基本放大電路及其分析方法

1、二、基本放大電路及其分析方法一個放大器一般是由多個單級放大電路所組成，著重討論雙極型半導(dǎo)體三極管放大電路的三種組態(tài)，即共發(fā)射極，共集電極和共基極三種基本放大電路。從共發(fā)射極電路入手，推及其他二種電路，其中將圖解分析法和微變等效電路分析法，作為分析基礎(chǔ)來介紹。分析的步驟，首先是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，然后分析其動態(tài)技術(shù)指標(biāo)。對于放大器來說，主要的動態(tài)技術(shù)指標(biāo)有電壓放大倍數(shù)、輸入阻抗和輸出阻抗。2.1.共射極基本放大電路的組成及放大作用在實(shí)踐中，放大器的用途是非常廣泛的，它能夠利用三極管的電流控制作用把微弱的電信號增強(qiáng)到所要求的數(shù)值，為了了解放大器的工作原理，先從最基本的放大電路學(xué)習(xí)：圖2.1稱為共射極

2、放大電路，要保證發(fā)射結(jié)正偏，集電極反偏I(xiàn)b=（VBB-VBE）/Rb，對于硅管VBE約為0.7V左右,鍺管約為0.2V左右,IB=(VBB-0.7)/Rb這個電路的偏流IB決定于VBB和Rb的大小,VBB和Rb一經(jīng)確定后,偏流IB就固定了,所以這種電路稱為固定偏流電路,Rb又稱為基極偏置電阻,電容Cb1和Cb2為隔直電容或耦合電容,在電路中的作用是“傳送交流,隔離直流”,放大作用的實(shí)質(zhì)是利用三極管的基極對集電極的控制作用來實(shí)現(xiàn)的.上圖是共射極放大電路的簡化圖,它在實(shí)際中用得比較多的一種電路組態(tài),放大電路的主要性能指標(biāo)，常用的有放大倍數(shù)、輸入阻抗、輸出阻抗、非線性失真、頻率失真以及輸出功率和效率

3、等。對于不同的用途的電路，其指標(biāo)各有側(cè)重。初步了解放大電路的組成及簡單工作原理后，就可以對放大電路進(jìn)行分析。主要方法有圖解法和微變等效法。2.2.圖解分析法2.2.1.靜態(tài)工作情況分析當(dāng)放大電路沒有輸入信號時，電路中各處的電壓，電流都是不變的直流，稱為直流工作狀態(tài)簡稱靜態(tài)，在靜態(tài)工作情況下，三極管各電極的直流電壓和直流電流的數(shù)值，將在管子的特性曲線上確定一點(diǎn)，這點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，下面通過例題來說明怎樣估算靜態(tài)工作點(diǎn)。解:Cb1與Cb2的隔直作用,對于靜態(tài)下的直流通路,相當(dāng)于開路,計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)時,只需考慮圖中的Vcc、Rb、Rc及三極管所組成的直流通路就可以了，IB=（Vcc0.7）/Rb （

4、IC=IB+ICEO ）IC=IB ， VCE=VCCICRC如已知，利用上式可近似估算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。2.2.2.用圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)在分析靜態(tài)工作情況時,只需研究由VCC、RC、VBB、Rb及半導(dǎo)體三極管所組成的直流通路就可以了。圖解步驟如下：a.把放大電路分成非線性和線性兩個部分；b.作出電路非線性部分的伏安特性三極管的輸出特性； ic=f(Vce)/ib=40uA c.作出線性部分的伏安特性直流負(fù)載線；作直流負(fù)載線由VCE=VCCiCRC，找出二個特殊坐標(biāo)點(diǎn)連接M、N兩點(diǎn)就是部分的伏安特性。 d.由電路的 線性與非線性兩部分伏安特性的交點(diǎn)確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q。1.3.動態(tài)工作情況分

5、析當(dāng)接入正弦信號，電路將處在動態(tài)工作情況，我們可以根據(jù)輸入信號電壓Vi，通過圖解確定輸出電壓V0，從而可以得出V0與VI之間的相位關(guān)系和動態(tài)范圍，圖解的步驟是先根據(jù)輸入信號電壓VI，在輸入特性上畫出IB的波形，然后根據(jù)IB的變化在輸出特性上畫出IC和VCE的波形，如下圖：a：根據(jù)VI在輸入特性上求IB，設(shè)VI=0.02SINNTb：根據(jù)IB在輸出特性上求IC和VCE1.4.交流負(fù)載線放大器在工作時，輸出端總要按上一定的負(fù)載，如下圖所示這時同于負(fù)載電阻RL=4K的接入而受到影響，下面將要講這種影響的。靜態(tài)時由于CB2的隔直作用，RL的接入沒有影響，在動態(tài)情況，情況就不同了，RL的接入，動態(tài)工作情

6、況發(fā)生了變化，畫出交流通路如圖5的右圖，畫交流通路的原則是：圖中的隔直電容看成短路，VCC電源的內(nèi)阻很小，也看成短路，從圖中可以看成iC電流不僅流RC也流過RL這樣在輸出回路中RC和RL是并聯(lián)的，它們的并聯(lián)值叫做放大器的交流負(fù)載電阻即：RL 1 =RC/RL=RCRL/（RC+RL）根據(jù)作直流負(fù)載線的步驟，作出交流負(fù)載線，它的斜率為-1/RL1，由于直流負(fù)載線與交流負(fù)載線必定交于Q點(diǎn)，過Q點(diǎn)作一斜率為-1/RL1的直線就是交流負(fù)載線。1.5.三極管的三個工作區(qū)域半導(dǎo)體三極管的基本特點(diǎn)是通過電漢控制實(shí)現(xiàn)放大作用，放大作用并不是在任何情況下都能實(shí)現(xiàn)的，Q點(diǎn)過高，從放大轉(zhuǎn)為飽和，Q點(diǎn)過低時，三極管從

7、放大轉(zhuǎn)為截止這時三極管的工作性質(zhì)也就發(fā)生了變化，飽和、放大、截止稱為三極管的三種工作狀態(tài)，可把三極管的輸出特性分成三個區(qū)域，即：飽和區(qū)、放大區(qū)、和截止區(qū)。例題：共射極單管放大電路，如下圖所示B=30，其輸出 特性如下圖所示圖求 畫出直流負(fù)載線和決定靜態(tài)工作點(diǎn)畫出交流負(fù)載線，該放大電路在信號不失真的條件下，能獲得的最大輸出電壓Vom是多少？解： IB=VCC/Rb=12V/200K=60uA，由vce=VCC-icRc=12V-ic *4K 得M（12V，0mA），N（0V，3mA）兩點(diǎn)，MN線與IB=60uA的輸出特性的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，Q點(diǎn)對應(yīng)的電壓，電流為：Ic=1.5mA，Vce=6

8、V,IB=60uA 畫出交流負(fù)載線根據(jù) ic/ vce= -1/RL1的關(guān)系，取 ic = IC=1.5mA，相應(yīng)地有vce=ICRL=1.5mA*2.4K=3.6V，其中RL=RC/RL=2.4K，于是得到A點(diǎn)的坐標(biāo)為（9.6，0mA），連QA并延長至B，則AB為所求的交流負(fù)載線。由交流負(fù)載線與輸出特性的交點(diǎn)可知，在輸入電壓的正半周，三極管由Q點(diǎn)工作到Q1點(diǎn)（IB降到0uA），輸出電壓vce從1.6V到9V，變化范圍為3V，在輸入電壓的負(fù)半周，三極管由Q點(diǎn)工作到Q2點(diǎn)（IB上升到120uA），輸出電壓Vce從6V到2.5V。變化的范圍為3.5V，綜合考慮，在信號不失真的條件下，能獲得的最大輸

9、出的電壓為Vom為3V。 圖解分析法的特點(diǎn)是可以直觀、全面了解放大器的工作情況，能在特性曲線上合理地安排工作點(diǎn)，并能幫助我們理解電路參數(shù)對工作點(diǎn)的影響，從而正確地選擇電路參數(shù)。3.微變等效電路分析法如果放大電路的輸入信號電壓很小，就可以設(shè)想把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性的元件所組成的電路 作為線性來處理，這就是微變等效電路的指導(dǎo)思想。三極管的線性電路模型很多，這里討論的是適用于低頻放大電路h參數(shù)的微變等效電路，在工程計(jì)算中，三極管的線性電路模型是采用簡化微變等效，即輸入、輸出各用一個h參數(shù)表示，如下圖顧名思義，微變等效電路法分析的對象是微小的變化量即交流

10、量，因此，只能用這種方法來分析放大電路的各項(xiàng)動態(tài)性能，而不能用來分析放大電路的靜態(tài)，即不能用來計(jì)算直流量，但動態(tài)與靜態(tài)是有聯(lián)系的，微變等效電路中的參數(shù)是在Q點(diǎn)求出是與IB，IE，VCE等靜態(tài)值有關(guān)系的例題:1 . H參數(shù)的確定應(yīng)用H參數(shù)等效電路分析放大器時，首先必須得到三極管在靜態(tài)工作點(diǎn)處的H參數(shù)，由于半導(dǎo)體本身參數(shù)的分散性以及參數(shù)會隨工作點(diǎn)而變化，實(shí)際上在計(jì)算時不能直接采用手冊上提供的數(shù)據(jù)，因此計(jì)算電路之前，首先，必須確定所用三極管在給定的工作點(diǎn)上的H參數(shù)。獲得H參數(shù)的方法可采用H參數(shù)測試儀，或利用晶體管特性圖示儀測量 和rbe。rbe也可以借助下面的公式進(jìn)行估算：rbe=rb+（1+）re

11、式中rb為基區(qū)體電阻，對于低頻小功率rb約為200 OHM左右。Re為發(fā)射結(jié)電阻，（1+ ）re是折算到基極回路的等效電阻，根據(jù)PN結(jié)的伏安特性表達(dá)式，可以導(dǎo)出re的值為26（mv）/IE（mA），這樣上式可改寫為rbe=200 OHM +（1+ ）26mV/IE（mA）1. 用H 參數(shù)等效電路分析共射基本放大電路因此它們都可從電路中除去，其他元件都是按照原來相對位置畫出，這樣就可得到整個放大電路的微變等效電路，如上圖左圖所示。第三步：由于分析和測試時經(jīng)常采用正弦波作為輸入信號電壓，所以等交電路中采用復(fù)數(shù)符號標(biāo)出各電壓和電流3.求電壓放大倍數(shù)畫出微變等效電路后，就可用解線性電路的方法求解。同圖

12、解法一樣，我們也是先從放大電路的輸入回路入手，在已知輸入電壓Vi的條件下求出基極電流Ib，然后又落實(shí)到輸出回路上。利用Ib求出Ic及Vo，從而最后求出電壓放大倍數(shù)Av：Ib=Vi/rbeIc= IbVo= - Ic RL1式中 RL1 = Rc/RL由此可得放大電壓倍數(shù)為Av=Vo/Vi= -IcRL1/ Ib rbe = - IbRL1/Ib rbe=- RL1/rbe 例題：如上圖所示已知在工作點(diǎn)處的=40，計(jì)算放大倍數(shù)Av（假設(shè)信號源內(nèi)阻Rs=0）。解：a. 確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q因已知，故可用簡單計(jì)算法確定Q點(diǎn)IB=Vcc/Rb=12V/300K=40uAIC= IB=40*40uA=1.6

13、mA= IEVCE=VCC- IC RC= 12V-1.6mA*4K=5.6Vb .求rbe，利用上面所用的式子，得rbe=200 OHM + （1+）26（mV）/ IE（mA）=200 OHM+（1+40）26 （mV）/1.6（mA）=866 OHMC.求Av，利用上式，得Av=-RL1/rbe= - Rc/RL/rbe= - 40*2/0.866= - 924.計(jì)算輸入電阻及輸出電阻放大電路總是和其他電路聯(lián)系在一起的，例如它的輸入端一定 要連接信號源，而它的輸出端常與下級電路連在一起或是接上負(fù)載，這樣就要考慮它們之間的相互影響了。提出放大器的輸入電阻和輸出電阻的概念，可以幫助我們解決放

14、大器同信號源之間，放大器同負(fù)載之間以及放大器級與級之間的連接問題。a。輸入電阻和輸出電阻的概念當(dāng)輸入信號電壓加到放大器的輸入端時，放大器就相當(dāng)于信號源一個負(fù)載電阻。這個負(fù)載電阻也就是放大器本身的輸入電阻，如下圖所示：它相當(dāng)于從放大器輸入端1、1 二點(diǎn)向右邊看進(jìn)去的等效電阻，即Ri = Vi/ IiRi的大小影響到實(shí)際加于放大器輸入端信號的大小。上圖中， 把一信號源內(nèi)阻為Rs，大小為Vs的正弦電壓加到放器的輸入端，由于輸入電阻Ri的存在，致使用實(shí)際加到放大器的信號Vi的幅度比Vs要 小，即：Vi=Ri Vs/（Rs+Ri）輸入電壓受到一定的衰減。因此，輸入電阻Ri是衡量放大器對 輸入電壓的衰減程

15、度的重要指標(biāo)。另一方面，放大器的輸出端在空載和帶負(fù)載RL時，其輸出的電壓 將有所改變，放大器帶負(fù)載時的輸出電壓將比空載時的輸出電壓有所下降，如空載時的輸出電壓為Vo，而帶負(fù)載時的輸出電壓為Vo，則有Vo= RL Vo/（Ro+RL）因此從放大器的輸出端2，2往左看，整個放大器可看成是一個內(nèi)阻為Ro，大小為Vo的電壓源，如上圖所示，這個等效電源的內(nèi)阻Ro就 是放大器的輸出電阻。VoVo是因?yàn)檩敵鲭娏鱅o在Ro上產(chǎn)生壓降的結(jié)果，這是說明Ro越 小，帶負(fù)載前后輸出電壓的相差越小，亦即放大器受負(fù)載影響的程度越小，所以一般用輸出電阻Ro來衡量放大器帶負(fù)載的能力，Ro越小，則放大器帶負(fù)載的能力越強(qiáng)。求放大器輸出電阻的一種方法，在信號源短路（Vs=0但保留Rs）和負(fù)載開路的 條件下，在放大器的輸出端加入一電壓V（代替），在V的作用下， 輸出端將產(chǎn)生一相應(yīng)的電流I，則輸出電阻為Ro=V/I Vs=0根據(jù)這個關(guān)系，我們就可以計(jì)算各種放大電路的輸出電阻，必須 指出，以上所討論的放大器的輸入電阻和輸出電阻的概念，都是就靜 態(tài)工作點(diǎn)的附近的變化信號而言的，屬于動態(tài)電阻，用符號R帶有小字 母下標(biāo)I和O來表示，由于它們不是靜態(tài)（或直流）電阻，所以不能用Ri 和Ro來計(jì)算放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。例題：4.放大器的工作點(diǎn)穩(wěn)