模拟电子技术（二）基本放大电路

时间：2024-11-08 17:40:18

（二）基本放大电路

  • 放大概念
  • 主要性能指标
  • 基本共射放大电路
    • 有效放大的条件
    • 基放的组成及各元件作用
    • 共射放大电路工作原理
    • 两种共射放大电路
    • 直流通路与交流通路
  • 放大电路分析方法
    • 图解法 （静态分析）
    • 等效电路法（动态分析）
    • 注意
    • 电路理论基础知识复习（Ri、Ro）
    • 几种典型的基本放大电路
  • 放大电路的失真分析
    • 静态工作点设置不合适导致的两种失真
      • 截止失真
      • 饱和失真
    • 放大电路中存在的另一种失真
    • 最大不失真输出电压
  • 静态工作点稳定的共射放大电路
  • 晶体管单管放大电路的三种基本接法
    • 共射放大电路
    • 共集放大电路
    • 共基放大电路
    • 三种基本接法小结

放大概念

小功率信号变成一个大功率信号，需要一个核心器件（三极管）做这件事，核心器件的能量由电源提供，通过核心器件用小功率的信号去控制大电源，来实现能量的转换和控制，前提是不能失真，可以用一系列正弦波进行观测

  • 电子电路放大的基本特征：功率放大 （即不单是电流或是电压）
  • 放大电路的本质：能量的控制和转换
  • 放大电路中必要条件：有源元件（能够控制能量）
  • 放大的前提条件：不失真（只有在不失真的情况下的放大才有意义）
  • 放大电路核心元件：晶体管（工作在放大区）和场效应管（工作在恒流区）
  • 测试信号：正弦波（任何稳态信号都可以分解为若干频率正弦信号）

主要性能指标

在这里插入图片描述

放大电路得到的信号就是Ri与Rs对Us的分压

  1. 放大倍数 A 通常研究电压放大倍数Au
  2. 输入电阻 Ri
  3. 输出电阻Ro
  4. 通频带
  5. 非线性失真系数
  6. 最大不失真输出电压
  7. 最大输出功率与效率(功率放大电路)

基本共射放大电路

有效放大的条件

  • 静态：静态工作点要设置合适（直流电源、合适的电阻），使晶体管始终工作在放大区，静态工作点位置直接影响放大信号是否失真，是否能得到最大幅度的放大
  • 动态：要保证实现信号的耦合（交流信号必须能够输入、传递到放大电路中，且放大后的交流信号能够对外输出、传递给负载或后级电路）

基放的组成及各元件作用

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  • 直流源VBB：产生小信号的交流源Ui本身很小，不能使发射结导通，所以单有Ui时，iB=0，需要加直流源VBB先导通发射结，与此同时产生了附着在直流IB上的变化的 ib

  • 直流源VCC：放大电路的能源，并保证集电结反偏

  • 晶体三极管：工作在放大区（发射结正偏，集电结反偏）
    控制Vcc所提供的能量
    注意管子的类型：NPN（Vc>Vb>Ve）、PNP（Vc<Vb<Ve）

  • 电阻Rb：限流，防止电流过大将器件烧坏

  • 电阻Rc：将电流信号变换为电压信号

  • 加耦合电容：过滤直流分量，获得纯的放大的交流电压信号
    隔直通交

共射放大电路工作原理

共发射极接法的交流电压放大电路
输出与输入反向位

在这里插入图片描述
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两种共射放大电路

  1. 直接耦合
    Rb1保证了Vb是由交、直叠加而成的
    如果不加Rb1，基极的电位就是Ui。Vcc产生的电流会走Ui支路流向地，而不是走发射结支路。所以在此处加电阻Rb1，使基极的电位Vb为交流、直流电压源经过两个电阻降压之后的叠加。
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  2. 阻容耦合
    电容作用：通交隔直（交流短路；直流断路）
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直流通路与交流通路

直流通路 交流源置零（短路）；电容断路
交流通路 直流源置零（接地、短路）；电容短路
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放大电路分析方法

晶体管一定要工作在放大区

  • 静态分析指标：IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ
    直流通路，交流输入信号置零，电容开路，电感短路

  • 动态分析指标：Au（大）、Ri（大）、Ro（小）
    交流通路，直流输入信号置零，电容短路，电感保留

  • 静态叠加动态

  • 静态决定动态

  • 先静态，后动态，动态参数与Q点密紧密相关，只有Q点合适，动态分析才有意义

图解法 （静态分析）

  • “负载外特性曲线”与“输入输出曲线”交点为静态工作点Q在这里插入图片描述

  • 步骤：
    输入回路：
    列写KVL——改换成UBE为x，ib为y的方程——可以得到斜率为-1/Rb——分别使UBE=0、ib=0——得到横、纵截距
    输出回路：
    列写KVL——改换成UCE为x，ic为y的方程——可以得到斜率为-1/Rc——分别使UCE=0、ic=0——得到横、纵截距

  • 估算法
    定义 |UBEQ| 硅管：0.7V 锗管：0.2V，列KVL，求解各个静态量
    本质：将晶体管的输入伏安特性曲线改为一条垂直于横轴的线，即认为UBEQ是一个定值
    计算UCEQ时一定要用电位相减计算，即UCEQ=UCQ-UEQ
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等效电路法（动态分析）

h参数等效模型
动态只研究Δui、Δib、Δic、Δuo之间的关系
注意：Uo与iC参考方向相反

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共射放大电路的动态参数分析
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  • r(be) 、UT=26mV、 r(bb)与β在题目(参数手册)中
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  • 电压放大倍数
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  • 输入电阻
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  • 输出电阻
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注意

对于下图放大电路，在动态分析求输出电阻Ro（下图中的Rc）时，方法：从输出端往里看，保留受控源，将独立源置零（独立电压源短路，独立电流源开路），此时Ui短路 ib=0，致使受控源（βib）相当于开路处理
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电路理论基础知识复习（Ri、Ro）

  • 输入电阻，从输入端往里看
    Ri相当于信号源的负载，与信号源内阻串联分压
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    • 从稳定输入电压角度，Ri越大越好，使Ui越接近Us
    • 从稳定输入电流角度，Ri越小越好，使Ii越接近Is

  • 输出电阻，从输出端往里看
    空载时负载没有输出电流，输出电压等于开路电压U’。
    放大电路的输出相当于“放大电路负载的信号源”，输出电阻为“信号源内阻”
    求解Ro：独立源置零，受控源保留，外加电源法
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    • 从稳定输出电压角度，Ro越小越好，使Uo越接近Uo’
    • 从稳定输出电流角度 ，Ro越大越好，（相当于一个电流源，内阻为∞）输出电流恒定

  • 放大电路的输出电阻大小，要视负载的需要而定

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  • 多级放大
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几种典型的基本放大电路

  • 戴维南等效
    输出回路求UCEQ：由于RL分流，利用戴维南等效定理计算更方便，将输出回路等效为VCC’与Rc‘串联，VCC’是电路空载时端电压的值，即Rc、RL串联分压时RL上的电压
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  • 直接耦合共射放大电路
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    输出电阻与负载RL无关！！！！！！

  • 阻容耦合共射放大电路
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    输入电阻与信号源内阻Rs无关！！！！！
    输出电阻与负载RL无关！！！！！！

  • 静态工作点稳定的放大电路
    详细内容参见下问：放大电路静态工作点的稳定章节

放大电路的失真分析

静态工作点设置不合适，晶体管可能会工作在截止区或饱和区，无法保证对交流信号实现有效的放大。
失真，是信号在传输过程中与原有信号相比所发生的偏差（波形出现畸变）。

静态工作点设置不合适导致的两种失真

以NPN单管共射放大电路为例
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截止失真

Q点过低，输入信号负半轴靠近峰值的某段时间内，无法满足发射结正偏（即此时UBE<Uon），导致T在截止区引起的输出波形失真

底部失真：ib、ic、Ui
顶部失真（截止失真）：Uo<Vcc
消除截止失真：升高Q点
1. 增大基极电源（增大UBEQ）
2. 减小基极电阻Rb（增大UBEQ）

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饱和失真

Q点过高，输入信号正半轴靠近峰值的某段时间内，无法满足集电结反偏（即此时UBE>UCE），导致T在饱和区引起的输出波形失真
顶部失真：ic
底部失真（饱和失真）：Uo>UCES
消除饱和失真：降低Q点
1. 增大基极电阻Rb（减小IBQ、ICQ）；
2. 减小集电极电阻Rc（增大UCEQ）；
3. 更换一只β较小的管子

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放大电路中存在的另一种失真

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最大不失真输出电压

输入电压再增大，就会产生失真的，输出电压极限的有效值
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静态工作点稳定的共射放大电路

静态工作点稳定

  • Q点会影响电路是否失真和Au、rbe等动态参数
  • 影响Q点的主要因素：晶体管参数（温度变化，使β变化）
    温漂：由温度变化引起Q点移动
    T升高——β增大——ICQ增大——UCEQ减小
  • 稳定的Q点：环境温度变化时，ICQ、UCEQ基本不变，即Q点在输出特性坐标平面中的位置基本不变
  • 为使Q点稳定：直流负反馈；温度补偿

分压式电流负反馈Q点稳定电路 （实现了实现静态工作点稳定，）
（四电阻阻容耦合共射放大电路）
旁路电容Ce：静态、动态分离

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晶体管单管放大电路的三种基本接法

共射放大电路

发射极是输入、输出的公共端

共集放大电路

  • 静态分析
    与共射放大电路类似，注意基极输入，发射极输出
    集电极是输入、输出的公共端
    在这里插入图片描述
  • 动态分析
    b、e在上方，c接地画在下方
    电阻归置，e归置到b乘（1+β）；b归置到e除以（1+β）
    （大到小乘法，小到大除法）
    • Ri与输出侧有关，求解时，从输入端往里看将右侧电阻逐一向左边等效。e归置到b
    • Ro与输出侧有关，求解时，独力源短路，保留信号源内阻，从输出端往里看，将左侧电阻逐一向右边等效。b归置到e
      在这里插入图片描述
      注意：含有集电极电阻的共集放大电路中，静态分析要考虑Rc，动态分析时Rc可忽略。因为与电流源串联的电阻无用，不影响电流源所在支路的电流（该支路电流已被电流源固定），动态参数不变

共基放大电路

  • 静态分析
    与共射放大电路类似，注意发射极输入，集电极输出
    基极是输入、输出的公共端
  • 动态分析
    e、c在上方，b接地画在下方
    注意输入端、输出端，再进行归置
    在这里插入图片描述

三种基本接法小结

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作用 接法 备注
电压放大 共射、共基
电流放大 共射、共集
倒相作用 共射
带负载能力强
（输出电阻小）		 共集 共集的Ro与输入侧参数有关
向信号源索取电流小
（输入电阻大）		 共集 共集的Ri与输出侧参数有关
中高频特性好 共基

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