7.1 放大电路的组成 7.2 放大电路的分析方法 7.3 分压偏置放大电路 7.4 共集电极放大电路 7.5 多级放大电路 7.6 差分式放大电路 7.7 功率放大电路
第7 章 基本放大电路
三极管的基本用途是构成各种放大电路. 放大电路的作用是将微弱的电信号予以放 大,以便人们进行测量和使用. 例如我们需要把声音放大,可以先通过话 筒把声音转换成相应的电信号,由于该电信号 太微弱,必须经过放大电路放大才能让喇叭把 声音放出来.因此放大电路被广泛应用于收音 机,电视机,扩音机及电子测量仪器中.
7.1 放大电路的组成
7.1.1 信号放大的基本概念 一.放大的基本概念: 1.放大电路的放大对象是信号的变化量.当放大电路输入一个 较小的变化量,将输出一个较大的变化量,因此放大电路的放 大倍数也就是指输出信号变化量和输入信号变化量的比值. 2.放大电路的放大作用是利用三极管的电流放大能力.在上一 章曾经分析过,三极管的基极电流有一个较小的变化时,集电 极电流会有一个较大的变化,这就是三极管的电流放大作用. 3.放大的本质实际上是能量的控制.因为能量本身是不能被放 大的,所以任何放大电路在工作时均需接入直流电源,在较小 能量的输入信号控制下,把直流电源的能量转化成交变的能量 予以输出,输出的能量增大了,然后推动负载工作.因此放大 电路实际上是起了一个能量的转换和控制作用.
放大电路的组成及工作原理
放大电路的功能:
是将微弱的电信号(电压,电流或功 率)放大到所需要的数值.
向放大器提供 输入的电信号
终端执 行元件
提供足够的放大能力 并尽可能减小失真
提供放大 所需能源
信号源向放大器提供输入的电信号.
. 在实际应用中经常采用正弦信号发生器作为 信号源来分析和调试放大电路. 用正弦电压源作为信号源.
放大器是由集成电路组件或晶体管,场效应管等器
件构成. 放大器的放大作用是针对变化的信号量而言. 信号放大所增加的能量是由直流电源提供的.
放大电路是在输入信号的控制下把直流电源的能
量转换成输出信号能量的装置.
经过放大器放大以后的较强的信号输出到 终端执行元件——通常标为
负载.
用纯电阻作为负载来讨论放大电路的性 能.
放大的概念:
将信号的幅度由小变大. 但是,由于输入信号的能量过于微弱,不足 以推动负载,因此需要另外提供一个能源, 使之输出较大能量,然后推动负载. 这种小能量的控制作用,就是放大作用,而 提供能量的是电源.
二.放大电路的主要技术指标: 放大电路的 技术指标用来 定量描述电路 的有关技术性 能,是进行放 大电路分析时 的主要依据.
ii
+
i0
+
RS +
Ro +
ui
-
uo
-
RL
uS
Ri
u o'
R0
图 7-1 放大电路方框图
1. 放大倍数:放大倍数用以描述一个放大电路的 放大能力.最常用的是电压放大倍数,定义为输出 电压变化量和输入电压变化量的比值.通常信号为 正弦量,因此可用相量表示.电压放大倍数为
Au =
Uo
Ui
2. 输入电阻:放大电路的输入电阻是指从输 入端看进去的等效电阻,见图7-1.输入电阻定义 为输入电压和输入电流之比,即
Ri =
Ui
Ii
3. 输出电阻:放大电路的输出电阻是指从输出端看进 去的等效电阻,见图7-1.输入电阻定义为信号源置 零,输出端开路(即RL→∞)时,在输出端外加一端 口电压,得到相应端口电流,两者之比,即
Ro =
Uo
US
= =
0
Io
RL ∞
7.1.2 基本放大电路的组成
Rc
ib + ui
Rb
ic
VT
+ uo -
VCC
VBB
图 7-2
共射放大电路原理电路图
放大电路的组成必须遵循这样两条原则:
其一,保证晶体管工作在放大区 这样就可以利 用基极电流ib (或发射极电流iE)来控制集电 极电流iC,达到放大的目的.为此,放大电路中直流电源 及有关电阻的配置一定要便晶体管发射结为正向偏置,集 电结为反向偏置. 其二,必须保证(交流)信号的放大 应使输入信号得到足够的放大和顺利的传送.
放大电路组 成的原则
发射结正偏,集 Rb :为放大 电路提供静 电结反偏; 保证T处于放大区.态工作点 输入信号得到足 够的放大和顺利 地传送. 三极管T: 实现电流放 大. c
Rb + Rs + us - ui
iB + b e
iC T iE
+ Rc
+
uCE
uBE VBB
VBB ,VCC : 确保 三极管 工作在放大 状态
-
-
输入回路
将T集电极电 流的变化转 变为电压变 化,以实现 电压放大 -
RL u o
VCC
-
输出回路
共发射极基本放大电路
电路中各元件的作用为: 三极管VT承担放大作用,是放大电路的核心元件. 直流电源VCC 有两个作用:一是为三极管提供合适的静态 工作点;二是为输出提供能量,将直流能量转换成交流能 量输出到负载. 集电极负载电阻RC 也有两个作用,一是配合VCC 为三极管 提供合适的静态工作点;二是将集电极电流的变化转换成 电压的变化予以输出到负载. 基极直流电源VBB 和基极电阻Rb 二者为三极管提供合适的 静态工作点.流经Rb的电流即基极电流,称为基极静态偏 置电流.Rb称为基极偏置电阻.基极静态偏置电流的大小 直接影响三极管的工作状况,因此必须选择合适. 图中的ui是信号源,它是被放大的对象. 上面提到的所谓合适的静态工作点是指三极管必须处在放 大区工作,即发射结为正向偏置;集电结为反向偏置. 如果上述电路中的三极管为PNP型,必须将电源的的极性 反过来才能正常工作.
7.1.3 放大电路的工作原理
假设在直流电源和偏置电阻的作用下,电路已建立了 合适的静态工作点.信号源ui在输入回路使基极电流产生 一个微小的变化量ΔiB,使得输出回路的集电极电流也产 生一个变化量ΔiC.按三极管的电流关系,在放大区里, ΔiC是ΔiB的 β 倍,即集电极电流的变化比基极电流的 变化大许多.ΔiC流经RC形成输出电压,该电压比信号 电压ui大好多倍,这就是放大电路的电压放大作用.
7.1.4 放大电路的简化画法
图中的两个大容量电容称为耦合电容,它们的作用是 把交变的信号传递到放大电路进行放大,再传递到负 载予以输出;而直流电流将被阻挡而不通过.
为了使电路更加简洁,通常在电路中不直接画出直流 电源,如图7-4.这里的+VCC表示电源的正端,而电 源的负端和"地"(公共端)相连.
+VCC Rb Rc C2 Rb Rc
+
VT
C2
+ +
C1
+
VT RL
+ uo -
VCC
+ + ui C1 RL
+ uo -
ui -
图 7-3 使用一个电源的共射电路
图 7-4 共射电路的简化画法
7.2 放大电路的分析方法
利用叠加原理将直流和交流分开. 在放大电路中存在着两种成分的电流. 一种是直流电源产生的直流成分:静态分析 静态分析的对象是电路中的直流成分,主要是分析计算电路的静态工作 点是否合适; 一种是交变信号源产生的交流成分:动态分析 动态分析的对象是电路中的交流成分,主要是计算电路的各项性能指标,如 放大倍数,输入电阻和输出电阻等.
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
直流通路是直流成分流经的路径,它可用来进行静态分析.
画直流通路的原则是 电容对直流开路,信号源置零 (信号源为电压源时将其短路;信号源为电流源时则开路). 叠加原理中,直流电源单独作用时,其他电源等效成零电源 (交流信号电源等效为零).
第7章
基本放大电路
交流通路是交流成分(即信号电流)流经的路径,
它可用来进行动态分析. 画交流通路的原则是 电容对交流短路,直流电压源短路 叠加原理中,交流电源单独作用时,其他电源等效成零电源 (直流电源等效为零)
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基本放大电路
阻容耦合基本共射极放大电路 Rb C1 + Rs + Us _ Ui _ T Rc C2
电容C1和C2把
+VCC
放大电路与信号 源及负载连接起 来.C1和C2叫做
+ RL
耦合电容,亦称 隔直电容.
Uo
隔离直流 传送交流.
_ 放大电路
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基本放大电路
+VCC Rb Rc C2 Rb Rc
+
VT
C2
+ +
C1
+
VT RL
+ uo -
VCC
+ + ui C1 RL
+ uo -
ui -
图 7-3 使用一个电源的共射电路
图 7-4 共射电路的简化画法
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基本放大电路
+VCC Rb IBQ VT Rc ICQ
Rb
Rc
+ +
UCEQ
VT
+
RL
+
UBEQ
uo -
ui -
-
-
图 7-5 直流通路
图 7-6 交流通路
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基本放大电路
U Rb = I BQ Rb
U RC = I CQ RC
U CEQ
I BQ =
V CC U BEQ Rb
I CQ = β I BQ U CEQ = V CC I CQ R C
第7章 基本放大电路 7.2.2 静态分析 一.静态工作点的近似估算法 将信号源置零后,电路中仅存在直流电源产生的直流成分.这些 直流电压和直流电流在三极管的输入和输出特性曲线上分别对应一 个点,称为静态工作点.静态工作点是否合适,直接影响电路能否 正常工作. 静态工作点有四个量构成.输入回路的电压UBEQ和基极电流IBQ; 输出回路的电压UCEQ和集电极电流ICQ,见图7-5.下标中的Q表示静 态工作点. 通常UBEQ的变化很小,可近似认为 硅管 UBEQ=(0.6~0.8)V 锗管 UBEQ=(0.1~0.3)V
第7章
基本放大电路
按图7-5所示,静态基极电流为
I BQ =
VCC U BEQ Rb
ICQ=βIBQ
根据三极管的电流关系,集电极电流为
而集―射电压为 UCEQ=VCC―ICQRC
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
+ 12V
280 KΩ
U Rb = I BQ Rb
3 KΩ
U RC = I CQ RC
U CEQ
β = 50;U BEQ = 0.7V
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基本放大电路
例 7-1 在 图 7-4 所 示 的 共 射 放 大 电 路 中 , 设 VCC =12V, RC=3kΩ,Rb=280kΩ, 三极管β=50,UBEQ =0.7V.估算静态工作点. 解:根据以上分析,可得静态基极电流为 VCC U BEQ 12 0.7 I BQ = = mA = 0.04mA Rb 280
集电极电流为 ICQ=βIBQ=(50×0.04)mA=2mA 集―射电压为 UCEQ=VCC―ICQRC=12―2×3=6V
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基本放大电路
图解法确定静态工作点 三极管电流,电压关系可用其输入特性曲线和输 出特性曲线表示.我们可以在特性曲线上直接用作图 的方法来确定静态工作点. 将图6.3(a)直流通路,改画成图6.4(a),由图中的a, b两端向左看,其iC~uCE关系由三极管中iB=IBQ的输出特 性曲线确定,其 方程表示: uCE=UCC-iCRc
I BQ = U CC Rb
,如图6.4(b)所示.由图
中的a,b两端向右看,电流iC与uCE 关系由回路的电压
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基本放大电路
令iC=0,uCE=UCC,得M点;令 uCE=0,
,得N点.将M,N两点连接起来,
U CC iC = Rb
即得一条直线,称为直流负载线,它反映了直流电流, 电压与负载电阻Rc的关系.
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静态工作点的图解法
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由于在同一回路中只有一个iC 值和uCE 值,即iC , uCE 既 要 满 足 图 6.4(b) 所 示 的 输 出 特 性 , 又 要 满 足 图 6.4(c)所示的直流负载线,所以电路的直流工作状态, 必然是IB=IBQ的特性曲线和直流负载线的交点,只要知 道IBQ即可,一般通过(6―2)式可直接求出,Q点的确定 如图6.4(d)所示.
第7章
基本放大电路
由上可得出用图解法求Q点的步骤: (1) 在 输 出 特 性 曲 线 坐 标 中 , 按 直 流 负 载 线 方 程 uCE=UCC-iCRe,作出直流负载线. (2) 由基极回路求出IBQ. (3)找出iB=IBQ这一条输出特性曲线,与直流负载线的 交点即为Q点.读出Q点坐标的电流,电压值即为所求. 例2 如图6.5(a)电路,已知Rb=280kΩ,Rc=3kΩ, UCC=12V,三极管的输出特性曲线如图6.5(b),试用图解 法确定静态工作点.
第7章
基本放大电路
图6.5 例2电路图
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解:首先写出直流负载方程,并作出直流负载线:
uCE = U CC iC Rc iC = 0 uCE = U CC = 12V uCE U CC 12 = 0 iC = = = 4mA Rc 3
连接这两点,即得直流负载线.
然后,由基极输入回路,计算IBQ
I BQ
U CC U BE 12 0.7 = = ≈ 0.04mA = 40μ A 3 Rb 280 × 10
直流负载线与iB=IBQ=40μA这一条特性曲线的交点, 即为Q点,从图上查出IBQ=40μA,ICQ=2mA, UCEQ=6V,与例1结果一致.
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电路参数对静态工作点的影响 1. Rb对Q点的影响 为明确元件参数对Q点的影响,当讨论Rb 的影响 时,固定Rc和UCC.Rb变化,仅对IBQ有影响,而对负载 线无影响.如Rb增大,IBQ减小,工作点沿直流负载线 下移;如Rb减小,IBQ增大,则工作点沿直流负载线上 移,如图6.6(a)所示.
第7章
基本放大电路
电路参数对Q点的影响 (a)Rb变化对Q点的影响;(b)Rc变化对Q点的影响; (c)UCC变化对Q点的影响
第7章
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2. Rc对Q点的影响 Rc的变化,仅改变直流负载线的N点,即仅改变直 流负载线的斜率. Rc 减小,N点上升,直流负载线变陡,工作点沿 iB=IBQ这一条特性曲线右移. Rc增大,N点下降,直流负载线变平坦,工作点沿 iB=IBQ这一条特性曲线向左移.如图6.6(b)所示.
第7章
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3. UCC对Q点的影响 UCC 的变化不仅影响IBQ ,还影响直流负载线,因 此,UCC对Q点的影响较复杂. UCC上升时,IBQ增大,同时直流负载线M点和N点同 时增大,故直流负载线平行上移,所以工作点向右上方 移动. UCC 下降,IBQ 下降,同时直流负载线平行下移,所 以工作点向左下方移动,如图6.6(c)所示. 实际调试中,主要通过改变电阻Rb 来改变静态工作 点,而很少通过改变UCC来改变工作点.
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共发射极放大电路的动态分析
图解法分析动态特性 通过图解法,我们将画出对应输入波形时的输出电流 和输出电压波形.由于交流信号的加入,此时应按交流通 路来考虑.如图6.3(b)所示,交流负载R′L=Rc‖RL.在有 信号作用下,三极管的工作状态的移动不再沿着直流负载 线,而是按交流负载线移动.因此,分析交流信号前,应 先画出交流负载线.
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基本放大电路
1.交流负载线的作法 交流负载线具有如下两个特点: 交流负载线必通过静态工作点,因为当输入信号ui 的瞬时值为零时(忽略电容C1和C2的影响),其电路状态 和静态时相同. 另一特点是交流负载线的斜率由R′L表示. 因此,按上述两个特点,可作出交流负载线,即 过Q点作一条ΔU/ΔI=R′L的直线,就是交流负载线.
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具体作法如下: 首 先 作 一 条 ΔU/ΔI=R'L 的 辅 助 线 ( 此 线 有 无 数 条),然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负 载线,如图6.7所示. 由于R'L=Rc‖RL ,所以R'L
基本放大电路
图6.7 交流负载线的作出
第7章
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例3 作出图6.4(a)的交流负载线.已知特性曲线如 图6.4(b)所示,UCC=12V,Rc=3kΩ,RL=3kΩ, Rb=280kΩ. 解:首先作出直流负载线,求出Q点,如例2所示. 为方便将图6.5(b)重画于图6.8. R'L=Rc‖RL=1.5kΩ 作一条辅助线,使其
ΔU ′ = RL = 1.5k Ω ΔI
第7章
基本放大电路
图 6.8
第7章
基本放大电路
取ΔU=6V,ΔI=4mA,连接该两点即为交流负载的辅 助线,过Q点作辅助线的平行线,即为交流负载线.可 看出U'CC=9V,与按U'CC=UCEQ+ ICR ' L=6V+2×1.5=9V相一致.
第7章
基本放大电路
2.交流波形画出 为便于理解,我们代入具体的数值进行分析.仍 以例3为例,设输入交流信号电压ui=Uimsinωt,则基极 电流将在IBQ上叠加ib,即iB=IBQ+Ibmsinωt,如电路能使 Ibm=20μA,则得 iB=40μA+20sinωt(μA) 从图6.8可读出相应的集电极电流ic 和电压uCE 值. 列于表2.1,画出波形,如图6.9所示.
第7章
基本放大电路
表 6.1
第7章
基本放大电路
图6.9 共发射极放大器各极电流电压波形
第7章
基本放大电路
由以上可看出,在放大电路中,三极管的输入电 压uBE,电流iB,输出端的电压uCE,电流iC均含直流和 交流成分.交流是由信号ui引起的,是我们感兴趣的部 分.直流成分是保证三极管工作在放大区不可少的. 在输入端,直流成分上叠加交流成分,然后进行放 大;在输出端,用电容将直流隔掉,取出经放大后的 交流成分.它们的关系式为
第7章
基本放大电路
UBE=UBEQ+ube=UBEQ+Ubemsinωt iB=IBQ+ib=IBQ+Ibmsinωt iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsinωt uCE=UCEQ+uce=UCEQ+Ucemcosωt 由图6.9可看出,基极,集电极电流和电压的交流 成分保持一定的相位关系.ic,ib和ube三者相位相同; uce 与它们相位相反.即输出电压与输入电压相位是相 反的.这是共发射极放大电路的特征之一.
第7章
基本放大电路
放大电路的非线性失真 作为对放大电路的要求,应使输出电压尽可能地 大,但它受到三极管非线性的限制.当信号过大或者 工作点选择不合适,输出电压波形将产生失真.由于 是三极管非线性引起的失真,所以称为非线性失真. 图解法可以在特性曲线上清楚地观察到波形的失 真情况. 1. 由三极管特性曲线非线性引起的失真 这主要表现在输入特性的起始弯曲部分,输出特 性间距不匀,当输入信号比较大时,将使ib,uce,ic正 负半周不对称,即产生了非线性失真,如图6.10所示.
第7章
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图6.10 三极管特性的非线性引起的失真
第7章
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三极管特性的非线性引起的失真
第7章
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2. 工作点不合适引起的失真 当工作点设置过低,在输入信号的负半周,工作 状态进入截止区,因而引起ib,iC和uCE的波形失真,称 为截止失真.由图6.11(a)可看出,对于NPN三极管共e 极放大器,截止失真时,输出电压uCE的波形出现顶部 失真.
第7章
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图
静态工作点不合适产生的非线性失真 (a)截止失真;(b)饱和失真
第7章
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如果工作点设置过高,在输入信号的正半周,工 作状态进入饱和区,此时,iB继续增大而iC不再随之增 大,因此引起iC和uCE产生波形失真,称为饱和失真. 由图6.11(b)可看出,对于NPN三极管共e极放大器,当 产生饱和失真时,输出电压uCE的波形出现底部失真. 如放大电路用PNP三极管,波形失真正好相反.截 止失真导致uCE底部失真;饱和失真导致uCE顶部失真.
第7章
基本放大电路
正由于上述原因,放大电路存在最大不失真输出 电压幅值Umax或峰—峰值电压Up―p. 最大不失真输出电压是指:当工作状态已定的前 提下,逐渐增大输入信号,三极管尚没进入截止或饱 和时,输出所能获得的最大电压输出.如ui增大首先进 入饱和区,则最大不失真输出电压受饱和区限制, Ucem=UCEQ-Uces;如首先进入截止区,则最大不失真输 出电压受截止区限制,Ucem=ICQR' L ,最大不失真输 出电压值,选取其中小的一个.如图6.12所示,ICQR'L <(UCEQ-Uces),所以Ucem=ICQR'L.
第7章
基本放大电路
图 最大不失真输出电压
第7章
基本放大电路
关于用图解法分析动态特性的步骤,可归纳如下: (1) 首先作出直流负载线,求出静态工作点Q. (2) 作出交流负载线.根据要求从交流负载线画出 电流,电压波形,或求出最大不失真输出电压值.
第7章
基本放大电路
用图解法分析动态,可直观地反映输入电流与输 出电流,电压的波形关系.形象地反映了工作点不合 适引起的非线性失真,但它对交流特性的分析,如对 电压放大倍数,输入电阻,输出电阻的计算十分麻 烦,有的根本就无能为力.所以图解法主要用来分析 信号的非线性失真和大信号工作状态(其它方法不能用). 至于对交流特性的分析多采用微变等效电路法.
第7章
基本放大电路
7.2.3 动态分析 当放大电路的输入端外加交变的信号电压后,则电路中的电压和电流都处 在动态变化中,可以利用交流通路进行动态分析.动态分析主要是计算电路的 各项性能指标,如放大倍数,输入电阻和输出电阻;以及讨论信号的失真和最 大输出幅度等. 动态分析方法也可用图解法进行,不过图解法比较麻烦,且作图不易精确, 一般用作定性分析.通常动态分析采用微变等效电路法进行,即在小信号变化 范围内把非线性的三极管等效成线性电路元件,根据线性电路的定律和定理, 列出电路方程进行分析计算.
第7章
基本放大电路
iC
iC/mA VCC/RC
3
交流负载线
iB
IB=80μA
直流负载线 60 Q 40 IBQ 20 0 6 UCEQ t
iB/μA
60 40 20 Q
ICQ
2 1
0
t
0 0
VCC uCE/V uCE
t 0 0
uBE uBE
UBEQ t
图 7-8
交流负载线及外加正弦信号时放大电路的工作状况
第7章
基本放大电路
三.三极管的微变等效电路 三极管是一个非线性元件,这给电路的分析带来困难.不过在小信号(指 信号的变化幅度较微小)条件下,在静态工作点附近可以将三极管线性化, 等效成线性电路元件,这就是三极管的微变等效电路.这种微变等效电路可 分成输入回路的等效和输出回路的等效. 1.输入回路的等效电路: 图7-11是三极管的输入特性曲线,它近似指数曲线,是非线性的.不过当 输入信号较小时,在静态工作点附近近似为一根直线.当UCE为常数,定义 工作点附近的电压变化量ΔuBE和电流变化量ΔiB的比值为三极管的输入电阻 rbe,即
第7章
基本放大电路
iB b +
ΔiB Q ΔuBE ΔiB
rbe
uBE
ΔuBE 图 7-11 三极管的输入特性 图 7-12 三极管输入回路的等效电路
e
第7章
基本放大电路
Δu BE rbe = Δi B
U CE
对于小信号微变量,可用交流分量来代替,即
u be rbe = ib
U CE
第7章
基本放大电路
BJT的等效电路的导出
第7章
基本放大电路
并可近似认为rbe是一个线性电阻,如图6.13(c)所示. 在常温小信号下
26mV Ω rbe ≈ rbb′ + ( β + 1) I E mA
一 般 情 况 下 , 当 IE=1mA~2mA 时 , 小 功 率 BJT 的 rbe≈1kΩ 左 右 . rbb′ 是 基 区 体 电 阻 , 低 频 管 的 rbb′=300Ω,高频小功率管的为几十欧到一百欧.本书 一般采用rbb′ =300Ω.
第7章
基本放大电路
26(mV) rbe ≈ 300(Ω) + (1 + β ) (Ω) I E (mA)
第7章
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2.输出回路的等效电路: 图7-13是三极管的输出特性曲线,在静态工作点附近它近似为一根和 横轴(uCE)平行的直线,这反映了三极管的恒流特性.即集电极电 流iC和uCE无关,可用一个电流源来表示.不过这个电流源不是独立电 源,而是受基极电流变化量ΔiB控制的,是一个受控电流源.根据三 极管在放大区的电流关系,当UCE为常数时, ΔiC=βΔiB 对于小信号微变量,可用交流分量来代替,即 iC=βib
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
因此对于三极管的输出回路可用 一 个 受 控 电 流 源 βΔiB 来 等 效 代 替,见图7-14,这就是三极管输出 回路的微变等效电路. 因此三极管的微变等效电路就是 将其输入回路等效成一个线性电 阻rbe;将其输出回路等效成一个 受控电流源βib,它们都是线性电 路元件,见图7-15.
b + ube -
ib
c ic + uce e
(a)
ib b + ube e
(b)
ic c + rbe
βib
uce -
图 7-15 三极管的简化微变等效电路
第7章
基本放大电路
放大电路中变量的表示:
习惯上以变量大写,下标大写表示直流分量,如IB表示基极静态电流; 变量小写,下标小写表示交流分量,如ib表示基极交流信号电流; 变量小写,下标大写表示总电压或总电流(直流分量和交流分量的叠加) 的瞬时值,如iB = IB + ib表示基极总电流的瞬时值; 用变量大写,下标小写表示正弦交流分量的有效值,如Ib表示基极正弦电流 的有效值.
第7章
基本放大电路
图 共发射极基本放大电路的简化微变等效电路 (a)电路图;(b)交流通道;(c)简化微变等效电路
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
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7.2.3.4放大电路的微变等效电路 以放大电路的交流通路为基础,并将其中的三极管以其等 效电路代替,就得到了放大电路的微变等效电路.图7-16是 对图7-4所示的共射基本放大电路画出的微变等效电路.电路 中标出的是正弦交流分量的相量. 放大电路的微变等效电路可用来进行电路的动态分析计算.
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
& & & U S = 0 I S = 0 Ib = 0
& U S =0
RO =
UO
=
RL = ∞
& I O * RC
= RC
IO
IO
第7章
基本放大电路
1.电压放大倍数:根据图7-16,可列出
U i = rbe I b
U o = RL ' I c = RL ' βI b
式中的RL = RC//RL,是交流等效负载. 因此电路的电压放大倍数为
RL ' Au = = β rbe Ui
Uo
2. 输入电阻:从放大电路的输入端看进去的等效电阻为输入 电阻,定义为
第7章
基本放大电路
Ri =
Ui
Ii
则图7-16等效电路的输入电阻为 Ri=Rb// rbe 注意Ri和rbe的区别,Ri是放大电路的输入电阻;rbe是三 极管的输入电阻.前面曾经提到一般希望放大电路的输入 电阻愈高愈好,因为输入电阻高,可以降低对信号源的负 载影响.由于rbe较低,和Rb并联后,共射电路的输入电阻 仍是较低的.
第7章
基本放大电路
3.
输出电阻:从放大电路的输出端看进去的等效电阻为输
出电阻.图7-16等效电路的输出电阻近似为 Ro=Rc 前面曾经提到一般希望放大电路的输出电阻愈小愈好,因为输 出电阻小,带动负载的能力强.由于Rc一般为几千欧,因此共射 电路的输出电阻较大. 以上根据放大电路的微变等效电路,求得其主要的性能指标. 需要指出的是微变等效电路只能用作动态分析计算,不能用来计 算静态工作点
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
例7-3 在图7-4 所示的共射放大电路中, 设VCC =12V, RC=3kΩ,RL=3kΩ, Rb=280kΩ,三极管的β=50.试求: 1 .估算静态工作点 2 .三极管的输入电阻rbe; 3.放大电路的电压放大倍数; 4.放大电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro
第7章
基本放大电路
+ 12 V
解:画静态电路等效图 可得静态基极电流为
U Rb = I BQ R b
280 K Ω
3KΩ
U R C = I CQ R C
U CEQ
β = 50 ; U BEQ = 0 . 7V
V UBEQ 120.7 IBQ= CC = = mA mA 0.04 Rb 280
集电极电流为 ICQ=βIBQ=(50×0.04)mA=2mA 集―射电压为 UCEQ=VCC―ICQRC=12―2×3=6V
画微变参数等效电路图:
第7章
基本放大电路
第7章
基本放大电路
ICQ=2mA 在β较大的时候,通常可认为 IEQ ≈ICQ=2mA
rbe
26 (mV) 26 = 300 + (1 + β ) = 300 + (1 + 50 ) = 0 . 963 k Ω I E (mA) 2
RL ' 1.5k 2. 电压放大倍数 Au = = β = 50 = 78 rbe 0.96k Ui
这里的
RL = RC//RL=3k//3k=1.5kΩ
Uo
3. 放大电路的输入电阻 Ri=Rb// rbe=280k//0.96k ≈0.96kΩ 输出电阻 Ro=Rc =3kΩ
第7章
基本放大电路
可以将静态分析和动态分析合二为一成一个例子. 例题7-1和例题7-3为完整的应用方案.
第7章
基本放大电路
提个醒: 提个醒
可以归纳出利用微变等效电路法分析放大电路的步骤 如下: 1,首先画出放大电路的直流通路,用估算法确定静 态工作点 I BQ , U BEQ ; I CQ ( I EQ ), U CEQ 2,求出静态工作点的微变等效电路的
β 和 r be
3,画出放大电路的微变等效电路.可先画出三极管 的等效电路,然后画出放大电路其余部分的交流通路. 4,根据 Au ,Ri和RO 的定义,列出等效电 路的输入回路和输出回路方程并求解.
第7章
基本放大电路
UT rbe = rbb ' + (1 + β ) I EQ rbb ' = 300Ω为基区体电阻 U T 在常温下可取为26mV I EQ为发射极的静态电流. 26(mV ) (Ω) rbe = 300 + (1 + β ) I EQ (mA)
7.3 分压偏置放大电路
静态工作点的位置主要决定于基极偏置电流IB. 图7-4中的共射基本放大电路,基极偏置电流固定不 变.所以该电路称为固定偏置电路. 固定偏置电路虽然简单,但易受温度影响.温度变 化会引起工作点的偏移,主要原因是三极管的参数受 温度影响较大.因此必须克服温度对电路的影响,才 能使放大电路正常工作,分压偏置放大电路是常用的 能稳定静态工作点的电路.
7.3.1 温度对三极管的影响
温度对三极管参数的影响主要表现在三个方面: 1. 温度对β的影响:温度上升会引起β变大;温 度下降会引起β变小.温度每升高1℃,β约增加 0.5%~1%. 2. 温度对反向饱和电流ICBO 的影响:温度上升会 引起ICBO变大;温度下降会引起ICBO变小.温度每 升高10℃,ICBO约增加一倍. 3.温度对管压降UBE 的影响:温度上升会引起UBE 下 降 ; 温 度 下 降 会 引 起 UBE 增 大 . 温 度 每 升 高 1℃,UBE约下降2mV. 由于集电极静态电流IC=βIB+(1+β)ICBO,因此温 度对三极管参数的这些影响将集中导致IC 发生改 变,从而引起工作点的偏移.
7.3.2 分压偏置放大电路
两个基极偏置电阻Rb1和Rb2对直流电源VCC分压,使基 极静态电位UB近似不变(忽略基极静态电流IB),因此 称为分压偏置电路.
+VCC Rb1 C1 + VT Rs + us Rc
+VCC Rb1 Rc
+
C2
+
RL
I1
IB VT Rb2
+ ui Rb2 Re
uo Re
-
(a) 放大电路 图 7-17 分压偏置放大电路
(b)
直流通路
+VCC Rb1 C1 + VT Rs + us Rc
+VCC Rb1 Rc
+
C2
+
RL
I1
IB VT Rb2
+ ui Rb2 Re
uo Re
-
(a) 放大电路 图 7-17 分压偏置放大电路
(b)
直流通路
Rb 2 UB = VCC Rb1 + Rb 2
U B U BE IE = Re I E ≈ IC IB = IC
β
U RC = I C * RC
U CEQ
+ VCC
U Re = I E * Re = I C * Re
VCC = U RC + U CEQ + U Re U CEQ = VCC (U RC + U Re ) = VCC I C( RC + Re)
一. 稳定静态工作点原理 图7-17(b)是分压偏置放大电路的直流 通路.从图中可知,如果忽略基极电流 IB,则基极对地电位近似为
Rb 2 UB = VCC Rb1 + Rb 2
当Rb1和Rb2确定后,UB基本不变.
该电路稳定静态工作点的过程可表示如下: T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓ IC↓ 当温度上升引起IC增大,IE也增大,使发 射极对地电位UE(UE = IERe)升高,由于 基极电位UB基本固定不变,因此UBE (UBE =UB-UE)下降,使IB也下降,从而 导致IC减小,起到了自动稳定静态工作点 的作用.这实际上是一个负反馈过程.
一. 静态分析 对图7.17b的直流通路,忽略基极静态电 流,可列出如下方程,基极静态电位为
Rb 2 UB ≈ VCC Rb1 + Rb 2
发射极静态电流为
U B U BE IE = Re
集电极静态电流为 IC≈IE 基极静态电流
IB =
集-射静态电压为
IC
β
UCE=VCC-(Rc+Re)IC
I&b
+ rbe
Rs
b
c
& βI b
Rc RL
+
e
R b1 R b2
+ Ri 图 7-17 分压偏置放大电路 Ro (c)微变等效电路 Re
-
Au =
Uo
=
Ui
β RL ' rbe + (1 + β) Re
I&b
+ rbe
Rs
b
c
β I&b
Rc RL
+
e
R b1 R b2
Ui = rbe I b + (1 + β ) I b R e
+ Ri 图 7-17 分压偏置放大电路 Ro (c)微变等效电路 Re
U o = R L ' I c
-
= R L ' βI b
b + rbe
Rs
c +
Rc RL
e
R b1 R b2
+ Ri 图 7-17 分压偏置放大电路 Ro (c)微变等效电路 Re
Ro=Rc
-
Ri=Rb1// Rb2//〔rbe+(1+β)Re〕
图7-17(c)是分压偏置电路的微变等效电 路.对该电路可得输出电压
U o = RL ' I c = RL ' β I b
输入电压为
U i = rbe I b + (1 + β) I b Re
因此可得电压放大倍数为
β RL ' Au = = rbe + (1 + β) Re Ui Uo
可见,有了发射极电阻Re,使放大倍数下降了. 如果在Re两端并联一个较大容量的电容Ce,称为 旁路电容,它对交流信号短路,对直流开路.则 在微变等效电路中,Re被短路,使发射极直接接 地,电压放大倍数为
RL ' Au = = β rbe Ui
从图7-17c可知,电路的输入电阻为 Ri=Rb1// Rb2//〔rbe+(1+β)Re〕
Uo
这里须注意式(7-20)中的〔rbe+(1+β) Re〕,三极管的输入电阻rbe和发射极电阻 Re不是简单的串联关系.由于Re中的电流 是rbe中电流的(1+β)倍,因此将Re折算 到基极回路须乘上(1+β)倍. 电路的输出电阻近似为
Ro=Rc
例7-4
在图7-17a所示的分压偏置放大电 路中,Rb1=7.5kΩ,Rb2=2.5kΩ,
Rc=2kΩ,Re=1kΩ, RL=2kΩ,VCC=12V, 三极管的β=50,UBE =0.7V.试求: 1. 电路的静态工作点; 2. 电压放大倍数; 3. 输入电阻Ri和输出电阻Ro 4. 设信号源的内阻RS =10kΩ,求源电压放 UO 大倍数 AuS = =
US
解:1. 画直流通路,求静态分析
Rb 2 2.5 VCC = × 12 = 3V UB = Rb 1 + Rb 2 2.5 + 7.5
U B U BE 3 0.7 IE = = = 2.3mA Re 1k
集电极静态电流 基极静态电流 IC≈IE=2.3mA
I C 2.3mA IB = = = 0.046mA = 46μA β 50
集-射静态电压为 UCE=VCC–(Rc+Re)IC =12 –(2+1)×2.3=5.1V
I&b
+ rbe
Rs
b
c
β I&b
Rc RL
+
e
R b1 R b2
+ Ri 分压偏置放 大电路 Ro (c)微 变等效电路 Re
-
2. 画微变等效电路,可先估算rbe
rbe 26 (mV) 26 = 300 + (1 + β ) = 300 + (1 + 50 ) = 0 . 877 k Ω I E (mA) 2 .3
RL = RC//RL=2k//2k=1kKΩ
β RL ' 50 × 1 = = 0.96 Au = = rbe + (1 + β) Re 0.877 + 51 × 1 Ui Uo
3. 放大电路的输入电阻 (无旁路电容 Ce时)
Ri=Rb1// Rb2//[rbe+(1+β)Re] =7.5//2.5//[0.877+51×1]=1.8kΩ
输出电阻 Ro=Rc =2kΩ
例题另类: 加接发射极电阻旁路电容 对静态直流没有影响 对交流旁路短接
例7-4(另类)
在图7-17a所示的分压偏 置 放 大 电 路 中 , Rb1=7.5kΩ , Rb2=2.5kΩ , Rc=2kΩ , Re=1kΩ, RL=2kΩ,VCC=12V, 三极管的β=50,UBE =0.7V.试求:
1. 电路的静态工作点; 2. 电压放大倍数; 3. 输入电阻Ri和输出电阻Ro 4. 设信号源的内阻RS =10kΩ,求源电压放 大倍数
AuS =
UO US
=
解:静态分析与前面一样 1. 画直流通路,求静态分析
Rb 2 2.5 VCC = × 12 = 3V UB = Rb 1 + Rb 2 2.5 + 7.5
U B U BE 3 0.7 IE = = = 2.3mA Re 1k
集电极静态电流 基极静态电流 IC≈IE=2.3mA
I C 2.3mA IB = = = 0.046mA = 46μA β 50
集-射静态电压为 UCE=VCC–(Rc+Re)IC =12 –(2+1)×2.3=5.1V
b + rbe
Rs
c +
Rc RL
e
R b1 R b2
+ Ri Ro Re
-
图 7-17 分压偏置放大电路 (c)微变等效电路
如果在Re 两端并联旁路电容Ce ,则此时的输入 电阻为
Ri=Rb1// Rb2//rbe =7.5//2.5//0.877=0.6kΩ 输出电阻 Ro=Rc =2kΩ
Au =
U
o i
U
βRL ' 50 × 1 = = = 57 0 . 877 r be
3. 放大电路的输入电阻
如果在Re两端并联旁路电容Ce,则此时的输入电阻为
Ri=Rb1// Rb2//rbe =7.5//2.5//0.877=0.6kΩ
输出电阻 Ro=Rc =2kΩ
4. 假定在Re两端并联有旁路电容 Ce,则考虑信号源的内阻时,其源电 压放大倍数
UO UO Ui Ri 0.6 AuS = = × = × Au = ×(57 = 3.23 ) 10+0.6 US Ui US RS + Ri
可见,当信号源的内阻比电路的输入电 阻大很多时,电压放大倍数会下降很大.
电路如图所示,三极管的 试估算:
U BE = 0.7V , β = 50
(1)画出静态电路图,求静态工作点; (2)画出静态电路图,求电压放大倍数, 输入电阻和输出电阻.