晶体管放大电路基础总结.ppt
第三章 晶体管放大电路基础(全书重点）3.1 放大电路的工作原理及分析方法3.2 BJT偏置电路（直流通路：提供合适的静态工作点Q 点，保证 BJT发射结正偏，集电结反偏，放大信号始终处在放大工作区，避免出现截止及饱和失真。介绍固定基流电路，基极分压射极偏置电路）3.3 放大电路的技术指标及基本放大电路（本章讨论小信号放大器的基本指标:电压放大倍数（电压增益），源电压放大倍数（源电压增益），交流输入电阻，交流输出电阻，功率增益等；第五章将讨论大信号放大器的非线性失真，输出功率和效率等指标；第六章将讨论放大器的上，下限频率，通频带，频率失真等频率指标；基本放大电路：共射，共基，共集。3.4 多极放大电路（自学）,3.1 放大电路的工作原理及分析方法,1 放大的概念,所谓“放大”，是指将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管/场效应管），得到一个波形相似（不失真）、但幅值却大很多的交流大信号的输出。这个装置就是晶体管/场效应管放大电路。因此，放大作用的实质是晶体管的电流、电压或功率的控制作用，输出的较大功率来源于放大电路的直流电源VCC等，而不是晶体管。晶体管为耗能元件。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,Au,1 放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管（第四章介绍）组成的放大电路，可以将基本放大电路看成一个双端口网络。,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。,2 放大器的组成原则：,直流偏置电路（即直流通路）要保证器件工作 在放大模式。,交流通路要保证信号能正常传输，即有输入信 号vi时，应有vo输出。,判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。,元件参数的选择要保证信号能不失真地放大。即电路需提供合适的Q点及足够的放大倍数。,以共射组态基本放大电路为例加以说明。电路如下所示。,构成放大电路必须保证三极管处于放大状态，即发射结正偏，集电结反偏；保证输入信号可以加到三极管的输入回路，同时经三极管放大的信号，可以输送到负载上去。地：输入回路与输出回路的公共端。,基本放大电路的组成包括：1。三极管2。偏置电阻3。负载电阻4。耦合电容5。直流电源,三极管VT：放大信号，起的能量控制的作用；,偏置电路Rb1、Rb2、Re：使三极管发射结正偏，集电结反偏，保证三极管具有放大能力；,负载电阻：包括三极管的集电极负载电阻Rc，放大电路的负载电阻RL；,耦合电容C1、C2：交流放大器中的耦合电容可以隔断电容两端的直流电压，并无衰减地将电容一端的交流电压传送到另一端，耦合电容上应基本上无交流电压，或即是交流短路的。傍路电容也是对交流电流短路的电容。C1、Ce可保证信号加到发射结，Ce 称旁路电容。C2可保证信号加到负载电阻RL上；,直流电源VCC：向基本放大电路提供工作电流，以及在三极管的控制之下向负载输送转换成的信号能量。,放大器的工作原理,放大的概念,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。,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。,放大器的工作原理,基本放大电路的组成,简化：,1.两个电源用一个VCC,去掉VBB,Rb改接由VCC供电,2.公共端接地，设其电位为0V，其他各点电位以它做参考点。因此可不画VCC,只标出极性和大小。,基本放大电路的组成,放大器的工作原理,基本组成如下：三 极 管T 负载电阻RC、RL 偏置电路VCC、Rb 耦合电容C1、C2,起放大作用,将变化的集电极电流转换为电压输出,使三极管工作在线性区给输出信号提供能量,起隔直作用,对交流起耦合的作用,3 放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变（小信号）等效电路法,图解法,计算机仿真,静态 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。放大管的直流电流电压称为放大器的静态工作点。静态工作点由直流通路求解。,放大器中的电压参考点称为“地”，放大器工作时，某点对“地”的电压不变（无交流电压），该点为“交流地”。放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。放大器工作时，信号（电流、电压）均迭加在静态工作点上，只反映信号电流、电压间关系的电路称为交流通路。,直流通路和交流通路,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,交流通路：只考虑交流信号的分电路。直流通路：只考虑直流信号的分电路。画交流通路时应将恒压源短路（无交流电压），恒流源开路（无交流电流）；耦合、傍路电容短路（无交流电压）。画直流通路时应将电容开路（电容不通直流），电感短路（电感上直流电压为零）。,例1：,对直流信号（只有+EC）,对交流信号(输入信号ui)，即交流通路：电压源，耦合电容，旁路电容短路；电流源开路。,放大电路的静态分析,工作原理,静态,Ui=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值IBQ、ICQ、UCEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量,静态分析方法,计算法,图解分析法,1.计算法,借助于放大电路的直流通路来求,直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到。,放大电路的静态分析,工作原理,1.估算法（重点）,Si管：UBEQ=0.7V,Ge管:UBEQ=0.3V,（2）求静态值,（1）首先画出直流通路,求解顺序是先求IBQICQUCEQ,UCEQ=EC-ICQRC,放大电路的静态分析,工作原理,2.图解法,放大电路的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ,UBE=EC-IBRb,直流负载线,Ec/Rb,Ec,IBQ,Q,-1/Rb,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定IBQ、UBEQ,UCE=EC-ICRc,直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ,放大电路的静态分析,工作原理,2.图解法,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求ICQ、UCEQ,求两点,IC=0 UCE=EC,UCE=0 IC=EC/Rc,作出直流负载线，直流负载线和输出特性曲线的有多个交点。,只有与iB=IBQ对应的那条曲线的交点才是静态工作点,放大电路的静态分析,2.图解法,工作原理,由图可见：,如改变Ib的数值，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量,1.由直流负载列出方程 UCE=UCCICRc2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,关键：直流负载线的确定方法：,3.在输入回路列方程式UBE=UCCIBRb,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。,放大电路的静态分析,2.图解法,工作原理,EC、EC/Rc,放大电路交流（动态）分析,工作原理,动态,有输入信号Ui0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态,1.放大电路的交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数AU 或AI输入电阻ri和输出电阻ro,（1）将放大电路中电容视作短路,交流通路的画法：,（2）直流电源电阻很小，对交流可视作短路,即可得到放大电路的交流通路,放大电路交流（动态）分析,工作原理,1.放大电路的交流通路,2.放大电路的工作过程,当有交流信号ui加到放大器的输入端时，晶体管各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量，此时电路中的信号即有直流，又有交流。,ui,uo,工作原理,规定:见书,直流分量：,大写字母、大写下标,交流分量：,小写字母、小写下标,交直流叠加量：,小写字母、大写下标,工作原理,放大电路交流（动态）分析,2.放大电路的工作过程,三极管放大作用,变化的 通过 转变为变化的电压输出,ui ube ib ic(ib)icRc uce uo,uo与ui的极性相差1800,uce=-icRL,2-3,放大电路的图解分析方法,通过作图的方法求AU、AI及放大电路的最大不失真电压,交流负载线：放大器工作时动态工作点的运动轨迹。,交流负载线确定方法：1.通过输出特性曲线上过Q点做一条斜率为1/RL直线。,2.交流负载电阻RL=RLRc,3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。,比直流负载线要陡,图解分析方法,图解分析,1.求出静态工作点Q,2.画出交流通路，求出交流负载电阻,RL=Rc/RL,3.以Q为基准，在输入特性曲线上，根据ui的变化波形求出ib的波形及幅值Ibm,作出交流负载线,图解分析方法,图解分析,不截止Ucm1,不饱和Ucm2,2-4,图解分析方法,图解分析,确定放大器的最大工作范围-最大不失真电压,Ucm=min(Ucm1,Ucm2),通过图解分析，可得如下结论：1.ui uBE iB iC uCE uo 2.uO与ui相位相反；3.可以量出放大电路的电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输出幅度。,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。,波形的失真,双向失真,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,2-5,2-6,2.要有合适的交流负载线。,3.输入信号的幅度不能太大,工作点位置合适信号过大而引起的非线性失真。,3.2 BJT偏置电路,设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。,对偏置电路的要求,提供合适的Q点，保证器件工作在放大模式。,例如：偏置电路须保证三极管E结正偏、C结反偏。,当环境温度等因素变化时，能稳定电路的Q点。,例如：温度升高，三极管参数、ICBO、VBE(on),而这些参数的变化将直接引起Q点发生变化。,当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和或截止失真。,（a）双电源供电电路（b）单电源供电电路,实用放大电路单电源供电电路,（a）单电源供电电路（b）习惯画法,三极管偏置电路,（1）固定（稳）基流电路（最简单的偏置电路）,静态工作点Q点估算（注意保证放大的条件）,电路优点：,电路简单，IB随温度变化小；Q点设计方便，计算简单。,电路缺点：,工作点Q随温度变化大，不具有稳定Q点的功能。,T时、ICBO、VBE(on),ICQ,Q点升高,静态工作点对放大电路的影响温度对工作点的影响,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,UBE,ICEO,Q,B.Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生饱和失真,C.Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生截止失真,小结：,固定偏置电路的Q点是不稳定的。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。,常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,此时，,不随温度变化而变化。,一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V,2 基极分压射极偏置电路,1.稳定工作点原理,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。,T,IC,IE,IC,VE、VB不变,VBE,IB,（电流取样直流负反馈控制，见第七章）,静态工作点稳定的放大器,I210IB I1 I2,分压式偏置电路,Re射极直流负反馈电阻,Ce 交流旁路电容,基极分压射极偏置电路,典型电路（设计要求：),可以认为与温度无关。,似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,稳定原理,不变,基极分压射极偏置电路稳Q条件：I1 I2IB与（1+）RE RB=RB1/RB2 工程上取RE 10RB。特点：元件稍多。工作点Q随温度变化很小，稳定工作点的原理是电流取样电压求和直流负反馈。,3.3 放大电路的技术指标及基本放大电路（重点）本节讨论衡量小信号放大器的基本技术指标:电压放大倍数（电压增益），源电压放大倍数（源电压增益），交流输入电阻，交流输出电阻，功率增益等；第五章将讨论大信号放大器的非线性失真，输出功率和效率等指标；第六章将讨论放大器的上，下限频率，通频带，频率失真等频率指标；基本放大电路：共射，共基，共集。,图1 放大电路技术指标测试示图,1,2,1 放大电路的基本性能指标,一、端电压放大倍数（电压增益）AV,vi 和vo 分别是输入和输出电压，即信号放大倍数。越大越好。,三、输入电阻Ri=vi/ii,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大越好，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,二、源电压放大倍数（源电压增益）AVS,，,四、输出电阻Ro,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。即断开负载后，从放大电路输出端看出去的等效交流电阻，不包括负载电阻。输出电阻越小越好，带负载能力越强。,如何确定电路的输出电阻Ro？,步骤：,1.所有的电源置零(将独立电压源短路，独立电流源断路，保留受控源)。,2.加压求流法。,方法一：外加电压法计算Ro=U/I。,方法二：开路电压和负载电压法（证明）。,1.求开路电压。,2.求接入负载后的输出电压。,步骤：,3.计算。,方法三：开路电压和短路电流法。,1.求开路电压Uo。,2.求短路电流Ios。,步骤：,3.计算。Ro=Uo/Ios负载开路电压增益AVO=vo/vi（RL断开）AV=RL/（RO+RL）*AVO,电流增益：负载开路电压增益（内电压增益）：功率增益：、的分贝数为；的分贝数为。,根据三极管（场效应管）在放大器中的不同接法，放大器分为三种基本组态。,2.基本组态放大器,无论何种组态放大器，分析方法均相同。,1)由直流通路确定电路静态工作点。,注意：,2)由交流通路画出小信号等效电路，并进行分析。,三极管的简化微变等效电路（重点）,请注意如下问题：电流源为一受控源，而不是独立的电源。电流源的流向不能随意假定，而是由ib决定。该模型仅适用于交流小信号，不能用于静态分析和大信号。,放大电路的微变等效电路（小信号模型）,将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:,对于小功率三极管：rbe=rbb+VT/IBQ,rbb,=300欧（通常），VT=26mV(常温下）,rbe的量级从几百欧到几千欧。,共发射极放大电路,一、电路的组成,图2 基本共(发)射(极)放大电路,共发射极放大器（如不加CE见后）,三种组态放大器的实际电路及性能指标计算,共发射极放大电路,电路组成,VCC(直流电源)：,1.使发射结正偏，集电结反偏,2.向负载和各元件提供功率,C1、C2(耦合电容)：隔直流、通交流,RB1、RB2(基极偏置电阻)：提供合适基极的电流,RC(集电极负载电阻)：将 IC UC 使电流放大 电压放大,RE(发射极电阻)：稳定静态工作点“Q”,CE(发射极旁路电容)：短路交流，消除RE对电压放大倍数的影响,静态工作点稳定过程,UBE=UB-UE=UB-IE RE,UB被认为较稳定,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,E,C,B,直流通道及静态工作点估算,IB=IC/,UCE=VCC-ICRC-IERe,IC IE=UE/Re=（UB-UBE）/Re,UBE 0.7V,电容开路,画出直流通道,直流分析,ICQ,IBQ,IEQ,I1,+UBEQ,要求：,I1(5 10)IBQ,BQ(5 10)UBEQ,估算法,+UCEQ,稳定“Q”的原理：,T,IC,UE,UBE,IB,IC,第3章 放大电路基础,电容短路,直流电源短路，画出交流通道,交流通道及微变等效电路,B,E,C,共发电路性能分析（重点，年年考）,共发、共基和共集放大器的性能,其中,令,直流通路交流通路-画微变等效电路（交流等效电路）,分析电路输入、输出电阻,ib=0,Ri=RB/rbe,管端输入电阻Ri=rbe,交流通路,1.电压放大倍数,Ro,源电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,Ro=RC,性能指标分析,小信号等效电路,Ri,第3章 放大电路基础,问题：如果去掉CE，放大倍数怎样？,求电压增益 由电路图可知，Ri=rbe+(1+)Re，阻抗反映法（讲解），见书P70。,当没有旁路电容 CE 时：,小信号等效电路,1.电压放大倍数,源电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,Ro=RC,交流通路,Ri,Ri,第3章 放大电路基础,共基极放大器（见教案2-5-3）,共基极放大电路,一、求“Q”(略),二、性能指标分析,Ri,Ri,Ro,Ro=RC,特点：,1.Au大小与共射电路相同,2.输入电阻小,Aus小,RL,第3章 放大电路基础,共集电极放大器（射极输出器，射极跟随器，射随器，见教案2-5-2）,共集电路性能分析,画微变等效电路,共集电路输入电阻(忽略rce，)，可用阻抗反映法,=rbe+RE/RL(1+),共集电路输出电阻,令vs=0、RL开路，画出求Ro的等效电路。Ro=RE/(rbe+Rs/RB)/(1+),共集电路电流增益(忽略rce),若,短路电流增益,共集电路电压增益(忽略rce),其中,三种组态电路性能比较（见书P77，记忆）,小,大,小,大,大,小,大,大,1,大,中,中,三种组态的比较,三种组态电路的应用,共发放大器,广泛应用于多级放大器提供增益的增益级中。,共基放大器,由于频率特性好，故常与共发电路配合，组成宽带放大器。,共集放大器,利用Ri高的特点，常作多级放大器输入级；,利用Ro低的特点，常作多级放大器输出级，提高带负载能力。,利用Ri高、Ro低的特点，常作缓冲级（隔离级），以提高前级电路的增益。,射极输出器的特点：电压放大倍数=1，输入阻抗高，输出阻抗小。,耦合,(1)直接耦合(2)阻容耦合(3)变压器耦合(4)光电耦合,为获得足够大的放大倍数,需将单级放大器串接,组成多级放大器,3-4 多级放大电路（自学）,1.耦合方式,多级放大器,要求,动态:传送信号,减少压降损失,静态：保证各级Q点设置,波形不失真,2.对耦合电路要求,2.多级放大器性能指标的计算,核心:后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载，而后级放大器的输出电路是后级放大器的信号源。,图336 多级放大器的通用模型,（1）电压放大倍数AV,上式表明，多级放大器电压放大倍数是在考虑了级与级之间负载效应后各级放大器电压放大倍数的乘积。,（338）,（2）输入电阻Ri,多级放大器的输入电阻Ri:,就是第一级放大器的输入电阻Ri1;,但在计算Ri1 时,要把后一级的输入电阻作为第一级的负载,电阻来考虑。即,（339）,(3)输出电阻RO,多级放大器的输出电阻RO,就是最末级放大器的输出电阻 ROn,但在计算Ron,时要把前一级的输出电阻作为它的信号源内阻来,考虑。即,（340）,
