2基本放大电路

第1页第2章：基本放大电路2.1放大的概念和放大电路的主要性能指标2.1.1放大的概念1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。图2.1.1扩音机示意图P75放大的对象：变化量。放大的本质：能量的控制。放大的特征：功率放大。放大的基本要求：不失真。2.1.2放大电路的性能指标图2.1.2所示为放大电路的示意图。一、放大倍数图2.1.2放大电路示意图P76电压放大倍数：iouuuUUAA…………………………………………(2.1.1)电流放大倍数：ioiiiIIAA…………………………………………(2.1.2)第2页互阻放大倍数：iouiIUA………………………………………………(2.1.3)互导放大倍数：ioiiUIA………………………………………………(2.1.4)二、输入电阻Ri输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。Ri的定义：.i.ii/=IUR……………………(2.1.5)三、输出电阻Ro输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。Ro的定义：.o.oo/=IURLooRUU)1(…………………………(2.1.6)注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。图2.1.3为两个放大电路相互连接的示意图。图2.1.3两个放大电路相连的示意图P77四、通频带衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。图2.1.4放大电路的通频带P78第3页放大电路的增益A是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数通常都要下降。当A下降到中频电压放大倍数mA的12时，相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率，如图2.1.4所示。通频带：LHbwfff………………………………（2.1.7）五、非线性失真系数输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D。223211AADAA…………………………(2.1.8)六、最大不失真输出电压最大不失真输出电压定义为当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。一般以有效值omU表示,也可以峰—峰值22oppomUU表示。七、最大输出功率与效率在输出信号不失真的情况下,负载上能够得到的最大功率称为最大输出功率Pom。直流电源能量的利用率称为效率。VomPP…………………………………………………………（2.1.9）2.2基本共射放大电路的工作原理2.2.1基本共射放大电路的组成及各元件的作用共射组态基本放大电路如图2.2.1所示。三极管T——起放大作用。VBB、Rb：使UBEUon，且有一个合适的IB。VCC：使CEBEUU，同时为输出的能源。uiRC转换为将:；)(oCEcbicuuiiiuR图2.2.1基本共射放大电路P800iu时晶体管的各极电流、发射结电压、管压降等称为静态工作点。记作：第4页IBQ、ICQ、IEQ、UBEQ、UCEQ。2.2.2设置静态工作点的必要性一、静态工作点在图2.2.1所示电路中，令0iu，可得静态工作点的表达式：BBBEBbVUIR，CBII，CECCCcUVIR二、为什么要设置静态工作点如图2.2.2所示，由于三极管的“单向导电”性，晶体管只能在信号正半周大于Uon的时间间隔内导通，所以输出电压必然严重失真。图2.2.2没有设置合适的静态工作点P81对于放大电路的最基本要求，一是不失真，二是能够放大。2.2.3基本共射放大电路的工作原理及波形分析在图2.2.1所示电路中，各信号波形如图2.2.3所示。图2.2.3基本共射放大电路的波形分析P82第5页2.2.4放大电路的组成原则一、组成原则(1)静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。(2)动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。(3)对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少。二、常见的两种共射放大电路图2.2.4直接耦合共射放大电路P83图2.2.5阻容耦合共射放大电路P84图2.2.4的静态工作点电：21CCBEQBEQBQbbVUUIRR，CQBQII，CEQCCCQcUVIR图2.2.5的静态工作点：CCBEQBQbVUIR，CQBQII，CEQCCCQcUVIR【例2.2.1】P84利用PNP管构成放大电路（可增加正电源）2.3放大电路的分析方法2.3.1直流通路和交流通路通常，放大电路中交流信号的作用和直流电源的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，引入直流通路和交流通路。直流通路：①US=0，保留RS；②电容开路；③电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。交流通路：①大容量电容相当于短路；②直流电源相当于短路（内阻为0）。第6页图2.2.1所示基本共射放大电路的交、直流通路见图2.3.1。(a)直流通路(b)交流通路图2.3.1图2.2.1所示基本共射放大电路的交、直流通路P86(a)直接耦合共射放大电路(b)直流通(c)交流通路图2.3.2直接耦合共射放大电路极其直流通路和交流通路P87图2.2.5所示阻容耦合放大电路的交、直流通路见图2.3.3。第7页图2.3.3图2.2.5所示阻容耦合共射放大电路的直流通路和交流通路P872.3.2图解法在已知放大管的输入特性、输出特性以及其它各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大电路进行分析即为图解法。一、静态工作点的分析将图2.2.1所示电路变换成图2.3.4，用虚线将晶体管与外电路分开。图2.3.4基本共射放大电路P88当输入信号0Iu时，在晶体管的输入回路中，静态工作点既应在晶体管的输入特性曲线上，又应满足外电路的回路方程：bBBBBERiVu…………………………………………(2.3.1)在输入特性坐标系中，画出式(2.3.1)所确定的直线，与输入特性曲线的交点就是静态工作点Q，见图2.3.5-6(a)。在输出回路中，静态工作点既应在BQBII的那条输出特性曲线上，又应满足外电路的回路方程：cCCCCERiVu…………………………………………(2.3.2)在输出特性坐标系中，画出式(2.3.2)所确定的直线(称为直流负载线)，与BQBII的那条曲线的交点就是静态工作点Q。见图2.3.5-6(b)。第8页图2.3.5-6图解法求解静态工作点和电压放大倍数P89二、电压放大倍数的计算给定OIBCCEOI()uuuiiuuAuOu与Iu反相，uA符号为“-”。三、波形非线性失真分析正常波形分析如图2.3.7所示。图2.3.7基本共射放大电路的波形分析截止失真是由于三极管进入截止区而引起的非线性失真。饱和失真是由于三极管进入饱和区而引起的非线性失真。截止失真：见图2.3.8（Q点过低）。消除方法：增大VBB。饱和失真：见图2.3.9（Q点过高）。消除方法：增大Rb，减小Rc，减小β，增大CCV。第9页图2.3.8基本共射放大电路的截止失真P91图2.3.9基本共射放大电路的饱和失真P92最大不失真输出电压omU：比较CEQV与（CEQCCVV），取其小者，除以2。四、直流负载线与交流负载线直流负载线的确定方法：1.由直流负载列出方程式VCE=VCC－ICRc2.在输出特性曲线X及Y轴上确定两个特殊点:VCC和VCC/Rc,即可画出直流负载线。3.在输入回路列方程式VBE=VCC－IBRb4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是Q。5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。交流负载线的确定方法：1.在输出特性曲线上，过Q点做一条斜率为-1/RL’的直线，即是交流负载线。2.RL’=RL∥Rc，是交流负载电阻。3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。4.交流负载线与直流负载线相交于Q点。见图2.3.10。第10页图2.3.10直流负载线和交流负载线P93五、图解法的适用范围特点：直观，但需实测晶体管的特性曲线。误差大。适合：低频大信号场合。【例2.3.1】P93该例题讨论静态工作点变化情况。图2.3.11例2.3.1图P932.3.3等效电路法半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。等效电路法是利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算法直流模型适用于静态工作点的计算。晶体管的直流模型见图2.3.12。第11页(a)输入特性曲线折线化(b)输出特性曲线理想化(c)直流模型图2.3.12晶体管的直流模型P95二、晶体管共射h参数等效模型(b)输入特性曲线(c)输出特性曲线(a)(d)共射h参数等效模型图2.3.13晶体管的共射h参数等效模型P961.h参数等效模型的由来可将晶体管看成为一个两端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。输入、输出特性，如图2.3.13(b)、(c)所示。可写成：)5.3.2()()5.3.2()(CEBCCEBBEbuifiauifu，，第12页对上两式求全微分，得：)6.3.2(ddd)6.3.2(dddCECECBBCCCECEBEBBBEBEBCEBCEbuuiiiiiauuuiiuuIUIU由于BEdu代表BEu的变化部分，可以用beU取代；同理Bdi可用bI取代，…………可得h参数方程：)7.3.2()7.3.2(CE22b21CCE12b11bebUhIhIaUhIhU式中)8.3.2(beBBE11CEariuhU（b-e间动态电阻）)8.3.2(BCEBE12buuhI（内反馈系数）)8.3.2(CEBC21ciihU（电流放大系数）)8.3.2(BCEC22duihi（c-e间电导）由于四个参数的量纲不同，故称h（混合）参数。2.h参数的物理意义(参见图2.3.14P98)第13页图2.3.14h参数的物理意义及求解方法P983.简化的h参数等效模型图2.3.15简化的h参数等效模型P994.ber的近似表达式第14页图2.3.16晶体管输入回路的分析P99EQTbb'bbebe)1(IUrIUr……………………………………（2.3.9）三、共射放大电路动态参数的分析利用h参数等效模型可以求解放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。图2.2.1所示基本共射放大电路的交流等效电路如图2.3.17(a)所示。图2.3.17基本共射放大电路的动态分析P1011.电压放大倍数：)10.3.2(bebciorRRUUAu2.输入电阻：)11.3.2(bebiiirRIUR3.输出电阻：)12.3.2(coRR上式是利用诺顿定理将图（a）所示的电流源转换为图（b）所示的电压源。对输出电阻进行分析时，还可以令信号源0SU，但保留其内阻SR。然后在输出端加一正弦波测试信号OU，必然产生动态电流oI，则：第15页)13.3.2(0SUoooIUR【例2.3.2】在图2.2.1所示电路中，已知VBB=1V，Rb=24kΩ，VCC=12V，Rc=5.1kΩ；rbb’=100Ω，β=100，UBEQ=0.7V。求：（1）估算静态工作点Q；（2）求解iouARR、和。解：（1）12.5BBBEBbVUIAR，1.25CBIImA，5.63CECCCcUVIRV。（2）TTbebb'bb'EQCQ(1)2.2UUrrrkII