簡明電工學課件：分立元件放大電路

分立元件放大電路10.1共射極放大電路的組成10.2電路的電壓放大作用10.3共射極放大電路的靜態(tài)分析10.4波形失真與靜態(tài)工作點的穩(wěn)定10.5共射極放大電路的動態(tài)分析10.6其他放大電路

控制器的輸出端直接驅(qū)動直流電動機時,由于控制器的輸出功率小,會出現(xiàn)無法帶動電動機運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因此,通常在控制器與直流電動機之間設(shè)置放大電路,用來提高控制器的帶載能力。類似的,傳感器將采集到的信息轉(zhuǎn)化為微弱的電信號后,只有將電信號放大到可以測量和利用的程度,才能驅(qū)使儀表或執(zhí)行機構(gòu)動作?？梢?放大電路在電子設(shè)備中的應(yīng)用十分廣泛。

能力要素

(1)能夠識別固定式偏置、分壓式偏置放大電路,射極輸出器及多級放大電路。

(2)能夠繪制共射極放大電路的直流通路,并求解其靜態(tài)工作點。

(3)能夠繪制共射極放大電路的微變等效電路,并求解其動態(tài)指標。

知識結(jié)構(gòu)

10.1共射極放大電路的組成

三極管要實現(xiàn)放大,必須滿足一定的外部條件,即:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。為此,參考圖9.5.4,設(shè)置合適的偏置電源UBB和UCC,可得放大電路的雛形如圖10.1.1(a)所示。為了將放大信號輸送進來,由基極B引出輸入線與地之間形成輸入端。輸入端接信號源或前級放大電路。為了將放大后的信號輸送出去,由集電極C引出輸出線與地之間形成輸出端。輸出端接負載或后級放大電路。

基極電阻RB的作用是獲得合適的電流以保證三極管工作在放大狀態(tài),又稱偏置電阻,其值約為幾十千歐至幾百千歐。集電極電阻RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,實現(xiàn)電壓放大,一般為幾千歐至幾十千歐。

圖10.1.1(a)中采用了兩個直流電源,不實用?？蓪B接UBB正極的一端改接到UCC的正極,省去UBB,如圖10.1.1(b)所示。圖10.1.1共射極放大電路的組成

在輸入信號為正弦量的情況下,既要保證交流信號能順利輸送(又稱耦合)進來和輸送出去,又使放大電路中的直流電源與“信號源和負載”隔離,通常在輸入端和信號源之間以及輸出端與負載之間分別接有電容C1和C2,如圖10.1.1(c)所示。為了減小信號傳遞時的電壓損失,C1、C2應(yīng)選得較大,一般為幾微法至幾十微法,通常采用電解電容器。因輸入回路和輸出回路共用發(fā)射極,圖10.1.1(c)所示電路通常稱為共射極放大電路,其中ui為輸入電壓,RL為負載電阻,uo為輸出電壓。

10.2電路的電壓放大作用

10.2.1無信號輸入輸入端未加輸入信號時,放大電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時,三極管各極電壓和電流都是直流量。由于電容的隔直作用,輸入端和輸出端不會有直流電壓和電流。

UCC經(jīng)RB給發(fā)射結(jié)加上了正向偏置電壓,同時,經(jīng)RC給集電結(jié)加上了反向偏置電壓,三極管處于放大狀態(tài)。于是,發(fā)射極發(fā)射載流子形成了靜態(tài)基極電流IB、集電極電流IC、發(fā)射極電流IE及集射極電壓UCE。靜態(tài)時的基極電流又稱為偏置電流,簡稱偏流。各靜態(tài)值的波形如圖10.2.1所示。圖10.2.1靜態(tài)時的放大過程及其波形

靜態(tài)時,由電流IB、IC和電壓UBE、UCE在輸入、輸出特性曲線上確定的工作點稱為靜態(tài)工作點Q,如圖10.2.2所示。圖10.2.2靜態(tài)工作點

10.2.2有信號輸入

輸入端加上輸入信號時,放大電路的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。

交流輸入信號ui通過C1耦合到三極管的發(fā)射結(jié)兩端,給發(fā)射結(jié)施加了交流偏置電壓ube。此時,發(fā)射結(jié)電壓uBE是UBE與ube的疊加。uBE始終大于零,三極管處于放大狀態(tài)。發(fā)射結(jié)電壓的變化引起各極電流和電壓的相應(yīng)變化,它們都包含有一個靜態(tài)直流分量和一個動態(tài)交流分量,其波形如圖10.2.3所示。需要注意的是:UBE、ube、uBBE這樣的形式分別表示靜態(tài)直流值、動態(tài)交流值、瞬時總值。圖10.2.3動態(tài)時的放大過程及其波形

圖10.2.3中,由于uCE=UCC-RCiC,所以uCE與iC的方向相反。同時由于uo=uce,所以ui與uo的相位也相反。需要注意的是:輸入回路的電流為iB,輸出回路的電流為iC,且iC>iB,因此輸出信號的功率大于輸入信號的功率。

根據(jù)能量守恒原理,能量只能轉(zhuǎn)換,不能憑空產(chǎn)生,當然也不可能放大,放大電路所增加的能量是由直流電源UCC提供的。在三極管放大電路中,三極管起電流放大作用,稱為放大元件,進而控制輸出信號隨輸入信號的變化而變化。

由上可知,放大電路需要具備以下兩點:一是要設(shè)置偏置電路,以產(chǎn)生合適的偏流,建立合適的靜態(tài)工作點,保證輸出信號與輸入信號的波形相同;二是將輸入信號耦合到三極管發(fā)射結(jié)兩端,并通過集電極電阻將放大的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸送出去。因此,對于放大電路的分析包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析兩部分。

10.3共射極放大電路的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)工作點Q,即確定IB、IC和UCE的大小,使三極管工作在放大區(qū),且使輸出信號不失真。以圖10.1.1(c)所示的共射極放大電路為例,用估算法求解Q點。．

1.畫直流通路

由于電容在直流電路中相當于開路,可得放大電路的直流通路如圖10.3.1所示。圖10.3.1直流通路

2.估算靜態(tài)工作點．

【例10.3.1】如圖10.1.1(c)所示共射極放大電路中,UCC=12V,RC=3kΩ,RB=200kΩ,β=40,UBE忽略不計,求放大電路的靜態(tài)工作點。

解因UBE忽略不計,所以

10.4波形失真與靜態(tài)工作點的穩(wěn)定

10.4.1波形失真

由靜態(tài)分析可知,改變RB的大小可以改變IB的值,進一步改變IC及UCE的值,有可能會使三極管進入飽和區(qū)或者截止區(qū),導致輸出信號波形失真。當發(fā)生波形失真時,根據(jù)三極管工作區(qū)域不同,又分為飽和失真與截止失真。

1.飽和失真

Q點設(shè)置偏高,三極管進入飽和區(qū)。此時iB繼續(xù)增大而iC不再隨之增大,引起iC及uCE的波形失真,稱為飽和失真。當發(fā)生飽和失真時,iC波形的正半周(頂部)發(fā)生畸變,uCE波形的負半周(底部)發(fā)生畸變,如圖10.4.1(a)所示。可通過增大RB,減小IB的方法,使靜態(tài)工作點下移,減小或消除飽和失真。圖10.4.1靜態(tài)工作點不合適引起的非線性失真

2.截止失真

Q點設(shè)置偏低,三極管進入截止區(qū),因而引起iB、iC及uCE的波形失真,稱為截止失真。當發(fā)生截止失真時,iC波形的底部發(fā)生畸變,uCE波形的頂部發(fā)生畸變,如圖10.4.1(b)所示?？赏ㄟ^減小RB,增大IB的方法,使靜態(tài)工作點上移,減小或消除截止失真。

飽和失真和截止失真都是由于放大電路的工作點進入三極管非線性區(qū)而引起的,統(tǒng)稱為非線性失真。若調(diào)節(jié)RB不能消除失真,也可以考慮調(diào)節(jié)UCC和RC。

溫度變化、電源電壓波動、元件老化等原因都可能使三極管參數(shù)發(fā)生變化,而其中最重要的原因是溫度的變化,溫度增加將使IC增大,靜態(tài)工作點上移。通常采用分壓式偏置放大電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

10.4.2分壓式偏置共射極放大電路

分壓式偏置共射極放大電路如圖10.4.2(a)所示,它是一種應(yīng)用最廣泛的穩(wěn)定靜態(tài)工作點的放大電路。它與固定式偏置共射極放大電路的區(qū)別是在基極增加了一個偏置電阻,在發(fā)射極增加了一個射極電阻RE。兩個基極偏置電阻RB1和RB2對直流電源UCC分壓,使基極電位VB近似不變,因此稱為分壓式偏置。圖10.4.2分壓式偏置放大電路

分壓式偏置放大電路實現(xiàn)靜態(tài)工作點穩(wěn)定的自動調(diào)節(jié)過程如下：

分壓式偏置放大電路實現(xiàn)靜態(tài)工作點穩(wěn)定的自動調(diào)節(jié)過程如下:

當溫度T升高而引起IC增大時,發(fā)射極電阻RE上的電壓增大,就會使UBE減小,從而使IB自動減小以限制IC的增大,工作點得到穩(wěn)定。RE越大,穩(wěn)定性能越好,但不能太大,否則將使發(fā)射極電位增高,從而減小輸出電壓的幅值。RE在小電流情況下為幾百歐至幾千歐,在大電流情況下為幾歐至幾十歐。

【專10.1】討論放大電路設(shè)置靜態(tài)工作點的意義。在共射極放大電路中,如果發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點不適合(進入飽和區(qū)或者截止區(qū)),應(yīng)該如何調(diào)整?

【練10.1】電路如圖1所示,UCC=12V,RC=3kΩ,β=50,UBE可忽略,若UCE=6V,求RB。圖1練10.1的電路

【練10.2】電路如圖2所示,繪制其直流通路。圖2練10.2的電路

【練10.3】電路如圖3所示,UCC=24V,RC=2kΩ,RE=2kΩ,E=6V,β=100,UBE=0.7V。求靜態(tài)工作點。圖3練10.3的電路

10.5共射極放大電路的動態(tài)分析

10.5.1交流通路在動態(tài)時,因電容的隔直流通交流作用,可將放大電路中的電容視為短路;同時,忽略電源的內(nèi)阻,恒定的直流電源對“地”短路,則圖10.5.1(a)所示共射極放大電路的交流通路如圖10.5.1(b)所示。圖10.5.1共射極放大電路及其交流通路

10.5.2三極管微變等效電路

三極管是非線性元件,由三極管構(gòu)成的放大電路即為非線性電路,但是三極管在小信號微變量作用下,靜態(tài)工作點附近小范圍內(nèi)的特性曲線可用直線近似代替,即可等效成線性電路模型。具體等效方法如下:

(1)輸入端的電壓與電流關(guān)系。

從圖10.5.2(a)所示的三極管輸入特性曲線中可以看出,當交流信號變化很小時,在靜態(tài)工作點附近的輸入特性在小范圍內(nèi)可近似線性化。圖10.5.2三極管輸入、輸出特征曲線

(2)輸出端的電壓與電流關(guān)系。

從圖10.5.2(b)所示的三極管輸出特性曲線中可以看出,三極管的輸出特性曲線在放大區(qū)是一組近似等距的平行直線,且ΔIC=βΔIB。ΔIC只受ΔIB控制,與電壓ΔUCE幾乎無關(guān)。因此,三極管的輸出回路(C、E之間)可用一受控電流源ic=βib等效代替。

在IB一定的條件下,ΔUCE與ΔIC之間的關(guān)系可用一等效電阻rce來表示,稱為三極管的輸出電阻,即

因rce阻值很高,在后面的微變等效電路中都把它忽略不計。

綜上所述,圖10.5.3(a)所示的三極管模型在小信號微變量作用下的微變等效電路如圖10.5.3(b)所示。圖10.5.3三極管及其微變等效電路

10.5.3放大電路微變等效電路

用三極管微變等效電路替換圖10.5.1(b)所示交流通路中的三極管,即可得到放大電路的微變等效電路,如圖10.5.4所示。圖10.5.4放大電路微變等效電路

在動態(tài)分析時,輸入信號一般為正弦交流量。為便于分析,通常將圖10.5.4中的正弦量用相量表示,如圖10.5.5所示。圖10.5.5微變等效電路的相量表示

2.輸入電阻ri

放大電路對信號源(或?qū)η凹壏糯箅娐?來說是一個負載,可用一個電阻來等效代替。這個電阻是信號源的負載電阻,也就是放大電路的輸入電阻ri,如圖10.5.6所示。

結(jié)合圖10.5.5可得圖10.5.6放大電路的輸入電阻和輸出電阻

3.輸出電阻ro

放大電路對負載(或?qū)蠹壏糯箅娐?來說是一個信號源,可以將它進行戴維南等效,等效電源的內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻ro,它也是一個動態(tài)電阻,如圖10.5.6所示。

輸出電阻是表明放大電路帶負載能力的參數(shù)。輸出電阻愈小,負載變化時輸出電壓的變化愈小,因此一般總是希望放大電路的輸出電阻越小越好。

對于圖10.5.5所示的等效電路,斷開負載RL,并將信號源代之以短路,采用外加電壓源的方法求解ro,如圖10.5.7所示。

如圖10.5.7所示,由于信號源電壓為零,則?Ib為0,?Ic也為0。因此,輸出電阻圖10.5.7求解ro的電路

由以上動態(tài)性能指標可知,共射極放大電路有比較理想的電壓放大倍數(shù),但是輸入電阻比較低,輸出電阻比較高,因此往往不能單獨存在,需要和能夠改善輸入、輸出電阻的其他電路共同組成放大電路。

【例10.5.1】電路如圖10.5.1(a)所示,已知三極管的參數(shù)β=50,rbb'=200Ω,UCC=12V,UBE=0.7V,RB=560kΩ,RC=5kΩ,RL=5kΩ。求放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻及輸出電阻。

解根據(jù)圖10.5.1(a)所示放大電路的直流通路,有

10.6其他放大電路

10.6.1射極輸出器射極輸出器如圖10.6.1所示。可以用固定式偏置共射極放大電路的分析方法分析射極輸出器的靜態(tài)及動態(tài)特性。圖10.6.1射極輸出器

射極輸出器的突出特點如下:

(1)電壓放大倍數(shù)小于1,且約等于1。

(2)輸入電阻高。

(3)輸出電阻低。

(4)輸出與輸入同相。

10.6.2多級放大電路

單級放大電路的放大倍數(shù)有限,或者輸入電阻、輸出電阻不滿足要求,因此常常將多個放大電路組合在一起,形成多級放大電路,組合框圖如圖10.6.2所示。

多級放大電路組合的形式是:前級放大電路的輸出與后級放大電路的輸入連接在一起,可以采用直接耦合、阻容耦合及變壓器耦合等方式。圖10.6.2多級放大電路組合框圖

輸入級需要較高的輸入電阻,以減輕信號源的負擔;輸出級需要較低的輸出電阻,以提高放大電路的帶載能力,因此,通常采用射極輸出器作為多級放大電路的輸入級與輸出級。

中間級的主要作用是進行電壓放大。通常采用共射極放大電路作為多級放大電路的中間級。

由于放大電路的前一級輸出信號可看作后一級的輸入信號,而后一級又可以看作前一級的負載,因此多級放大電路的電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積,即

注意:這里各級的電壓放大倍數(shù),并不是空載時得到的,而是要考慮后級對前級的影響,即后級的輸入電阻是前級的負載電阻。

多級放大電路的輸入電阻就是第一級放大電路的輸入電阻,即ri=ri1。同理,多級放大電路的輸出電阻就是最后一級放大電路的輸出電阻,即ro=ron。

10.6.3差分放大電路

為了能夠放大直流信號和方便集成,多級放大電路之間通常采用直接耦合的方式,但是直接耦合存在以下兩個問題:

(1)前后級靜態(tài)工作點相互影響。

(2)零點漂移。

零點漂移指輸入信號的電壓為零時,輸出電壓緩慢、無規(guī)則變化的現(xiàn)象。當放大電路輸入信號后,這種漂移就伴隨信號共存于電路中,影響信號的分辨,因此采用差分放大電路作為多級放大電路的輸入級,如圖10.6.3所示。它由兩個對稱的三極管放大電路組成,該電路采用單電源供電,信號從兩個基極與地之間輸入,從兩個集電極之間輸出。圖10.6.3差分放大電路

(1)靜態(tài)時。ui1ui2=0,兩輸入端與地之間可視為短路。因電路對稱,uo=VC1-VC2=0。

(2)動態(tài)時。一對大小相等、相位相同的輸入信號稱