半导体三极管交流放大电路解读.doc
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1、电子技术基础教案 第2章 半导体三极管交流放大电路本章重点1掌握共发射极放大电路、分压式偏置电路的工作原理和静态工作点估算;2了解负反馈在放大电路中的应用;3掌握共发射极放大电路的图解分析法和估算法。4掌握功率放大电路的分析法。本章难点1共发射极电路的工作原理。2估算静态工作点,电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。3分压式偏置电路的工作原理。4功率放大电路。1 放大器的基本概念1 放大器概述放大器:把微弱的电信号放大为较强电信号的电路。基本特征是功率放大。扩音机是一种常见的放大器,如图3.1.1所示。声音先经过话筒转换成随声音强弱变化的电信号;再送入电压放大器和功率放大器进行放大;最后通过扬声器
2、把放大的电信号还原成比原来响亮得多的声音。 图3.1.1 扩音机框图2 放大器的放大原理框图放大器的框图如图3.1.2所示。左边是输入端,外接信号源,vi、ii分别为输入电压和输入电流;右边是输出端,外接负载,vo、io分别为输出电压和输出电流。 图3.1.2 放大器的框图第一节 共发射机交流电压放大电路图2.2 共发射极放大电路一、电路的组成和电路图的作用1电路组成共发射极放大电路如图所示。2元件作用VT三极管,起电流放大作用GB基极电源。通过偏置电阻Rb,保证发射结正偏。GC集电极电源。通过集电极电阻RC,保证集电结反偏。Rb偏置电阻。保证由基极电源GB向基极提供一个合适的基极电流。RC集
3、电极电阻。将三极管集电极电流的变化转换为集电极电压的变化。C1、C2耦合电容。防止信号源以及负载对放大器直流状态的影响;同时保证交流信号顺利地传输。即“隔直通交”。3电路图的画法如图所示。“”表示接地点,实际使用时,通常与设备的机壳相连。RL为负载,如扬声器等。 电路中电压和电流符号写法的规定1直流分量:用大写字母和大写下标的符号,如IB表示基极的直流电流。2交流分量瞬时值:用小写字母和小写下标的符号,如ib表示基极的交流电流。3总量瞬时值:是直流分量和交流分量之和,用小写字母和大写下标的符号,如iB = IB + ib,即表示基极电流的总瞬时值。二、 共射放大电路的静态分析(一) 直流通路静
4、态:无信号输入(vi = 0)时电路的工作状态。直流通路和交流通路画法(1) 直流通路:电容视为开路,电感视为短路,其它不变。(2) 交流通路:电容和电源视为短路。例:放大电路的直流通路和交流通路如图 (b)、(c)所示。直流分量反映的是直流通路的情况;交流分量反映的是交流通路的情况。静态工作点Q如图2.4所示,静态时晶体管直流电压VBE、VCE和对应的IB、IC值。分别记作VBEQ、IBQ、VCEQ和ICQ。 (3.2.1) (3.2.2) (3.2.3)VBEQ:硅管一般为0.7 V,锗管为0.3 V。例.2.1在所示单级放大器中,设,b = 60。求放大器的静态工作点。解 从电路可知,晶
5、体管是NPN型,按照约定视为硅管,则VBEQ = 0.7 V,则(二)、用图解法分析静态工作点图解法:利用晶体管特性曲线,通过作图分析放大器性能。1直流负载线电路如图3.3.1(a)所示,直流通路如图3.3.1(b)所示。由直流通路得和关系的方程为 (3.3.1)根据式3.3.1在图3.2晶体管输出特性曲线族上作直线,斜率是。由于是直流负载电阻,所以直线称为直流负载线。2静态工作点的图解分析如图3.3.2所示,若给定,则曲线与直线的交点,即为静态工作点。过点分别作横轴和纵轴的垂线得对应的、。由于晶体管输出特性是一组曲线,所以,对应不同的,静态工作点的位置也不同,所对应的、也不同。 图.3.2
6、静态工作点的图解分析 坐标点: M (UCC,0) N (0,UCC/RC) Tga =-1/RC 三. 共射极放大电路的动态分析(一)信号放大原理交流信号电压vi 如图3.2.7(a)所示经过电容C1作用在晶体管的发射结,引起基极电流的变化,这时基极总电流为 iB = IBQ + ib,波形如图3.2.7(b)所示。由于基极电流对集电极电流的控制作用,集电极电流在静态值ICQ的基础上跟着ib变化,波形如图3.2.7(c)所示。即iC = ICQ + ic。同样,集电极与发射极电压也是静态电压VCEQ和交流电压vce两部分合成,即 vCE = VCEQ + vce (3.2.4)由于集电极电流
7、iC流过电阻Rc时,在Rc上产生电压降iCRc,则集电极与发射极间总的电压应为 (3.2.5)比较式(3.2.5)与式(3.2.4)可得 (3.2.6)式中负号表示增加时将减小,即与反相。故的波形如图3.2.7(d)所示。经耦合电容C2的“隔直通交”,放大器输出端获得放大后的输出电压,即 (3.2.7)波形如图3.2.7(e)所示。由图可见,vo与vi反相。从信号放大过程来看,在共射放大电路中,输入电压与输出电压频率相同,相位相反。(二)静态工作点与动态范围之间的关系放大器的静态工作点(见L2)若把图3.2.4中的Rb除掉,电路如图3.2.5所示,则IBQ = 0,当输入端加正弦信号电压vi时
8、,在信号正半周,发射结正偏而导通,输入电流ib随vi变化。在信号负半周,发射结反偏而截止,输入电流ib等于零。即波形产生了失真。 图3.2.5 除去Rb时放大器工作不正常 图3.2.6 基极电流的合成如果阻值适当,则IBQ不为零且有合适的数值。当输入端有交流信号vi通过C1加到晶体管的发射结时,基极电流在直流电流IBQ的基础上随vi变化,即交流叠加在直流上,如图3.2.6所示。如果的值大于的幅值,那么基极的总电流IBQ + ib始终是单方向的电流,即它只有大小的变化,没有正负极性的变化,这样就不会使发射结反偏而截止,从而避免了输入电流ib的波形失真。综上可见,一个放大器的静态工作点是否合适,是
9、放大器能否正常工作的重要条件。设置静态工作点的目的: 使输入信号工作在三极管输入特性的线形部分,避开非线形部分给交流信号造成的失真。静态工作点与波形失真的图解1饱和失真如果静态工作点接近于,在输入信号的正半周,管子将进入饱和区,输出电压vce波形负半周被部分削除,产生“饱和失真”。2截止失真如果静态工作点接近于,在输入信号的负半周,管子将进入截止区,输出电压vce波形正半周被部分削除,产生“截止失真”。3非线性失真非线性失真是由于管子工作状态进入非线性的饱和区和截止区而产生的。从图3.3.5可见,为了获得幅度大而不失真的交流输出信号,放大器的静态工作点应设置在负载线的中点Q处。 图 静态工作点
10、引起的非线性失真3 负反馈在放大电路中的应用1 反馈及其分类图4.2.1 反馈放大器框图反馈:把放大器输出端或输出回路的输出信号通过反馈电路送到输入端或输入回路,与输入信号一起控制放大器的过程。反馈电路:由电阻或电容等元件组成。如图4.2.1所示。图中vi为输入信号,vo为输出信号,vf为反馈信号。反馈的分类及判别方法:一、正反馈和负反馈正反馈:反馈信号起到增强输入信号的作用。判断方法:若反馈信号与输入信号同相,则为正反馈。负反馈:反馈信号起到削弱输入信号的作用。判断方法:若反馈信号与输入信号反相,则为负反馈。二、电压反馈和电流反馈电压反馈:如图 (a)所示,反馈信号与输出电压成正比。判断方法
11、:把输出端短路,如果反馈信号为零,则为电压反馈。电流反馈:如图 (b)所示,反馈信号与输出电流成正比。判断方法:把输出端短路,如果反馈信号不为零,则为电流反馈。 电压反馈和电流反馈框图 串联反馈和并联反馈框图三、串联反馈和并联反馈串联反馈:如图 (a)所示,净输入电压由输入信号和反馈信号串联而成。判断方法:把输入端短路,如果反馈信号不为零,则为串联反馈。并联反馈:如图 (b)所示,净输入电流由反馈电流与输入电流并联而成。判断方法:把输入端短路,如果反馈信号为零,则为并联反馈。例 判别图 (a)和(b)电路中反馈元件引进的是何种反馈类型。解 (1) 电压反馈和电流反馈的判别当输出端分别短路后,图
12、(a)中vf消失,而图(b)中,管子的不消失,即vf不等于零,所以图(a)是电压反馈,图(b)是电流反馈。(2) 串联反馈和并联反馈的判别当输入端分别短路后,图(a)中vf不消失,图(b)中的vf消失,所以图(a)是串联反馈,图(b)是并联反馈。 (3) 正反馈和负反馈的判别采用信号瞬时极性法判别,设某一瞬时,输入信号vi极性为正“+”,并标注在输入端晶体管基极上,然后根据放大器的信号正向传输方向和反馈电路的信号反向传输方向,在晶体管的发射极、基极和集电极各点标注同一瞬时的信号的极性。可见,图(a)中反馈到输入回路的vf的极性是“+”,与输入电压vi反相,削弱了vi的作用,所以是负反馈;而图(
13、b)中,反馈到输入端的极性是“-”,它削弱了vi的作用,所以也是负反馈。2 负反馈对放大器性能的改善一、提高了放大倍数的稳定性以图4.2.5电压串联负反馈电路为例作简要说明。由图可知,反馈电压 反馈系数 (4.2.1)设放大器无反馈时的放大倍数;Vi 净输入电压;加入负反馈后的放大倍数,则因为 所以 于是有 (4.2.2)即 可见,是的 倍,愈大,比就愈小。:放大器的反馈深度。如果负反馈很深,即时,则 (4.2.3)可见,在深度负反馈条件下,反馈放大器的放大倍数Avf仅取决于反馈系数F,而与Av无关。当晶体管参数、电源电压、环境温度及元件参数发生变化时,负反馈放大器的放大倍数受其影响很小,基本
14、不变,从而使放大倍数稳定性获得了提高。 负反馈对频响的改善结论:负反馈使放大器放大倍数减小(1 + FAv)倍;在深度负反馈条件下负反馈放大器的放大倍数很稳定。二、改善了放大器的频率特性由图4.2.6可见,无反馈时,中频段的电压放大倍数为,其上、下限频率分别为和。加入负反馈后,中频段的电压放大倍数下降到。而高频段和低频段由于原放大倍数较小其反馈量相对于中频段要小,因此放大倍数的下降量相对中频段要少,使放大器的频率特性变得平坦。即通频带展宽了,使放大器的频率特性得到改善。三、减小了放大器的波形失真在图中。设无反馈时,输入信号vi为正弦波(A半周与B半周一样大),由于晶体管特性曲线的非线性,放大器
15、输出信号vo发生了失真,出现了A半周大、B半周小的波形。加入负反馈后,反馈信号vf与输入信号vi进行叠加产生一个A半周小、B半周大的预失真信号vi,再经放大器放大,由于放大器对A半周放大能力较大,从而使输出信号vo中A半周与B半周的差异缩小了,因此放大器的输出波形得到了改善。四、改变了放大器的输入电阻、输出电阻放大器引入负反馈后,输入电阻的改变取决于反馈电路与输入端的联接方式;输出电阻的改变取决于反馈量的性质。1输入电阻的改变对于串联负反馈,在输入电压vi不变时,反馈电压vf削减了输入电压vi对输入回路的作用,使净输入电压vi减小,致使输入电流减小,相当于输入电阻增大。即串联负反馈增大输入电阻
16、。对于并联负反馈,在输入电压vi不变时,反馈电流的分流作用致使输入电流增加,相当于输入电阻减小。即并联负反馈减小输入电阻。2输出电阻的改变电压负反馈维持输出电压不受负载电阻变动的影响而趋于恒定,说明输出电阻比无反馈时输出电阻要小;而电流负反馈维持输出电流不受负载电阻变动的影响而趋于恒定,说明输出电阻比无反馈时输出电阻要大。即电压负反馈使输出电阻减小;电流负反馈使输出电阻增大。结论,放大器引入负反馈后,使放大倍数下降;但提高了放大倍数的稳定性;扩展了通频带;减小了非线性失真;改变了输入、输出电阻。3 射极输出器一、反馈类型电路如图4.2.8所示。其反馈信号vf取自发射极,若输出端短路,则vf =
17、 0,所以是电压反馈。用瞬时极性法判别,可得vb和ve(即vf)极性相同,反馈信号削弱了输入信号的作用,所以是负反馈。在输入回路中vi = vbe + vf ,所以是串联反馈。综合看来,电路的反馈类型为电压串联负反馈放大器。由于信号是从晶体管基极输入、发射极输出,集电极作为输入、输出公共端,故为共集电极电路,又称为射极输出器。 图 射极输出器 图 交流通路二、性能分析交流通路如图所示。1电压放大倍数由图4.2.9可知,Vbe一般很小,则于是电压放大倍数为 (4.2.4)可见,射极输出器的输出电压近似等于输入电压,电压放大倍数约等于1,而且输出电压的相位与输入电压相同,故又称射极跟随器。2输入电
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