三极管三种放大三种基本组态共基共射共集文档格式.docx
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这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。
另外，放大作用涉及到变化量的概念。
也就是说，当输入信号有一个比较小的变化量时，要求在负载上得到一个较大变化量的输出信号。
而放大电路的放大倍数也是指输出信号与输入信号的变化量之比。
由此可见，所谓放大作用，其放大的对象是变化量。
已经知道，双极型三极管的基极电流对集电极电流有控制作用，同样，场效应管的栅源之间的电压对漏极电流也有控制作用，因此，这两种器件都可以实现放大作用，它们是组成放大电路的核心元件。
下面以单管共发射极放大电路为例，介绍放大电路的组成和放大的基本原理。
2.2单管共发射极放大电路
2．2．1 单管共发射极放大电路的组成
下图是一个单管共发射极（以下简称单管共射）放大电路的原理电路图。
电路中有一个双极型三极管作为放大器件，因此是单管放大电路。
由图可见，输入回路与输出回路的公共端是三极管的发射极，所以称为单管共射放大电路。
在电路中，NPN型三极管TV担负着放大作用，是放大电路的核心。
VCC是集电极直流电源，为输入信号提供能量。
RC是集电极负载电阻，集是极电流iC通过Rc，从而将电流的变化转换为集电极电压的变化，然后传送到放大电路的输出端。
基极直流电源VBB和基极电阻Rb的作用是，一方面为三极管的发射结提供正抽偏置电压；
同时，二者共同决定了当不加输入电压时三极管基极回路的电流，这个电流称为静态基流。
在以后的分析中将会看到，静态基流的大小对放大作用的优劣，以及放大电路的其他性能有着密切的关系。
在单管共射放大电路中，仅仅具备上述各个组成部分还不足以保证电路很好地起放大作用。
为了使三极管工作在放大区，还必须使发射结正向偏置，集电结反向偏置，为此，VCC，RC、VBB和Rb等元件的参数应与电路中三极管的输入、输出特性有适当的配合关系。
2.2.2单管共发射极放大电路和工作原理
本节将定性地分析如上图所示的单管共射放大电路如何实现放大作用。
假设电路中的参数及三极管的特性能够保证三极管工作在放大区。
此时，如果在放大电路的输入端加上一个微小的输入电压变化量△uI，则三极管基极与发射极之间的电压也将随之发生变化，产生△uBE。
因三极管的发射结处于正向偏置状态，故当发射结电压发生变化时，将引起基极电流产生相应的变化，得到△uB。
由于三极管工作在放大区，具有电流放大作用，因此，基极电流的变化将引起集电极电流发生更大的变化，即△iC等于△iB的β倍。
这个集电极电流的变化量流过集电极负载电阻RC，使集电极电压也发生相应的变化。
由上图可见，当iC增大时，RC上的电压降也增大，于是UCE将降低，因为RC上的电压与UCE之和等于VCC，而这个集电极直流电源是恒定不变的，所以UCE的变化量△uCE与△iC在RC上产生的电压变化量数值相等而极性相反，即△uCE＝－△iCRC。
在本电路中，集电极电压UCE即等于输出电压uO，故△uO＝△uCE。
综上可知，当输入电压有一个变化量△uI时，在电路中将依次产生以下各个电压或电流的变化量：
△uBE，△iB，△iC，△uCE和△uO。
当电路参数满足一定条件时，可能使输出电压的变化量△uO比输入电压的变化量△uI大得多，也就是说，当在放大电路的输入端加上一个微小的变化量△uI时，在输出端将得到一个放大了的变化量△uO，从而实现了放大作用。
从以上的分析可知，组成放大电路时必须遵循以下几个原则：
输出电阻是描述放大电路带负载能力的一项技术指标。
通常希望放大电路的输出电阻愈大愈好。
R。
愈小，说明放大电路的带负载能力愈强。
六、通频带
由于放大器件本身存在极间电容，还有一些放大电路中接有电抗性元件，因此，放大电路的放大倍数将随着信号频率的变化而变化。
一般情况下，当频率升高或降低时，放大倍数都将减小，而在中间一段频率范围内，因各种电抗性元件的作用可以忽略，故放大倍数基本不变。
通常将放大倍数在高频和低频段分别下降至中频段放大倍数的 时所包括的频率范围，定义为放大电路的通频带，用符号BW表示。
显然，通频带愈宽，表明放大电路对信号频率的变化具有更强的适应能力。
七、最大输出功率与效率
放大电路的输出功率，是指在输出信号不产生明显失真的前提下，能够向负载提供的最大输出功率，通常用符号Pom表示。
前已述及，放大的本质是能量的控制，负载上得到的输出功率，实际上是利用放大器件的控制作用将直流电源的功率转换成交流功率得到的，因此就存在一个功率转换的效率问题。
放大电路的效率η定义为最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PV之比
以上介绍了放大电路的几个主要技术指标，此外，针对不同的使用场合，还可能提出其他一些指标，例如电源的容量、抗干扰能力、信号噪声比、重量、体积以及工作温度的要求等，因限于篇幅，在此不作具体介绍。
2．4 放大电路的基本分析方法
双极型三极管或场效应管是组成放大电路的主要器件，而它们的特性曲线都是非线性的，因此，对放大电路进行定量分析时，主要矛盾在于如何处理放大器件的非线性问题。
对此问题，常用的解决办法有两个：
第一是图解法，这是在承认放大器件特性曲线为非线性的前提下，在放大管的特性曲线上用作图的方法求解。
第二是微变等效电路法，其实质是在一个比较小的变化范围内，近似认为双极型三极管和场效应管的特性曲线是线性的，由此导出放大器件的等效电路以及相应的微变等效参数，从而将非线性的总是转化为线性问题，于是就可以利用电路原理中介绍的适用于线性电路的各种定律、定理等来对放大电路进行求解。
因此，放大电路最常用的基本分析方法，就是图解法和微变等效电路法。
对一个放大电路进行定量分析时，首先要进行静态分析，即分析未加输入信号时的工作状态，估算电路中各处的直流电压和直流电流。
然后进行动态分析，即分析加上交流输入信号时的工作状态，估算放大电路的各项动态技术指标，如电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、最大输出功率等等。
分析的过程一般是先静态后动态。
静态分析讨论的对象是直流成分，动态分析讨论的对象则是交流成分。
由于放大电路中存在着电抗性元件，所以直流成分的通路和交流成分的通路是不一样的。
为了分别进行静态分析和动态分析，首先来分析放大电路的直流通路和交流通路有何不同。
2.4.1直流通路和交流通路
放大电路中的电抗性元件对直流信号和交流信号呈现的阻抗是不同的。
例如，电容对直流信号的阻抗是无穷大，故不允许直流信号通过；
但以交流信号而言，电容容抗的大小为 ，当电容值足够大，交流信号在电容上的压降可以忽略时，可视为短路。
电感对直流信号的阻抗为零，相当于短路；
而对交流信号而言，感抗的大小为ωL。
此外，对于理想电压源，如VCC等，由于其电压恒定不变，即电压的变化量等于零，故在交流通路中相当于短路。
而理想电流源，由于其电流恒定不变，即电流的变化量等于零，故在交流通路中相当于开路，等等。
在直流通路中，隔直电容C1、C2相当于开路。
在交流通路中，C1、C2相当于短路，此外，集电极直流电源VCC也被短路。
于是可得单管共射放大电路的直流通路和交流通路分别如下图（a）和（b）所示。
根据放大电路的直流通路和交流通路，即可分别进行静态分析和动态分析。
分析时，除了图解法和微变等效电路法以外，有时也采用一些简单实用的近似估算法。
例如，常常根据直流通路，对放大电路的静态工作情况进行近似估算。
2．4．2 静态工作点的近似估算
当外加输入信号为零，在直流电源VCC的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在直流电流和直流电压，这些直流电流和电压在三极管的输入、输出特性上各自对应一个点，称为静态工作点。
静态工作点处的基极电流、基极与发射极之间的电压分别用符号IBQ、UBEQ表示，集电极电流、集电极与发射极之间的电压则用ICQ、UCEQ表示。
可求得单管共射放大电路的静态基极电流为
（2.4.1）
由三极管的输入特性可知，UBEQ的变化范围很小，可近似认为
硅管 UBEQ=（0.6～0.8）V
锗管 UBEQ=（0.1～0.3）V
根据以上近似值，若给定VCC和Rb，即可由式（2．4．1）估算IBQ。
已知三极管的集电极电流与基极电流之间存在关系IC≈βIB,且β≈ ，故可得静态集电极电流为
（2.4.3）
然后由图2.4.1（a）的直流通路可得
CEQ=VCC-ICQRC（2.4.4）
至此，静态工作点的有关电流、电压均已估算得到。
2．4．3 图解法
图解分析动态
以下根据放大电路的交流通路，来分析它的动态工作情况。
现将上图（b）中交流通路的输出回路重画于下图中。
因为讨论的是动态，故图中的集电极电流和集电极电压分别用变化量△iC和△uCE表示。
交流通路外电路的伏安特性称为交流负载线。
由图可见，交流通路的外电路包括两个电阻RC和RL的并联。
现用R‘L表示RC与RL并联后得到的阻值，即
R‘L＝RC‖RL。
因此，交流负载线的斜率将与直流负载线不同，不是－1/Rc，而是－1/RL’。
由于R‘L小于RC，因此，通常交流负载线比直流负载线更陡。
通过分析还可以知道，交流负载线一定通过静态工作点Q。
因为当外加输入电压UI的瞬时值等于零时，如果不考虑电容C1和C2的作用，可认为放大电路相当于静态的情况，则此时放大电路的工作点既在交流负载线上，又在静态工作点Q上，即交流负载必定经过Q点。
因此，只要通过Q点作一条斜率为－1/RL’ 的直线，即可得到交流负载线，
2．4．4 微变等效电路法
单管共射放大电路的微变等效电路图
等效电路法的步骤
根据以上介绍，可以归纳出利用等效电路法分析放大电路的步骤如下：
1．首先利用图解法或近似估算确定放大电路的静态工作点Q。
2．求出静态工作点处的微变等效电路参数β和rbe。
3．画出放大电路的微变等效电路。
可先画出三极管的等效电路，然后画出放大其余,部分的交流通路。
4、列出电路方程并求解。
放大电路的多项重要技术指标均与静态工作点的位置密切相关。
如果静态工作点不稳定，则放大电路的某些性能也将发生变动。
因此，如何使静态工作点保持稳定，是一个十分重要的问题。
2.5.1温度对静态工作点的影响
有时，一些电子设备在常温下能够正常工作，但当温度升高时，性能就可能不稳定，甚至不能正常工作。
产生这种现象的主要原因，是电子器件的参数受湿度影响而发生变化。
三极管是一种对湿度十分敏感的元件。
湿度变化对三极管参数的影响主要表现在以下三方面：
首先，从输入特性看，当温度升高时，为得到同样的IB所需的UBE值将减小。
在单管共射放大电路中,当UBEQ减小时IBQ将增大。
但因一般情况下总是VCC》UBEQ，所以，UBEQ减小而引起IBQ的增大并不明显。
三极管UBE的温度系数约为－2mV／。
C，即温度每升高1。
C，UBE约下降2mV。
其次，湿度升高时三极管的β值也将增加，使输出特性之间的间距增大。
温度每升高1。
C，β值约增加0.5％～1％，但对不同的三极管，β的温度系数分散系数分散性比较大。
最后，当温度升高时，三极管的反向饱和电流ICBO将急剧增加。
这是因为反向电流是由少数载流子形成的，因此受温度影响比较严重。
温度每升电流是由少数载流子形成的，说明ICBO将随温度按指数规律上升。
2．5．2 静态工作点稳定电路
一、电路组成
上图给出了最常用的静态工作点稳定电路。
不难发现，此电路与前面介绍的单管共射放大电路的差别，在于发射极接有电阻Re和电容Ce，另外，直流电源VCC经电阻Rb1、Rb2分压后接到三极管的基极，所以通常称为分压式工作点稳定电路。
在上图所示的电路中，三极管的静态基极电位UBQ由VCC经电阻分压后得到，故可认为其不受温度变化的影响，基本上是稳定的。
当集电极电流ICQ随温度的升高而增大时，发射极电流IEQ也将相应地增大，此IEQ流过Re使发射极电位UEQ升高，则三极管的发射结电压UBEQ＝UBQ－UEQ将降低，从而使静态基流IBQ减小，于是ICQ也随之减小，结果使静态工作点基本保持稳定。
可见，本电路是通过发射极电流的负反馈作用牵制集电极电流的变化，使Q点保持稳定，所以上图所示的电路也称为电流负反馈式工作点稳定电路。
显然，Re愈大，同样的IEQ变化量所产生的UEQ的变化量也愈大，则电路的温度稳定性愈好。
但是，Re增大以后，UEQ值也随之增大，此时，为了得到同样的输出电压幅度，必须增大VCC值。
前已分析，如果仅接入发射极电阻Re，则电压放大倍数将大大降低。
在本电路中，在Re两端并联一个大电容Ce，若Ce足够大，则Re两端的交流压降可以忽略，此时，Re和Ce的接入对电压放大倍数基本没有影响。
Ce称为旁路电容。
为了保证UBQ基本稳定，要求流过分压电阻的电流IR比IBQ大得多，为此希望电阻Rb1、Rb2小一些，但Rb1、Rb2减小时，电阻上消耗的功率将增大，而且放大电路的输入电阻将降低。
在实际工作中，通常选用适中的Rb1、Rb2值，IR=IBQ，且UBQ＝（5～10）UBEQ。
二、静态与动态分析
当旁路电容Ce足够大时，在分压式工作点稳定电路的交流通路中可视为短路。
此时这种工作点稳定电路实际上也是一个共射放大电路，故可利用图解法或微变等效电路法来分析其动态工作情况。
经过分析可知，分压式工作点稳定电路的电压放大倍数与单管共射放大电路相同
2．6 放大电路的三种基本组态2．6．1 共集电极放大电路
上图（a）是一个共集组态的单管放大电路，由上图（b）的等效电路可以看出，输入信号与输出信号的公共端是三极管的集电极，所以属于共集组态。
又由于输出信号从发射极引出，因此这种电路也称为射极输出器。
下面对共集电极放大电路进行静态和动态分析。
一、静态工作点
根据上图（a）电路的基极回路可求得静态基极电流为
（2.6.1）
二、电流放大倍数
由上图（b）的等效电路可知
Ai=-（1+β）（2.6.4）
三、电压放大倍数
由上图（a）可得
Re’=Re//RL
由式（2．6．4）和（2．6．5）可知，共集电极放大电路的电流放大倍数大于1，但电压放大倍数恒小于1，而接近于1，且输出电压与输入电压同相，所以又称为射极跟随器。
四、输入电阻
由图2．6．1（b）可得
Ri=rbe+（1+β）Re’
由上式可见，射极输出器的输入电阻等于rbe和（1＋β）R、e相串连，因此输入电阻大大提高了。
由上式可见，发射极回路中的电阻R、e折合到基极回路，需乘（1＋β）倍。
五、输出电阻
在上图（b）中，当输出端外加电压U。
，而US=0时，如暂不考虑Re的作用，可得下图。
由图可得
由上式可知，射极输出器的输出电阻等于基极回路的总电阻（）除以（1＋β），因此输出电阻很低，故带负载能力比较强。
由上式也可见，基极回路的电阻折合到发射极，需除以（1＋β）。
2．6．2 共基极放大电路
上图（a）是共基极放大电路的原理性电路图。
由图可见，发射极电源VEE的极性保证三极管的发射结正向偏置，集电极电源VCC的极性保证集电结反向偏置，从而可以使三极管工作在放大区，因输入信号与输出信号的公共端是基极，因此属于共基组态。
为了养活直流电源的种类，实际电路中一般一再另用一个发射极电源VEE，而是采用如上图（b）的形式，将VCC在电阻Rb1、Rb2上分压得到的结果接到基极。
当旁路电容Cb足够大时，可认为Rb1两端电压基本稳定。
可以看出，此电压能够代表VEE，保证发射结正向偏置。
2．6．3 三种基本组态的比较
根据前面的分析，现对共射、共集和共基三种基本组态的性能特点进行比较，并列于表2－1中。
上述三种接法的主要特点和应用，可以大致归纳如下：
①共射电路同时具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，输入电阻和输出电阻值比较适中，所以，一般只要对输入电阻、输出电阻和频率响应没有特殊要求的地方，均常采用。
因此，共射电路被广泛地用作低频电压放大电路和输入级、中间级和输出级。
②共集电路的特点是电压跟随，这就是电压放大倍数接近于1而小于1，而且输入电阻很高、输出电阻很低，由于具有这些特点，常被用作多级放大电路的输入级、输出级或作为隔离用的中间级。
首先，可以利用它作为量测放大器的输入级，以减小对被测电路的影响，提高量测的精度。
其次，如果放大电路输出端是一个变化的负载，那么为了在负载变化时保证放大电路的输出电压比较稳定，要求放大电路具有委低的输出电阻。
此时，可以采用射极输出器作为放大电路的输出级。
③共基电路的突出特点在于它具有很低的输入电阻，使晶体管结电容的影响不显著，因此频率响应得到很大改善，所以这种接法常常用于宽频带放大器中。
另外，由于输出电阻高，共基电路还可以作为恒流源。
2．7．1 共源极放大电路
根据场效应管的上述特点，利用双极型三极管与场效应管的电极对应关系，即b→G，e→S，c→D，即可在单管共射放大电路的基础上，组成共源极放大电路。
上图是一个由N沟道增强型MOS场效应管组成的单管共源极放大电路的原理电路图。
为了使场效应管工作在恒流区以实现放大作用，对于N沟道
增强型MOS管来说，应满足以下条件：
uGS＞UT
uDS＞uGS-UT
其中UT为N沟道增强型MOS场效应管的开启电压。
一、静态分析
为了分析共源极放大电路的静态工作点，可以利用近似估算法或图解法。
（一）近似估算法
在上图中，由于MOS场效应管的栅极电流为零，因此电阻RG上没有电压降，则当输入电压等于零时
UGSQ＝VGG （2．7．1）
由上图可得
UDSQ＝VDD－IDQRD （2．7．4）
（二）图解法
为了用图解法确定静态工作点，应先画出直流负载线。
由上图电路的漏极回路可列了以下方程：
uDS＝VDD－iDRD
根据以上方程，在场效应管的输出特性曲线上画出直流负载线，如下图所示。
直流负载线与uGS=UGSQ＝VGG的一条输出特性的交点即是静态工作点Q。
由图可得静态时的IDQ和UDSQ，见下图。
二、动态分析
同样可以利用微变等效电路法对场效应管放大电路进行动态分析。
首先讨论场效应管的等效电路。
由于漏极电流iD是栅源电压uGS和漏源电压uGS的函数,根据式（2．7．8）可画出场效应管的微变等效电路，如下图所示。
图中栅极与源极之间虽然有一个电压Ugs，但是没有栅极电流，所以栅极是悬空的。
D、S之间的电流源gmUgs也是一个受控源，体现了Ugs对Id的控制作用。
等效电路中有两个微变参数：
gm和rDS。
它们的数值可以根据式（2．7．6）和（2．7．7）中的定义，在场效应管的特性曲线上通过作图的方法求得。
一般gm的数值约为0.1至20mS。
rDS的数值通常为几百千欧的数量级。
当漏极负载电阻RD比rDS小得多，可认为等效电路中的rDS开路。
2．7．2 分压－自偏压式共源放大电路
静态时，栅极电压由VDD经电阻R1、R2分压后提供，静态漏极电流渡过电阻RS产生一个自偏压，场效应管的静态偏置电压UGSQ由分压和自偏压的结果共同决定，因此称为分压－自偏压式共源放大电路。
引入源极电阻RS也有利于稳定静态工作点，而旁路电容CS必须足够大，以免影响电压放大倍数。
接入栅极电阻RG的作用是提高放大电路的输入电阻。
（一）近似估算法
根据图2．7．7的输入回路可求得
UDSQ＝VDD－IDQ（RD＋RS） （2．7．13）
（二）图解法
为了分析分压－自偏压式共源放大电路的静态工作点，也可心在场效应管转移特性和漏极特性上利用作图的方法求解。
表达式可用一条直线表示，见上图（a）。
另外，iD与uGS之间又必须满足转移特曲线的规律，所以二者的交点即是静态工作点Q。
根据转移特性上Q点的位置可求得静态的UGSQ和IDQ值，见上图（a）。
电路的漏极回路可列出以下方程：
uDS＝VDD—iD（RD＋RS）
由此可在漏极特性曲线上画出直流负载线，见上图（b）。
直流负载线与uGS＝UGSQ一条漏极特性的交点确定了漏极特性曲线上Q点的位置。
由此可找到静态时的UDSQ和IDQ值。
2．8 多级放大电路
用一个放大器件组成的单管放大电路，其电压放大倍数一般只能达到几十倍，其他技术指标也难以达到实用的要求，因此在实际工作中，常常把若干个单管放大电路连接起来，组成所谓的多极放大电路。
多级放大电路内部各级之间的连接方法称为耦合方式。
本节首先从这个问题开始讨论。
2．8．1 多级放大电路的耦合方式
常用的耦合方式有三种，即阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。
一、阻容耦合
上图画出了一个两级放大电路。
由图可见，电路的第一级与第二级之间通过电阻和电容元件连接，故称为阻容耦合放大电路。
阻容耦合方式的优点是，由于前、后及之间通过电容相连，所以各级的直流电路互不相通，每一级的静态工作点是相互独立的，不致互相影响，这样就给分析、设计和调度带来了很大的方便。
而且，只要耦合电容选得足够大，就可以做到前一级的输出信号在一定的频率范围内几乎不衰减地加到后一级的输入端上去，使信号得到了充分
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