單級(jí)低頻小信號(hào)放大器.doc

電子線路配套多媒體CAI課件電子教案第3章 單級(jí)低頻小信號(hào)放大器本章重點(diǎn)1掌握共發(fā)射極放大電路、分壓式偏置電路的工作原理和靜態(tài)工作點(diǎn)估算；2了解溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響；3掌握共發(fā)射極放大電路的圖解分析法和估算法。本章難點(diǎn)1共發(fā)射極電路的工作原理。2估算靜態(tài)工作點(diǎn)，電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。3分壓式偏置電路的工作原理。學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi) 容學(xué)時(shí)13.1 放大器的基本概念123.2 單級(jí)低頻小信號(hào)放大器233.3 放大電路的分析方法243.4 放大器的偏置電路15實(shí)驗(yàn)四 單級(jí)低頻小信號(hào)放大器26本章小結(jié)與習(xí)題7本章總學(xué)時(shí)83.1 放大器的基本概念3.1.1 放大器概述放大器：把微弱的電信號(hào)放大為較強(qiáng)電信號(hào)的電路。基本特征是功率放大。擴(kuò)音機(jī)是一種常見的放大器，如圖3.1.1所示。聲音先經(jīng)過話筒轉(zhuǎn)換成隨聲音強(qiáng)弱變化的電信號(hào)；再送入電壓放大器和功率放大器進(jìn)行放大；最后通過揚(yáng)聲器把放大的電信號(hào)還原成比原來響亮得多的聲音。 圖3.1.1 擴(kuò)音機(jī)框圖 圖3.1.2 放大器的框圖3.1.2 放大器的放大倍數(shù)放大器的框圖如圖3.1.2所示。左邊是輸入端，外接信號(hào)源，vi、ii分別為輸入電壓和輸入電流；右邊是輸出端，外接負(fù)載，vo、io分別為輸出電壓和輸出電流。 一、放大倍數(shù)的分類1電壓放大倍數(shù) (3.1.1)2電流放大倍數(shù) (3.1.2)3功率放大倍數(shù) (3.1.3)三者關(guān)系為 (3.1.4)二、放大器的增益增益G：用對(duì)數(shù)表示放大倍數(shù)。單位為分貝(dB)。1功率增益 GP = 10lgAP(dB) (3.1.5)2電壓增益 Gv = 20lgAv(dB) (3.1.6)3電流增益 Gi = 20lgAi (dB) (3.1.7)增益為正值時(shí)，電路是放大器，增益為負(fù)值時(shí)，電路是衰減器。例如，放大器的電壓增益為20 dB，則表示信號(hào)電壓放大了10倍。又如，放大器的電壓增益為-20 dB，這表示信號(hào)電壓衰減到1/10，即放大倍數(shù)為0.1。3.2 單級(jí)低頻小信號(hào)放大器圖3.2.1 單管共發(fā)射極放大電路單級(jí)低頻小信號(hào)放大器：工作頻率在20 Hz到20 kHz內(nèi)、電壓和電流都較小的單管放大電路。3.2.1 電路的說明一、電路的組成和電路圖的畫法1電路組成單管共發(fā)射極放大電路如圖3.2.1(a)所示。2元件作用GB基極電源。通過偏置電阻Rb，保證發(fā)射結(jié)正偏。GC集電極電源。通過集電極電阻RC，保證集電結(jié)反偏。Rb偏置電阻。保證由基極電源GB向基極提供一個(gè)合適的基極電流。RC集電極電阻。將三極管集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為集電極電壓的變化。C1、C2耦合電容。防止信號(hào)源以及負(fù)載對(duì)放大器直流狀態(tài)的影響；同時(shí)保證交流信號(hào)順利地傳輸。即“隔直通交”。實(shí)際電路通常采用單電源供電，如圖3.2.1(b)所示。3電路圖的畫法如圖3.2.3所示?！啊北硎窘拥攸c(diǎn)，實(shí)際使用時(shí)，通常與設(shè)備的機(jī)殼相連。RL為負(fù)載，如揚(yáng)聲器等。 圖3.2.2 單電源供電放大器的習(xí)慣畫法 圖3.2.3 C1、C2非電解電容器的畫法二、電路中電壓和電流符號(hào)寫法的規(guī)定1直流分量：用大寫字母和大寫下標(biāo)的符號(hào)，如IB表示基極的直流電流。2交流分量瞬時(shí)值：用小寫字母和小寫下標(biāo)的符號(hào)，如ib表示基極的交流電流。3總量瞬時(shí)值：是直流分量和交流分量之和，用小寫字母和大寫下標(biāo)的符號(hào)，如iB = IB + ib，即表示基極電流的總瞬時(shí)值。圖3.2.4 靜態(tài)工作點(diǎn)3.2.2 放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)動(dòng)畫 放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)：無信號(hào)輸入(vi = 0)時(shí)電路的工作狀態(tài)。1靜態(tài)工作點(diǎn)Q如圖3.2.4所示，靜態(tài)時(shí)晶體管直流電壓VBE、VCE和對(duì)應(yīng)的IB、IC值。分別記作VBEQ、IBQ、VCEQ和ICQ。 (3.2.1) (3.2.2) (3.2.3)VBEQ：硅管一般為0.7 V，鍺管為0.3 V。例3.2.1在圖3.2.4所示單級(jí)放大器中，設(shè)，b = 60。求放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。解 從電路可知，晶體管是NPN型，按照約定視為硅管，則VBEQ = 0.7 V，則2靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，對(duì)放大器的工作狀態(tài)影響非常大。若把圖3.2.4中的Rb除掉，電路如圖3.2.5所示，則IBQ = 0，當(dāng)輸入端加正弦信號(hào)電壓vi時(shí)，在信號(hào)正半周，發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通，輸入電流ib隨vi變化。在信號(hào)負(fù)半周，發(fā)射結(jié)反偏而截止，輸入電流ib等于零。即波形產(chǎn)生了失真。 圖3.2.5 除去Rb時(shí)放大器工作不正常 圖3.2.6 基極電流的合成如果阻值適當(dāng)，則IBQ不為零且有合適的數(shù)值。當(dāng)輸入端有交流信號(hào)vi通過C1加到晶體管的發(fā)射結(jié)時(shí)，基極電流在直流電流IBQ的基礎(chǔ)上隨vi變化，即交流疊加在直流上，如圖3.2.6所示。如果的值大于的幅值，那么基極的總電流IBQ + ib始終是單方向的電流，即它只有大小的變化，沒有正負(fù)極性的變化，這樣就不會(huì)使發(fā)射結(jié)反偏而截止，從而避免了輸入電流ib的波形失真。圖3.2.7 放大器各處電壓、電流波形綜上可見，一個(gè)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，是放大器能否正常工作的重要條件。由電源和偏置電阻Rb組成的電路，就是為了提供合適的偏流而設(shè)置的，稱為偏置電路。3.2.3 共發(fā)射極電路的放大和反相作用1信號(hào)放大與反相電路如圖3.2.2所示。交流信號(hào)電壓vi 如圖3.2.7(a)所示經(jīng)過電容C1作用在晶體管的發(fā)射結(jié)，引起基極電流的變化，這時(shí)基極總電流為iB = IBQ + ib，波形如圖3.2.7(b)所示。由于基極電流對(duì)集電極電流的控制作用，集電極電流在靜態(tài)值ICQ的基礎(chǔ)上跟著ib變化，波形如圖3.2.7(c)所示。即iC = ICQ + ic。同樣，集電極與發(fā)射極電壓也是靜態(tài)電壓VCEQ和交流電壓vce兩部分合成，即 vCE = VCEQ + vce (3.2.4)由于集電極電流iC流過電阻Rc時(shí)，在Rc上產(chǎn)生電壓降iCRc，則集電極與發(fā)射極間總的電壓應(yīng)為 (3.2.5)比較式(3.2.5)與式(3.2.4)可得 (3.2.6)式中負(fù)號(hào)表示增加時(shí)將減小，即與反相。故的波形如圖3.2.7(d)所示。經(jīng)耦合電容C2的“隔直通交”，放大器輸出端獲得放大后的輸出電壓，即 (3.2.7)波形如圖3.2.7(e)所示。由圖可見，vo與vi反相。從信號(hào)放大過程來看，在共射放大電路中，輸入電壓與輸出電壓頻率相同，相位相反。2直流通路和交流通路畫法(1) 直流通路：電容視為開路，電感視為短路，其它不變。(2) 交流通路：電容和電源視為短路。例：圖3.2.8(a)放大電路的直流通路和交流通路如圖3.2.8(b)、(c)所示。單級(jí)放大器的工作特點(diǎn)：(1) 為了不失真地放大信號(hào)，放大器必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。(2) 共射極放大器對(duì)輸入的信號(hào)電壓具有放大和倒相作用。(3) 在交流放大器中同時(shí)存在著直流分量和交流分量兩種成分。直流分量反映的是直流通路的情況；交流分量反映的是交流通路的情況。圖3.2.8 直流、交流通路畫法3.3 放大電路的分析方法通常采用圖解法和估算法對(duì)放大電路的基本性能進(jìn)行分析。3.3.1 圖解法圖解法：利用晶體管特性曲線，通過作圖分析放大器性能。一、用圖解法分析靜態(tài)工作點(diǎn)1直流負(fù)載線電路如圖3.3.1(a)所示，直流通路如圖3.3.1(b)所示。由直流通路得和關(guān)系的方程為 (3.3.1)根據(jù)式3.3.1在圖3.3.2晶體管輸出特性曲線族上作直線，斜率是。由于是直流負(fù)載電阻，所以直線稱為直流負(fù)載線。2靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解分析如圖3.3.2所示，若給定，則曲線與直線的交點(diǎn)，即為靜態(tài)工作點(diǎn)。過點(diǎn)分別作橫軸和縱軸的垂線得對(duì)應(yīng)的、。由于晶體管輸出特性是一組曲線，所以，對(duì)應(yīng)不同的，靜態(tài)工作點(diǎn)的位置也不同，所對(duì)應(yīng)的、也不同。 圖3.3.1 放大器的輸出回路 圖3.3.2 靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解分析二、用圖解法分析輸出端帶負(fù)載時(shí)的放大倍數(shù)1交流負(fù)載線電路如圖3.3.3(a)，交流通路如圖3.3.3(b)所示。可見，交流負(fù)載電阻為 (3.3.2)在圖3.3.4上過Q點(diǎn)，作斜率為的直線，得交流負(fù)載線。 圖3.3.3 放大器交流負(fù)載電阻示意圖 圖3.3.4 放大倍數(shù)的圖解分析2圖解分析如圖3.3.4所示，根據(jù)的變化范圍和，得到工作點(diǎn)的變化范圍、，可得輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍，所以輸出電壓的幅值；若輸入信號(hào)的幅值為，則放大器的電壓放大倍數(shù) (3.3.3)三、靜態(tài)工作點(diǎn)與波形失真的圖解如圖3.3.5所示。1飽和失真如果靜態(tài)工作點(diǎn)接近于，在輸入信號(hào)的正半周，管子將進(jìn)入飽和區(qū)，輸出電壓vce波形負(fù)半周被部分削除，產(chǎn)生“飽和失真”。2截止失真如果靜態(tài)工作點(diǎn)接近于，在輸入信號(hào)的負(fù)半周，管子將進(jìn)入截止區(qū)，輸出電壓vce波形正半周被部分削除，產(chǎn)生“截止失真”。3非線性失真非線性失真是由于管子工作狀態(tài)進(jìn)入非線性的飽和區(qū)和截止區(qū)而產(chǎn)生的。從圖3.3.5可見，為了獲得幅度大而不失真的交流輸出信號(hào)，放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在負(fù)載線的中點(diǎn)Q處。3.3.2 估算法估算法：應(yīng)用數(shù)學(xué)方程式通過近似計(jì)算來分析放大器的性能。一、估算靜態(tài)工作點(diǎn)電路如圖3.3.6所示。 圖3.3.5 靜態(tài)工作點(diǎn)引起的非線性失真 圖3.3.6 估算靜態(tài)工作點(diǎn)由放大器的直流通路得出估算靜態(tài)工作點(diǎn)的公式：例3.3.1 圖3.3.6的放大器，設(shè)，若晶體管電流放大系數(shù) b = 35，試估算靜態(tài)工作點(diǎn)。圖3.3.7 晶體管的輸入電阻解 二、估算輸入電阻、輸出電阻和放大倍數(shù)1晶體管輸入電阻rbe的估算公式如圖3.3.7所示，晶體管基極和發(fā)射極之間交流電壓vi與相應(yīng)交流電流ib之比，稱為晶體管的輸入電阻圖3.3.8 交流通路 (3.3.4)估算公式為 (3.3.5)rbb是晶體管基區(qū)電阻，在小電流(IEQ約幾毫安)情況下，低頻小功率管約為300 W，因此，在低頻小信號(hào)時(shí) (3.3.6)從式可見，rbe與靜態(tài)電流IEQ有關(guān)，靜態(tài)工作點(diǎn)不同，rbe取值也不同。常用小功率管的rbe約為1kW左右。2放大器的輸入電阻ri和輸出電阻ro(1) 輸入電阻ri圖3.3.6放大器的交流通路如圖3.3.8所示。從放大器輸入端看進(jìn)去的交流等效電阻稱為輸入電阻 (3.3.7)從圖中可以看出 (3.3.8)一般，所以 (3.3.9)ri表示放大器從信號(hào)源吸取信號(hào)幅度的大小。ri越大，信號(hào)源內(nèi)阻損耗越小，放大器得到的有效輸入信號(hào)越大。結(jié)論：單級(jí)放大器的輸入電阻ri近似等于晶體管的輸入電阻rbe。(2) 輸出電阻ro如圖3.3.8所示。輸出電阻ro：從放大器輸出端(不包括外接負(fù)載電阻)看進(jìn)去的交流等效電阻。因晶體管輸出端在放大區(qū)呈現(xiàn)近似恒流特性，其動(dòng)態(tài)電阻很大，所以輸出電阻近似等于集電極電阻。即 (3.3.10)上式中ro表示放大器帶負(fù)載的能力。輸出電阻越小，輸出信號(hào)時(shí)，自身損耗越小，帶負(fù)載的能力越強(qiáng)。3估算放大倍數(shù)的公式放大器輸出端外接負(fù)載電阻時(shí)，等效負(fù)載電阻，故，即 (3.3.11)例3.3.2 在圖3.3.6單級(jí)放大器中，Rc = 3 kW，設(shè)靜態(tài)電流IE = 2.1 mA，晶體管 b = 35。求輸出端帶負(fù)載電阻RL = 3 kW 時(shí)，電壓放大倍數(shù)。解 3.4 放大器的偏置電路3.4.1 固定偏置電路圖3.4.1 固定偏置電路電路如圖3.4.1所示。由直流通路可見，偏置電流是通過偏置電阻Rb由電源VG提供，當(dāng)時(shí) (3.4.1)只要和為定值，就是一個(gè)常數(shù)，故把這種電路稱為固定偏置電路。該電路由于 (3.4.2)因此，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，雖然為常數(shù)，但 b 和的增大會(huì)導(dǎo)致的上升。可見，電路的溫度穩(wěn)定性較差。只能用在環(huán)境溫度變化不大，要求不高的場合。3.4.2 分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路圖3.4.2 分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路動(dòng)畫 分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路電路如圖3.4.2所示。電路特點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)比較穩(wěn)定1元件作用：上偏置電阻，：下偏置電阻，：發(fā)射極電阻，：發(fā)射極旁路電容。2工作原理基極電壓由和分壓后得到，即固定。當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，引起增加，導(dǎo)致的增加，使增大。由于，使得減小，于是基極偏流減小，使集電極電流的增加受到限制，從而達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。穩(wěn)定工作點(diǎn)的過程表示如下：例3.4.1 在圖3.4.2具有分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路的放大器中，Rb1 = 30 kW，Rb2 = 10 kW、Rc = 2 kW，Re = 1 kW，VG = 9 V，試估算ICQ和VCEQ。解 估算