1、第二章基本放大电路 放大电路一般由电压放大和功率放大两部分组成 先由电压放大电路将微弱信号加以放大去推动功率放大电路 再由功率放大电路输出足够大的功率去推动执行元件 电压放大电路通常工作在小信号情况下 而功率放大电路通常工作在大信号情况下 在工业电子技术中 常用的交流放大电路是低频放大电路 其工作频率通常在20Hz 20000Hz 2 1共射极基本放大电路 1 电路组成 2 1共射极基本放大电路 2 各元件作用 晶体管T 图中的T是放大电路的放大元件 利用它的电流放大作用 在集电极电路获得放大的电流 这电流受输入信号的控制 从能量观点来看 输入信号的能量是较小的 而输出信号的能量是较大的 但不
2、是说放大电路把输入的能量放大了 能量是守恒的 不能放大 输出的较大能量来自直流电源EC 即能量较小的输入信号通过晶体管的控制作用 去控制电源EC所供给的能量 以便在输出端获得一个能量较大的信号 这种小能量对大能量的控制作用 就是放大作用的实质 所以晶体管也可以说是一个控制元件 集电极电源UCC 它除了为输出信号提供能量外 还保证集电结处于反向偏置 以使晶体管起到放大作用 UCC一般为几伏到几十伏 集电极负载电阻RC 它的主要作用是将已经放大的集电极电流的变化变换为电压的变化 以实现电压放大 RC阻值一般为几千欧到几十千欧 基极电源EB和基极电阻RB 它的作用是使发射结处于正向偏置 串联RB是为
3、了控制基极电流IB的大小 使放大电路获得较合适的工作点 RB阻值一般为几十千欧 耦合电容C1和C2 它们分别接在放大电路的输入端和输出端 利用电容器对直流的阻抗很大 对交流的阻抗很小这一特性 一方面隔断放大电路的输入端与信号源 输出端与负载之间的直流通路 保证放大电路的静态工作点不因输出 输入的连接而发生变化 另一方面又要保证交流信号畅通无阻地经过放大电路 沟通信号源 放大电路和负载三者之间的交流通路 通常要求C1 C2上的交流压降小到可以忽略不计 即对交流信号可视作短路 所以电容值要求取值较大 对交流信号频率其容抗近似为零 一般取值5 50 F 用的是极性电容器 因此联接时一定要注意其极性
4、RL是外接负载电阻 故在C1与C2之间为直流与交流信号叠加 而在C1与C2外侧只有交流信号 表2 1放大电路中电压 电流符号含义 2 1 2放大电路的分析 1 静态分析 无输入信号 ui 0 时的电路状态称为静态 此时只有直流电源UCC加在电路上 三极管各极电流和各极之间的电压都是直流量 分别用IB IC UBE UCE表示 它们对应着三极管输入输出特性曲线上的一个固定点 习惯上称它们为静态工作点 简称Q点 a b c 图2 2共发射极放大电路的直流通路和静态工作点 a 直流通路 b 输出回路 c 图解分析 1 估算法 由图2 2 a 的输入回路 UCC RB B极 E极 地 可知 UCC I
5、BRB UBE 则 式中UBE 对于硅管约为0 7V 锗管约0 3V 绝对值 由于UCC和RB选定后 IB 偏流 即为固定值 所以图2 1所示电路又称为固定偏流式共射放大电路 一般UCC UBE 故式 2 1a 可近似为 在忽略ICEO的情况下 根据三极管的电流分配关系可得 IC IB 由图2 2 a 的输出回路 UCC RC C极 E极 地 可知 UCE UCC ICRC 至此 根据式 2 1 2 3 就可以估算出放大电路的静态工作点 2 1a 2 1b 2 2 2 3 2 图解法 用图解法确定放大电路的静态工作点的步骤如下 作直流负载线 图2 2 b 所示电路是图2 2 a 直流通路的输出
6、回路 它由两部分组成 以AB两点为界 左边是非线性部分 三极管 右边是线性部分 由电源UCC和RC组成的外部电路 由于三极管和外部电路一起构成输出回路的整体 因此在这个电路中的iC和UCE既要满足三极管的输出特性 又要满足外部电路的伏安特性 于是 由这两条特性曲线的交点便可确定出IC和UCE 由图2 2 b 可知 外部电路的伏安特性为 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 便得到了外部电路的伏安特性曲线 如图2 2 c 所示 由于该直线由直流通路定出 其斜率为tg 由集电极负载电阻RC决定 故称之为输出
7、回路的直流负载线 2 4 求静态工作点 IB通常由式 2 1b 式估算出 直流负载线MN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2 2 c 所示 例2 1 试分别用估算法和图解法求图2 1所示放大电路的静态工作点 已知该电路中UCC 12V 三极管 37 5 RB 300K RC 4K RL 4K 直流通路如图2 2 a 所示 输出特性曲线如图2 2 c 所示 解 1 用估算法求静态工作点 由式 2 1 2 3 得 IB 0 04mA 40 A IC IB 37 5 0 04mA 1 5mA UCE UCC ICRC 12 1 5 4 6V 2 用图解法求静态工作点 由
8、uCE UCC iCRC 12 4iC 可知 iC 0时 uCE UCC 12V 得M点 12 0 uCE 0时 iC UCC RC 12 4 3mA 得N点 0 3 如输出特性曲线2 2 c 图所示 连接MN两点的直线与iB IB 40 A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 40 A IC 1 5mA UCE 6V 与估算法所得结果一致 2 动态分析 所谓动态 是指放大电路输入端接入输入信号ui后的工作状态 此时 放大电路在输入电压和直流电源UCC共同作用下工作 电路中既有直流分量 又有交流分量 三极管各极的电流和各极之间的电压都在静态值的基础上叠加了一个随输入
9、信号ui作相应变化的交流分量 它们对应着三极管输入输出特性曲线上一个变化的点 习惯上称之为动态工作点 简称为工作点 由放大电路交流通路的原则是 直流电源内阻很小 不存在交流压降 作短路处理 电容C1 C2足够大 对交流量可视为短路 据此 可画出图2 1的交流通路如图2 3所示 图2 3共射放大电路交流通路 1 图解法 1 输入回路中电压uBE和iB的波形 现以图2 3为例进行分析 它的静态工作点Q重新标在图2 4所示的输入输出特性曲线上 分析步骤如下 设输入信号为ui 0 02sin t V 的正弦信号 且其内阻为零 当它加到放大电路的输入端后 就在直流量UBE上叠加了交流量ui ube 即u
10、BE UBE ube 0 7V 0 02sin t V 如图2 4 a 曲线 所示 同时引起基极电流变化范围为20 A到60 A 即在静态IB 40 A基础上变化 20 A 根据uBE的波形 在输入特性曲线上 可画出对应的iB波形 如图2 4 a 曲线 所示 它是在直流量IB上叠加了交流量ib 即iB IB ib 40 A 20sin t A b 图2 4共发射极放大电路波形 a uBE iB的波形图 b uCE iC的波形图 2 输出回路中电压uCE和电流iC的波形 作交流负载线 在图2 3所示的交流通路中电压和电流都是交流成分 故放大电路的等效交流负载为 R L RC RL 交流负载线的斜
11、率为 tg 即 正切的三角形中对边长度Q点的IC 1 5mA 邻边Q点的UCE 6V再向右取3V 即UCE ICRL 6 3 V 9V 如图2 4A点所示 将A点与Q点相连 延伸线AB即为交流负载线 由于R L RC 故交流负载线稍陡一些 画iC和uCE的波形 当电流iB在直流量IB 40 A 的基础上 幅值为20 A 变化 故交流负载线与输出特性曲线的交点 即动态工作点也随之变化 由点Q 点 点 点 点 如图2 4 b 所示 根据工作点移动的轨迹 可画出iC和uCE的波形 如图2 4 b 曲线 所示 由图可见 iC的变化范围是0 75 2 2 5mA 即iC IC ic 1 5 0 75si
12、n t mA 而uce的变化范围是4 5 7 5V 故uCE UCE uce 6 1 5sin t 1800 V uCE中的交流量就是输出电压 即uo uce 1 5sin t 1800 V 1 5sin tV 上式表明输出电压uo比输入电压ui放大了 1 5V 0 02V 75倍 而负号表示uo与ui的相位相反 图2 5非线性失真 3 放大电路的非线性失真 2 微变等效电路法 1 三极管微变等效电路 b 图2 8三极管的微变等效电路 a 三极管 b 等效电路 2 共射极放大电路的微变等效电路 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U
13、CC短接 将输入耦合电容C1和输出耦合电容C2短接 图2 1的微变等效电路如图2 8所示 图2 8共发射极基本放大电路的微变等效电路 其步骤为 首先画出放大电路的交流通路 然后用三极管的微变等效电路代替三极管 得到整个放大电路的微变等效电路 再借助电路分析方法求解电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 3 动态性能分析 电压放大倍数Au 输入电阻Ri 输出电阻Ro 例2 2 试用微变等效电路法求例2 1电路的 1 动态性能指标Au Ri Ro 2 断开负载RL后 再计算Au Ri Ro 其交流通路和微变等效电路如图2 11所示 a b 图2 11例2 2的图 a 交流通路 b 微变等效电路 解 1
14、由例2 1可知 IE 1 5mA 故 967 Ri RB rbe 300 0 967 0 964k Ro RC 4k 2 断开RL后 Ri RB rbe 300 0 967 0 964k Ro RC 4k 2 1 3放大电路的改进 射极偏置电路 2 13射极偏置电路 a 电路图 b 微变等效电阻 例2 3 图2 14是某扩音机的前置放大器电路 已知晶体管3DG201的电流放大系数 50 其它参数如图 1 静态工作点 2 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 3 不接CE时的电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 4 若换用 100的三极管 重新计算静态工作点和电压放大倍数 解 1 求静工作点 UB 3
15、5V IC 1 4mA IB 0 028mA 28 A UCE 12 1 4 3 2 5V 2 求Au Ri Ro 3 计算不接CE时的A U R i R o 当射极偏置电路中CE不接或断开时 RE将影响动态性能 此时交流通路如图2 14 a 所示 图2 14 b 为对应的微变等效电路 b 图2 14不接CE时的电路 a 交流通路 b 微变等效电路 由图2 14 b 可得 故 ri rbe 1 RE R i ri RB1 RB2 rbe 1 RE RB1 RB2 2 17 2 16 根据输出电阻的定义 可得用加压求流法计算输出电阻的等效电路如图2 15所示 从图可知Ib 0 所以 图2 15不
16、接CE时求输出电阻的等效电路 将有关数据分别代入 2 16 2 18 得 0 36 R i 103 25k R o 3k 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 2 18 4 当改用 100的三极管后 其静态工作点为 IE 1 4mA IC IE 1 4mA IB 14 A UCE 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 的管子 但静态工作点基本上不变 此时 2 2共集电极放大电路与共基极放大电路 2 2 1共集电极放大电路 a b 图2 16共集电极放大电路 a 电路图 b 微变等效电路 1 静态分析 由图2 16 a 可
17、得方程 UCC IBRB UBE 1 IBRE 则 IB IC IB UCE UCC IERE UCC ICRE 2 21 2 20 2 19 2 动态分析 1 电压放大倍数Au 2 输入电阻Ri Ri RB i RB rbe 1 R L 3 输出电阻Ro 例2 4 若图2 16电路中各元件参数为 UCC 12V RB 240k RE 3 9k RS 600 RL 12k 60 C1和C2容量足够大 试求 Au Ri Ro 解 由式 2 19 得 IE IC IB 60 25 1 5mA 因此 rbe 300 1 300 1 60 1 4k 又 RL RE RL 2 9k 由式 2 22 2
18、24 得 Ri RB rbe 1 RL 200 1 4 1 60 2 9 102k 3 特点和应用 共集电极放大电路的主要特点是 输入电阻高 传递信号源信号效率高 输出电阻低 带负载能力强 电压放大倍数小于1而接近于1 且输出电压与输入电压相位相同 具有跟随特性 虽然没有电压放大作用 但仍有电流放大作用 因而有功率放大作用 这些特点使它在电子电路中获得广泛应用 1 作多级放大电路的输入级 2 作多级放大电路的输出级 3 作多级放大电路的缓冲级 图2 22共基极放大电路 图2 23共基极放大电路的微变等效电路 2 2 2共基极放大电路 动态分析 3 三种基本放大电路的比较 上面介绍了基本放大电路
19、的三种组态 现将它们的特点及其应用作一比较 1 共射电路的电压放大倍数及电流放大倍数都比较高 同时 输入电阻与输出电阻也比较适中 当对输入 输出电阻没有特殊要求时 均常采用 常用于低频电压放大的输入中间级 和输出级 2 共集电路具有电压跟随的特点 输入电阻很高 输出电阻很低 利用它的输入电阻高的特点 用做多级放大电路的输入级 可以减小对信号源的影响 还可以放在多级放大电路的中间 起隔离作用 另外 利用它的输出电阻低 带负载能力强的特点 作输出级 3 共基电路的特点是输入电阻低 使晶体管结电容的影响不明显 其截止频率很高 频响好 适用于高频电路中作宽频带放大器 另外 还可以利用它的输出电阻高的特
20、点做恒流源 2 3场效应管放大电路 2 3 1 场效应管偏置电路及静态分析 1 自偏压电路 2 分压偏置电路 图2 24自偏压电路 图2 25分压式偏置电路 对于图2 24电路 求静态工作点时 可联立式 2 28 和式 1 6 即 对于图2 25所示电路 可联立式 2 29 和式 1 6 即 2 3 2 场效应管放大电路的微变等效电路分析 1 场效应管微变等效电路 从输入电路看 由于场效应管输入电阻rgs极高 108 1015 栅极电流ig 0 所以 可认为场效应管的输入回路 g s 极间开路 从输出回路看 场效应管的漏极电流id主要受栅源电压ugs控制 这一控制能力用跨导gm表示 即id g
21、mugs 因此 场效应管的输出回路可用一个受栅源电压控制的受控电流源来等效 图2 26场效应管微变等效电路 2 共源极放大电路 Ri RG Ro RD 例2 5 N沟道结型场效应管自偏压放大电路如图2 28所示 已知UDD 18V RD 10k RS 2k RG 4M RL 10k gm 1 16ms 试求 Au Ri Ro 图2 28例2 5的电路图 解 由式 2 30 2 32 得 Ri RG 4M Ro RD 10k 3 共漏极放大电路 a b 图2 29共漏极放大电路 a 电路图 b 微变等效电路 Ri RG 1 对功率放大电路的基本要求 1 输出功率尽可能大 2 非线性失真要小 3
22、效率要高 4 功率管的散热好 2 4功率放大电路 图2 31放大电路的工作状态 a 甲类 b 甲乙类 c 乙类 a b c 由图2 31可见 在甲乙类和乙类状态下工作时 虽然提高了效率 但产生了严重的失真 为此 采用两个管配合使用的互补对称放大电路 它既能提高效率 又能减小信号波形的失真 2 提高效率的途径 a b c 图2 32乙类互补对称功率放大电路 a T1管导通 b T2管导通 c 互补全波输出 1 乙类OCL基本互补对称功率放大电路 2 4 2互补对称功率放大电路 参数计算 最大的输出功率 直流功率 PU 管耗 效率 78 5 例2 6 在图2 35所示电路中 UCC 24V RL
23、8 试求 1 当输入信号Ui 12V 有效值 时 电路的输出功率 管耗 直流电源供给的功率及效率 2 输入信号增大至使管子在基本不失真情况下输出最大功率时 互补对称电路的输出功率 管耗 电源供给的功率及效率 3 晶体管的极限参数 解 1 在Ui 12V有效值时的幅值为 考虑到互补对称电路是射极跟随器 其电压放大倍数接近于1 因此输出电压近似等于输入电压且同相 即Uom Ui 17V 由式 2 36 可得 由式 2 38 可得 由式 2 40 可得两只管子的管耗为 PV PU Po 32 5 18 1 14 4W 由式 2 41 可得 2 在最大输出功率时 最大输出电压为24V 此时 要求输入信
24、号的幅值也是24V 即Uim Uom 由式 2 35 可得 由式 2 38 可得 由式 2 39 可得两只管子的管耗为 PV PU Po 45 8 36 9 8W 此时两管的功耗并不是最大功耗 由式 2 41 可得 3 晶体管的极限参数 PCM 0 2Pom 0 2 36 7 2W 每一管 U BR CEO 2UCC 2 24 48V ICM 3A 3 甲乙类OTL单电源互补对称功率放大电路 2 36单电源OTL功放电路 2 4 3集成功率放大器 图2 40集成功率放大器LM386 a LM386内部原理电路 b 外引线排列 2 5多级放大电路 图2 47多级放大电路组成框图 Ri Ri1 Ro Ron 多级放大电路分析 多级放大电路的频率特性 图2 50两级放大电路的频率特性 a 幅频特性 b 相频特性
