第二章放大电路分析基础

第二章放大电路分析基础•2.1共射放大电路分析基础•2.2放大电路的图解分析•2.3放大电路的等效电路分析•2.4共集放大电路•2.5共基放大电路2.1共射放大电路分析基础2.1.1放大的概念在电子学中，放大是利用半导体器件的特性来完成的，例如，在第一章中半导体三极管具有放大特性，即在三极管基极输入较小的电流（或电压），在集电极可以获得较大电流（或电压）。在电子学中，用半导体器件组成的、具有电流或电压（或者两者兼而有之）放大功能的电路称之为放大电路，或称放大器。2.1.2基本共射放大电路的组成•由于输入回路与输出回路以发射极为公共端，故称之为共射放大电路。2.1.3静态特性分析1.静态工作点的确定•在放大电路中，当有交流信号输入时，交流量与直流量共存，当交流信号为零时，三极管的基极电流IB、集电极电流IC、B-E极间的电压UBE、C-E极间的管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q（Quiescent），将这几个物理量分别记作IBQ、ICQ、和。BEQUCEQU在近似估算中通常认为为已知量，取三极管发射结的导通电压,对于硅管，。对于锗管VUBEQ7.0VUBEQ3.0BEQU2.1.3静态特性分析•令，根据回路方程，得到静态工作点表达式•静态工作点在三极管输出特性曲线中所对应的点如图所示CCQCCCEQBQCQbBEQBBBQRIVUIIRUVI0iu2.1.3静态特性分析2.设置静态工作点的必要性只有在交流信号的整个周期内，三极管始终工作在放大状态，输出信号才可能不会产生失真，对于图所示的放大电路来说，放大才有意义。所以，在线性放大电路中，设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真是非常必要的。0BBU0BQI0CQICCCEQVU此时，三极管处于截止状态当加入输入电压时，，若的峰值很大，三极管在交流信号正半周大于发射结的开启电压的时间间隔内导通，输出必然严重失真。iuiBEuUiu2.1.4两种基本共射放大电路1.直接耦合共射放大电路该电路的静态工作点表达式信号源和负载电阻与放大电路直接相连，故称之为直接耦合共射放大电路。suLRCCQCCCEQBQCQbBEQbBEQCCBQbBEQBBQRIVUIIRURUVIRUVI21－或2.1.4两种基本共射放大电路1.阻容耦合共射放大电路利用电容连接的电路称为阻容耦合，故该电路称之为阻容耦合共射放大电路。该电路的静态工作点表达式CCQCCCEQBQCQbBEQCCBQRIVUIIRUVI2.1.5直流通路和交流通路1.直流通路直流通路是指在直流电源所能作用到的那部分电路，即与电路静态特性有关的电路部分。用来研究电路的静态特性，分析静态工作点。对于直流通路，在电路中将电容视为开路、电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻)2.1.5直流通路和交流通路1.交流通路交流通路是指放大电路中对交流特性有直接影响的那部分电路，用于研究放大电路的动态交流特性。对于交流通路，在电路中将电容(如耦合电容等)视为短路、无内阻的直流电压源(如VCC)视为短路。2.2放大电路的图解分析2.2.1静态工作特性的分析如图所示共射放大电路，其中(a)为基本电路、(b)为直流通路、(c)为交流通路。2.2.1静态工作特性的分析(1)BBBBBERIVU(2)CCCCCERIVU确定输入回路负载线确定输出回路直流负载线图2-10图解法分析静态特性2.2.2动态工作特性的分析1.交流负载线从图2-9(c)所示的交流通路看到，由于该放大电路是阻容耦合的，输出电压的大小将取决于，而不仅仅是。LcRR//CR交流负载线的斜率为,同时，由于输入电压时，三极管的集电极电流为，C-E极间的管压降为,所以交流负载线必过Q点。因此，交流负载线的表达式为0iu)///(1LcRRCEQCEUUCQCII)//)((LCCCQCEQCERRIIUU2.2.2动态工作特性的分析2.电压放大倍数BBiBBBERiuVu当交流输入信号时，输入回路方程为0iu电压放大倍数Au为:iouuuA2.2.2动态工作特性的分析3.输入输出波形分析设输入电压ui为正弦波、且幅度较小，则三极管B、E间的交流电压和基极电流也是正弦波。在放大区内，集电极交流电流与基极电流是倍线性关系，通过交流负载线，将集电极交流电流转变成交流输出电压。ouCiBiBiCiBEu2.2.2动态工作特性的分析3.输入输出波形分析•通过上面的分析得到放大电路在输入特性近似为线性时的各处的电压、电流波形，如图所示。bBBiIiBEuQQ1Q2vCE/ViC/mA放大区0iB=40uA80uA120uA160uA200uA饱和区截止区当工作点进入饱和区或截止区时，将产生非线性失真。饱和区特点：iC不再随iB的增加而线性增加，即BCii此时CBii截止区特点：iB=0，iC=ICEOvCE=VCES，典型值为0.3VBJT的三个工作区非线性失真2.2.2动态工作特性的分析3.输入输出波形分析从图中看出，若工作点选的过低，当交流输入电压较大时，三极管进入了截止状态，从而产生了波形失真，称这种失真为截止失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真，PNP管则正好相反。2.2.2动态工作特性的分析3.输入输出波形分析若工作点选的过高，当交流输入电压较大时，三极管进入了饱和状态，从而产生了波形失真，称这种失真为饱和失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真，PNP管则正好相反。2.3放大电路的等效电路分析2.3.1三极管的直流模型及静态工作点的估算1.直流模型：QvCE/ViC/mAiB=0IBQ11.温度变化对ICBO的影响2.温度变化对输入特性曲线的影响温度T输出特性曲线上移)()C25CBO(CBO00TTkTeIIV102.2)(30)C25BE(BE0TTVVT温度T输入特性曲线左移3.温度变化对的影响温度每升高1°C，要增加0.5%1.0%温度T输出特性曲线族间距增大QvCE/ViC/mAiB=0IBQ1总之：ICBOICEOTVBEIBIC**温度对工作点的影响2.3.1三极管的直流模型及静态工作点的估算2.静态工作点的估算•在下面(b)图直流通路中，如果I1IB（大10倍以上），三极管基极电压UB几乎不受基极电流IB的影响，UB可以认为是由Rb1和Rb2决定的。如此忽略IB对基极电压UB的影响，基极电压UB为CCbbbBVRRRU2122.3.1三极管的直流模型及静态工作点的估算2.静态工作点的估算DBBEQBEUUUUU－－EDBEBEQBEQCQRUURUUII＋1EQBQIICCQEEQCCCEQRIRIVU－－•三极管C-E间电压为:CEQU•发射极电流为:EQI•基极电流为:BQI•利用三极管的直流模型，三极管发射极电压为:EU在图2-20(a)所示的直接耦合放大电路中，三极管发射极的导通电压UD=0.7V、β＝100、输出特性曲线如图2-20(b)，VCC=12V，Rb1=15.69k，Rb2=1k，RC=3k，试计算其工作点、画出直流负载线、标出工作点。例2-1Us=0根据电路回路方程，直流负载线满足直线方程，当时，mARVICCCC4所以直流负载线及工作点Q如下图所示。，当时,0CEUVVUCCCE12CCCCCERIVU解:画出该放大电路的直流通路如右图所示2CCCEQVU，说明静态工作点比较合适。0CI2.3放大电路的等效电路分析2.3.2三极管共射h参数等效模型建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。1.H参数的引出),(CEBBEvifv在小信号情况下，对上两式取全微分得CECEBEBBBEBEBCEdvvvdiivdvIV用小信号交流分量表示vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以写成：),(CEBCvifiCECECBBCBCEdvvidiiidiIVC3.4.1BJT的小信号建模vBEvCEiBcebiCBJT双口网络CEBBEieVivh输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；输入端交流开路时的反向电压传输比；输入端交流开路时的输出电导。其中：四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。1.H参数的引出CEBCfeViihBCEBEreIvvhBCECoeIvihvbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce3.4.1BJT的小信号建模2.3.2三极管共射h参数等效模型vBEvCEiBcebiCBJT双口网络2.H参数小信号模型根据可得小信号模型BJT的H参数模型hfeibicvceibvbehrevcehiehoevbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevceH参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与工作点有关，在放大区基本不变。H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。3.4.1BJT的小信号建模3.模型的简化hfeibicvceibvbehrevcehiehoe即rbe=hie=hfeuT=hrerce=1/hoe一般采用习惯符号则BJT的H参数模型为ibicvceibvbeuTvcerberceuT很小，一般为10-310-4，rce很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路ib是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。3.4.1BJT的小信号建模2.3.3简化h参数等效模型及rbe的表达式1.简化h参数等效模型2.H参数的确定一般用测试仪测出；rbe与Q点有关，可用图示仪测出。一般也用公式估算rberbe=rbb’+(1+)re其中对于低频小功率管rbb’≈200则)mA()mV(26)1(200EQbeIr)mA()mV()mA()mV(EQEQTeIIVr26而(T=300K)2.3.4动态参数分析•下面以图(a)所示阻容耦合共射放大电路为例，介绍利用h参数等效电路来分析放大电路的动态特性。2.3.4动态参数分析beLCiourRRuuA//beLCbebSbebSiioSousrRRrRRrRuuuuuuA//////SbebSbebiurRRrRu////1.电压放大倍数Au2.源电压放大倍数Aus)//(,LcBobeBiRRiuriu2.3.4动态参数分析3.输入电阻RiRi是从放大电路输入端看进去的等效电阻4.输出电阻Ro首先令信号源电压uS0，在放大电路的输出端加电压uo，产生电流io，由于输出端电压uo不能作用到输入回路，所以在输入回路中iB＝0，在输出回路中iB＝0，由此io＝uo/RC。输出电阻Ro为bebbebBiirRrRiiuR//1111CoooRiuR如图(a)所示的基本阻容耦合放大电路，设三极管发射极的导通电压UD=0.7V、rbb=133、β＝100，VCC=12V，RS=1.23k，Rb=377k，RC=2k，RL=2k，各电容值足够大，试(1)计算工作点、(2)计算电压放大倍数Au、源电压放大倍数AS、输入电阻Ri、输出电阻Ro。解:(1)画出该放大电路的直流如右图所示。)uA(303777.012bDCCbBEQCCBQRUVRUV