三极管的基本放大电路分析

第7章基本放大电路放大电路的功能是利用三极管的电流控制作用，或场效应管电压控制作用，把微弱的电信号（简称信号，指变化的电压、电流、功率）不失真地放大到所需的数值，实现将直流电源的能量部分地转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路的实质，是一种用较小的能量去控制较大能量转换的能量转换装置。放大电路组成的原则是必须有直流电源，而且电源的设置应保证三极管或场效应管工作在线性放大状态；元件的安排要保证信号的传输，即保证信号能够从放大电路的输入端输入，经过放大电路放大后从输出端输出；元件参数的选择要保证信号能不失真地放大，并满足放大电路的性能指标要求。本章将依据上述原则，介绍几种常用的基本放大电路的组成，讨论它们的工作原理、性能指标和基本分析方法。掌握这些基本放大电路，是学习和应用复杂电子电路的基础。1.电路的组成7.1共发射极放大电路7.1.1电路组成及各元作用图7.1共发射极基本放大电路2.各元件作用(1)三极管V：实现电流放大。(2)集电极直流电源UCC:确保三极管工作在放大状态。(3)集电极负载电阻RC:将三极管集电极电流的变化转变为电压变化，以实现电压放大。(4)基极偏置电阻RB:为放大电路提供静态工作点。(5)耦合电容C1和C2:隔直流通交流。3.工作原理(1)ui直接加在三极管V的基极和发射极之间，引起基极电流iB作相应的变化。(2)通过V的电流放大作用，V的集电极电流iC也将变化。(3)iC的变化引起V的集电极和发射极之间的电压uCE变化。(4)uCE中的交流分量uce经过C2畅通地传送给负载RL，成为输出交流电压uo,，实现了电压放大作用。静态分析就是要找出一个合适的静态工作点,通常由放大电路的直流通路来确定。如图7.2所示。图7.2共发射极放大电路的直流通路和静态工作点7.1.2静态分析静态分析通常有两种方法1.估算法(7.1a)(7.1b)IC≈βIB(7.2)UCE=UCC-ICRC(7.3)BBECCBRUUIBCCBRUI2.图解法(1)作直流负载线由uCE=UCC-iCRC令iC=0时，uCE=UCC，在横轴上得M点(UCC，0)令uCE=0时，，在纵轴上得N点(0，)连接MN即直流负载线CCCRUCCCRU(2)求静态工作点直流负载线与iB=IB对应的那条输出特性曲线的交点Q，即为静态工作点，如图7.3(b)所示(a)(b)图7.3静态工作点的图解[例7.1]试用估算法和图解法求图7.4(a)所示放大电路的静态工作点，已知该电路中的三极管β=37.5，直流通路如图7.4(b)所示，输出特性曲线如图7.4(c)所示。图7.4[例7.1]的图解：10用估算法求静态工作点由式(7.1)～(7.3)得IB≈0.04mA=40µAIC≈βIB=37.5×0.04mA=1.5mAUCE=UCC-ICRC=12-1.5×4=6V20用图解法求静态工作点由uCE=UCC-iCRC=12-4iC得M点(12，0)；N点(0，3)MN与iB=IB=40μA的那条输出特性曲线相交点，即是静态工作点Q。从曲线上可查出：IB=40μA，IC=1.5mA，UCE=6V。与估算法所得结果一致。3.电路参数对静态工作点的影响(1)RB增大时，IB减小，Q点降低，三极管趋向于截止。(2)RB减小时，IB增大，Q点抬高，三极管趋向于饱和。此时三极管均会失去放大作用。1.图解法(1)负载开路时输入和输出电压、电流波形的分析根据ui波形，在输入特性曲线上求iB和uBE的波形根据iB波形，在输出特性曲线和直流负载线上求iC、uRC和uCE的变化，如图7.5所示。7.1.3动态分析图7.5(a)(2)带负载时输入和输出电压、电流波形分析作交流负载线：10先作出直流负载线MN，确定Q点。20在uCE坐标轴上，以UCE为起点向正方向取一段ICR/L的电压值，得到C点。30过CQ作直线CD，即为交流负载线，如图7.5所示。(3)放大电路的非线性失真截止失真:三极管进人截止区而引起的失真。通过减小基极偏置电阻RB的阻值来消除。图7.5(b)饱和失真：三极管进入饱和区而引起的失真。通过增大基极偏置电阻RB的阻值来消除。失真波形如图7.6所示。图7.6截止失真饱和失真：三极管进入饱和区而引起的失真。通过增大基极偏置电阻RB的阻值来消除。失真波形如图7.7所示。图7.7饱和失真为了减小和避免非线性失真，必须合理地选择静态工作点Q的位置，并适当限制输入信号ui的幅度。一般情况下，Q点应大致选在交流负载线的中点，当输入信号ui的幅度较小时，为了减小管子的功耗，Q点可适当选低些。若出现了截止失真，通常采用提高静态工作点的办法来消除，即通过减小基极偏置电阻RB的阻值来实现；若出现了饱和失真，则反向操作，即增大RB。2.微变等效电路法(1)三极管微变等效电路图7.11三极管的微变等效电路rbe=300+(1+β))()()(26mAImVE(2)放大电路微变等效电路放大电路的微变等效电路就是用三极管的微变等效电路替代交流通路中的三极管。交流通路指：放大电路中耦合电容和直流电源作短路处理后所得的电路。因此画交流通路的原则是：将直流电源UCC短接；将输入耦合电容C1和输出耦合电容C2短接。图7.1的交流通路和微变等效电路如图7.12所示。•(b)交流通路(c)微变等效电路图7.12共发射极基本放大电路(3)动态性能分析电压放大倍数Au输入电阻Ri输入电阻指从放大电路输入端AA/(如图7.13)看进去的等效电阻，定义为：Ri=由图7.12可知=rbe∥RBbeLbebLbiourRrIRIUUAiiiIURiiIU若考虑信号源内阻(如图7.13)，则放大电路输入电压Ui是信号源Us在输入电阻Ri上的分压，即输出电阻Ro输出电阻指从放大器放大器信号源短路、负载开路，从输出端看进去的等效电阻，定义为：Ro=SiiSiRRRUUooIU图7.13放大电路的输入电阻和输出电阻由图7.12可知Ro==RC工程中，可用实验的方法求取输出电阻。在放大电路输入端加一正弦电压信号，测出负载开路时的输出电压U/o；然后再测出接入负载RL时的输出电压Uo，则有式中：U/o、Uo是用晶体管毫伏表测出的交流有效值。LLoooRRRUU/LoooRUUR)1(ooIU[例7.3]图7.4(a)所示电路的交流通路和微变等效电路如图7.14所示，试用微变等效电路法求：10动态性能指标、Ri、Ro。20断开负载RL后，再计算、Ri、Ro。图7.14[例7.3]的图uAuA解：10由[例7.1]可知IE≈1.5mA故=967ΩRi=RB//rbe=300//0.967≈0.964kΩRo=RC=4kΩmAmVImVrEbe5.126)5.371(30026)1(30078967.0)4//4(5.37/beLurRA20断开RL后Ri=RB//rbe=300//0.967≈0.964kΩRo=RC=4kΩ156967.045.37beCurRA当温度变化、更换三极管、电路元件老化、电源电压波动时，都可能导致前述共发射极放大电路静态工作点不稳定，进而影响放大电路的正常工作。在这些因素中，又以温度变化的影响最大。因此，必须采取措施稳定放大电路的静态工作点。常用的办法有两种，一是引入负反馈；另一是引入温度补偿。7.1.4稳定工作点的电路1.射极偏置电路(a)电路图(b)微变等效电路图7.15射极偏置电路(1)各元件作用①基极偏置电阻RB1、RB2：RB1、RB2为三极管提供一个大小合适的基极直流电流IB，调节RP的阻值，可控制IB的大小。R的作用是防止RP阻值调到零时，烧坏三极管。一般RB1的阻值为几十千欧至几百千欧；RB2的阻值为几十千欧。②发射极电阻RE：引入直流负反馈稳定静态工作点。一般阻值为几千欧。③发射极旁路电容CE：对交流而言，CE短接RE,确保放大电路动态性能不受影响。一般CE也选择电解电容，容量为几十微法。(2)稳定工作点原理①利用RB1和RB2的分压作用固定基极UB。②利用发射极电阻RE产生反映Ic变化的UE，再引回到输入回路去控制UBE，实现IC基本不变。稳定的过程是：T↑→Ic↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓(3)静态分析该电路的静态工作点一般用估算法来确定，具体步骤如下：①由：UBUCC，求UB。②由：IE，求IC、IE。③由IC=βIB，求IB。④由UCE=UCC-ICRC-IERE≈UCC-IC(RC+RE)求UCE。212BBBRRREBRU(4)动态分析该电路动态性能指标一般用微变等效电路来确定，具体步骤为：①画出微变等效电路，如图7.15(c)；②求电压放大倍数、输入电阻Ri、输出电阻Ro。比较图7.15(c)和图7.12(c)可知：射极偏置放大电路的动态性能与共发射极基本放大电路的动态性能一样。图7.15(c)射极偏置电路的微变等效电路[例7.4]在图7.16所示的电路中，三极管的β=50，试求：10静态工作点。20电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。30不接CE时的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。40若换用β=100的三极管，重新计算静态工作点和电压放大倍数。图7.16[例7.4]的电路解：10求静工作点UB=3.5VIC1.4mAIB0.028mA=28μAUCE12-1.4(3+2)=5V122.6152.6212CCBBBURRR27.05.3EBEBERUUI504.1CI)(ECCCCRRIU20求Au、Ri、Rorbe=300+(1+β)=300+(1+50)=1.25kΩR/L=RC∥RL=0.75kΩ故:Au==-50×=-30Ri=rbe//RB1//RB2=1.25//6.5//6.2=0.97kΩRo≈RC=3kΩ)()(26mAImVE4.1261313beLrR25.175.030计算不接CE时的Au、R/i、R/o当射极偏置电路中CE不接或断开时的交流通路如图7.17(a)所示，图7.17(b)为对应的微变等效电路。图7.17不接CE时的电路由图7.17(b)可得：故：A/u=ri=rbe+(1+β)RER/i=ri//RB1//RB2=∥RB1∥RB2LbLCLCooRIRIRRIU)//(EbbebEebebiRIrIRIrIU)1(EbeLEbbebLbioRrRRIrIRIUU)1()1(bEbbebbiIRIrIIU)1(])1([EbeRr输出电阻可由图7.18求出，由图可知，所以图7.18不接CE时求输出电阻的等效电路0bICoRIUR/将有关数据分别代入上式得A/u=-0.36R/i=103.25kΩR/o=3kΩ由此可见，电压放大倍数下降了很多，但输入电阻得到了提高。40当改用β=100的三极管后，其静态工作点为IE=＝1.4mAIC=1.4mAIB==14μAUCE=UCC-IC(RC+RE)=12-1.4(3+2)=5V可见，在射极偏置电路中，虽然更换了不同β的管子，但静态工作点基本上不变。27.05.3EBEBRUUEI1004.1CI此时与β=50时的放大倍数差不多。)()(26)1(300mAImVrEbek2.24.126)1001(300342.275.0100beLurRA2.集―基耦合电路集―基耦合电路如图7.19所示，它引入了直流电压负反馈实现稳定静态工作点。图7.19集―基耦合电路静态工作点稳定过程如下：T↑→IC↑→UC↓→UB↓→UBE↓→IB↓→IC↓3.温度补偿电路温度补偿电路如图7.20所示。图7.20(a)为：用二极管温度补偿来实现稳定静态工作点的电路，图7.20(b)为：用热敏电阻温度补偿来实现静态工作点稳定的电路。图7.20(b)中RB2为负温度系数的热敏电阻。若采用正温