基本放大电路I.docx

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基本放大电路I

第2章基本放大电路

问题1：

基本放大电路组成时应注意什么？

以图1典型的共射组态基本放大电路为例加以说明。

组成放大电路时必须使三极管处于放大状态，即发射结正偏，集电结反偏；必须保证信号能正常传输，即信号能加到三极管的输入端，放大后的信号能从三极管的输出电极加到放大电路的负载上。

发射结正偏是通过偏置电阻实现的，在此基本放大电路采用的是NPN型三极管，正偏时，基极电流应流入三极管的基极。

基极电流由直流电源VCC提供，电流按图中的箭头指示方向流动，由高电位向低电位流。

对共射组态，输入信号应加在发射结上，信号源的一端通过耦合电容C1加到基极，另一端则通过地线，旁路电容Ce加到发射极，从而将信号加到了三极管的输入端。

应该注意的是，信号源的接入不应破坏三极管的偏置，否则放大电路将不能正常工作。

因有耦合电容C1，直流偏置不会被信号源短路，因为信号源的内阻很小，如果没有C1，直流偏置电流将被信号源旁路，三极管就不能得到偏流而截止。

图1

在输出回路，VCC通过Rc向集电极提供电源，只要Rc的阻值不过分大，集电极的电位就可以保证高于基极，从而使集电结反偏。

集电极电位

即可满足反偏，这个条件是十分容易满足的。

如果Rc的阻值太大，不满足上述条件，集电结可能正偏，三极管进入饱和区。

同样负载电阻的接入不应影响集电结的反偏，如果没有耦合电容C2，负载电阻RL的接入，将把集电极的直流电位拉低。

若RL很小，Uc向0接近，此时集电结就正偏，三极管也不能放大，所以输出回路的耦合电容C2也不可缺少。

问题2：

如何理解放大电路的静态和动态？

静态—输入信号等于0时，即

时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。

动态—输入信号不等于0时，即

时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。

如果对第一个问题了解了，静态和动态的问题就不难理解。

分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提，没有正确的静态就不可能有正确的动态。

在进行放大电路动态分析之前，必须先进行静态分析，静止工作状态正确了，动态的分析才有意义。

就好象有一个扩音机，已经通电，但没有人对着麦克风讲话，喇叭中没有被放大了的讲话声，这相当静态。

如果一旦讲话，喇叭中就有放大的声音传出，这相当于动态。

显然没有静态，你对着麦克风讲话，扩音机中的放大电路是不会放大声音的，没有静态就没有动态。

又例如一辆汽车发动机已经启动，但是汽车的离合器还没有合上，汽车是不会行走的，这相当静态；一旦合上了离合器汽车才能行走，这是动态。

汽车的发动机没有启动，也就是没有静态，你就是合上离合器，汽车也不会行走。

如果学习完放大电路的交流工作状态后，实际上静态工作点就是给放大电路确立一个合适的动态范围。

如果信号很小，工作点Q低一些，即IC可以小一些，也可以获得不失真的输出。

问题3：

如何确定放大电路的直流通路和交流通路？

1．首先要明确直流通路和交流通路的概念。

从三极管的三个电极向外电路看，能够通过直流的电路就是直流通路；能够通过交流的电路就是交流通路。

2．其次要会确定放大电路的直流通路和交流通路。

放大电路的一部分元件是属于直流通路，一部分元件是属于交流通路，有一部分元件既属于直流通路又属于交流通路。

对于画直流通路，电容器可视为开路。

对于画交流通路，在交流信号传输通路中的大容量电容器可以视为短路，直流电源因内阻很小，对交流信号可视为短路。

所以图1电路的直流、交流通路分别见图2和图3。

图1图2直流通路图3交流通路

图4图5直流通路图6交流通路

对于图4电路，与图1的差别在三极管的集电极回路中串入了一个电阻R，这个电阻起去耦合作用，往往用于放大电路的输入级，以滤除后级的干扰。

对直流通路电容器C开路，所以R应计算在直流通路之中，图4电路的直流通路见图5。

对交流通路因C的旁路作用，电阻R则不计算在内，交流通路见图6。

问题4：

放大电路中的信号有何特点？

这个问题与上一个问题有一定的内在联系。

对于放大电路的静态，有直流电流流经直流通路；对于放大电路的动态，有交流电流流经交流通路。

既处于直流通路又处于交流通路的部分，是直流和交流的叠加。

例如图7电路所示的波形图，uce代表交流信号，小写u小写下标；UCE代表静态工作点的直流，大写U大写下标；uCE代表交、直流信号的叠加，小写u大写下标。

所以，有如下关系：

uCE=UCE+uce

uce代表交流信号经静态工作点UCEuCE信号，交直流

C2耦合的输出波形是直流信号叠加，集电极波形

图7基本放大电路中的信号波形图

问题5：

在实验中测试电压放大倍数、输入电阻和输出电阻应注意什么？

放大倍数一般是指输出波形与输入波形之比，输出波形不能有失真。

不过任意波形不便于测量，所以放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻都是按正弦量定义的。

所以在实验时，要测量这几个技术指标，必须保证放大电路的输出不失真，需要用示波器监测输出信号。

问题6：

分压偏置有何优点？

分压偏置基本放大电路有稳定工作点的特点，这是因为三极管是一种对温度非常敏感的半导体器件，温度变化将导致集电极电流的明显改变，这将造成静态工作点的移动，有可能使输出信号产生失真。

在实际电路中，要求流过Rb1和Rb2串联支路的电流远大于基极电流IB。

这样温度变化引起的IB的变化，对基极电位就没有多大的影响，就可以用Rb1和Rb2的分压值来确定基极电位。

采用分压偏置以后，基极电位提高，为了保证发射结压降正常，就要串入发射极电阻Re。

Re的串入有稳定工作点的作用。

如果集电极电流随温度升高而增大，则发射极对地电位升高，因基极电位基本不变，故UBE减小。

从输入特性曲线可知，UBE的减小基极电流将随之下降，根据三极管的电流控制原理，集电极电流将下降，反之亦然。

这就在一定程度上稳定了工作点。

分压偏置基本放大电路具有稳定工作点的作用，还可以从反馈的角度来说明。

当满足偏置电阻中的电流远大于基极电流的条件时，分压偏置对于三极管β参数的一致性要求不高，也就是说，β大小不同，得到的工作点UCE参数基本不变。

问题7：

如何对基本放大电路进行计算？

通过例题加以说明。

有一基本放大电路如图8所示，已知VCC=15V、Rc=3k、Rb1=39k、Rb2=11k、Re=1.3k、RL=10k，UBE=0.7V，=99，耦合电容的容量足够大。

试计算电路的中频电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

图8电路图图10中频微变等效电路

1．直流计算如下：

由图8电路的直流通路，可以有

Rb′=Rb1∥Rb2=39//11=8.58k

静态基极电流

静态集电极电流为

ICQ=IBQ=9918.76A=1.857mA

静态三极管的管压降

UCEQ=VCC－ICQRc－IEQRe=VCC－ICQ（Rc+Re）

=15－1.857（3+1.3）=15－7.98=7.02V

发射极对地的静态电压

UEQ=IEQReICQRe=1.8571.3=2.41V

下面根据计算值判断三极管是否处于放大区。

先计算基极对地的静态电压，可参阅图8。

UBQ=V’CC－IBQR’b=3.3－0.018768.58=3.14V

集电极对地的静态电压

UCQ=VCC－ICQRc=15－1.8573=15－5.57=9.43V

发射结电压UBEQ=UBQ－UEQ=3.14－2.41=0.73V

集电结电压UBCQ=UBQ－UCQ=3.14－9.43=－6.29V

由计算结果可以看出三极管的发射结正偏，集电结反偏，所以三极管是处于放大区。

2．交流计算如下：

在图8中，因Ce去掉，发射极通过Re接地，与图1有所不同，画出的微变等效电路如图10所示，所以电压增益可以推导如下

由微变等效电路可得电压增益的表达式

所以，可得电压增益的表达式

先计算三极管的输入电阻rbe

代入数据得

输入电阻

=[1.7+130]//39//11=8.06kΩ

输出电阻

=3kΩ

问题8：

如何理解电阻归算的概念？

在计算放大电路基极电流时，公式

分母中的（1+β）Re的物理概念可以这样理解。

因为对于图1、图9写列基极电流方程时，在基极电流流过的电路网眼中电流不等，在基极是IB，在发射极是IE，为了保证基极电流流过Re，产生的电压降与IE流过时一样，所以要将Re乘以（1+β）。

这是放大电路中经常使用的电阻归算的概念，将发射极回路的电阻归算到基极回路，要乘以（1+β）；将电阻从基极回路归算到发射极回路要除以（1+β）。

问题9：

如何对CE组态基本放大电路进行图解分析？

以图11电路为例说明图解过程。

在基极回路可以列出方程式

式中

，Rb′=Rb1∥Rb2

图11图12

在三极管的输入特性曲线上做放大电路输入回路的直流负载线，直流负载线与输入特性曲线的交点即是工作点Q。

Q点对应的发射结电

压UBEQ，在uBE和时间t坐标平面上，画输入电压波形，图中是一个三角波，对应1、2、3、4、5五个点，于是可以得到iB的波形图，见图12。

图13iB的变化可以得到iC的变化，在输出特性曲线的旁边可画出iC和t的关系曲线，由此可得到uCE和时间t的关系曲线，见图13。

问题10：

交流负载线与直流负载线有何关系？

交流负载是放大电路输出回路交流通路的等效负载电阻值，象直流负载线一样，将交流负载画在输出特性曲线上，即为交流负载线。

根据图11的放大电路的交流通道，该放大电路的集电极输出回路的交流负载电阻是RL∥Rc，因为直流电源对交流相当于短路。

具体作图如图14所示。

通过静态工作点Q做一条直线，斜率为-1/R’L，R’L=RL∥Rc，这条直线即为交流负载线。

由于交流负载电阻小于直流负载电阻，所以，在输出特性曲线上，交流负载线比直流负载线陡。

可以作一条斜率为-1/R’L辅助线，然后通过Q点作交流负载线与辅助线平行。

从物理概念上可以这样解释，静态时，无信号变化，集电极电位是直流量，不能通过耦合电容。

所以，耦合电容C2上承受集电极静态时的电压值，RL中无电流。

当输入信号增加时，基极电流增加，集电极电流增加，Rc上的电压降增加，所以集电极电位比静态时下降，C2向集电极放电，集电极电流要增加得更多一些；当输入信号减小时，基极电流减小，集电极电流减小，集电极电位比静态时增加，向C2充电，流过Rc的电流被分流一

部分，集电极电流减小更多一些。

所以，交流负载线比直流负载线更陡一些。

显然交流负载线是在输入信号作用下，工作点的运动轨迹。

当输入信号越来越小，工作点的运动轨迹将缩向工作点Q。

当输入信号等于0时，变为静态，交流负载线收缩到Q点。

所以，交流负载线和直流负载线相交于静态工作点Q。

图14

问题11：

工作点与失真有何关系？

产生失真的原因有多种，动态范围受失真制约，它取决于工作点的位置，动态范围引起的失真是由于三极管的非线性引起的，称为非线性失真。

饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。

它是由于静态工作点接近饱和区，交流量在饱和区放大倍数低或不能放大而造成的。

截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真，它是由于静态工作点接近截止区，交流量在截止区不能放大而造成的。

采用NPN的共射放大电路的失真波形见图15。

要注意的是，不能简单地根据波形失真的位置来判断是饱和失真还是截止失真。

因为采用NPN管，还是PNP管，电源正负极性不同；另外是从集电极输出，还是从发射极输出都将影响波形失真的位置。

NPN管是正电源供电，在坐标曲线的上部电位最高（接近正电源电压），下部电位最低（接近地电位）。

PNP管是负电源供电，在坐标曲线的上部电位最高（接近地电位），下部电位最低（接近负电源电压）。

电位的高低这一点无论是NPN管，还是PNP管，在示波器坐标平面上都是一样的。

（a）截止失真（顶部）（b）饱和失真（底部）

图15NPN管集电极输出的截止失真和饱和失真

将三极管改为PNP型，应该用负电源供电。

如果波形仍为底部失真，应为截止失真。

因为用PNP管负电源供电，截止时集电极电位最负，在坐

标曲线纵坐标的下方。

将电路改为共集电极组态，输出端要改到发射极，输出电压的极性与集电极输出时正好相反。

对于NPN管正电源供电，截止时，电流最小，此时输出端电位靠近零。

所以，曲线下部靠近截止区。

饱和时，输出端的电位被拉向正电源，所以曲线上部靠近饱和区。

具体参

阅下表。

问题12：

如何求放大电路的输出电阻？

输出电阻是负载开路、输入信号源电势为零时，输出端口呈现的放大电路的等效交流电阻。

它表明放大电路带负载的能力，输出电阻Ro大，表明放大电路带负载的能力差，反之则强。

求输出电阻有二种方法。

方法一是从微变等效电路求，将负载电阻开路，信号源的电势短路，但信号源的内阻保留。

图16（a）是从输出端加一个假想电源

，根据

即可求出Ro。

图16（b）是图11的分压偏置共射基本放大电路，从微变等效电路求输出电阻的电路图。

由图可知RoRc。

第二种是通过实验求放大电路的负载特性曲线，然后根据曲线的斜率求出输出电阻。

见图17。

（a）方框图（b）从微变等效电路求输出电阻

图16用微变等效电路求输出电阻

（a）方框图（b）负载特性曲线

图17从负载特性曲线求输出电阻

问题13：

共集组态基本放大电路有何特点？

共集组态基本放大电路是一种十分有用的电路，它的特点是：

1．电压增益接近等于1，略小于1；

2．输出与输入同相；

3．输入电阻大，输出电阻小。

由特点1和2，共集组态基本放大电路又称电压跟随器。

由特点3，共集组态基本放大电路又称阻抗变换器。

对分立元件而言，双极型三极管组成的共集组态基本放大电路又称射极输出器；场效应三极管组成的共漏组态基本放大电路又称源极输出器。

问题14：

场效应管基本放大电路的偏置如何建立？

场效应管基本放大电路建立偏置的原则与双极型三极管偏置的建立，具有相同的原则。

只不过双极型放大电路建立的是偏流，而场效应管放大电路建立的是偏压。

场效应管放大电路没有发射结正偏和集电结反偏之说，因二者结构不同。

场效应管放大电路的偏置电路有二种形式，一是分压偏置电路，栅极对地有一定的电位UG。

以N沟道场效应管为例，栅压UG为正，此时源极电位US=IDRS。

如果采用的是耗尽型场效应管，UGS可正可负，所以可以UG>US,也可以UGUS，见图18。

如果采用的是自给偏压形式的电路，其偏压是靠UGS=-IDRS获得，所以只适合耗尽型场效应三极管，因为耗尽型场效应管在UGS=0时，就有ID，见图19。

如果采用增强型场效应管则无法建立自给偏压。

图18分压偏置（耗尽型、增强型）图19自给偏压（耗尽型）

问题15：

如何分析场效应管基本放大电路？

显然不论对共源组态还是共漏还是共栅组态基本放大电路，对其进行求解方法是一样的，都是将场效应管的中频微变等效电路画出，加上放大电路的交流通道，得到放大电路的中频微变等效电路。

现通过例题说明。

例1：

图20所示电路中，已知UGS=-2V，管子参数IDSS=-4mA，

UGS（off）=-4V。

电容在交流通道中可视为短路，rds的影响可以忽略不计。

要求：

1．求电流ID和电阻RS1；

2．求正常放大条件下，RS2可能的最大值；

3．画出微变等效电路，用已求得的参数计算

、Ri、Ro，；

图20图21

解：

1．此为耗尽型场效应管，可使用下列方程求解漏极电流

电路采用自偏压

UGS＝-IDRS1＝-2VRS1＝2k

2．RS2越大，UDS越小，大到一定程度，就不能保证工作在线性区（特性曲线的饱和区）。

进入饱和区的条件是漏端电压达到夹断电压以上，即

UDSmin≥UGS-UGS（off）＝-2–（-4）=2V

VDD＝ID（RD+RS1+RS2）+UDSmin

RDS2max＝[（VDD-UDSmin）/ID]-RD-RS1＝6k

3．求电压放大倍数，应先求跨导

根据图20画出微变等效电路，如图21所示。

由此可求出

输入电阻Ri

输出电阻Ro≈RD＝10k

例2：

用EWB分析图22共源结型场效应管基本放大电路的静态工作点和电压放大倍数，并与理论计算相比较。

已知IDSS=1mA、UGS（off）=-2V。

解：

1．静态工作点仿真，结果列在图22之中。

2．静态工作点理论计算。

先进行静态计算，由图22可得

UGS＝UG－US＝

UDS＝VDD－（RS＋Rｄ）ID

而ID＝IDSS（1－

上述方程组代入数据得两组解：

ID1＝0.46mAID2＝0.78mA

UGS1＝－0.6VUGS2＝－3.8V＜UGS（off）

第二组数据不合理，故工作点为：

ID＝0.46mA，UGS＝－0.6V，UDS＝6.8V。

理论计算结果与仿真结果在ID和UDS这两个指标上十分接近，UGS=-0.95V，差别较大。

图22例2静态工作点的仿真结果

3．动态计算。

用微变等效电路求电压放大倍数，微变等效电路见图23。

图23例2微变等效电路图

列方程，求解得：

Uo＝－gmUgsR’L

Au＝－gmR’L）

代入数据得：

Au＝－3.45

4．电压放大倍数的仿真。

Au＝－465/100=－4.65，比计算值大，这主要是由三极管参数差异造成的。

如果实际安装，实测值一般与计算值也会有差别，需要通过调试使电子电路的技术指标符合要求。