态电流,集-射极电压,2 电路的动态分析,a) 共集电极放大电路 b) 微变等效电路 图6-19 共集电极放大电路及微变等效电路,1) Au的估算,2) 输入电阻ri的估算,上式表明，Au恒小于、接近于1，且输出电压与输入电压同相。换句话说，输出电压几乎跟随输入电压变化。因此，共集电极放大器又称为射极跟随器。,3) 输出电阻r0的估算,输出电阻定义为除去RL后，从输出端看入，电路除源后的等效电路。在图6-19(b)中，当输出端外加电压Uo，而将Us短路并保留内阻Rs时，可得图6-20所示电路。,图6-20 共集电
