放大电路电压比较器.ppt

第2章 基本放大电路,2.1 概述 2.2 三极管共射极单级放大电路 2.3 共集电极放大电路 2.4 共基极放大电路 2.5 场效应管放大电路 习题,2.1 概 述,2.1.1 放大的意义与放大器框图 由晶体管构成的基本放大电路，主要作用是利用晶体管的电流或电压控制作用，将微弱的电压或电流不失真地放大到需要的数值。,在电子系统中，“放大”起着十分重要的作用。我们经常需要将微弱的电信号加以放大，去推动后续的电路。这个微弱的电信号可能来自于前级放大器的输出，也可能来自于可以将温度、湿度、光照等非电量转变成电量的各类传感器的输出，也可能来自于我们比较熟悉的由收音机的天线接收到的广播电台发射的无线电信号等。,这些微弱的电信号经过几级放大电路，被放大到需要的数值，最后送到功率放大电路中进行功率放大以推动喇叭、继电器、电动机、显示仪表等执行元件工作。简单地说，一个我们非常熟悉的收音机电路就是一个以“放大”为核心的小型电子系统。它将微弱的无线电信号逐级放大，最后经功率放大级输出推动喇叭，还原出声音信号。一个放大电路系统可以表示成图2-1所示的框图。,图2-1 放大器的框图,2.1.2 基本单级放大电路的连接形式 我们知道，无论是单极型的晶体三极管还是双极型的场效应晶体管都具有三个电极，而放大电路应该是一个有源四端双口网络，具有一个输入回路和一个输出回路，如图2-2所示。,图2-2 放大器的输入和输出端口,以晶体管的一个电极作为输入端，一个电极作为输出端，则第三个电极必须同时作为端和端，即输入和输出端口的公共端。根据公共端的不同，以单极型晶体三极管为例，三极管BJT组成的基本单级放大电路有三种连接方式：共发射极放大电路（CE，Common Emitter）、共集电极放大电路（CC，Common Collector）和共基极放大电路(CB，Common Base)相应的场效应管基本放大电路的三种连接方式为：共源极放大电路（CS，Common Source）、共漏极大电路(CD，Common Drain)和共栅极放大电路（CG，Common Gate），将在本章2.5节详细讨论。，也叫做基本放大电路的三种组态。图2-3给出了这三种组态的基本原理和常见的实际电路形式。,图2-3 三极管基本放大电路的三种连接形式,2.1.3 基本放大电路中常见元器件的作用 1基本放大电路中元器件的作用 以图2-4的单管共射极基本放大电路为例，先来了解基本放大电路中各元器件的作用。单管共射极基本放大电路的核心元件是一个NPN型的晶体三极管，但不管是什么连接方式也不管三极管是什么管型，要想能够进行不失真的放大，就必须遵循这样的基本原则：,图2-4 单级共发射极放大电路,第一，晶体三极管应该工作在放大状态，即保证晶体三极管的发射结正偏，集电结反偏。这一点主要由直流电压源来保证。第二，输入信号能有效地从输入端加到三极管的输入电极上，输出信号经放大后能有效地从输出端取出。这一点主要由放大电路的交流输入回路和输出回路来保证。,为了使以上两个原则得以保证，首先，直流电压源UBB的存在，使NPN管发射结正偏。我们假设三极管的发射极为0电位，则硅三极管的基极电位约为0.7 V左右，只要三极管的集电极电位高于0.7 V，即可保证三极管集电结的反偏。一般来说，集电极电压源UCC都在几伏到几十伏左右，完全可以保证集电结的反偏。,我们再来讨论电路中电阻的作用。Rb称之为基极偏置电阻，用来调节输入回路直流基极电流的大小。如果没有基极偏置电阻，发射结将因电流过大而损坏。在这个电路中，直流IB的大小约为（对于直流量，电容相当于开路）,（2-1）,Rb的阻值根据所需基极电流的大小来确定。为保证晶体三极管工作在放大区，IB的数值多为几十微安左右，因此Rb约在几十到几百千欧姆的范围。由于这个电路的UBB和Rb是两个固定的参数，因此它们决定的IB是个固定的数值，所以图2-4也叫做固定偏置放大电路。Rc叫做集电极负载电阻，它的作用与Rb类似但又有所不同。在UBBIBRbUBE这个输入回路方程中，只要发射结正偏，就可由Rb的大小决定基极电流IB的大小。,电容C1和C2叫做耦合电容或隔直电容，在电路中的作用是“隔断直流，通过交流”，简称“隔直通交”。因为电容对直流电信号相当于开路，隔直的作用是为了使两级以上的放大电路相互连接时，其直流状态互相独立、互不干扰，以防止某个三极管的直流状态受其它级的影响，甚至从放大区偏离造成失真。所谓“通交”是为了保证前述基本原则的第二条：使交流输入信号顺利的进入三极管的输入电极，经放大后再从输出电极顺利取出。,2基本放大电路的工作原理与电路中各点的波形 我们已经了解了电路中各元器件的作用，那么，这些元器件之间是如何协同工作的呢？一般把电路分成两个状态来分析：未加交流输入信号时和加入交流输入信号以后。首先，在未加交流输入信号之前，电路中只有两个使三极管发射结正偏，集电结反偏的直流电压源。由于电容的隔直作用，仅在C1和C2之间的部分存在着直流电压UBE、直流电流IB、直流电流IC和直流管压降UCE。在合适的参数下，三极管将工作在放大状态下，等待交流输入信号的到来。,图2-5 共发射极放大电路中各点的波形,图2-6 共发射极放大电路的习惯画法,2.1.4 放大电路的主要性能指标 放大电路的性能指标可以衡量一个放大器性能的好坏和特点。性能指标主要包括放大倍数（或增益）、输入电阻、输出电阻、通频带等。由于放大电路可以看成是一个有源四端双口网络，为讨论放大电路的性能指标，故将放大电路的等效网络重画于图2-7中，并按双口网络的一般约定画出了电流的方向和电压的极性，同时假定输入信号为正弦波，图中的电流和电压均采用向量表示。这样，我们就可以由这个网络的端口特性来描述放大电路的性能指标。,图2-7 放大电路的等效表示方法,1.放大倍数（或增益）为衡量放大电路的放大能力，规定不失真时的输出量与输入量的比值叫做放大电路的放大倍数，又叫做增益一般无量纲增益称为放大倍数，有量纲的或泛指时称为增益。根据输入量和输出量的不同，可以有以下四种增益的定义方法。1）电压放大倍数,（2-2）,2）电流放大倍数,（2-3）,3）互导放大倍数,（2-4）,4）互阻放大倍数,（2-5）,5）功率放大倍数Ap,（2-6）,这些增益反映了放大电路在输入信号控制下，将直流电源能量转换为交流输出能量的能力。工程上经常用以10为底的对数来表示电压放大倍数和电流放大倍数的大小，单位是B(贝尔，Bel)，也常用它的十分之一单位分贝（dB）。,由于功率与电压（或电流）的平方成比例，因此功率增益的分贝表示为,（2-7）,（2-8）,（2-9）,2 最大输出幅度Uomax和Iomax：在不失真情况下，放大电路的最大输出电压或电流的大小，用Uomax和Iomax表示。3输入电阻ri 从放大电路的输入端看进去的等效电阻被称为放大电路的输入电阻，定义为,（2-10）,（2-11）,图2-8 放大电路的输入电阻,4输出电阻ro 输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻，定义为,（2-12）,（2-13）,图2-9 放大电路的输出电阻,图2-10 放大电路的输出电阻与带负载能力,5 非线性失真 三极管的输入、输出特性曲线是非线性的，即使在放大区也不是完全的线性，因此，输出波形不可避免地要发生失真。这种由于三极管的非线性造成的输出信号失真称为非线性失真。具体表现为，当输入某一频率的正弦交流信号时，输出波形中除了被放大的该频率的基波输出外，还含有一定数量的谐波。谐波的总量与基波成分的比值称为非线性失真系数。小信号放大时非线性失真很小，一般只有在大信号工作时要考虑非线性失真系数。,6.线性失真 放大器的实际输入信号一般是包含丰富频率分量的复杂信号，而放大电路中有许多电抗参数和分布参数，所以放大电路对输入的不同频率分量具有不同的放大倍数和相移，这样会造成输出信号中各频率分量之间大小、相位等比例关系发生变化，这样，输出波形就必然发生失真。由这种原因造成的波形失真，称为放大器的线性失真，也叫频率失真。,线性失真和非线性失真都会造成输出波形的失真，但本质不同。线性失真时输出信号会产生新的频率分量（各次谐波）；而非线性失真时，只是输出信号中各种频率分量的幅度和相移发生相对变化，没有产生新的频率分量。,7.最大输出功率Pomax和效率 三极管是一个能量控制器件，它能通过三极管的控制作用，把直流电源提供的能量转换成交流电能输出。所以，放大电路的最大输出功率，就是在输出信号不失真时，放大电路向负载提供的最大交流功率，用Pomax来表示。,2.2 三极管共发射极单级放大电路,2.2.1 放大电路的静态分析 所谓静态，是指放大电路没有加入交流输入信号（即ui=0）时放大电路的状态。这时，电路中只有直流电源，因此电路中各处的电流和电压都是不变的直流量，所以形象地称之为静态，也叫做直流工作状态，对直流工作状态的分析就是静态分析。,静态分析时，一般需要计算输入回路中的直流电压和电流：UBE和IB，以及输出回路中的直流电压和电流：UCE和IC。,输入回路中的UBE和IB在三极管的输入特性曲线上表现为一个点Q（UBE，IB），如图2-11(a)所示；输出回路中的UCE和IC在三极管的输出特性曲线上表现为点Q（UCE，IC），如图2-11(b)所示。因此形象地称这四个数值叫静态工作点，这四个量也可以写做UBEQ、IBQ、ICQ和UCEQ。要注意的是，输入特性曲线上的“Q”和输出特性曲线上的“Q”，实质上是一个点。因为在二维坐标系中，一个点有两个坐标，在三维坐标系上一个点有三个坐标，如果是四维坐标系，一个点就将有四个坐标。,我们无法画出四维坐标系，所以将三极管伏安特性曲线分成了两个：输入特性和输出特性曲线，这个点分别出现在这两个特性曲线中，相应的，四个坐标也分成了两对，它们之间是靠ICIB来联系的。因此，静态工作点Q是具有四个坐标的一个点。,图2-11 三极管特性曲线上的静态工作点（a）输入特性曲线上的Q点;（b）输出特性曲线上的Q点,静态分析的目的，就是要计算静态时电路中三极管的直流电压和直流电流值。因为三极管的输出特性分为放大区、饱和区、截止区，其中只有放大区才有放大作用。所以，由电路参数所确定的静态工作点，必须使三极管处于合理的放大状态以等待交流输入信号的到来，这也是我们为什么要做静态分析的根本原因。,要得到三极管电路中的直流电流、电压值，只需考虑三极管电路的直流通路即可。直流通路就是直流信号传递的路径。因为耦合电容对直流信号相当于开路，将放大电路中的耦合电容开路，就得到对应的直流通路。按照这个原则，图2-12(a)共发射极固定偏置放大电路对应的直流通路如图2-12(b)所示。这个直流通路中的直流电压和电流的数值就是静态工作点。,图2-12 共发射极固定偏置放大电路和它的直流通路（a）共发射极固定偏置放大电路；（b）直流通路,综上所述，将直流分析的过程总结如下：放大电路直流通路（耦合电容开路）静态工作点（UBE、IB、IC、UCE）。因为三极管在放大区要求发射结正偏，所以一般认为发射结压降UBE已知：硅管为0.7 V，锗管为0.3 V，而不再加以计算。得到静态工作点可以有两种方法，图解分析法和估算法。,1.图解分析法 所谓图解分析法，就是利用作图的方式，在三极管的特性曲线上求解出静态工作点的位置和坐标。1)输入回路中的UBE和IB 理论上，UBE和IB可以用作图的方法得到，但由于三极管的发射结电压UBE在认为是已知的情况下，基本不影响分析的结果，因此IB习惯上不用图解来求解 由于输入特性不易准确得到，利用图解法来估算UBE和IB也不准确。而是直接由公式（2-1）得到静态基极电流的数值，即,所以，静态的图解分析主要是针对输出回路的图解。,2）输出回路中的UCE和IC 图解的方法我们并不陌生，比如欲求解一个由两个方程构成的二元方程组，这两个方程在直角坐标系中将表示为两条曲线，它们交点的坐标即为所求解。因此，图解法求静态工作点的关键是找出这两个方程。在图2-12(b)中，可以列出这两个方程：,（2-14）,第一个方程是由三极管输出特性决定的，由于在本电路中IB已经由UBB和Rb所确定，因此，它描述的输出应该是对应于IB40 A的那条输出特性曲线。第二个方程是电路参数所决定的回路方程，又叫直流负载线方程，在三极管输出特性坐标系中将表示为一条过点M（UCC，0）和N（0，UCC/Rc）的直线，叫做直流负载线，它的斜率是-1/Rc，如图2-13所示。,图2-13 共发射极放大电路的静态图解,在这个电路中，非线性的三极管部分和线性的电路参数部分是串联在一个电路整体中的，所以IC和UCE必须同时满足三极管的特性方程和回路方程，因此，三极管的特性曲线和直流负载线的交点，就是静态工作点Q，如图2-13所示。由Q点的坐标，可以在图上读出横坐标UCE和纵坐标IC的大小，即 UCE6 V IC1.5 mV,例2-1 共发射极放大电路如图2-14（a）所示，Rb=470 k，Rc=6 k，UCC=20 V。用图解法在图2-14（b）的三极管输出特性曲线上求出静态工作点，设三极管为硅管。解（1）已知UBE0.7 V，所以基极电流为,(2)在输出特性曲线上画出直流负载线MN，其中,M（20 V，0 mA）、N（0 V，3.33 mA）。直流负载线与IB40 A的输出特性曲线的交点，就是静态工作点Q，读出对应的数值：UCE9.2 V，IC1.8 mA。所以，该三极管电路的静态工作点为UBE0.7 V，IB40 A，UCE9.2 V，IC1.8 mA。,图2-14 例2-1的电路图与静态图解(a)例2-1的电路图；（b）输出特性的静态图解,2.估算法 仍以图2-12（a）为例来介绍估算法的分析过程，已知40。（1）输入回路直流量的估算和图解法一样，IB40 A。（2）输出回路直流量的估算 ICIB=4040=1.6 mA 由回路方程可知 UCEUCC-ICRc=12-1.64=5.6 V,所以，该三极管电路的静态工作点为 UBE=0.7 V，IB=40 A，UCE=5.6 V，IC=1.6 mA 由于读数和计算的误差，图解和计算的结果可能会有所差异。,2.2.2 放大电路的动态分析 所谓动态，是指放大电路加入交流输入信号（ui0）时的状态。动态分析，是在静态分析的基础上进行的，因为电路必须有一个合适的静态工作点，才能对加入的交流信号进行放大。加入交流信号以后，电路中应该既有交流又有直流成分，电路中各处的电流、电压都是变化的，所以形象地称为动态，也叫交流工作状态。对交流工作状态的分析称为动态分析，一般需要分析放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。,动态分析时考虑的是电路中的交流成分，因此只需考虑交流信号传递的路径，即交流通路。首先，耦合电容对交流信号相当于是短路的；其次，理想电压源的内阻可以看成零。因此将电压源和电容均作短路处理，就得到了对应的交流通路。按照这个原则，可以画出图2-12(a)的交流通路如图2-15所示。这个交流通路中各处的电压和电流仅为交流电压、电流信号。所以，除画波形图外，交流分析时一般不考虑电路中的直流成分。,图2-15 共发射极固定偏置放大电路的交流通路,1.图解分析法 动态图解分析，就是利用三极管的特性曲线分析放大电路的动态活动范围，得出uo和ui之间的大小、相位、失真等关系。分析的步骤就是按照信号的流程uiuBEiBiCuCEuo，用作图的方法得到输出与输入之间的关系。下面对图2-12（a）所示的共发射极固定偏置放大电路进行动态图解分析，动态图解的前提是，已经在图2-16的输出特性曲线上得到了该电路的静态工作点Q。,图2-16 共发射极放大电路的动态图解（a）输入回路的动态图解;（b）输出回路的动态图解,1）动态图解的步骤(1）从图2-15可以看出，在交流通路中，ui就是交流的ube。当然，总的uBE是直流UBE和交流输入u be的叠加。设放大电路的输入电压ui=0.02 sint(V)，这个信号加到放大电路的输入端，相当于在三极管的发射结直流电压0.7 V（以硅管为例）的基础上，又叠加了一个正弦输入交流信号，变化范围在0.680.72 V之间，如图2-16中的曲线所示。由于发射结电压uBE的变化，导致基极电流iB发生相应的变化，如图2-16中的曲线所示。,从图中可以看出，对应于ui的iB的变化范围，是以静态工作点Q为中心，沿着特性曲线在Q1Q2之间按正弦规律移动的。而且在纵轴上投影为：以静态的40 A为中心，在2060 A之间变化的正弦交流电流iB。Q1Q2间的活动范围就是输入回路的动态工作范围。,（2）三极管的输出特性曲线中，iB的活动范围已知，由电路参数决定的直流负载线MN是不变的。所以，对应于iB为20 A和60 A的输出特性曲线与直流负载线的交点Q1和Q2 之间的范围，就是输出特性上的动态工作范围。具体地说，当iB以40 A为中心按正弦规律变化时，对应的静态工作点以Q点为中心沿着直流负载线，在Q1Q2之间也按正弦规律移动。工作点移动的轨迹在纵轴上的投影为集电极电流iC，也就是图中的曲线；在横轴上的投影为三极管的管压降uCE，也就是图中的曲线。,综上所述，静态时，电路中各处都是不变的直流，这些直流值记为静态工作点；动态时，uBE、iB、iC、uCE这些电压、电流量以静态值为中心按交流输入信号规律变化，即 uBE=UBE+ube=(0.7+0.02 sint)V iB=IB+ib=(40+20 sint)A iC=IC+ic=(1.5+0.75 sint)mA uCE=UCE+uce=(6-3 sint)V（2-15）,2）放大电路带负载后的动态图解 上面讨论的放大电路，输出端并没有接负载，在实际的工作中，放大器的输出端一定带有负载，图2-12（a）所示的放大电路带负载电阻RL后如图 2-17(a)所示。,图2-17 带负载的共发射极放大电路（a）带负载的共发射极放大电路;（b）带载放大电路的交流通路,由于耦合电容对直流信号开路，带载后放大电路的静态分析与不带载时完全相同。从图2-17(b)的交流通路中可以看出，RL和Rc是并联的，和空载时电路的交流通路相比，相当于Rc由4 k变成了2 k，即,（2-16）,图2-18 带载时的动态图解,3）静态工作点的位置与非线性失真的关系 如果静态工作点处于负载线的中央，这时的动态工作范围最大（要求工作点的移动范围不能进入截止区或饱和区），可以获得最大的不失真输出。但在实际工作中，如果输入信号比较小，在不致于产生失真的情况下，一般把静态工作点选得稍微低一些，可以降低静态工作电流，节省直流电源能量消耗，因为静态工作点的高低就是静态集电极电流的大小。,如果静态工作点选得过低，将使工作点的动态范围进入截止区而产生失真，这种由于三极管进入截止区而造成的失真叫做截止失真；相反，如果静态工作点选得过高，将使三极管进入饱和区引起饱和失真。图2-19给出了截止失真和饱和失真的情况，由于输出与输入反相，当出现截止失真时，uo的顶部被削平；反之，当出现饱和失真时，uo的底部被削平。请读者思考，若出现了饱和失真或截止失真，应该如何消除？,图2-19 截止失真与饱和失真（a）截止失真;（b）饱和失真,2.微变等效电路分析法 三极管电路的动态分析也可以用估算法来进行，这种方法叫做微变等效电路分析法，利用这种方法还可以计算放大电路的输入电阻和输出电阻。所谓微变等效电路分析法就是在输入信号较小的情况下，将非线性元件三极管等效成线性元件，然后对由线性元件组成的等效电路进行计算，得到需要的性能指标。,1）三极管的微变等效模型 对于图2-20（a）中共发射极接法三极管的输入端口来说，当输入信号较小时，输入特性曲线上以静态工作点为中心，很小的动态工作范围可近似认为是一段直线。这段直线代表三极管输入端口基极b和发射极e之间的等效电阻，该电阻的大小将随着静态工作点 的不同而变化，是个动态电阻，叫做三极管的输入电阻rbe。对于一般的低频小功率三极管，rbe可以由公式（2-17）来估算，其中的IE是三极管静态时的发射极电流。,对于三极管集电极和发射极间的输出端口来说，三极管放大区的输出特性曲线可近似看成是一族平行于x轴的直线，这些直线代表基极电流对集电极电流的控制能力。所以，三极管的输出端口可以等效成一个电流控制电流源ic，控制变量是ib，受控系数是。,（2-17）,综上所述，得到放大区三极管的微变等效模型如图2-20(b)所示。因为在分析和测量放大电路时经常用正弦信号作为输入，而且电路中的直流量在静态估算时已经考虑，此时不再计算在内，所以在三极管的微变等效模型以及应用模型的分析中，改为用向量来表示交流电压和电流。,图2-20 三极管及其微变等效模型（a）三极管在共发射极接法时的双口四端网络;（b）放大区的微变等效模型,2）微变等效电路分析法 微变等效电路分析法的分析步骤是：放大电路交流通路（耦合电容和电压源短路）微变等效电路（将交流通路中的三极管用微变等效模型替代）计算电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,下面，采用微变等效电路法分析图2-17（a）的动态特性，将该电路重画于图2-21(a)中，图2-21（b）为其交流通路，本电路中加入了内阻为Rs的电压信号源。在画出交流通路后，我们可以先画出三极管的微变等效模型并确定它的三个电极，然后把交流通路中的其他元件按照原来在电路中的位置画出，就得到了三极管的微变等效电路，并相应标出电路中的各电流、电压量。由于仅考虑信号中的交流成分，因此微变等效电路中的电压、电流都是交流量，如图2-21（c）所示。,图2-21 共发射极基本放大电路（a）共发射极基本放大电路;（b）交流通路;（c）微变等效电路,(1）电压放大倍数Au。由于图2-21(c)的微变等效电路都是由电阻和受控源这些线性元件构成的，因此利用已有的求解线性电路的方法完全可以对这个电路进行计算。要注意的是，从图2-21（c）的形式上看，微变等效电路的输入、输出回路并没有什么联系。,根据这个思路，我们可以利用 这个“桥梁”，分别写出输入电压 和输出电压 的表达式,（2-18）,（2-19）,（2-20）,（2）输入电阻ri。根据式（2-10）输入电阻的定义和公式（2-18），可以得到,（2-21）,低频小功率三极管的rbe较小，只有12 k左右，一般有Rbrbe，可以认为共射极基本放大电路的输入电阻近似为rbe，显然，这个阻值并不太大。实际上，我们并不一定完全按照定义来计算输入电阻，采用观察和定义计算相结合的方法更简单有效。由于输出回路对输入回路不产生影响，从图2-21中可以很明显地看出：ri=Rbrbe。,(3）源电压放大倍数。源电压放大倍数定义为输出电压 和信号源电压 的比值，源电压放大倍数可以更真实地反映放大器的放大能力。由式（2-11），得到源电压放大倍数的计算公式为,（2-22）,（4）输出电阻ro。根据输出电阻的定义，将信号源电压短路、保留信号源内阻，并把负载开路，得到图2-22的微变等效电路。在放大电路的输出端加上一个测试电压UT，这个测试电压和它所产生的测试电流IT的比值就是放大器的输出电阻。从图2-22可以看出，测试电压UT不对输入回路产生影响，可以得到电路的输出电阻ro为,（2-23）,图2-22 共发射极放大电路的输出电阻,例2-2 共发射极基本放大电路及参数如图2-21（a）所示，40，UBE可忽略。求：（1）电路的静态工作点；（2）电压放大倍数Au；（3）源电压放大倍数Aus；（4）输入电阻和输出电阻。,（4）输入电阻和输出电阻。ri0.966 k ro=Rc=4 k 从上面的分析过程和典型例题的数据，可以得出这样的结论：共发射极基本放大电路的电压放大倍数较大，输出电压和输入电压反相，由于电压放大能力很强，因此应用十分广泛。作为一个电压放大器来说，共发射极电路的输入电阻不够大，仅约为rbe，使放大器得到的输入电压比信号源电压衰减很多，导致源电压放大倍数下降。同样，这个电路的输出电阻相对较大，带负载的能力不强。,图2-23 例2-3的电路图,例2-3 共发射极放大电路如图2-23所示。已知UCC=20 V，Rc=6 k，Rb=470 k，=45，RL=4 k，Rs=1.25 k，UBE=0.7 V，Re=1 k，Ce为射极旁路电容，在交流时可认为短路。求（1）Q点的数值；（2）源电压放大倍数Aus；（3）输入电阻ri和输出电阻ro。,图2-24 例2-3的微变等效电路,例2-4 单级共发射极放大电路如图2-25所示。已知UCC=20 V，Rc=6 k，Rb=470 k，=45，RL=4 k，Rs=1.25 k，UBE=0.7 V，Re=1 k，参数同例2-3，但没有射极旁路电容。求（1）Q点的数值；（2）源电压放大倍数Aus；（3）输入电阻ri和输出电阻ro。,图2-25 例2-4的电路图,图2-26 例2-4的微变等效电路,图2-27 例2-4电路输出电阻的计算,2.2.3 影响放大电路静态工作点稳定的因素 合理的静态工作点，是三极管放大电路能够正常工作的基础。在设计电路时，通过调整电路参数，总可以确定一个合适的静态工作点，使放大电路正常工作，不产生失真。但在实际工作中，我们会发现，随着三极管工作时间的延长或者其他因素的影响，输出信号出现了失真。,1.温度对静态工作点的影响 使放大器静态工作点不稳定的原因很多，比如电路参数发生变化、元器件的老化，电源电压的波动等，最主要的原因是温度变化。由于半导体材料具有热敏特性，因此温度的影响是不可避免的。,图2-28 温度升高对静态工作点和输出波形的影响,因为ICIBICEO，而公式中的三个参数、UBE和ICEO都与温度有关。第一，温度每升高1，相应地增大0.51。第二，由于发射结的温度系数约为-22.5 mV，因此当温度升高时，对于同样的外加偏置电压，得到的IB应该是增加的。第三，温度每增加10，穿透电流ICEO就增大到原来的2倍。所以，、UBE和ICEO随着温度的升高，都将引起集电极电流IC增大，使静态工作点升高，导致放大电路的动态工作范围接近或进入饱和区而出现饱和失真。,如图2-28所示，假设当温度为20 时，放大电路的静态工作点为Q，当输入信号变化时，动态范围都在放大区，不会产生失真。当温度升高到60 时，由于、UBE和ICEO的影响，使集电极电流增加，静态工作点Q沿着负载线向上移动到Q，对于同样的输入信号的变化范围，动态工作范围的上端已经进入了饱和区，从而产生了饱和失真，使放大电路工作不正常。,对于低频小功率三极管来说，硅管的ICEO要小一些，受温度的影响也相对较小。但对于工作在较高的温度下的大功率硅管，ICEO的影响必须要考虑。锗管的ICEO较大，对于锗管来说，ICEO的影响是主要的。,2 如何稳定静态工作点 三极管集电极电流的增加是引起静态工作点向上移动的原因。如果能在温度变化时使集电极电流维持不变，就可以解决静态工作点稳定的问题。图2-29所示的共发射极放大电路叫做分压式射极偏置电路，因发射极处接了一个射极偏置电阻Re而得名。由于射极偏置电路具有稳定静态工作点的作用，因此它是交流放大电路中最常用的一种基本电路。,图中，I1I2IB，由于IB很小，一般I1、I2IB，且有I1I2。因此三极管基极电位UB的大小主要由Rb1和Rb2对UCC的分压来决定，即,（2-24）,由于电源电压和电阻值都是常量，而且三极管的基极电位UB可以看成是恒定的，当电路环境温度升高时，集电极电流IC将增加，因此发射极电流IE也增加，导致射极偏置电阻上的压降URe增加。因为UB恒定，所以UBE减小，IB减小，IC也随之减小。这是电路内部的调节过程，从宏观上看，集电极电流是基本维持不变的。反之，当外界因素引起集电极电流减小时，也可以通过类似的过程维持静态工作点的稳定。,在实际情况中，图2-29中的I1越大于IB，UB越大于UBE，稳定控制的作用就越好。为了兼顾其他指标，一般取 I1=(510)IB UB=（35）UBE（2-25）,图2-29 分压式射极偏置电路,例2-5 分压式射极偏置电路如图2-29所示，60，Re1 k，Rb130 k，Rb210 k，Rc2 k，RL2 k。求：（1）静态工作点Q；（2）电压放大倍数Au；（3）输入电阻；（4）输出电阻。,图2-30 射极偏置电路的微变等效电路,图2-31 实用的分压式射极偏置电路,图2-32 集电极基极偏置电路,2.3 共集电极放大电路,2.3.1 共集电极放大电路的组成与分析 图2-33(a)、(b)分别为共集电极放大电路的原理电路和交流通路。从交流通路可以清楚地看出，三极管的集电极作为输入和输出回路的公共端，输入信号从三极管的基极和集电极之间加入，输出信号从三极管的发射极和集电极之间取出。因为输出信号是从三极管的发射极输出的，所以又称为射极输出器。下面用估算法来分析这个电路的性能特点。,图2-33 共集电极放大电路（a）共集电极放大电路;（b）交流通路,1.直流分析 静态工作点 由图2-33(a)可写出输入回路的电路方程：UCC=IBRb+UBE+IERe=IBRb+UBE+(1+)IBRe所以基极电流为,（2-31）,集电极电流和管压降分别为 IC IB UCEUCC-IEReUCC-ICRe（2-32）,2.交流分析 微变等效电路如图2-34所示。,图2-34 共集电极放大电路的微变等效电路,1）电压放大倍数Uo 因为,（2-33）,所以,式（2-33）中，一般（1）RLrbe，所以这个电压放大倍数是小于1且约等于1的，并且输出电压和输入电压同相。这说明输出电压和输入电压相位相同、大小近似相等，所以共集电极放大电路又被称为电压跟随器或射极跟随器。,2）输入电阻ri由图2-34可知射极跟随器的输入电阻为,而,所以 riRbrbe+(1+)RL（2-34）,式(2-34)说明，由于射极电阻的存在，射极跟随器的输入电阻要比共射极基本放大电路的输入电阻大得多，相当于把RL扩大（1）倍后再与rbe串联，因此射极跟随器从信号源处获得输入电压信号的能力比较强。,3）输出电阻ro 根据定义，利用图2-35计算射极跟随器的输出电阻ro。根据输出电阻的定义有,而,图2-35 共集电极放大电路的输出电阻,所以输出电阻为,（2-35）,式中,Rs为信号源内阻Rs和基极偏置电阻Rb的并联。,例2-6 图2-33（a）中的参数为UCC=12 V，60，Rs100，Rb200 k，Re2 k，RL2 k。若已知rbe=1 k，试求（1）电压放大倍数；（2）输入电阻；（3）输出电阻。,2.3.2 共集电极放大电路的应用 在电子技术应用中，共集电极放大电路广泛地应用于多级放大电路的输入级、输出级和缓冲级。1.共集电极电路作输入级 由于共集电极放大电路的输入电阻比共射极基本放大电路的输入电阻大很多，因此可以把共集电极放大电路与内阻较大的信号源相匹配，用来获得较多的信号源电压。然后，再将共集电极放大电路的输出信号送给下级的共射极放大电路作为输入，这样可以避免在信号源内阻上不必要的损耗。,在图2-36所示的多级放大器中，按照图中所示的数据，如果直接用共射极电路作为输入级，那么信号源虽然提供了10 mV的输入电压信号，多级放大器的输入端只能得到5 mV，有一半的信号源电压要损耗在信号源内阻上。如果采用共集电极电路作为输入级，则多级放大器可以得到9.5 mV的输入电压信号，然后再将射极跟随器的输出送给共发射极电路去进行放大，这样，信号源内阻上只损耗了5%的信号源电压信号。,图2-36 共集电极电路用于多级放大器的输入级（a）共射极电路作输入级;（b）共集电极电路作输入级,图2-37是扩音机的输入级电路，作为信号源的话筒内阻较高。我们利用共集电极电路作为放大器的输入级，可以从话筒处得到幅度较大的输入信号电压，使话筒的输入信号得到有效的放大。图中电位器Rp可以用来调节输入信号的强度，控制音量的大小。,图2-37 扩音机的输入级,2.共集电极电路作输出级 共集电极电路的输出电阻较小，一般只有几十欧姆，用共集电极电路作为输出级可以有效地提高放大器的带负载能力。图2-38为多级放大器的输出级框图，按照图中所示的数据，若直接用共射极电路去带负载，负载上只能得到开路输出电压UT的一半，仅有0.5 V。如果在负载和共射极放大电路之间接入一级共集电极电路，为了分析方便，认为共集电极电路和共射极电路的输出电压均为1 V，那么，负载上将获得大约0.95 V的输出。,图2-38 共集电极电路作多级放大器的输出级（a）共射极电路作输出级；（b）共集电极电路作输出级,3.共集电极电路作缓冲级 在多级放大器中，共集电极电路也经常作为中间级用来隔离前、后级电路之间的影响，这就叫缓冲级。在图2-39中，如果把级和级电路直接相连，由于第级的输出电阻和第级的输入电阻均为1 k，在信号的传递过程中，将有50的信号白白损耗在级的输出电阻上；若在级和级之间接入共集电极电路，按图中给出的数据，第级得到约490 mV、第级得到约467 mV的电压信号，就会大大减少信号在传递中的损耗。,图2-39 共集电极电路作缓冲级,2.4 共基极放大电路,*2.4.1 共基极放大电路的组成与分析 共基极放大电路如图2-40（a）所示。输入电压Ui加于发射极和基极之间，输出电压从集电极和基极之间取出，基极为输入和输出回路的公共端，所以叫共基极放大电路。这一点从图2-40（c）的交流通路中看得更明显。,图2-40 共基极放大电路（a）共基极放大电路电路图;（b）直流通路;（c）交流通路,1.静态工作点 图2-40(b)的直流通路和分压式射极偏置电路的直流通路相同，因此计算方法也相同，可以直接得出共基极放大电路的静态数值为,式中，,2.动态分析 由图2-41所示的微变等效电路可以计算出共基极放大电路的性能指标如下：,（2-36）,式中，RL为集电极电阻Rc和负载电阻RL的并联。,（2-37）,（2-38）,由式（2-36）、（2-37）、（2-38）可知，共基极放大电路的电压放大倍数较大，输出和输入电压相位相同；输入电阻较小，输出电阻较大。由于共基极电路的输入电流为发射极电流，输出电流为集电极电流，电流放大倍数为/(1+)，小于1且近似为1，因此共基极电流又叫电流跟随器。所以共基极放大电路主要应用于高频电子技术中。,图2-41 共基极放大电路的微变等效电路,2.4.2 三种三极管基本放大电路的比较 综合上面的分析，三种三极管基本放大电路各有特点，分别适用于不同的工作场合。从电压放大倍数看，共射极和共基极电路的电压放大倍数均很大，只不过共射极电路的输入输出电压反相，共基极电路的输入输出电压同相。共集电极电路的电压放大倍数最小，小于1且约等于1。,从电流放大倍数看，共射极电路同时具有较高的电流放大倍数，共集电极电路的电流放大倍数最大，为1倍，共基极电流的电流放大倍数最小，小于1且约等于1。从输入电阻看，三种电路的输入电阻按照从大到小的顺序为：共集电极放大电路、共发射极放大电路和共基极放大电路。,最后，从输出电阻看，共集电极电路的带负载能力最强，其余两种较差。根据这些性能指标的特点，共射极放大电路的电压、电流和功率的增益都较大，在低频电子技术中应用较广，多用于多级放大器的中间级，起到提高电压放大倍数的作用。共集电极电路利用它的输入电阻大，输出电阻小的特点，可以应用于多级放大器的输入级、输出级和缓冲级。而在宽频带或高频情况下，要求稳定性较好时，共基极电路就比较合适。,下面列出三种基本放大电路主要性能的比较，如表2-1所示，表中的数据只是在标准的基本电路的形式中得出的，如果电路的参数和电路形式发生变化，表中的数据也要进行相应的调整。,表2-1 三极管三种基本放大电路的性能比较,2.5 场效应管放大电路,由于场效应管具有高输入阻抗、低噪声等特点，当将场效应管放大电路作为多级放大器的输入级时，尤其在信号源内阻较大时，会具有一般晶体管放大电路很难达到的独特优点。,单极型场效应管构成的放大电路和双极型三极管放大电路类似。在电路中，场效应管的源极、漏极和栅极分别相当于三极管的发射极、集电极和基极。场效应管放