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文檔簡(jiǎn)介

2.1半導(dǎo)體三極管的基本知識(shí)

2.2放大電路的組成和基本原理

2.3用圖解法分析放大電路

2.4用簡(jiǎn)化微變等效電路法分析放大電路

2.5靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定電路

2.6共集電極射極輸出器電路

2.7共基極放大電路簡(jiǎn)介和放大電路三種組態(tài)的比較

2.8多級(jí)放大電路

本章小結(jié)

習(xí)題第2章半導(dǎo)體三極管及其放大電路半導(dǎo)體三極管中,帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子均參與導(dǎo)電,故又稱(chēng)之為雙極型晶體管,以下簡(jiǎn)稱(chēng)三極管。它是構(gòu)成電子電路的核心器件。三極管的外形如圖2.1.1所示。2.1半導(dǎo)體三極管的基本知識(shí)圖2.1.1三極管的幾種常見(jiàn)外形(a)小功率管;(b)中功率管;(c)大功率管2.1.1三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

圖2.1.2(a)所示為NPN型硅管的結(jié)構(gòu),圖2.1.2(b)所示為NPN型三極管的示意圖,圖2.1.2(c)所示為NPN型和PNP型三極管的符號(hào)。圖2.1.2三極管的結(jié)構(gòu)、示意圖與電路符號(hào)(a)NPN型硅管的結(jié)構(gòu);(b)NPN型三極管的示意圖;(c)NPN型和PNP型三極管的符號(hào)2.1.2三極管中的電流分配和放大作用

從外部條件來(lái)看,外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。如圖2.1.3所示,外加直流電壓UBB使發(fā)射結(jié)正向偏置,UCC使集電結(jié)反向偏置。

圖2.1.3三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)與外部電流在滿足上述內(nèi)部和外部條件的情況下,三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)有以下三個(gè)過(guò)程。

1)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子的過(guò)程

2)電子在基區(qū)的擴(kuò)散過(guò)程

3)電子被集電結(jié)收集的過(guò)程

2.三極管的電流分配關(guān)系

設(shè)由發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散所形成的電子電流為IEN,基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散所形成的空穴電流為IEP,基區(qū)內(nèi)復(fù)合運(yùn)動(dòng)所形成的電流為IBN,基區(qū)內(nèi)非平衡少子(即發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)但未被復(fù)合的自由電子)漂移至集電區(qū)所形成的電流為ICN,平衡少子在集電區(qū)與基區(qū)之間的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流為ICBO,則

IE=IEN+IEP=ICN+IBN+ICBO

(2.1.1)

IC=ICN+ICBO

(2.1.2)

(2.1.3)

從外部看

IE=IB+IC(2.1.4)

3.三極管的共射電流放大系數(shù)

電流ICN與IBN之比稱(chēng)為共射直流電流放大系數(shù),即

整理可得

(2.1.5)一般情況下,IC>>ICEO,>>1,

(2.1.6)

(2.1.7)

即近似等于IC與IB之比。一般三極管的值約為40~150。2.1.3三極管的伏安特性曲線

1.輸入特性曲線

輸入特性曲線描述了在管壓降UCE一定的情況下,基極電流iB與發(fā)射結(jié)壓降uBE之間的關(guān)系,即

(2.1.8)圖2.1.4三極管的輸入特性曲線

2.輸出特性曲線

輸出特性曲線描述基極電流IB為一常量時(shí),集電極電流iC與管壓降uCE之間的函數(shù)關(guān)系,即

(2.1.9)

對(duì)于每一個(gè)確定的IB,都對(duì)應(yīng)有一條輸出曲線,所以輸出特性是一族曲線,如圖2.1.5所示。

從輸出特性曲線上可以看出,三極管有三個(gè)工作區(qū)域:放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。圖2.1.5三極管的輸出特性曲線2.1.4三極管的主要參數(shù)及其簡(jiǎn)易測(cè)試

1.直流參數(shù)

1)共射直流電流放大系數(shù)

當(dāng)忽略穿透電流ICEO時(shí),近似等于集電極電流與基極電流的直流量之比,即

2)共基直流電流放大系數(shù)

當(dāng)忽略反向飽和電流ICBO時(shí),近似等于集電極電流與發(fā)射極電流的直流量之比,即

(2.1.10)

3)極間反向電流

ICBO是發(fā)射極e開(kāi)路時(shí),集電結(jié)的反向飽和電流。測(cè)量ICBO的電路如圖2.1.6(a)所示。測(cè)量ICEO的電路如圖2.1.6(b)所示。

上述兩個(gè)反向電流之間存在以下關(guān)系:

圖2.1.6反向飽和電流的測(cè)試電路(a)ICBO的求法;(b)ICEO的求法

2.交流參數(shù)

交流參數(shù)是描述三極管對(duì)于動(dòng)態(tài)信號(hào)的性能指標(biāo)。

1)共射交流電流放大系數(shù)β

β可體現(xiàn)共射接法時(shí)三極管的電流放大作用。β定義為集電極電流與基極電流的變化量之比,即

(2.1.11)

2)共基交流電流放大系數(shù)α

α可體現(xiàn)共基接法時(shí)三極管的電流放大作用。α定義為集電極電流與發(fā)射極電流的變化量之比,即

(2.1.12)

根據(jù)β和α的定義可知,這兩個(gè)參數(shù)不是獨(dú)立的,二者之間存在以下關(guān)系:

3.極限參數(shù)

1)最大集電極耗散功率PCM

當(dāng)三極管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過(guò)允許值時(shí),集電極所消耗的最大功率稱(chēng)為最大集電極耗散功率PCM。

根據(jù)管子的PCM值,由

PCM=iC·uCE=常數(shù)

可在三極管的輸出特性曲線上作出PCM曲線,它是一條雙曲線。如圖2.1.7所示,曲線右上方為過(guò)損耗區(qū)。圖2.1.7三極管的極限參數(shù)

2)最大集電極電流ICM

iC在相當(dāng)大的范圍內(nèi)其β值基本不變,但當(dāng)iC的數(shù)值大到一定程度時(shí),β值將減小。使β值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流稱(chēng)為集電極電流最大允許電流ICM。

3)極間反向擊穿電壓

三極管的某一電極開(kāi)路時(shí),另外兩個(gè)電極間所允許加的最高反向電壓稱(chēng)為極間反向擊穿電壓。如果反向電壓超過(guò)規(guī)定值就會(huì)發(fā)生擊穿,擊穿原理與二極管相同。管子擊穿后,將造成永久性的損壞或性能下降。2.2.1單管共射放大電路的組成

圖2.2.1所示為一個(gè)基本共射放大電路,其中輸入信號(hào)為ui(正弦波信號(hào)),輸出電壓為uo。電路的輸入回路與輸出回路以發(fā)射極為公共端,故稱(chēng)為共射放大電路。電路中各個(gè)元件的作用如下。2.2放大電路的組成和基本原理圖2.2.1共射放大電路

1.三極管VT

三極管VT是放大(控制)元件,是放大器的核心。

2.集電極電源UCC

集電極電源UCC的作用有兩個(gè):其一是在輸入信號(hào)控制的三極管作用下,適時(shí)地向負(fù)載提供能量;其二是保證三極管工作在放大狀態(tài),即集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏。對(duì)一般小信號(hào)放大器,其UCC值為幾伏至幾十伏。

3.集電極負(fù)載電阻RC

集電極負(fù)載電阻RC的主要作用是將集電極的電流變化轉(zhuǎn)換成集電極的電位變化,以實(shí)現(xiàn)電壓放大。

4.基極電源UBB和基極電阻RB

基極電源UBB和基極電阻RB的作用是使管子的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài),并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)基極電流IB,以保證三極管工作在放大區(qū),并有合適的工作點(diǎn)。RB的阻值一般為幾十千歐姆到幾百千歐姆。

在實(shí)際的放大電路中,一般都采用單電源供電。圖2.2.2所示的電路通常稱(chēng)為阻容耦合單管共射放大電路。圖2.2.2阻容耦合單管共射放大電路

2.2.2共射放大電路的工作原理

1.設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性

為了說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)的作用,不妨將圖2.2.1中的基極電源UBB去掉,如圖2.2.3(a)所示。圖2.2.3沒(méi)有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)(a)電路圖;(b)波形圖

2.共射放大電路的工作原理及波形分析

在圖2.2.2所示的電路中,當(dāng)有輸入電壓ui時(shí),如圖2.2.4所示,基極電流是在原來(lái)直流分量IBQ的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)正弦交流電流ib,因而基極總電流iB=IBQ+ib圖2.2.4共射放大電路的波形分析(a)ui的波形;(b)iB(iC)的波形;(c)uCE的波形;(d)uo的波形2.3.1用圖解法求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

1.直流通路與交流通路

圖2.3.1所示為圖2.2.2所示阻容耦合共射放大電路的直流通路和交流通路。2.3用圖解法分析放大電路圖2.3.1阻容耦合共射放大電路的直流通路和交流通路(a)直流通路;(b)交流通路

2.用圖解法求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

圖解法就是利用三極管的輸入和輸出特性曲線,用作圖的方法分析放大電路的電壓、電流之間的關(guān)系。

如圖2.3.2(a)所示,用虛線MN將三極管與外電路分開(kāi),左邊為三極管,它的集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系是非線性的,其關(guān)系見(jiàn)圖2.1.5所示的輸出特性曲線。虛線MN的右邊是一個(gè)線性電路,MN兩端的電壓即為UCE,即

UCE=UCC-ICRC

(2.3.1)

這是一個(gè)直線方程,其斜率為,在縱軸上的截距為

。這條直線很容易做出,如圖2.3.2(b)所示。此線稱(chēng)為直流負(fù)載線。圖2.3.2輸出回路與直流負(fù)載線態(tài)(a)直流通路的輸出回路;(b)輸出回路的圖解分析

3.用近似估算法求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

如圖2.3.1(a)中的直流通路,可求得共射放大電路的靜態(tài)基極電流為

(2.3.2)

由三極管的輸入特性可知,UBEQ的變化范圍很小,可近似認(rèn)為

硅管UBEQ=(0.6~0.8)V

鍺管UBEQ=(0.1~0.3)V

根據(jù)以上近似值,若給定UCC和RB,即可由式(2.3.2)估算IBQ。已知三極管的集電極電流與基極電流之間存在關(guān)系

,且,故可得靜態(tài)集電極電流為

ICQ≈βIBQ

(2.3.3)

然后由圖2.3.1(a)的直流通路可得

UCEQ=UCC-ICQRC

(2.3.4)

【例2.3.1】在圖2.2.1所示的電路中,已知UCC=12V,RB=280kΩ,RC=3kΩ,β=50,分別用估算法和圖解法求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

解:(1)估算法。

根據(jù)圖2.3.1(a)所示的直流通路可得出:

ICQ=βIBQ=50×0.04mA=2mA

UCEQ=UCC-ICQRC=(12-2×3)V=6V

(2)圖解法。

根據(jù)圖2.3.1(a)所示的直流通路圖,有

UCE=UCC-ICRC

當(dāng)IC=0時(shí),

UCE=UCC=12V

可以確定橫軸上的點(diǎn)。當(dāng)UCE=0時(shí),

可以確定縱軸上的點(diǎn),連接兩點(diǎn)可作出如圖2.3.3所示的直流負(fù)載線。用計(jì)算的方法求出靜態(tài)基極電流IB,即

由圖2.3.3得出靜態(tài)工作點(diǎn)Q:

IBQ=40μA

ICQ=2mA

UCEQ=6V圖2.3.3例2.3.1用圖2.3.2動(dòng)態(tài)工作波形的圖解分析

交流通路外電路的伏安特性稱(chēng)為交流負(fù)載線。交流負(fù)載線,如圖2.3.4所示。圖2.3.4直流負(fù)載線和交流負(fù)載線如果在放大電路的輸入端加上一個(gè)正弦電壓ui,則在線性范圍內(nèi),三極管的uBE和iB將在輸入特性曲線上圍繞靜態(tài)工作點(diǎn)Q基本上按正弦規(guī)律變化,如圖2.3.5所示。此時(shí),三極管的iC和uCE將在輸出特性曲線上沿著交流負(fù)載線圍繞著Q點(diǎn)也基本上按正弦規(guī)律變化。圖2.3.5加入正弦輸入信號(hào)時(shí)放大電路波形分析(a)輸入回路的波形分析;(b)輸出回路的波形分析2.3.3放大電路的非線性失真與靜態(tài)工作點(diǎn)的關(guān)系

如果靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置過(guò)低,如圖2.3.6所示,則在輸入信號(hào)正弦波的負(fù)半周,工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū),使iB、iC等于零,從而引起iB、iC和uCE的波形發(fā)生失真,這種失真稱(chēng)為截止失真。圖2.3.6共射放大電路的截止失真(a)輸入回路的波形分析;(b)輸出回路的波形分析如果靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置過(guò)高,如圖2.3.7所示,則在輸入信號(hào)正弦波的正半周,工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū),此時(shí),當(dāng)iB增大時(shí),iC不再隨之增大,因此將引起iC和uCE的波形發(fā)生失真,這種失真稱(chēng)為飽和失真。圖2.3.7共射放大電路的飽和失真(a)輸入回路的波形分析;(b)輸出回路的波形分析如在放大電路的輸入端加上交流正弦電壓,則工作點(diǎn)將圍繞Q點(diǎn)在交流負(fù)載線上移動(dòng)。由圖2.3.8可見(jiàn),當(dāng)工作點(diǎn)向上移動(dòng)超過(guò)A點(diǎn)時(shí),將進(jìn)入飽和區(qū);當(dāng)工作點(diǎn)向下移動(dòng)超過(guò)B點(diǎn)時(shí),將進(jìn)入截止區(qū)。圖2.3.8用圖解法求解最大不失真輸出電壓2.4.1三極管的簡(jiǎn)化微變等效電路

圖2.4.1(a)所示為三極管的輸入特性曲線,是非線性的。但當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí),在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近的工作段可認(rèn)為是直線。當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí),ΔuBE與ΔiB之比

(2.4.1)2.4用簡(jiǎn)化微變等效電路法分析放大電路圖2.4.1三極管的特性曲線(a)輸入特性曲線;(b)輸出特性曲線低頻小功率三極管的輸入電阻常用下式估算[2]:

(2.4.2)

圖2.4.1(b)所示為三極管的輸出特性曲線,在放大區(qū)是一組近似等距離的平行直線。當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí),ΔiC與ΔiB之比

(2.4.3)在圖2.4.1(b)中還可見(jiàn)到,三極管的輸出特性曲線不完全與橫軸平行,當(dāng)IB為常數(shù)時(shí),ΔuCE與ΔiC之比

(2.4.4)

圖2.4.2所示為三極管及其簡(jiǎn)化的微變等效電路。圖2.4.2三極管及其微變等效電路(a)三極管;(b)三極管簡(jiǎn)化微變等效電路2.4.2由簡(jiǎn)化微變等效電路求放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

在圖2.3.1(b)所示的阻容耦合共射放大電路交流等效電路中,把三極管用簡(jiǎn)化微變等效電路代替,即得到該放大電路的微變等效電路,如圖2.4.3(a)所示。圖2.4.3放大電路動(dòng)態(tài)分析(a)微變等效電路;(b)輸出電阻分析

1.電壓放大倍數(shù)的計(jì)算

放大電路的電壓放大倍數(shù)是輸出電壓與輸入電壓的相量之比,即

從放大電路的微變等效電路圖2.4.3可知

(2.4.5)其中

故電壓放大倍數(shù)

由式(2.4.6)可看出,當(dāng)放大電路輸出端開(kāi)路時(shí),

=RC,此時(shí)的電壓放大倍數(shù)(2.4.6)

2.輸入電阻Ri的計(jì)算

放大電路對(duì)信號(hào)源(或?qū)η凹?jí)放大電路)來(lái)說(shuō),是一個(gè)負(fù)載,可用一個(gè)等效電阻來(lái)表示。這個(gè)電阻也就是從放大電路輸入端看進(jìn)去的電阻,稱(chēng)為輸入電阻Ri,即

(2.4.7)

3.輸出電阻Ro的計(jì)算

放大電路總是要帶負(fù)載的,對(duì)負(fù)載而言,放大電路可以看做一個(gè)電源,其內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻Ro(從放大電路的輸出端看進(jìn)去的等效電阻)。

根據(jù)諾頓定理將放大電路輸出回路進(jìn)行等效變換,實(shí)質(zhì)成為一個(gè)有內(nèi)阻的電壓源,如圖2.4.3(b)所示,可以看出

Ro=RC

(2.4.8)對(duì)放大電路輸出電阻進(jìn)行分析時(shí),還可令其信號(hào)源電壓

,但保留內(nèi)阻Rs。然后,在輸出端加一個(gè)交流信號(hào),必然產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電流,電路如圖2.4.4所示,則

(2.4.9)圖2.4.4輸出電阻的求法

【例2.4.1】在圖2.2.2所示的放大電路中,UCC=12V,RC=4kΩ,RB=300kΩ,β=37.5,RL=4kΩ,試求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。

解:

2.5.1溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響

首先,從輸入特性看,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),為得到同樣的IB,所需的UBE值將減小,輸入特性曲線向左移,如圖2.5.1(a)所示。

如圖2.5.1(b)所示,20℃時(shí)三極管的輸出特性為實(shí)線,當(dāng)溫度上升至50℃時(shí),輸出特性變?yōu)閳D中虛線所示。2.5靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定電路圖2.5.1三極管在不同環(huán)境溫度下的特性曲線(a)輸入特性曲線;(b)輸出特性曲線2.5.2分壓式偏置放大電路

1.電路組成及工作原理

如圖2.5.2所示,圖(a)為直接耦合方式,圖(b)為阻容耦合方式,圖(c)為它們的直流通路。

把輸出量(IC)引回到輸入回路來(lái)影響輸入量(UBE)的措施稱(chēng)為反饋??蓪⑸鲜鲞^(guò)程簡(jiǎn)寫(xiě)為圖2.5.2分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路(a)直接耦合電路;(b)阻容耦合電路;(c)直流通路

2.靜態(tài)分析

分析分壓式放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí),可先從估算UBQ入手。由I1IBQ可得

(2.5.1)

發(fā)射極電流為

(2.5.2)管壓降為

UCEQ≈UCC-ICQ(RC+RE)(2.5.3)

基極電流為

(2.5.4)

3.動(dòng)態(tài)分析

當(dāng)旁路電容CE足夠大時(shí),在分壓式放大電路的交流通路中可視為短路。此時(shí)的電路實(shí)際上也是一個(gè)共射放大電路,故利用微變等效電路法來(lái)分析其動(dòng)態(tài)工作情況。電壓放大倍數(shù)為

(2.5.5)

式中

電路的輸入電阻為

Ri=rbe‖RB1‖RB2(2.5.6)

輸出電阻為

Ro=RC(2.5.7)

【例2.5.1】如圖2.5.2(b)所示的放大電路,已知UCC=

12V,RC=2kΩ,RE=2kΩ,RB1=10kΩ,RB2=20kΩ,RL=2kΩ,β=37.5。求:

(1)靜態(tài)工作點(diǎn);

(2)電壓放大倍數(shù)Au;

(3)輸入電阻Ri和輸出電阻Ro;

(4)若斷開(kāi)旁路電容CE,放大倍數(shù)Au又如何?Ri和Ro如何?

解:(1)靜態(tài)工作點(diǎn):

基極電位

發(fā)射極電流

所以

ICQ≈IEQ=1.65mA

(2)求放大倍數(shù)Au。

電壓放大倍數(shù)

其中

(3)求Ri和Ro。

Ri=RB1‖RB2‖rbe=10‖20‖0.9≈0.8kΩ

Ro=RC=2kΩ

(4)斷開(kāi)CE。

若斷開(kāi)CE,放大電路的微變等效電路如圖2.5.3所示。圖2.5.3斷開(kāi)CE后的微變等效電路電壓放大倍數(shù)

輸入電阻

Ri=RB1‖RB2‖[rbe+(1+β)RE]≈RB1‖RB2‖rbe

=20‖10‖0.9≈6.14kΩ

輸出電阻

Ro≈RC=2kΩ前面講述的放大電路都是共射放大電路。這一節(jié)講述另一種放大電路——共集電極放大電路,由于其輸出信號(hào)從發(fā)射極輸出,故又稱(chēng)之為射極輸出器,電路如圖2.6.1(a)所示。2.6共集電極射極輸出器電路圖2.6.1共集電極放大電路(a)電路;(b)直流通路;(c)交流通路

1.靜態(tài)分析

由圖2.6.1(b)所示直流通路可確定其靜態(tài)工作點(diǎn):

UBB=IBQRB+UBEQ+(1+β)IBQRE

(2.6.1)

IEQ=(1+β)IBQ

(2.6.2)

UCEQ≈UCC-IEQRE

(2.6.3)

2.動(dòng)態(tài)分析

1)電壓放大倍數(shù)

由圖2.6.2所示射極輸出器的微變等效電路可求得

因此

(2.6.4)圖2.6.2共集電極放大電路的微變等效電路

2)輸入電阻

由圖2.6.2可得

(2.6.5)

可見(jiàn),射極輸出器的輸入電阻比共射放大電路的輸入電阻要高得多,一般可達(dá)幾十千歐姆到幾百千歐姆。

3)輸出電阻

在圖2.6.3中,當(dāng)輸入端外加電壓,而時(shí),如暫不考慮RE的作用,可得

圖2.6.3共集電極放大電路的輸出電阻

【例2.6.1】在圖2.6.1(a)所示的共集電極放大電路中,設(shè)UBB=6V,UCC=12V,RE=5kΩ,RB=15kΩ,三極管的UBEQ=0.7V,rbb′=200Ω,β=150。求:

(1)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn);

(2)放大電路的Au、

Ri和Ro。

解:(1)由式(2.6.1)~式(2.6.3)可得

(2)由式(2.6.4)~式(2.6.6)可得

【例2.6.2】共集電極放大電路Multisim仿真。

在Multisim中構(gòu)建共集電極放大電路如圖2.6.4(a)所示,電路中三極管的β=100,rbb′=200Ω。

解:

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量。

在仿真電路中接入兩個(gè)虛擬數(shù)字萬(wàn)用表,設(shè)置為直流電壓表,測(cè)量出UBQ、UEQ,如圖2.6.4(b)所示。圖2.6.4共集電極放大電路(a)仿真電路;(b)靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量;(c)輸入/輸出波形圖2.7.1(a)所示為阻容耦合共基極放大電路。2.7共基極放大電路簡(jiǎn)介和放大電路三種組態(tài)的比較圖2.7.1阻容耦合共基極放大電路(a)共基極放大電路;(b)交流通路

1.靜態(tài)分析

在圖2.7.1(a)所示電路中,令,可得靜態(tài)工作點(diǎn)

(2.7.1)

2.動(dòng)態(tài)分析

用三極管的微變等效電路取代圖2.7.1(b)所示電路中的三極管,便可得到圖2.7.2(b)所示共基放大電路的交流等效電路,可得其交流參數(shù)

(2.7.2a)

(2.7.2b)(2.7.2c)圖2.7.2共基極放大電路的微變等效電路2.7.2放大電路三種組態(tài)的比較

以上分別討論了共射、共集、共基三種接法的放大電路。2.8.1多級(jí)放大電路的級(jí)間耦合方式

多級(jí)放大電路常用的級(jí)間耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合。

1.阻容耦合

阻容耦合是通過(guò)電容器將后級(jí)電路與前級(jí)相連接,如圖2.8.1所示為一個(gè)兩級(jí)放大電路。2.8多級(jí)放大電路圖2.8.1阻容耦合放大電路

2.變壓器耦合

變壓器可以通過(guò)磁路的耦合把一次側(cè)的交流信號(hào)傳送到二次側(cè),因此變壓器可以作為耦合元件。

變壓器耦合方式的一個(gè)突出特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換。如果變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組的匝數(shù)分別為N1和N2,其匝數(shù)比,而在二次側(cè)接一個(gè)負(fù)載電阻RL,如圖2.8.2所示,此時(shí)從變壓器一次側(cè)看,等效的負(fù)載電阻將為

(2.8.1)圖2.8.2變壓器耦合放大電路

3.直接耦合

由圖2.8.3(a)可見(jiàn),在靜態(tài)時(shí),VT1管的管壓降UCEQ1等于VT2管b-e間的電壓UBEQ2。這說(shuō)明VT1管的靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū),在交流信號(hào)作用下很容易引起飽和失真。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),需要抬高UC1,通??梢栽赩T2管的發(fā)射極加電阻RE2,如圖2.8.3(b)所示。圖2.8.3直接耦合直接耦合方式還有一個(gè)突出的缺點(diǎn),就是存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。若將一個(gè)直接耦合放大電路的輸入端對(duì)地短路,并調(diào)整電路使輸出電壓也等于零,理論上,輸出電壓應(yīng)一直為零保持不變,但實(shí)際上,輸出電壓將離開(kāi)零點(diǎn),緩慢地發(fā)生不規(guī)則的變化,如圖2.8.4所示,這種現(xiàn)象稱(chēng)為零點(diǎn)漂移。圖2.8.4零點(diǎn)漂移現(xiàn)象(a)測(cè)試電路;(b)輸出電壓的漂移2.8.2多級(jí)放大電路的性能指標(biāo)估算

一個(gè)n級(jí)放大電路的等效電路可用圖2.8.5所示的方框圖表示。由圖可知,放大電路前一級(jí)的輸出電壓就是后一級(jí)的輸入電壓,所以放大電路的電壓放大倍數(shù)為

(2.8.2)圖2.8.5多級(jí)放大電路方框圖根據(jù)放大電路輸入電阻的定義,多級(jí)放大電路的輸入電阻就是第一級(jí)的輸入電阻,即

Ri=Ri1

(2.8.3)

根據(jù)放大電路輸出電阻的定義,多級(jí)放大電路的輸出電阻等于最后一級(jí)的輸出電阻,即

Ro=Ron

(2.8.4)

【例2.8.1】已知圖2.8.6所示電路中R2=15kΩ,R1=R3=R6=5kΩ,R4=2.3kΩ,R5=100kΩ;UCC=12V;三極管的β均為50,rbe1=1.2kΩ,rbe2=1kΩ,UBE1=UBE2=0.7V。求Q點(diǎn)、Au、Ri和Ro。圖2.8.6阻容耦合多級(jí)放大電路

解:(1)求解Q點(diǎn):由于電路采用阻容耦合方式,因此每一級(jí)的Q點(diǎn)都可以按單管放大電路來(lái)求解。

第一級(jí)為典型的Q點(diǎn)穩(wěn)定電路,則

第二級(jí)為共集電極放大電路,則

(2)求解Au、Ri和Ro:畫(huà)出圖2.8.6所示電路的交流等效電路如圖2.8.7所示。

圖2.8.7第一級(jí)微變等效電路為了求出第一級(jí)的電壓放大倍數(shù)Au1,首先應(yīng)求出其負(fù)載電阻,即第二級(jí)的輸入電阻:

Ri2=R5‖[rbe2+(1+β)(R6‖RL)]≈56kΩ

第二級(jí)的電壓放大倍數(shù)應(yīng)接近1,根據(jù)電路有

將Au1與Au2相乘,便可得出整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)

Au=Au1·Au2≈-191×0.992≈-189

輸入電阻為

輸出電阻為

本章介紹了雙極型三極管的結(jié)構(gòu)和放大原理,闡述了三極管基本放大電路的工作原理和分析方法。

三極管具有電流放大作用。其實(shí)現(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件是:發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高;基區(qū)做得很薄,且摻雜濃度很低,集電區(qū)面積很大。實(shí)現(xiàn)放大的外部條件是:發(fā)射結(jié)正向偏置而集電結(jié)反向偏置。本章小結(jié)我們可以用輸入、輸出特性曲線來(lái)描述三極管的特性。三極管的輸出特性可分為三個(gè)區(qū):截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。為了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行線性放大,應(yīng)使三極管工作在放大區(qū)內(nèi)。

放大電路是一種最基本、最常用的模擬電子電路。放大的實(shí)質(zhì)是能量的控制,放大的對(duì)象是變化量。

放大電路的組成原則是:要有有源元件,即三極管;外加電源的極性、數(shù)值與其他電路參數(shù)應(yīng)保證三極管工作在放大區(qū),即建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn),保證電路不失真;輸入信號(hào)應(yīng)能夠有效地作用于輸入回路,輸出信號(hào)能夠作用于負(fù)載之上。放大電路的基本分析方法有兩種:圖解法和微變等效電路法。靜態(tài)分析,即求靜態(tài)工作點(diǎn),可用估算法或圖解法;而動(dòng)態(tài)分析,即求解各動(dòng)態(tài)參數(shù)和分析輸出波形時(shí),通常利用微變等效電路計(jì)算小信號(hào)作用時(shí)的Au、Ri和Ro,利用圖解法分析UOM和失真情況。

基本放大電路有三種組態(tài),即共射組態(tài)、共集組態(tài)和共基組態(tài)。共射放大電路具有較高的電壓放大倍數(shù)和較高的電流放大倍數(shù),輸入電阻和輸出電阻大小適中;共集電極放大電路的電壓放大倍數(shù)小于1,但接近于1,因此具有電壓跟隨的特點(diǎn),它的輸入電阻較大,輸出電阻較小;共基極放大電路的電壓放大倍數(shù)較大,輸入電阻小,輸出電阻適中。多級(jí)放大電路常采用的耦合方式有三種:阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合。

直接耦合放大電路存在溫度漂移問(wèn)題,但因其低頻特性好,能夠放大緩慢變化的信號(hào),便于集成化,而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。阻容耦合放大電路利用耦合電容隔直通交,較好地解決了溫漂問(wèn)題,但其低頻特性差,不便于集成化,因此僅在分立元件電路中采用。變壓器耦合放大電路低頻特性差,但能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗變換,常用作調(diào)諧放大電路或輸出功率很大的功率放大電路。多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)等于組成它的各級(jí)電路電壓放大倍數(shù)之積。其輸入電阻是第一級(jí)的輸入電阻,輸出電阻是末級(jí)的輸出電阻。

2.1有兩只晶體管,一只的β=200,ICEO=200μA;另一只的β=100,

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