三极管的基本放大电路分析(ppt).ppt

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1、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

2、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。 1. 电路的组成 7.1共发射极放大电路 7.1.1电路组成及各元作用 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)

3、 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。 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 7.1.2 静态分析 静态分析通常有两种方法 1. 估算法 (7. 1a) (7.1b) ICIB (7. 2)

4、UCE = UCC - IC RC (7.3) B BECC B R UUI B CC B R UI 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) 令 uCE=0时， ，在纵轴上得 N点 (0， ) 连接 M N 即直流负载线 C CC R U C CC R U (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

5、路的静态工作点，已知该电路中的三极管 =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 IB0.04mA=40A ICIB=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=40A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=40

6、A， 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 。 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。 7.1.3 动态分析 图 7.5(a) (2) 带负载时输入和输出电压、电流波形分析

7、 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

8、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+) )()( )(26 mAI mV E (2) 放大电

9、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 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： Ri= 由图 7. 12可知 = rbe RB be L beb

10、Lb i o u r R rI RI U UA i i i I UR i i I U 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 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： Ro= Si i Si RR RUU o o I U 图 7. 13 放大电路的输入电阻和输出电阻 由图 7.12可知 Ro= = RC 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

11、的输出电压 Uo， 则有 式中： U/o 、 Uo是用晶体管毫伏表测出的交流有效值 。 L Lo o o RRR UU / L o o o RU UR )1( o o I U 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 、 Ri、 Ro。 20 断开负载 RL后，再计算 、 Ri、 Ro。 图 7.14 例 7. 3的图 uA uA 解： 10 由 例 7. 1可知 IE1.5mA 故 = 967 Ri = RB / rbe=300 / 0.9670.964k Ro=RC=4k mA mV I mVr E b

12、e 5.1 26)5.371(30026)1(300 789 6 7.0 )4/4(5.37 / be L u r RA 20 断开 RL后 Ri = RB / rbe = 300 / 0.9670.964k Ro= RC = 4k 1 5 69 6 7.0 45.37 be C u r RA 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

13、是引入温度补偿 。 7.1.4 稳定工作点的电路 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 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 。 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 。 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 C

14、E 也选择电解 电容 ， 容量为几十微法 。 (2) 稳定工作点原理 利用 RB1和 RB2的分压作用固定基极 UB。 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 IBIC (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： 由： UB UCC， 求 UB。 由： IE ， 求 IC、 IE 。 由 IC=IB， 求 IB。 由 UCE = UCC - ICRC - IERE UCC - IC(RC+RE) 求 UCE 。 21 2 BB B RR R E

15、B R U (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： 画出微变等效电路 ， 如图 7.15(c)； 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 在图 7.16所示的电路中 ， 三极管的 =50， 试求： 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 =10

16、0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 =3.5V IC 1.4mA IB 0.028mA=28A UCE 12-1.4(3+2)=5V 122.615 2.6 21 2 CCBB B U RR R 2 7.05.3 E BEB E R UUI 504.1CI )( ECCCC RRIU 20 求 Au、 Ri、 Ro rbe =300+(1+) =300+(1+50) =1.25 k R /L=RC RL= 0.75 k 故 : Au= = -50 = -30 Ri = rbe /RB1/RB2=1.25/6.5

17、/6.2=0.97 k Ro RC = 3 k )( )(26 mAI mV E 4.1 26 13 13 be L r R 25.1 75.0 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： 故： A/u = ri = rbe+(1+)RE R /i = ri / RB1 / RB2 = RB1 RB2 LbLCLCoo RIRIRRIU )/( EbbebEebebi RIrIRIrIU )1( Ebe L

18、 Ebbeb Lb i o Rr R RIrI RI U U )1()1( b Ebbeb b i I RIrI I U )1( )1( Ebe Rr 输出电阻可由图 7.18求出，由图可知 ，所以 图 7. 18 不接 CE时求输出电阻的等效电路 0bI Co RI UR / 将有关数据分别代入上式得 A/u = - 0.36 R /i =103.25 k R /o =3 k 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 =100的三极管后 ， 其静态工作点为 IE = 1.4mA IC =1.4mA IB = = 14A UCE = UCC - IC

19、(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 的管 子，但静态工作点基本上不变。 2 7.05.3 E BEB R UU EI 100 4.1 CI 此时 与 =50时的放大倍数差不多。 )( )(26)1(300 mAI mVr E be k2.24.126)1001(300 342.2 75.0100 be L u r RA 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： TICUCUBUBEIBIC 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