分立元件放大電路10.1共射極放大電路的組成10.2電路的電壓放大作用10.3共射極放大電路的靜態(tài)分析10.4波形失真與靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定10.5共射極放大電路的動(dòng)態(tài)分析10.6其他放大電路

控制器的輸出端直接驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí),由于控制器的輸出功率小,會(huì)出現(xiàn)無法帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。因此,通常在控制器與直流電動(dòng)機(jī)之間設(shè)置放大電路,用來提高控制器的帶載能力。類似的,傳感器將采集到的信息轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)后,只有將電信號(hào)放大到可以測(cè)量和利用的程度,才能驅(qū)使儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。可見,放大電路在電子設(shè)備中的應(yīng)用十分廣泛。

能力要素

(1)能夠識(shí)別固定式偏置、分壓式偏置放大電路,射極輸出器及多級(jí)放大電路。

(2)能夠繪制共射極放大電路的直流通路,并求解其靜態(tài)工作點(diǎn)。

(3)能夠繪制共射極放大電路的微變等效電路,并求解其動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

知識(shí)結(jié)構(gòu)

10.1共射極放大電路的組成

三極管要實(shí)現(xiàn)放大,必須滿足一定的外部條件,即:發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。為此,參考圖9.5.4,設(shè)置合適的偏置電源UBB和UCC,可得放大電路的雛形如圖10.1.1(a)所示。為了將放大信號(hào)輸送進(jìn)來,由基極B引出輸入線與地之間形成輸入端。輸入端接信號(hào)源或前級(jí)放大電路。為了將放大后的信號(hào)輸送出去,由集電極C引出輸出線與地之間形成輸出端。輸出端接負(fù)載或后級(jí)放大電路。

基極電阻RB的作用是獲得合適的電流以保證三極管工作在放大狀態(tài),又稱偏置電阻,其值約為幾十千歐至幾百千歐。集電極電阻RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,實(shí)現(xiàn)電壓放大,一般為幾千歐至幾十千歐。

圖10.1.1(a)中采用了兩個(gè)直流電源,不實(shí)用?？蓪B接UBB正極的一端改接到UCC的正極,省去UBB,如圖10.1.1(b)所示。圖10.1.1共射極放大電路的組成

在輸入信號(hào)為正弦量的情況下,既要保證交流信號(hào)能順利輸送(又稱耦合)進(jìn)來和輸送出去,又使放大電路中的直流電源與“信號(hào)源和負(fù)載”隔離,通常在輸入端和信號(hào)源之間以及輸出端與負(fù)載之間分別接有電容C1和C2,如圖10.1.1(c)所示。為了減小信號(hào)傳遞時(shí)的電壓損失,C1、C2應(yīng)選得較大,一般為幾微法至幾十微法,通常采用電解電容器。因輸入回路和輸出回路共用發(fā)射極,圖10.1.1(c)所示電路通常稱為共射極放大電路,其中ui為輸入電壓,RL為負(fù)載電阻,uo為輸出電壓。

10.2電路的電壓放大作用

10.2.1無信號(hào)輸入輸入端未加輸入信號(hào)時(shí),放大電路的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時(shí),三極管各極電壓和電流都是直流量。由于電容的隔直作用,輸入端和輸出端不會(huì)有直流電壓和電流。

UCC經(jīng)RB給發(fā)射結(jié)加上了正向偏置電壓,同時(shí),經(jīng)RC給集電結(jié)加上了反向偏置電壓,三極管處于放大狀態(tài)。于是,發(fā)射極發(fā)射載流子形成了靜態(tài)基極電流IB、集電極電流IC、發(fā)射極電流IE及集射極電壓UCE。靜態(tài)時(shí)的基極電流又稱為偏置電流,簡(jiǎn)稱偏流。各靜態(tài)值的波形如圖10.2.1所示。圖10.2.1靜態(tài)時(shí)的放大過程及其波形

靜態(tài)時(shí),由電流IB、IC和電壓UBE、UCE在輸入、輸出特性曲線上確定的工作點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q,如圖10.2.2所示。圖10.2.2靜態(tài)工作點(diǎn)

10.2.2有信號(hào)輸入

輸入端加上輸入信號(hào)時(shí),放大電路的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。

交流輸入信號(hào)ui通過C1耦合到三極管的發(fā)射結(jié)兩端,給發(fā)射結(jié)施加了交流偏置電壓ube。此時(shí),發(fā)射結(jié)電壓uBE是UBE與ube的疊加。uBE始終大于零,三極管處于放大狀態(tài)。發(fā)射結(jié)電壓的變化引起各極電流和電壓的相應(yīng)變化,它們都包含有一個(gè)靜態(tài)直流分量和一個(gè)動(dòng)態(tài)交流分量,其波形如圖10.2.3所示。需要注意的是:UBE、ube、uBBE這樣的形式分別表示靜態(tài)直流值、動(dòng)態(tài)交流值、瞬時(shí)總值。圖10.2.3動(dòng)態(tài)時(shí)的放大過程及其波形

圖10.2.3中,由于uCE=UCC-RCiC,所以u(píng)CE與iC的方向相反。同時(shí)由于uo=uce,所以u(píng)i與uo的相位也相反。需要注意的是:輸入回路的電流為iB,輸出回路的電流為iC,且iC>iB,因此輸出信號(hào)的功率大于輸入信號(hào)的功率。

根據(jù)能量守恒原理,能量只能轉(zhuǎn)換,不能憑空產(chǎn)生,當(dāng)然也不可能放大,放大電路所增加的能量是由直流電源UCC提供的。在三極管放大電路中,三極管起電流放大作用,稱為放大元件,進(jìn)而控制輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)的變化而變化。

由上可知,放大電路需要具備以下兩點(diǎn):一是要設(shè)置偏置電路,以產(chǎn)生合適的偏流,建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn),保證輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的波形相同;二是將輸入信號(hào)耦合到三極管發(fā)射結(jié)兩端,并通過集電極電阻將放大的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸送出去。因此,對(duì)于放大電路的分析包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩部分。

10.3共射極放大電路的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)Q,即確定IB、IC和UCE的大小,使三極管工作在放大區(qū),且使輸出信號(hào)不失真。以圖10.1.1(c)所示的共射極放大電路為例,用估算法求解Q點(diǎn)。．

1.畫直流通路

由于電容在直流電路中相當(dāng)于開路,可得放大電路的直流通路如圖10.3.1所示。圖10.3.1直流通路

2.估算靜態(tài)工作點(diǎn)．

【例10.3.1】如圖10.1.1(c)所示共射極放大電路中,UCC=12V,RC=3kΩ,RB=200kΩ,β=40,UBE忽略不計(jì),求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。

解因UBE忽略不計(jì),所以

10.4波形失真與靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

10.4.1波形失真

由靜態(tài)分析可知,改變RB的大小可以改變IB的值,進(jìn)一步改變IC及UCE的值,有可能會(huì)使三極管進(jìn)入飽和區(qū)或者截止區(qū),導(dǎo)致輸出信號(hào)波形失真。當(dāng)發(fā)生波形失真時(shí),根據(jù)三極管工作區(qū)域不同,又分為飽和失真與截止失真。

1.飽和失真

Q點(diǎn)設(shè)置偏高,三極管進(jìn)入飽和區(qū)。此時(shí)iB繼續(xù)增大而iC不再隨之增大,引起iC及uCE的波形失真,稱為飽和失真。當(dāng)發(fā)生飽和失真時(shí),iC波形的正半周(頂部)發(fā)生畸變,uCE波形的負(fù)半周(底部)發(fā)生畸變,如圖10.4.1(a)所示?？赏ㄟ^增大RB,減小IB的方法,使靜態(tài)工作點(diǎn)下移,減小或消除飽和失真。圖10.4.1靜態(tài)工作點(diǎn)不合適引起的非線性失真

2.截止失真

Q點(diǎn)設(shè)置偏低,三極管進(jìn)入截止區(qū),因而引起iB、iC及uCE的波形失真,稱為截止失真。當(dāng)發(fā)生截止失真時(shí),iC波形的底部發(fā)生畸變,uCE波形的頂部發(fā)生畸變,如圖10.4.1(b)所示?？赏ㄟ^減小RB,增大IB的方法,使靜態(tài)工作點(diǎn)上移,減小或消除截止失真。

飽和失真和截止失真都是由于放大電路的工作點(diǎn)進(jìn)入三極管非線性區(qū)而引起的,統(tǒng)稱為非線性失真。若調(diào)節(jié)RB不能消除失真,也可以考慮調(diào)節(jié)UCC和RC。

溫度變化、電源電壓波動(dòng)、元件老化等原因都可能使三極管參數(shù)發(fā)生變化,而其中最重要的原因是溫度的變化,溫度增加將使IC增大,靜態(tài)工作點(diǎn)上移。通常采用分壓式偏置放大電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。

10.4.2分壓式偏置共射極放大電路

分壓式偏置共射極放大電路如圖10.4.2(a)所示,它是一種應(yīng)用最廣泛的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的放大電路。它與固定式偏置共射極放大電路的區(qū)別是在基極增加了一個(gè)偏置電阻,在發(fā)射極增加了一個(gè)射極電阻RE。兩個(gè)基極偏置電阻RB1和RB2對(duì)直流電源UCC分壓,使基極電位VB近似不變,因此稱為分壓式偏置。圖10.4.2分壓式偏置放大電路

分壓式偏置放大電路實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下：

分壓式偏置放大電路實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下:

當(dāng)溫度T升高而引起IC增大時(shí),發(fā)射極電阻RE上的電壓增大,就會(huì)使UBE減小,從而使IB自動(dòng)減小以限制IC的增大,工作點(diǎn)得到穩(wěn)定。RE越大,穩(wěn)定性能越好,但不能太大,否則將使發(fā)射極電位增高,從而減小輸出電壓的幅值。RE在小電流情況下為幾百歐至幾千歐,在大電流情況下為幾歐至幾十歐。

【專10.1】討論放大電路設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的意義。在共射極放大電路中,如果發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)不適合(進(jìn)入飽和區(qū)或者截止區(qū)),應(yīng)該如何調(diào)整?

【練10.1】電路如圖1所示,UCC=12V,RC=3kΩ,β=50,UBE可忽略,若UCE=6V,求RB。圖1練10.1的電路

【練10.2】電路如圖2所示,繪制其直流通路。圖2練10.2的電路

【練10.3】電路如圖3所示,UCC=24V,RC=2kΩ,RE=2kΩ,E=6V,β=100,UBE=0.7V。求靜態(tài)工作點(diǎn)。圖3練10.3的電路

10.5共射極放大電路的動(dòng)態(tài)分析

10.5.1交流通路在動(dòng)態(tài)時(shí),因電容的隔直流通交流作用,可將放大電路中的電容視為短路;同時(shí),忽略電源的內(nèi)阻,恒定的直流電源對(duì)“地”短路,則圖10.5.1(a)所示共射極放大電路的交流通路如圖10.5.1(b)所示。圖10.5.1共射極放大電路及其交流通路

10.5.2三極管微變等效電路

三極管是非線性元件,由三極管構(gòu)成的放大電路即為非線性電路,但是三極管在小信號(hào)微變量作用下,靜態(tài)工作點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的特性曲線可用直線近似代替,即可等效成線性電路模型。具體等效方法如下:

(1)輸入端的電壓與電流關(guān)系。

從圖10.5.2(a)所示的三極管輸入特性曲線中可以看出,當(dāng)交流信號(hào)變化很小時(shí),在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的輸入特性在小范圍內(nèi)可近似線性化。圖10.5.2三極管輸入、輸出特征曲線

(2)輸出端的電壓與電流關(guān)系。

從圖10.5.2(b)所示的三極管輸出特性曲線中可以看出,三極管的輸出特性曲線在放大區(qū)是一組近似等距的平行直線,且ΔIC=βΔIB。ΔIC只受ΔIB控制,與電壓ΔUCE幾乎無關(guān)。因此,三極管的輸出回路(C、E之間)可用一受控電流源ic=βib等效代替。

在IB一定的條件下,ΔUCE與ΔIC之間的關(guān)系可用一等效電阻rce來表示,稱為三極管的輸出電阻,即

因rce阻值很高,在后面的微變等效電路中都把它忽略不計(jì)。

綜上所述,圖10.5.3(a)所示的三極管模型在小信號(hào)微變量作用下的微變等效電路如圖10.5.3(b)所示。圖10.5.3三極管及其微變等效電路

10.5.3放大電路微變等效電路

用三極管微變等效電路替換圖10.5.1(b)所示交流通路中的三極管,即可得到放大電路的微變等效電路,如圖10.5.4所示。圖10.5.4放大電路微變等效電路

在動(dòng)態(tài)分析時(shí),輸入信號(hào)一般為正弦交流量。為便于分析,通常將圖10.5.4中的正弦量用相量表示,如圖10.5.5所示。圖10.5.5微變等效電路的相量表示

2.輸入電阻ri

放大電路對(duì)信號(hào)源(或?qū)η凹?jí)放大電路)來說是一個(gè)負(fù)載,可用一個(gè)電阻來等效代替。這個(gè)電阻是信號(hào)源的負(fù)載電阻,也就是放大電路的輸入電阻ri,如圖10.5.6所示。

結(jié)合圖10.5.5可得圖10.5.6放大電路的輸入電阻和輸出電阻

3.輸出電阻ro

放大電路對(duì)負(fù)載(或?qū)蠹?jí)放大電路)來說是一個(gè)信號(hào)源,可以將它進(jìn)行戴維南等效,等效電源的內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻ro,它也是一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻,如圖10.5.6所示。

輸出電阻是表明放大電路帶負(fù)載能力的參數(shù)。輸出電阻愈小,負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的變化愈小,因此一般總是希望放大電路的輸出電阻越小越好。

對(duì)于圖10.5.5所示的等效電路,斷開負(fù)載RL,并將信號(hào)源代之以短路,采用外加電壓源的方法求解ro,如圖10.5.7所示。

如圖10.5.7所示,由于信號(hào)源電壓為零,則?Ib為0,?Ic也為0。因此,輸出電阻圖10.5.7求解ro的電路

由以上動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可知,共射極放大電路有比較理想的電壓放大倍數(shù),但是輸入電阻比較低,輸出電阻比較高,因此往往不能單獨(dú)存在,需要和能夠改善輸入、輸出電阻的其他電路共同組成放大電路。

【例10.5.1】電路如圖10.5.1(a)所示,已知三極管的參數(shù)β=50,rbb'=200Ω,UCC=12V,UBE=0.7V,RB=560kΩ,RC=5kΩ,RL=5kΩ。求放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻及輸出電阻。

解根據(jù)圖10.5.1(a)所示放大電路的直流通路,有

10.6其他放大電路

10.6.1射極輸出器射極輸出器如圖10.6.1所示?？梢杂霉潭ㄊ狡霉采錁O放大電路的分析方法分析射極輸出器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性。圖10.6.1射極輸出器

射極輸出器的突出特點(diǎn)如下:

(1)電壓放大倍數(shù)小于1,且約等于1。

(2)輸入電阻高。

(3)輸出電阻低。

(4)輸出與輸入同相。

10.6.2多級(jí)放大電路

單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)有限,或者輸入電阻、輸出電阻不滿足要求,因此常常將多個(gè)放大電路組合在一起,形成多級(jí)放大電路,組合框圖如圖10.6.2所示。

多級(jí)放大電路組合的形式是:前級(jí)放大電路的輸出與后級(jí)放大電路的輸入連接在一起,可以采用直接耦合、阻容耦合及變壓器耦合等方式。圖10.6.2多級(jí)放大電路組合框圖

輸入級(jí)需要較高的輸入電阻,以減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān);輸出級(jí)需要較低的輸出電阻,以提高放大電路的帶載能力,因此,通常采用射極輸出器作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)與輸出級(jí)。

中間級(jí)的主要作用是進(jìn)行電壓放大。通常采用共射極放大電路作為多級(jí)放大電路的中間級(jí)。

由于放大電路的前一級(jí)輸出信號(hào)可看作后一級(jí)的輸入信號(hào),而后一級(jí)又可以看作前一級(jí)的負(fù)載,因此多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積,即

注意:這里各級(jí)的電壓放大倍數(shù),并不是空載時(shí)得到的,而是要考慮后級(jí)對(duì)前級(jí)的影響,即后級(jí)的輸入電阻是前級(jí)的負(fù)載電阻。

多級(jí)放大電路的輸入電阻就是第一級(jí)放大電路的輸入電阻,即ri=ri1。同理,多級(jí)放大電路的輸出電阻就是最后一級(jí)放大電路的輸出電阻,即ro=ron。

10.6.3差分放大電路

為了能夠放大直流信號(hào)和方便集成,多級(jí)放大電路之間通常采用直接耦合的方式,但是直接耦合存在以下兩個(gè)問題:

(1)前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。

(2)零點(diǎn)漂移。

零點(diǎn)漂移指輸入信號(hào)的電壓為零時(shí),輸出電壓緩慢、無規(guī)則變化的現(xiàn)象。當(dāng)放大電路輸入信號(hào)后,這種漂移就伴隨信號(hào)共存于電路中,影響信號(hào)的分辨,因此采用差分放大電路作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí),如圖10.6.3所示。它由兩個(gè)對(duì)稱的三極管放大電路組成,該電路采用單電源供電,信號(hào)從兩個(gè)基極與地之間輸入,從兩個(gè)集電極之間輸出。圖10.6.3差分放大電路

(1)靜態(tài)時(shí)。ui1ui2=0,兩輸入端與地之間可視為短路。因電路對(duì)稱,uo=VC1-VC2=0。

(2)動(dòng)態(tài)時(shí)。一對(duì)大小相等、相位相同的輸入信號(hào)稱