第二章 放大电路分析基础.docx
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第二章放大电路分析基础
第二章放大电路分析基础
内容引出:
实际中常常需要把一些微弱信号,放大到便于测量和利用的程度。
例如,从收音机天线接收到的无线电信号或者从传感器得到的信号,有时只有微伏或毫伏的数量级,必须经过放大才能驱动扬声器或者进行观察、记录和控制。
因此需要有放大电路对微弱的信号放大。
本章主要内容:
2.1放大电路的组成
2.2放大电路的工作原理
2.3放大电路的性能指标
2.4放大电路的分析方法
2.5静态工作点的稳定
2.6放大电路的三种组态
2.7多级放大电路
本章小结
重点:
放大电路的组成原理;放大电路的分析方法;放大电路三种组态的特点。
难点:
基本放大电路的分析方法。
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2.1放大电路的组成
授课思路:
以共射极放大电路为例介绍放大电路的组成→介绍电路中各元件的作用→总结出放大电路组成原则。
2.1.1放大电路的组成
图2.1(a)是NPN管组成的基本放大电路。
其中Us为信号源电压,Rs为信号源电阻;Ui为放大电路输入信号;Uo为放大电路输出信号。
由于图2.1所示电路的输入回路与输出回路以发射极为公共端,故称之为共射极放大电路。
各元件的作用:
VT——放大电流。
UBB、Rb——提供发射结正向偏置电压;确定静态基极偏置电流;Rb的存在还保证了三极管能接受到输入信号。
UCC、Rc——提供集电结反向偏置电压;通过Rc将电流变化转换为电压变化,使电路能输出信号。
C1、C2——耦合电容,通交流隔直流。
图2.1(a)是原理图,实际放大电路采用单电源供电,如图2.1(b)所示。
放大电路的组成原则:
1.保证三极管处于放大状态,即发射结正向偏置,集电结反向偏置。
2.保证输入信号能输入到三极管输入端。
3.保证放大电路能输出信号。
放大电路输入信号为零时,电路只有直流电流;当有信号输入时,电路中还有交流电流。
因此,放大电路中既有直流分量又有交流分量,由于它们流通的路径不一样,因此,分析时要分开考虑。
2.1.2直流通路与交流通路
1.直流通路
直流通路:
直流电流流通的路径。
画直流通路方法:
(1)电容视为开路、电感线圈视为短路;
(2)信号源视为短路,保留其内阻。
图2.1(b)所示单管共射放大电路的直流通路如图2.2所示。
2.交流通路
交流通路:
交流电流流通的路径。
画交流通路的方法:
(1)容量大的电容(耦合电容)视为短路;
(2)无内阻的直流电源视为短路。
图2.1(b)所示单管共射放大电路的交流通路如图2.3所示。
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2.2放大电路的工作原理
授课思路:
先介绍无输入信号(静态)时电路工作情况,然后介绍有输入信号(动态)电路工作情况。
2.2.1ui=0(静态)时电路工作情况
在+Ucc作用下,电路中产生电流、电压为直流量,记为IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ,由它们确定了电路的一个工作点,称为静态工作点Q。
2.2.2ui≠0(动态)时电路工作情况
电路中各电极电流和电压除了有直流成分外,还有交流成分。
当ui为正弦波时,各电流及电压波形如图2.4所示。
(具体分析详见图解法)
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2.3放大电路的性能指标
放大电路的性能是通过性能指标描述的。
放大电路的性能指标有许多。
这里只介绍基本性能指标。
1.放大倍数
是衡量放大电路放大能力的指标。
(1)电压放大倍数定义:
Au=UoUi
(2)电流放大倍数定义:
Ai=IoIi
2.输入电阻
输入电阻是指从放大电路输入端看进去的等效电阻,它反映了放大电路对信号源的影响程度。
输入电阻的定义:
ri=UiIi
对输入电阻的要求视具体情况而不同:
进行电压放大时,要求输入电阻要高;
进行电流放大时,要求输入电阻要低。
3.输出电阻
输出电阻是指从放大电路输出端看进去的等效电阻,它反映了放大电路带负载能力的大小。
输出电阻的求法:
ro=UoIo|Us=0RL=∞
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2.4放大电路的分析方法
授课思路:
放大电路交、直流共存→直流通路、交流通路→静态分析、动态分析→静、动态分析的内容→静态分析方法(解析法和图解法)、动态分析方法(微变等效电路法和图解法)
2.4.1放大电路的静态分析
静态分析:
确定静态工作点IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。
分析依据:
直流通路。
分析方法:
解析法和图解法。
1.解析法
根据直流通路有:
IBQ=UCC−UBEQRb
ICQ=β IBQ
UCEQ=UCC−ICQRC
UBEQ取值:
硅管(0.6~0.7)V;锗管(0.2~0.3)V
2.图解法
图解法:
利用三极管输出特性曲线用作图的方法确定静态工作点。
直流通路输出回路如图2.5(a)所示。
由2.5(a)图a、b两端向左看,其iC~uCE关系由iB=IBQ的输出特性曲线确定,如图2.5(b)所示。
由2.5(a)图a、b两端向右看,其iC~uCE关系由回路的电压方程表uCE=UCC−iCRc确定。
因此,电路的工作点必在iB=IBQ的输出特性曲线与由方程uCE=UCC−iCRc确定的直线(称为直流负载线)的交点上。
图解法求Q点步骤:
(1)在基极回路求出IBQ。
(2)在输出特性曲线中,按直流负载线方程uCE=UCC−iCRc,作出直流负载线。
(3)确定iB=IBQ输出特性曲线与直流负载线的交点,即为Q点。
(4)读出Q点坐标的电流、电压值即为静态工作点。
3.电路参数对静态工作点的影响
静态工作点与电路参数有关。
(1)Rb对Q点的影响
如图2.6所示,Rb变化仅影响IBQ。
当Rb增大时,IBQ减小,静态工作点Q点沿直流负载线下移;当Rb减小时,IBQ增大,Q点沿直流负载线上移。
(2)Rc对Q点的影响
如图2.7所示,Rc变化,仅影响直流负载线斜率。
当Rc减小时,N点上升,直流负载线变陡,Q点沿着iB=IBQ输出特性曲线右移;当Rc增大时,N点下降,直流负载线变平坦,Q点沿着iB=IBQ输出特性曲线左移。
(3)UCC对Q点的影响
如图2.8所示,UCC变化影响IBQ、直流负载线:
UCC上升,IBQ增大,同时直流负载线M点和N点同时增大,则直流负载线平行上移,Q点向右上方移动;UCC下降,IBQ下降,同时直流负载线M点和N点同时降低,则直流负载线平行下移,Q点向左下方移动。
2.4.2放大电路的动态分析
动态分析:
确定放大电路的动态指标Au、ri、ro。
动态指标计算的依据:
交流通路。
动态分析方法:
微变等效电路法、图解法。
1.微变等效电路法
微变等效电路法的基本思想:
当输入信号变化的范围很小时,可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系基本上是线性的。
在很小的范围内,三极管可用线性电路等效替代。
(1)根据三极管输入特性确定输入回路的线性等效电路
在图2.9(a)中,在小信号情况下,输入特性可用直线近似替代,因此
ΔuCEΔiB=常数=rbe——三极管输入电阻
所以从输入端看进去,三极管可等效为电阻rbe,如图2.9(c)所示。
rbe由下式确定:
rbe=rbb'+(1+β)26(mV)IEQ(mA)(Ω)
无特殊说明,rbb'取300Ω计算。
(2)根据三极管输出特性确定输出回路的线性等效电路
三极管输出特性的特点:
a.iC基本不随uCE变化——具有恒流源特性
b.iC受iB控制——具有受控源特性(iC=β iB)
所以从输出端看进去,三极管可等效受控电流源,其输出端等效电路如图2.9(c)所示。
该线性等效电路是在小信号条件下得到的,称为微变等效电路。
利用微变等效电路可以计算放大电路的动态指标。
计算步骤:
a.画出交流通路;
b.将三极管用微变等效电路替代,得到放大电路的微变等效电路;
c.根据动态指标的定义,利用微变等效电路进行计算。
例如,图2.1(b)共射基本放大电路可按图2.10(b)计算。
Au=UoUi=−IcR′LIbrbe=−βR′L rbe
其中:
R′L=Rc//RL
“-”——表示uo与ui 反相
rbe=rbb'+(1+β)26IEQ(Ω)
ri=Rb//rbe
ro=RC
2.图解法
图解法进行动态分析的目的:
分析放大电路的动态工作情况;分析非线性失真;确定最大不失真输出电压。
(1)图解法分析动态工作情况
有输入信号时,由输入信号产生的交流电流ic与uce之间的关系可由图2.3所示的交流通路确定,即
uce=−R′Lic——过原点的一条直线,其中R′L=RL//Rc
再考虑到直流电源所产生的直流分量,则
uCE=UCEQ+uceiC=ICQ+ic
所以iC与uCE的关系为斜率是−1R′L、过静态工作点的一条直线——交流负载线。
交流负载线确定了动态时iC与uCE的关系,所以用图解法分析动态工作情况时,关键是画出交流负载线。
交流负载线画法:
a.过原点0作一条直线uce=−icR′L;
b.作一条通过静态工作点Q平行于直线uce=−icR′L的直线。
如图2.11所示。
交流负载线另一种画法:
uCE=UCEQ+uce=UCEQ−icR′L=UCEQ−(iC−ICQ)R′L=UCEQ+ICQR′L−iCR′L=U′CC−iCR′L
其中,U′CC=UCEQ+ICQR′L
令iC=0,uCE=UCEQ+ICQR′L=U′CC,即连接(U′CC,0)点与Q点,即得到交流负载线。
根据交流负载线可以画出有输入信号时各电流、电压波形,具体画法:
波形如图2.4所示。
(2)图解法分析放大电路的非线性失真
非线性失真:
由于三极管非线性特性所产生的失真。
a.由三极管特性曲线非线性引起的失真
主要表现在输入特性曲线的起始弯曲部分(如图2.12所示),输出特性间距不匀(如图2.13)所示,当输入信号比较大时,将使正负半周不对称,产生非线性失真。
b.工作点不合适引起的失真
工作点不合适引起的失真有两种:
截止失真和饱和失真。
截止失真:
由于静态工作点设置过低所产生的失真。
如图2.14所示。
产生截止失真原因:
静态工作点设置过低。
NPN管构成的放大电路截止失真波形特点:
顶部失真。
消除方法:
减小Rb,增大IBQ,提高Q点。
PNP管组成的放大电路出现截止失真时是底部失真。
饱和失真:
由于静态工作点设置过高所产生的失真。
如图2.15所示。
产生饱和失真原因:
工作点设置过高。
NPN管构成的放大电路饱和失真波形特点:
底部失真。
消除方法:
增大Rb,减小IBQ,降低Q点。
PNP管组成的放大电路出现饱和失真时是顶部失真。
(3)图解法分析最大不失真输出电压
最大不失真输出电压:
输出不产生失真时,电路所能输出的最大电压。
最大不失真输出电压受截止失真和饱和失真的限制,可用图解法确定,如图2.16所示。
UR——受饱和失真限制的最大输出电压幅值,UR=UCEQ−Uces
UF——受截止失真限制的最大输出电压幅值,UF=U′CC−UCEQ=ICQR′L
最大输出电压幅值Uom=min{UR, UF}
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2.5静态工作点的稳定
授课思路:
晶体管特性受温度影响→解决方法。
2.5.1晶体管特性受温度影响
(1)温度上升→反向饱和电流ICBO增加→输出曲线将向上移→ICQ↑。
(2)温度上升→发射结电压UBE下降,在外加电压电阻不变时→基极电流IB上升→ICQ↑。
(3)温度上升→使三极管的电流放大倍数β增大→特性曲线间距增大→ICQ↑。
总之,温度上升,静态工作点会升高,将产生饱和失真;反之,将产生截止失真。
解决方法:
(1)工作环境采用恒温;
(2)从放大电路本身考虑。
2.5.2静态工作点稳定电路——分压式偏置放大电路
1.电路组成
分压式偏置放大电路如图2.17(a)所示。
Rb1、Rb2——提供固定基极电位;
Re——引入直流电流负反馈,稳定IE。
2.稳定过程
T↑→IC↑→IE↑→IERe↑→UBE↓(UB固定时)→IB↓→IC↓
3.稳定条件
(1)基极电位UB恒定
欲使UB恒定,则应满足I>>IB
UB≈Rb1Rb1+Rb2UCC
为满足I>>IB,一般取I≥(5~10)IB。
(2)UE恒定
∵IE=UERe=UB−UBERe≈UBRe
所以,UE恒定,则IE恒定,静态工作点稳定。
欲使UE恒定,则UB>>UBE,一般取UB≥(5~10)UBE
稳定条件:
I≥(5~10)IB
UB≥(5~10)UBE
4.静、动态计算
(1)静态工作点计算
分压式偏置放大电路直流通路如图2.17(b)所示。
UBQ≈Rb1Rb1+Rb2UCC
IEQ=UERe=UB−UBERe≈UBRe
ICQ≈IEQ
IBQ=β ICQ
UCEQ=UCC−Rc ICQ−Re IEQ
(2)动态计算
分压式偏置放大电路微变等效电路如图2.17(c)所示。
Au=UoUi=−IcR′LIbrbe=−βR′L rbe
其中:
R′L=Rc//RL
ri=Rb1//Rb2//rbe
rbe=rbb'+(1+β)26IEQ(Ω)
ro=Rc
5.旁路电容Ce的作用
无旁路电容时微变等效电路如图2.17(d)所示。
Au=UoUi=−IcR′LIbrbe+IeRe=−βR′L rbe+(1+β)Re
ri=Rb1//Rb2//[rbe+(1+β)Re]
显然,无旁路电容时,电压放大倍数很低,但输入电阻高。
因此旁路电容的作用是提高放大倍数,有时为了获得比较高的输入电阻,旁路电容只旁路一部分电阻,这样,既避免Re的引入造成放大倍数过多的下降,又能获得较高的输入电阻。
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2.6放大电路的三种组态
根据放大电路输入、输出端的不同,放大电路有三种组态,即共射、共集和共基组态。
共射组态:
基极为输入端,集电极为输出端,发射极为公共端。
共集组态:
基极为输入端,发射集电极为输出端,集电极为公共端。
共基组态:
发射极为输入端,集电极为输出端,基极为公共端。
前面介绍的放大电路都是共射组态。
2.6.1共c极放大电路
1.静态分析
IBQ=UCC−UBEQRb+(1+β)Re
IEQ=(1+β)IBQ
UCEQ=UCC−IEQRe
2.动态分析
Au=UoUi=(1+β)(Re//RL)rbe+(1+β)(Re//RL)≈1
uo与ui 同相,且uo≈ui,即输出跟随输入——射极跟随器。
ri=Rb//[rbe+(1+β)(Re//RL)]
ro=Re//rbe1+β
当考虑信号电源内阻Rs时,ro=Re//rbe+(Rs//Rb)1+β
2.6.2共b极放大电路
1.静态分析
UBQ≈Rb1Rb1+Rb2UCC
IEQ=UBQ−UBEQRe
UCEQ≈UCC−ICQ(Rc+Re)
IBQ=IEQ1+β
2.动态分析
Au=UoUi=βIbR′LIbrbe=βIR′Lrbe——uo与ui 同相
ri=Re//rbe1+β
ro=Rc
2.6.3三种基本放大器的比较
(设β=50,rbe=1.1kΩ,Rc=3kΩ,Re=3kΩ,Rs=3kΩ,RL=∞)
共射组态
共集组态
共基组态
Ai
表达式
β
−(1+β)
−α
数值
50
-51
-0.98
Au
表达式
−βRcrbe
(1+β)Rerbe+(1+β)Re
βRcrbe
数值
-136
0.993
136
ri
表达式
rbe//Rb
Rb//[rbe+(1+β)R'e]
rbe1+β//Re
数值
1.1kΩ
154kΩ
21.6Ω
ro
表达式
Rc
rbe+Re1+β//Re
Re
数值
3kΩ
80.4Ω
3kΩ
特点及用途
(1)具有电流和电压放大作用;
(2)输出电压与输入电压反相;
(3)输入电阻、输出电阻适中。
应用广泛。
(1)具有电流放大作用,无电压放大作用;
(2)输出电压与输入电压同相,且为uo≈ui;
(3)输入电阻高、输出电阻低。
可用作输入级、输出级以及起隔离作用的中间级
(1)无电流放大作用,有电压放大作用;
(2)输出电压与输入电压同相;
(3)输入电阻低、输出电阻高。
用于宽频带放大或作为恒流源。
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2.7多级放大电路
2.7.1级间耦合方式
1.阻容耦合
级间串入耦合电容的耦合方式,如图2.22所示。
其优点是各级点相互独立,电路调整为方便,其缺点是低频响应较差,不能放大变化缓慢的信号,更不能放大直流信号。
2.直接耦合
为了避免电容对缓慢变化信号带来不良的影响,去掉电容,将前级输出直接连接至下一级,我们称之为直接耦合。
如图2.23所示。
其优点是低频响应好,能够放大变化缓慢的信号,便于集成。
其缺点是存在零点漂移问题。
3.变压器耦合
如图2.24所示,常用于功率放大电路或调谐放大电路。
其优点是能够实现阻抗变换;缺点是体积大、重量大,不能集成,频率特性较差。
2.7.2多级放大电路的指标计算
1.电压放大倍数
多级放大电路如图2.25所示,其电压放大倍数为
Au=UoUi
由于Ui2=Uo1、Uo=Uo3,所以
Au=Uo1Ui⋅Uo2Ui2⋅Uo3Ui3=Au1⋅Au2⋅Au3
推广到n级放大器
Au=Au1⋅Au2⋅Au3……Aun
——多级放大电路的电压放大倍数等于各级电路电压放大倍数的乘积。
计算每一级放大倍数时,要考虑前后级的相互影响。
将后级作为前级的负载考虑。
2.输入电阻和输出电阻
一般说来,输入电阻等于第一级的输入电阻,输出电阻是末级的输出电阻。
【例1】图2.26为三级放大电路,已知:
UCC=15V,Rb1=150kΩ,Rb22=100kΩ,
Rb21=15kΩ,Rb32=100kΩ,Rb31=22kΩ,Re1=20kΩ,R′e2=100Ω,Re2=750Ω,
Re3=1kΩ,RC2=5kΩ,RC3=3kΩ,RL=1kΩ,三极管的电流放大倍数均为50。
试求电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。
【解】分析:
第一级——射极输出器
第二、三级——分压式偏置放大电路
级间均是阻容耦合,各级静态工作点均可单独计算。
(1)静态工作点
第一级:
IBQ1=UCC−UBERb1+(1+β)Re1=14.3150+1020≈0.012mA
ICQ1=β IBQ1=50×0.012=0.61mA
UCEQ1≈UCC−ICQ1Re1=15−0.61×20=2.8V
第二级:
UB2=Rb21Rb21+Rb22UCC=15100+15×15≈1.96V
UE2=UB−UBE=1.26V
IEQ2=UE2Re2+R′e2=1.260.85≈1.48mA≈ICQ2
UCEQ2=UCC−ICQ2(RC2+R′e2+Re2)=6.3V
第三级:
UB3=Rb31Rb31+Rb32UCC=22100+22×15=2.7V
UE3=UB3−UBE=2.7−0.7=2V
IEQ3=UE3Re3=21=2mA≈ICQ3
UCEQ3≈UCC−ICQ3(Rc3+Re3)=7V
(2)电压放大倍数
Au=Au1⋅Au2⋅Au3
第一级:
第一级是射级输出器,其电压放大倍数
Au1=(1+β)R′e1rbe1+(1+β)R′e1≈1
其中R′e1=Re1//RL1=Re1//Ri2
Ri2=Rb21//Rb22//[rbe2+(1+β)R′e2]
第二级:
Au2=−βR′C2rbe2+(1+β)R′e2
式中
R′c2=R
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