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三极管的基本放大电路分析ppt


第7章 基本放大电路
放大电路的功能是利用三极管的电流控制作用, 或场效应管电压控制作用,把微弱的电信号(简称信 号,指变化的电压、电流、功率)不失真地放大到所 需的数值,实现将直流电源的能量部分地转化为按输 入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路 的实质,是一种用较小的能量去控制较大能量转换的 能量转换装置。 放大电路组成的原则是必须有直流电源,而且电 源的设置应保证三极管或场效应管工作在线性放大状 态;元件的安排要保证信号的传输,即保证信号能够 从放大电路的输入端输入,经过放大电路放大后从输 出端输出;元件参数的选择要保证信号能不失真地放 大,并满足放大电路的性能指标要求。

本章将依据上述原则,介绍几种常用的基本放大 电路的组成,讨论它们的工作原理、性能指标和基本 分析方法。掌握这些基本放大电路,是学习和应用复 杂电子电路的基础。 7.1共发射极放大电路

7.1.1电路组成及各元作用 1. 电路的组成

图7.1 共发射极基本放大电路

2. 各元件作用 (1) 三极管V:实现电流放大。

(2) 集电极直流电源UCC :确保
三极管工作在放大状态。 (3) 集电极负载电阻RC :将三极管集电极电流的变 化转变为电压变化,以实现电压放大。 (4) 基极偏置电阻RB :为放大电路提供静态工作点。 (5) 耦合电容C1和C2 :隔直流通交流。

3.工作原理 (1) ui直接加在三极管V的基极和发射极之间,引起 基极电流iB作相应的变化 。 (2) 通过V的电流放大作用, V的集电极电流iC也将变化 。 (3) iC的变化引起V的集电 极和发射极之间的电压uCE变化。

(4) uCE中的交流分量uce经过C2畅通地传送给负载
RL,成为输出交流电压uo,,实现了电压放大作用。

7.1.2 静态分析
静态分析就是要找出一个合适的静态工作点,通常 由放大电路的直流通路来确定。如图7.2所示。

图7.2 共发射极放大电路的直流通路和静态工作点

静态分析通常有两种方法 1. 估算法

U CC ? U BE IB ? RB
IB U CC ? RB

(7. 1a)

(7.1b)
(7. 2) (7.3)

IC≈βIB UCE = UCC - IC RC

2. 图解法 (1) 作直流负载线 由 uCE = UCC - iC RC 令iC=0时,uCE= UCC,在横轴上得M点(UCC ,0)

U CC U CC 令uCE=0时, ,在纵轴上得N点(0, ) RC RC
连接M N 即直流负载线

(2) 求静态工作点 直流负载线与iB=IB对应的那条输出特性曲线的交 点Q,即为静态工作点,如图7.3(b)所示

(a) (b) 图7.3 静态工作点的图解

[例7.1] 试用估算法和图解法求图7.4 (a) 所示放大 电路的静态工作点,已知该电路中的三极管β=37.5,直 流通路如图7.4(b)所示,输出特性曲线如图7. 4 (c) 所示。

图7. 4 [例7. 1]的图

解: 10 用估算法求静态工作点 由式(7. 1)~(7. 3)得 IB≈0.04mA=40? A IC≈βIB=37.5×0.04mA=1.5mA UCE=UCC - ICRC=12-1.5×4=6V 20 用图解法求静态工作点 由 uCE = UCC - iCRC = 12 - 4iC 得

M点(12,0); N点(0,3)

MN与iB=IB=40μA的那条输出特性曲线相交点,即 是 静 态 工 作 点 Q 。 从 曲 线 上 可 查 出 : IB=40μA , IC=1.5mA,UCE=6V。与估算法所得结果一致。 3.电路参数对静态工作点的影响

(1) RB 增大时,IB减小,Q点降低,三极管趋向于
截止。 (2) RB 减小时,IB 增大,Q点抬高,三极管趋向 于饱和。此时三极管均会失去放大作用。

7.1.3 动态分析
1. 图解法

(1) 负载开路时输入和输出电压、电流波形的分
析 根据ui波形,在输入特性曲线上求iB和uBE的波形 根据iB波形,在输出特性曲线和直流负载线上求 iC、 uRC和uCE的变化 ,如图7.5所示。

图7.5(a)

(2) 带负载时输入和输出电压、电流波形分析 作交流负载线: 10 先作出直流负载线MN,确定Q点。 20 在uCE坐标轴上,以UCE为起点向正方向取一段IC R/L 的电压值,得到C点。

30 过CQ作直线CD,即为交流负载线,如图7. 5所
示。 (3) 放大电路的非线性失真

截止失真:

三极管进人截止区而引起的失真 。通

过减小基极偏置电阻RB的阻值来消除。

图7.5(b)

饱和失真: 三极管进入饱和区而引起的失真。通过增 大基极偏置电阻RB的阻值来 消除。
失真波形如图7.6所示。

图 7. 6 截止失真

饱和失真: 三极管进入饱和区而引起的失真。通 过增大基极偏置电阻RB的阻值来 消除。 失真波形如图7.7所示。

图 7. 7 饱和失真

为了减小和避免非线性失真,必须合理地选择静 态工作点Q的位置,并适当限制输入信号ui 的幅度。一

般情况下,Q点应大致选在交流负载线的中点,当输入
信号ui 的幅度较小时,为了减小管子的功耗,Q点可适 当选低些。若出现了截止失真,通常采用提高静态工 作点的办法来消除,即通过减小基极偏置电阻RB的阻 值来实现;若出现了饱和失真,则反向操作,即增大

RB。

2. 微变等效电路法 (1) 三极管微变等效电路

图7.11 三极管的微变等效电路

rbe=300+(1+β)

26(mV ) ( ?) I E (mA)

(2) 放大电路微变等效电路 放大电路的微变等效电路就是用三极管的微变等

效电路替代交流通路中的三极管。交流通路指:放大
电路中耦合电容和直流电源作短路处理后所得的电路。

因此画交流通路的原则是:将直流电源UCC短接;将输
入耦合电容C1和输出耦合电容C2短接。图7. 1的交流通 路和微变等效电路如图7.12所示。

?

(b) 交流通路

(c)微变等效电路

图 7.12 共发射极基本放大电路

(3) 动态性能分析 电压放大倍数Au ? ? Uo ? ?I b RL RL Au ? ? ? ?? Ui I b rbe rbe 输入电阻Ri 输入电阻指从放大电路输入端AA/ (如图7.13)看进去 的等效电阻,定义为:
Ui Ri= Ii 由图7. 12可知

Ui Ri ? Ii

=

rbe∥RB

若考虑信号源内阻(如图7. 13),则放大电路输入电 压Ui是信号源Us在输入电阻Ri 上的分压,即

Ri Ui ? U S Ri ? RS
输出电阻Ro 输出电阻指从放大器放大器信号源短路、负载开 路,从输出端看进去的等效电阻,定义为:

Uo Ro= Io

图 7. 13 放大电路的输入电阻和输出电阻

由图7.12可知 Uo Ro= = RC Io 工程中,可用实验的方法求取输出电阻。在放大 电路输入端加一正弦电压信号,测出负载开路时的输 出电压U/o;然后再测出接入负载RL时的输出电压Uo, 则有
U o/ Uo ? RL Ro ? R L

式中: U/o 、Uo是用晶体管毫伏表测出的交流有效值。

? Uo Ro ? ( ? 1) RL Uo

[例7.3] 图7.4(a)所示电路的交流通路和微变等效电路 如图7.14所示,试用微变等效电路法求:

? 10 动态性能指标 Au 、Ri、Ro。 ? 20 断开负载RL后,再计算 Au
、Ri、Ro。

图7.14

[例7. 3]的图

解:10 由[例7. 1]可知 IE≈1.5mA 故

26 mV 26 mV rbe ? 300 ? (1 ? ? ) ? 300 ? (1 ? 37.5) ? IE 1.5mA
= 967Ω
/ RL 37 .5 ? (4 // 4) ? ? ?? Au ?? ? ?78 rbe 0.967

Ri = RB // rbe=300 // 0.967≈0.964kΩ Ro=RC=4kΩ

20 断开RL后

? ? ? ? RC ? ? 37.5 ? 4 ? ?156 Au rbe 0.967

Ri = RB // rbe = 300 // 0.967≈0.964kΩ

Ro= RC = 4kΩ

7.1.4 稳定工作点的电路
当温度变化、更换三极管、电路元件老化、电源

电压波动时,都可能导致前述共发射极放大电路静态
工作点不稳定,进而影响放大电路的正常工作。在这

些因素中,又以温度变化的影响最大。因此,必须采
取措施稳定放大电路的静态工作点。常用的办法有两 种,一是引入负反馈;另一是引入温度补偿。

1. 射极偏置电路

(a)电路图

(b)微变等效电路
图 7.15 射极偏置电路

(1) 各元件作用 ① 基极偏置电阻RB1、RB2:RB1、RB2为三极管提 供一个大小合适的基极直流电流IB ,调节RP的阻值, 可控制IB的大小。R的作用是防止RP阻值调到零时,烧 坏三极管。一般RB1 的阻值为几十千欧至几百千欧; RB2的阻值为几十千欧。 ② 发射极电阻RE:引入直流负反馈稳定静态工作 点。一般阻值为几千欧。

③ 发射极旁路电容CE:对交流而言,CE短接RE ,
确保放大电路动态性能不受影响。一般CE 也选择电解 电容,容量为几十微法。

(2) 稳定工作点原理 ① 利用RB1和RB2的分压作用固定基极UB。 ② 利用发射极电阻RE产生反映Ic变化的UE,再引 回到输入回路去控制UBE,实现IC基本不变。

稳定的过程是:
T↑→ Ic ↑→IE ↑→UE↑ →UBE ↓→IB↓→IC↓

(3) 静态分析 该电路的静态工作点一般用估算法来确定,具体 步骤如下:

RB 2 ① 由:UB ? UCC,求UB。 RB1 ? RB 2
② ③ 由:IE ? U B ,求IC、IE 。

RE

由IC=βIB,求IB。



由UCE = UCC - ICRC - IERE ≈ UCC - IC(RC+RE)

求UCE 。

(4) 动态分析 该电路动态性能指标一般用微变等效电路来确定, 具体步骤为: ① 画出微变等效电路,如图7.15(c); ② 求电压放大倍数 、输入电阻Ri 、输出电阻Ro 。 比较图7.15(c)和图7.12(c)可知:射极偏置放大电路 的动态性能与共发射极基本放大电路的动态性能一样。

图 7.15(c) 射极偏置电路的微变等效电路

[例7.4] 试求:

在图7.16所示的电路中,三极管的β=50,

10 静态工作点。
20 电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。 30 不接CE 时的电压放大倍数、输入电阻、输出电 阻。 40 若换用β=100的三极管,重新计算静态工作点和 电压放大倍数。

图 7.16 [例7. 4]的电路

解:10 求静工作点 UB ?

RB 2 6.2 U CC ? ? 12 =3.5V RB1 ? RB 2 15 ? 6.2

U B ? U BE 3.5 ? 0.7 ? ? 1.4mA IC ? I E ? RE 2
IB ?
IC

?

?

1.4 ? 0.028mA=28μA 50

UCE ? U

CC

? I C ( RC ? RE ) ? 12-1.4(3+2)=5V

20 求Au、Ri、Ro
26 ( mV ) rbe =300+(1+β) =300+(1+50) I E ( mA) 3 ?1 / =R ∥R = ? 0.75 kΩ R L C L 3 ?1

26 =1.25 kΩ 1.4

故:

? RL 0.75 Au= ? ? = -50× = -30 rbe 1.25
Ri = rbe //RB1//RB2=1.25//6.5//6.2=0.97 kΩ Ro ≈ RC = 3 kΩ

30 计算不接CE 时的Au、R/i 、R/o
当射极偏置电路中CE不接或断开时的交流通路如图 7.17(a)所示,图7.17(b)为对应的微变等效电路。

图 7.17 不接CE 时的电路

由图7. 17(b)可得:

U i ? I b rbe ? I e RE ? I b rbe ? (1 ? ? ) I b RE ? ? U o ? ? I o ( RC // RL ) ? ? I C RL ? ? ?I b RL
故:
? ? Uo ? ?I b RL RL = ? ? ?? U i I b rbe ? (1 ? ? ) I b RE rbe ? (1 ? ? ) RE

A/

u

U i I b rbe ? (1 ? ? ) I b RE ? ? ri = ? Ib Ib R /i = ri // RB1 // RB2

rbe+(1+β)RE

= [rbe ? (1 ? ? ) RE ] ∥RB1∥RB2

输出电阻可由图7.18求出,由图可知 I b ? 0 ,所以

U R ? ? RC I
/ o

图 7. 18 不接CE时求输出电阻的等效电路

将有关数据分别代入上式得 A/u = - 0.36

R /i =103.25 kΩ
R /o =3 kΩ

由此可见,电压放大倍数下降了很多,但输入电阻

得到了提高。

40 当改用β=100的三极管后,其静态工作点为

U B ? U BE 3.5 ? 0.7 IE = =1.4mA ? RE 2
IC ? I E =1.4mA
IC 1.4 = 14μA 100

? UCE = UCC - IC (RC+RE) = 12 - 1.4(3+2) = 5V
可见,在射极偏置电路中,虽然更换了不同β的管 子,但静态工作点基本上不变。

IB =

?

此时
? rbe ? 300 ? (1 ? ? ) 26 (mV ) I E (mA)
26 ? 2.2k? 1.4

? 300 ? (1 ? 100 )

? RL 0.75 Au ? ? ? ? ?100 ? ? ?34 ? rbe 2.2

与β=50时的放大倍数差不多。

2. 集―基耦合电路 集―基耦合电路如图7.19所示,它引入了直流电 压负反馈实现稳定静态工作点。

图7.19 集―基耦合电路

静态工作点稳定过程如下: T↑→IC↑→UC↓→UB↓→UBE↓→IB↓→IC↓

3. 温度补偿电路

温度补偿电路如图7.20所示。图7.20(a)为:用二极
管温度补偿来实现稳定静态工作点的电路,图7.20(b) 为:用热敏电阻温度补偿来实现静态工作点稳定的电 路。图7.20(b)中RB2为负温度系数的热敏电阻。若采用 正温度系数的热敏电阻,只需将RB1 和RB2 位置对调一

下即可。

图7.20 温度补偿电路


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