《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件1課題二

課題二單管放大電路

2.1基本放大電路的組成及工作原理

2.2微變等效電路

2.3放大器的偏置電路與靜態(tài)工作點穩(wěn)定2.4共集電極和共基極電路2.5場效應管放大電路簡介2.1基本放大電路的組成及工作原理

2.1.1放大電路的組成與習慣畫法

1.放大電路的組成一個放大電路可由輸入信號源US，三極管V，輸出負載RL及電源偏置電路(UBB、Rb、Ucc、Rc)組成。如圖2.1所示，由于電路的輸入端口和輸出端口共有四個端點，而三極管只有三個電極，必然有一個電極共用，因而就有共發(fā)射極(簡稱共射極)、共基極、共集電極三種組態(tài)的放大電路。圖2.1所示為最基本的共射極放大電路。

圖2.1基本放大電路

其組成元件的作用如下:（1）三極管(NPN型硅管)V。起電流放大作用，用IB控制IC，使IC＝βIB。（2）電源UBB和Ucc。使三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管處在放大狀態(tài)，同時也是放大電路的能量來源，提供IB和IC。（3）基極電阻Rb。

又稱偏流電阻，用來調(diào)節(jié)基極直流電流IB，使三極管能工作在特性曲線的線性部分。（4）集電極負載電阻RC。將受基極電流IB控制而發(fā)生變化的集電極電流IC轉(zhuǎn)換成變化的電壓UCE（ICRC），這個變化的電壓UCE就是輸出電壓U0，假設RC＝0，則UCE＝Ucc，當Ic變化時UCE無法變化，因而就沒有交流電壓傳送給負載RL。。

(5)耦合電容C1、C2。起“隔直通交”的作用，它把信號源與放大電路之間，放大電路與負載之間的直流隔開，在圖2.1所示電路中，使C1左邊，C2右邊只有交流而無直流，中間部分為交直流共存。耦合電容一般多采用電解電容器。在使用時，應注意它的極性與加在它兩端的工作電壓極性相一致，正極接高電位，負極接低電位。

2.放大電路的習慣畫法在實用電路中，用電源Ucc代替UBB，基極直流電流IB由Ucc經(jīng)Rb提供，這就是單電源供電的基本放大電路。在實際畫法中，往往省略電源符號，只標出電壓的端點，這樣就得到圖2.2所示的習慣畫法。

圖2.2放大電路的習慣畫法

2.1.2放大電路的工作狀態(tài)分析

1.靜態(tài)分析在圖2.2所示電路中，當輸入信號Ui＝0時，放大電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。這時電路中的電壓、電流都是直流，沒有交流成份。耦合電容C1、C2視為開路，直流通路如圖2.3（a）所示。其中基極電流IB，集電極電流IC及集電極與發(fā)射極間電壓UCE只有直流成份，而無交流輸出，此時的對應值用IBQ、ICQ、UCEQ表示，它們在三極管特性曲線上所確定的點稱為靜態(tài)工作點，用Q表示，如圖2.3（b）所示。

圖2.３靜態(tài)分析

（a）直流通路；（b）靜態(tài)工作點

1)估算法估算法是用放大電路的直流通路計算靜態(tài)值，在圖2.3（a）中：

（2－1）

式中UBE＝0.7V(硅管),可忽略不計。

ICQ≈βIBQ

UCEQ≈Ucc－

IcQR

c

(2－2)（2－3）

2)圖解法根據(jù)三極管的輸出特性曲線，用作圖的方法求靜態(tài)值稱為圖解法，如圖2.3(b)所示。其圖解步驟如下：（1）用估算法求出基極電流IBQ（如40μA）。（2）根據(jù)IBQ值在輸出特性曲線中找到對應的曲線，如圖2.3（ｂ）所示。

（3）作直流負載線。在圖2.3(a)中，因

當IC=0時，UCE=UCC，當UCE=０時，IC=UCC/Rc，在輸出特性曲線中找兩個特殊點：M（UCC，0）,

。將M、N連線，其斜率為

，當UCC選定后，這條直線就完全由直流負載電阻Rc確定，所以把這條直線叫做直流負載線。如圖2.3(ｂ)所示。

（4）確定靜態(tài)工作點Q及UCEQ和ICQ值。由IB=IBQ決定的曲線與直流負載線MN的交點Q就是靜態(tài)工作點。Q點所對應的坐標就是要求的靜態(tài)值ICQ和UCEQ。

例2.1求如圖2.4(a)所示電路的靜態(tài)工作點,并求靜態(tài)值。

電路中各參數(shù)如圖所示，三極管為硅管，β=50。

圖2.4放大電路圖解法（ａ）

放大電路；

（ｂ）直流通路；

（ｃ）靜態(tài)工作點

解（1）

估算法。

由(2-1)、

(2-2)和(2-3)可得

ＵCEQ≈ＵCC－ＩCQRC=20－(2×103×6×103)=8V

(2)圖解法在圖2.4(c)中,根據(jù)IC＝Ｕcc/Rc＝3.3mA,Ｕcc＝20Ｖ作直流負載線MN,與ＩB＝ＩBQ＝40μA的曲線相交得靜態(tài)工作點Ｑ,根據(jù)Ｑ點所對應的坐標得ＩCQ=2mA,ＵCEQ=8V。

2.動態(tài)分析動態(tài)分析就是計算放大電路在有信號輸入時的放大倍數(shù)、輸入阻抗、輸出阻抗等。常用的分析方法有兩種：圖解法和微變等效電路法。圖解法適用于分析大信號輸入情況，而微變等效電路法只適合于微小信號的輸入情況。當輸入端加上正弦交流信號電壓Ｕi時，放大電路的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。這時電路中既有直流成分，亦有交流成分，

各極的電流和電壓都包含兩個分量。即

ｕCE＝ＵCEQ+ｕce

ｉB＝ＩBQ+ｉbｉC＝ＩCQ+ｉc其中ＩbQ、ＩCQ和ＵCEQ是在電源Ｕcc單獨作用下產(chǎn)生的稱為直流分量。而ｉb、ｉc和ｕce是在輸入信號電壓Ｕi作用下產(chǎn)生的，稱為交流分量。在分析電路時，一般用交流通路來研究交流量及放大電路的動態(tài)性能。所謂交流通路就是交流電流流通的途徑，在畫法上遵循兩條原則：（1）將原理圖中的耦合電容Ｃ1、Ｃ2視為短路；（2）電源ＵCC的內(nèi)阻很小，對交流信號視為短路。圖2.2所示放大電路的交流通路如圖2.5所示。圖2.5放大電路的交流通路

1）空載分析放大電路的輸入端有輸入信號，輸出端開路，這種電路稱為空載放大電路，雖然電壓和電流增加了交流成分，但輸出回路仍與靜態(tài)的直流通路完全一樣。

因為

ｕCE=ＵCC-ｉCRC

（2－４）

所以可用直流負載線來分析空載時的電壓放大倍數(shù)。設圖2.4(a)中輸入信號電壓

則

由圖2.6（a）所示基極電流ｉB為ｉB=ＩBQ+ｉi=40+20sinωtμA。根據(jù)ｉB的變化情況，在圖2.6（b）中進行分析，可知工作點是在以Ｑ為中心的Ｑ1、Ｑ2兩點之間變化，ｕi的正半周在ＱＱ1段，負半周在ＱＱ2段。因此我們畫出ｉC和ｕCE的變化曲線如圖2.6（b）所示，它們的表達式為輸出電壓為所以電壓放大倍數(shù)為

從圖中可以看出，輸出電壓與輸入電壓反相。

圖2.6空載圖解分析法

2）帶負載分析在圖2.4(a)所示電路中接上負載RL，其交流通路如圖2.7所示。從輸入端看Rb與發(fā)射極并聯(lián)，從集電極看Rc和RL并聯(lián)。此時的交流負載為R‘L＝Rc//RL，顯然R＇Ｌ<Rc。且在交流信號過零點時，其值在Ｑ點，所以交流負載線是一條通過Ｑ點的直線，其斜率為

畫出一條斜率為ｋ＇，過Q點的直線即為交流負載線，通過交流負載線可求得帶負載時的放大倍數(shù)。

圖2.7交流通路

例2.2在圖2.8(a)所示電路中，已知Rb＝300kΩ，Rc＝4kΩ，RL＝4kΩ，Ｕcc＝１２V，輸入電壓ｕi＝0.02sinωtV,三極管特性曲線如圖2.8（b）所示。試畫出電路直流負載線，求靜態(tài)工作點；畫出交流負載線，求空載和帶載時的電壓放大倍數(shù)。

解：（1）畫直流負載線，求靜態(tài)工作點。因為ＵCE=Ｕcc－ＩCRc,

當IC=0時,

ＵCE=Ｕcc=12V,得點Ｍ（12，0）,當UCE=0時,IC=UCC/RC=12V/4kΩ=3mA,得點Ｎ（0，3），將MN連線即為直流負載線。

（2）求空載放大倍數(shù)。從輸入特性曲線圖2.8（b）上找出ＩBQ=40μA的Ｑ點，得ＵBEQ≈0.6V，疊加輸入電壓ｕi，則ｕBE＝ＵBEQ＋ｕi＝0.6＋0.02sinωtV

ｉB＝40＋20sinωtμA根據(jù)ｉB的變化，可知工作點在直流負載線ＭＮ的Ｑ1和Ｑ2兩點之間變化，當ｉB為正半周時在Ｑ1Ｑ段，ｉB為負半周時在Ｑ2Ｑ段，見圖2.8（b）所示。在輸出曲線上有ｕCE＝6-3sinωtV

輸出交流電壓為

電壓放大倍數(shù)為

ｕo＝-3sinωtV=3sin（ωt-）Ｖ（3）作交流負載線。交流負載電阻

通過Q點，斜率k′=-1/2kΩ的直線M′N′即為交流負載線。

（4）用交流負載線求帶載后的放大倍數(shù)。依據(jù)ｉB的變化可知，接上負載后工作點在交流負載線上點Ｑ１＇與Ｑ２＇之間變化，當ｉB為正半周時在Ｑ１＇Ｑ段，ｉB為負半周時在Ｑ2＇Ｑ段，見圖2.8（c）所示。所以有ｕCE=6-4.5sinωtV

ｕo=-1.5sinωt=1.5sin(ωt-π)V

圖2.8帶負載動態(tài)圖解分析法

由此可見，接負載后輸出電壓減小，放大倍數(shù)減小，RL愈小，這種變化愈明顯。因為RL愈小→RL＇愈小→交流負載線愈陡→ｉC變化范圍愈大→ｕCE的變化愈小，所以輸出電壓減小，放大倍數(shù)降低。

3靜態(tài)工作點對輸出波形失真的影響對一個放大電路而言，要求輸出波形的失真盡可能地小。但是，如果靜態(tài)值設置不當，即靜態(tài)工作點位置不合適，將出現(xiàn)嚴重的非線性失真。在圖2.9中，設正常情況下靜態(tài)工作點位于Q點，可以得到失真很小的iC和uCE波形。當調(diào)節(jié)Rb，使靜態(tài)工作點設置在Q1點或Q2點時，輸出波形將產(chǎn)生嚴重失真。圖2.9靜態(tài)工作點對輸出波形失真的影響

1.飽和失真靜態(tài)工作點設置在Q1點，這時雖然iB正常，但iC的正半周和uCE的負半周出現(xiàn)失真。這種失真是由于Q點過高，使其動態(tài)工作進入飽和區(qū)而引起的失真，因而稱作“飽和失真”。

2.截止失真

當靜態(tài)工作點設置在Q2點時，iB嚴重失真，使iC的負半周和uCE的正半周進入截止區(qū)而造成失真，因此稱作“截止失真”。飽和失真和截止失真都是由于晶體管工作在特性曲線的非線性區(qū)所引起的，因而叫作非線性失真。適當調(diào)整電路參數(shù)使Q點合適，可降低非線性失真程度。2.2

微變等效電路

2.2.1晶體管微變等效

1.輸入端等效圖2.10（ａ）是三極管的輸入特性曲線，是非線性的。如果輸入信號很小，在靜態(tài)工作點Ｑ附近的工作段可近似地認為是直線。在圖2.11中，當uCE為常數(shù)時，從b、e看進去三極管就是一個線性電阻低頻小功率晶體管的輸入電阻常用下式計算：(2-5)

式中，IE為射極靜態(tài)電流。圖2.10三極管特性曲線（a）

輸入特性曲線;（b）

輸出特性曲線

2.輸出端等效

圖2.10（ｂ）是三極管的輸出特性曲線族，若動態(tài)是在小范圍內(nèi)，特性曲線不但互相平行、間隔均勻，且與uＣＥ軸線平行。當uＣＥ為常數(shù)時，從輸出端c、e極看，三極管就成了一個受控電流源，如圖2.12所示，則由上述方法得到的晶體管微變等效電路如圖2.11所示。

圖2.11晶體三極管及微變等效（a）

晶體三極管;（b）

晶體三極管的微變等效

2.2.2放大電路的微變等效電路通過放大電路的交流通路和三極管的微變等效，可得出放大電路的微變等效電路，如圖2.12所示。

圖2.12基本放大電路的交流通路及微變等效電路（a）

交流通路;（b）

微變等效電路

2.3.3用微變等效電路求動態(tài)指標

1.電壓放大倍數(shù)設在圖2.12（ｂ）中輸入為正弦信號，因為

故

當負載開路時，

式中

2.輸入電阻riri是指電路的動態(tài)輸入電阻，由圖2.12（b）中可看出

3.輸出電阻ro

ro

是由輸出端向放大電路內(nèi)部看到的動態(tài)電阻，因rce遠大于Rc，所以

例2.3

在圖2.13（a）所示電路中，β＝５０，UBE＝０.７Ｖ，試求：

(1)靜態(tài)工作點參數(shù)IBQ、ICQ、UCEQ、Uo值；

(2)計算動態(tài)指標、ri、ro的值。圖2.13用微變等效電路求動態(tài)指標（a）

原理圖;（b）

微變等效電路

解

(１)求靜態(tài)工作點參數(shù)

畫出微變等效電路如圖２.1４（b）所示。

(2)計算動態(tài)指標

2.3放大器的偏置電路與靜態(tài)工作點穩(wěn)定

2.3.1固定偏置電路圖2.14所示電路為固定偏置電路，

設置的靜態(tài)工作點參數(shù)為

圖2.14固定偏置電路

圖

2.15溫度對靜態(tài)工作點的影響

2.3.2分壓式偏置電路

前面分析的固定偏置電路在溫度升高時，三極管特性曲線膨脹上移，Q點升高，使靜態(tài)工作點不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，我們采用了分壓偏置電路，如圖2.17所示。為了使靜態(tài)工作點穩(wěn)定，必須使UB基本不變，溫T↑→ICQ↑（IEQ↑）→UE↑→UBE↓→IBQ↓→ICQ↓。反之亦然。由上述分析可知，分壓式偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點的實質(zhì)是固定UB不變，通過ICQ（IEQ）變化，引起UE的改變，使UBE改變，從而抑制ICQ（IEQ）改變。所以在實現(xiàn)上述穩(wěn)定過程時必須滿足以下兩個條件：圖2.16分壓偏置電路

（1）只有I1>>IBQ才能使UBQ=UCC×Rb2/（Rb1+Rb2）基本不變。一般取（硅管）

（鍺管）

（2）當UB太大時必然導致UE太大，使UCE減小，從而減小了放大電路的動態(tài)工作范圍。因此，UB不能選取太大。一般取

（硅管）

（鍺管）

1.靜態(tài)分析

作靜態(tài)分析時，先畫出直流通路如圖2.18（a）所示。根據(jù)UB=UCCRb2/（Rb1+Rb2），可得圖2.17分壓式偏置電路的分析電路（a）

直流通路;（b）

微變等效電路;（c）

微變等效電路（Ce開路）

例2.4

在圖2.17（a）中，若已知β=50，UBEQ=0.7V，Rb2=20kΩ，Rb1=50kΩ，Rc=5kΩ，Re=2.7kΩ，UCC=12V，求靜態(tài)工作點參數(shù)。解

2.動態(tài)分析當發(fā)射極電阻Re有直流IEQ通過時，產(chǎn)生壓降UEQ會自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點，但交流分量Ie通過時，也會產(chǎn)生交流壓降，使ube減小，這樣會降低電壓放大倍數(shù)，為此在Re兩端可并聯(lián)一個電容Ce。下面分兩種情況來討論其動態(tài)情況。

1）帶Ce情況動態(tài)時，Ce短路掉Re，其微變等效電路如圖2.17（b）所示，這時與固定偏流電路放大倍數(shù)相同。.（1）

（2）

(3)

例2.5在例2.4中，若RL=5kΩ，求Au，ri，ro。

解.

2)Ce

開路情況

Ce開路時的微變等效電路如圖2.17（c）所示。（1）

電壓放大倍數(shù)

(2)輸入電阻。從bb′看進去，似乎rbe與Re相串，其實不然，因為rbe與Re通過的不是同一個電流。可以等效地認為發(fā)射極接有（1+β）Re電阻，而通過電流為Ib，Ue=(1+β)Re×Ib其值不變，這樣就可看成...所以

(3)輸出電阻。

由于受控恒流源的開路作用，因而

ro=Rc2.4共集電極和共基極電路

2.4.1共集電極電路組成及分析

共集電極放大電路如圖2.18（a）所示，它是從基極輸入信號，從發(fā)射極輸出信號。從它的交流通路圖2.18（b）可看出，輸入、輸出共用集電極，所以稱為共集電極電路。

圖2.18共集電極放大電路

(a)共集電極放大電路;(b)直流通路;(c)交流通路;(d)微變等效電路

1.靜態(tài)分析由圖2.18（b）的直流通路可得出：

即得

共集電極放大電路中的電阻Re，具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用。

例如：

溫度T↑→ICQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓

2.動態(tài)分析（1）

電壓放大倍數(shù)可由圖2.18（d）所示的微變等效電路得出。因為

式中

所以

由于式中的（1+β）R′L>>rbe，因而略小于1，又由于輸出、輸入同相位，輸出跟隨輸入，且從發(fā)射極輸出，故又稱射極輸出器或射極跟隨器，簡稱射隨器。（2）輸入電阻ri可由微變等效電路得出，由ri=Rb//［rbe+（1+β）RL′］可見，共集電極電路的輸入電阻很高，可達幾十千歐到幾百千歐。（3）輸出電阻ro可由圖2.19的等效電路來求得。將信號源短路，保留其內(nèi)阻，在輸出端去掉RL，加一交流電壓，產(chǎn)生電流，則：式中

所以

通常

故

圖2.19計算ro等效電路

3）射極輸出器的特點及應用雖然射極輸出器的電壓放大倍數(shù)略小于1，但輸出電流Ie是基極電流的（1+β）倍。它不但具有電流放大和功率放大的作用，而且具有輸入電阻高、輸出電阻低的特點。由于射極輸出器輸入電阻高，向信號源汲取的電流小，對信號源影響也小，因而一般用它作輸入級。又由于它的輸出電阻小，負載能力強，當放大器接入的負載變化時，可保持輸出電壓穩(wěn)定，適用于多級。.2.4.2共基極電路組成及分析

1.靜態(tài)分析

在圖2.20所示的共基極放大電路中，如果忽略IBQ對Rb1、Rb2分壓電路中電流的分流作用，則圖2.20共基極放大電路（a）

共基極放大電路;（b）

交流通路;（c）

微變等效電路

2.動態(tài)分析（1）放大倍數(shù)。

利用圖2.20（c）的微變等效電路，

可得

式中

（2）輸入電阻。當不考慮Re的并聯(lián)支路時，當考慮Re時，

（3）輸出電壓。在圖2.20（c）的微變等效電路中，電流源βIb開路，.ro≈Rc

3.共基極放大電路的特點及應用

共基極放大電路的特點是輸入電阻很小，電壓放大倍數(shù)較高。這類電路主要用于高頻電壓放大電路。

2.4.3三種基本放大電路的比較

表

2.1三極管放大電路三種基本組態(tài)的比較

共發(fā)射極電路共集電極電路共基極電路電路形式Auriro2.5場效應管放大電路