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本课件为《电工学》第10章基本放大电路,沿共发射极放大电路的组成、共发射极放大电路的分析、静态工作点的稳定主线展开,讲解分析方法与工程应用,配合例题说明重点难点,适用于电类工科专业课堂学习与课后复习。
第10章基本放大电路
第10章基本放大电路10.1共发射极放大电路的组成10.2共发射极放大电路的分析10.3静态工作点的稳定10.4射极输出器*10.5差分放大电路10.6互补对称放大电路*10.7场效晶体管及其放大电路
10.1共发射极放大电路的组成电路中各元件的作用:C1RS+ui−RCRB+UCCC2RL+es−+uo−++iB+uBE−iC+uCE−T晶体管T晶体管是电流放大元件,在集电极电路获得放大了的电流iC,该电流受输入信号的控制。
集电极电源电压UCC电源电压UCC除为输出信号提供能量外,它还保证集电结处于反向偏置,以使晶体管具有放大作用。
C1RS+ui−RCRB+UCCC2RL+es−+uo−++iB+uBE−iC+uCE−T集电极负载电阻RC将iC的变化变换为uC的变化,实现电压放大。
偏置电阻RB它的作用是提供大小适当的基极电流,以使放大电路获得合适的工作点,并使发射结处于正向偏置。
耦合电容C1和C21.起隔直作用;
10.2.1静态分析放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。
静态分析是要确定放大电路的静态值(直流值)IB,IC,UBE和UCE。
RCRB+UCCIB+UBE−IC+UCE−T硅管的UBE约为0.6V,比UCC小得多,可以忽略不计。
[例1]在共发射极基本交流放大电路中,已知UCC=12V,RC=4kΩ,RB=300kΩ,。
试求放大电路的静态值。
图中标注与公式片段:[解]
基极电流IB的大小不同,静态工作点在负载线上的位置也就不同,改变IB的大小,可以得到合适的静态工作点,IB称为偏置电流,简称偏流。
通常是改变RB的阻值来调整IB的大小。
[例2]在共发射极基本交流放大电路中,已知UCC=12V,RC=4kΩ,RB=300kΩ,晶体管的输出特性曲线如上图。
[解](1)由IC= 0时,UCE=UCC= 12 V,和UCE= 0时,可作出直流负载线(2)由得出静态工作点Q,静态值为IB= 40μAIC= 1.5 mAUCE= 6 V
10.2.2动态分析放大电路有输入信号时的工作状态称为动态。
动态分析是在静态值确定后,分析信号的传输情况。
确定放大电路的电压放大倍数Au;
图中标注与公式片段:输入电阻ri; 输入电阻ro。
这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。
因此,晶体管的输入电路可用rbe等效代替。
图中标注与公式片段:OIBUBEUCEIBQ
低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算Rbe是对交流而言的一个动态电阻。
图中标注与公式片段:动态
ΔIBΔICQICUCEICUCE晶体管输出特性曲线是一组近似等距离的平行直线,当UCE为常数时,ΔIC与ΔIB之比为β。
即为晶体管的电流放大系数,在小信号的条件下,β是一常数,由它确定ic受ib的控制关系。
因此,晶体管的输出电路可用一受控电流源ic=βib等效代替。
UCEΔICΔUCEQICIBICUCE晶体管的输出特性曲线不完全与横轴平行。
在小信号的条件下,rce也是一常数,在等效电路中与βib并联,由于rce的阻值很高,可以将其看成开路。
当IB为常数时,ΔUCE与ΔIC之比称为晶体管的输出电阻。
由以上分析可得出晶体管的简化微变等效电路。
图中标注与公式片段:CBE+ube−+uce−icibTibβibBECicrbe+uce−+ube−
C1RS+ui−RCRB+UCCC2RL+es−+uo−++iBiCT基本放大电路可画出放大电路的交流通路。
+ube−TRCiiibicRLRSRBEBC+ui−+es−+uo−+uce−将交流通路中的晶体管用其微变等效电路来代替,即得到放大电路的微变等效电路。
图中标注与公式片段:交流通路
rbeEBCRCRLRBRSiiib+ui−+es−+uo−ui=ubeuo=uceicβib基本放大器的微变等效电路
当输入的是正弦信号时,各电压和电流都可用相量表示。
故放大电路的电压放大倍数当放大电路输出端开路(未接RL)时可见,接入RL,电压放大倍数降低。
[例3]在共发射极基本交流放大电路中,已知UCC= 12V,RC= 4 kΩ,RB= 300 kΩ,。
试求电压放大倍数Au。
[解]在例10.2.1中已求出
所以(4)放大电路输入电阻的计算放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说,是一个负载,可用一个电阻来等效代替。
这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻ri,即它是对交流信号而言的一个动态电阻。
第二,经过内阻Rs和ri的分压,使实际加到放大电路的输入电压ui减小,从而减小输出电压;
第三,后级放大电路的输入电阻,就是前级放大电路的负载电阻,从而将会降低前级放大电路电压放大倍数。
因此,通常希望放大电路的输入电阻能高一些。
以共发射极基本放大电路为例,其输入电阻为共发射极基本放大电路的输入电阻基本上等于晶体管的输入电阻,是不高的。
其内阻即为放大电路的输出电阻ro,它也是一个动态电阻。
如果放大电路的输出电阻较大(相当于信号源的内阻较大)。
当负载变化时,输出电压的变化较大,也就是放大电路带负载的能力较差。
因此,通常希望放大电路输出级的输出电阻小一些。
放大电路的输出电阻可在信号源短路和输出端开路的条件下求得。
从基本放大电路的微变等效电路看,当,电流源相当于开路,故RC一般为几千欧,因此,共发射极放大电路的输出电阻较高。
*2.图解法首先在输入特性上作图,由输入信号ui确定基极电流的变化量ib,再在输出特性上作图,得到交流分量ic和uce即(uo)。
tQ1空载输出电压iC/ mAuCE/VuCE/ViC/ mA(ic)UCEuo=uce直流负载线
Q点过高,饱和失真。
称为非线性失真。
本页以课件原图为主,配合课件原图说明共发射极放大电路的分析(续)的相关内容。
由于某种原因,例如温度的变化,将使集电极电流的静态值IC发生变化,从而影响静态工作点的稳定。
上一节所讨论的基本放大电路偏置电流当RB一经选定后,IB也就固定不变,称为固定偏置放大电路,它不能稳定Q点。
+UCCRCC1C2TRLRE+CE++RB1RB2RS+ui−+es−+uo−iBiC+uCE−+uBE−分压式偏置放大电路放大电路不仅要有合适的静态工作点Q,而且要保持Q点的稳定。
为此,常采用分压式偏置放大电路。
+UCCRCTRERB1RB2IBIC+UCE−+UBE−I1I2IE直流通路由直流通路可列出若使则基极电位可认为VB与晶体管的参数无关,不受温度影响,而仅为RB1和RB2的分压电路所固定。
图中标注与公式片段:若使VB>>UBE则
因此,只要满足I2>>IB和VB>>UBE两个条件,VB和IE或IC就与晶体管的参数几乎无关,不受温度变化的影响,使静态工作点能得以基本稳定。
对硅管而言,在估算时一般可取I2=(5~10)IB和VB=(5~10)UBE。
电容CE的作用是使交流旁路,防止RE上产生交流电压降降低电压放大倍数,CE称为交流旁路电容。
[例1]在分压式偏置放大电路中,已知UCC=12V,RC=2kΩ,RE=2kΩ,RB1=20kΩ,RB2=10kΩ,RL=6kΩ,晶体管的。
图中标注与公式片段:[解](1)
图中标注与公式片段:(2)rbeEBCRCRLRB2RS+−+−+−RB1
图中标注与公式片段:(3)
射极输出器10.4.1静态分析射极输出器是从发射极输出。
在接法上是一个共集电极电路。
10.4.1静态分析RERB+UCCIB+UBE−+UCE−TICIE直流通路C1RS+ui−RERB+UCCC2RL+es−+uo−++iB+uBE−iE+uCE−T射极输出器用直流通路确定静态值
10.4.2动态分析rbeEBRERLRBRS+−+−+−C由射极输出器的微变等效电路可得出1.电压放大倍数
在输出端将RL取去,外加一交流电压,产生电流。
例如,β= 40,rbe= 0.8 kΩ,RS= 50Ω,RB= 120 kΩ,由此得
可见射极输出器的输出电阻是很低的。
输入电阻高;
输出电阻低。
因此,它常被用作多级放大电路的输入级或输出级。
[例1]用射极输出器和分压式偏置放大电路组成两级放大电路,如下图所示。
后级的数据同例10.3.1,即RC2=2kΩ,RE2=2kΩ,R′B1=20kΩ,R′B2=10kΩ,RL=6kΩ,β2=37.5,试求:(1)前后级放大电路的静态值;
[解]由于电容有隔直作用,各级放大电路的静态值可以单独考虑。
同时耦合电容上的交流电压降可以忽略不计,使前级输出信号电压差不多无损失地传送到后级输入端。
图中标注与公式片段:已知:UCC=12V,β1=60,RB1=200kΩ,RE1=2kΩ,RS=100Ω。
C1RSRE1RB1C2+es−++T1+UCCRC2C3T2RLRE2+CE2+R′B1R′B2(1)前级静态值为
后级静态值同例10.3.1,即(2)放大电路的输入、输出电阻为前级的负载电阻,其中ri2为后级的输入电阻,已在例10.3.1中求得,ri2=0.79kΩ,于是
输出电阻(3)计算电压放大倍数前级后级(见例10.3.1)Au2=−71.2两级电压放大倍数Au=Au1˙Au2= 0.98×(−71.2) =−69.8
*10.5差分放大电路T1T2RCRB+UCC+ui1−iBiCRCRB+ui2−iBiCRPREEEiEiE+uO−差分放大电路用两个晶体管组成,电路结构对称,在理想情况下,两管的特性及对应电阻元件的参数值都相同,因此,两管的静态工作点也必然相同。
10.5.1静态分析在静态时,ui1=ui2=0,则IC1=IC2,VC1=VC2,故输出电压uO=VC1−VC2= 0差分放大电路的优点是具有抑制零点漂移的能力。
什么是零点漂移?
一个理想的放大电路,当输入信号为零时,其输出电压应保持不变(不一定是零)。
但实际上,主要由于环境温度的变化,输出电压并不保持恒定,而在缓慢地、无规则地变化着,这种现象称为零点漂移(或称温漂),它影响放大电路的工作。
对差分放大电路,由于电路的对称性,当温度变化时,两边的变化量相等,即ΔIC1=ΔIC2,ΔVC1=ΔVC2虽然每个管子都产生了零点漂移,但是,由于两集电极电位的变化是互相抵消的,所以输出电压依然为零,即uO=VC1+ΔVC1−(VC2+ΔVC2)=ΔVC1−ΔVC2= 0零点漂移完全被抑制了。
电位器RP起调零作用,因为电路不可能完全对称,静态时输出电压不一定等于零,可通过调节RP使静态输出电压为零。
在静态时,设IB1=IB2=IB,IC1=IC2=IC,忽略阻值很小的RP可列出上式中前两项较第三项小得多,可略去,则每管的集电极电流发射极电位VE≈0。
每管的基极电流每管的集-射极电压接入RE是为了稳定和获得合适的静态工作点,负电源EE用来抵偿RE上的直流压降。
10.5.2动态分析1.共模输入两个输入信号电压的大小相等,极性相同,即ui1=ui2,这样的输入称为共模输入。
在共模输入信号的作用下,若电路完全对称时,两管集电极电位的变化相同,因而,输出电压等于零,所以对共模信号没有放大能力,亦即放大倍数为零。
故uO=ΔVC1−ΔVC2可见,在差模输入时,输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍。
图中标注与公式片段:设ui1>0,ui2<0,则ΔIC1>0,ΔIC2<0,ΔVC1<0,ΔVC2> 0。
T1RCibic+ui1−+uo1−RB单管差模信号通路由于差模信号使两管的集电极电流一增一减,其变化量相等,通过RE的电流近于不变,RE上没有差模信号压降,故RE对差模信号不起作用,可得出下图所示的单管差模信号通路。
单管差模电压放大倍数同理可得双端输出电压为
双端输入-双端输出差分电路的差模电压放大倍数为当在两管的集电极之间接入负载电阻时,式中两输入端之间的差模输入电阻为两集电极之间的差模输出电阻为
[例1]在前图所示的差分放大电路中,已知UCC=12V,EE=12V,β=50,RC=10kΩ,RE=10kΩ,RB=20kΩ,RP=100Ω,并在输出端接负载电阻RL=20kΩ,试求电路的静态值和差模电压放大倍数。
图中标注与公式片段:[解]式中
差值电压(ui1−ui2)经放大后,输出电压为uO=Au(ui1−ui2)为了便于分析,可将这种信号分解为共模分量和差模分量,例如uI1= 10 mV = 2 mV + 8 mVuI2=−6mV = 2 mV−8 mV其中,2 mV是共模分量,8 mV和(−8 mV)是差模分量。
为了全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力,通常引用共模抑制比KCMRR来表征其值越大越好。
互补对称放大电路10.6.1对功率放大电路的基本要求在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级对功率放大电路的基本要求是:(1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。
放大电路有三种工作状态。
这种工作状态下,放大电路的最高效率为50%。
图中标注与公式片段:(2)效率要高。
10.6.2互补对称放大电路1.无输出变压器(OTL)的互补对称放大电路OtuiR1iC2RLR3R2D1D2B1B2T1T2+UCCCLAC+++ui−+uo−OtuoiC1OTL电路图中两个晶体管T1(NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同。
静态时,调节R3,使A点的电位为。
输出耦合电容CL上的电压也为。
R1和D1、D2上的压降使两管获得合适的偏压,工作在甲乙类状态。
iC2RL+UCCCL+OtuiiC1R1R3R2D1D2B1B2T1T2AC++ui−OTL电路+uo−在ui的正半周,T1导通,T2截止,电流iC1自上而下流过负载RL;
在ui的负半周,T1截止,T2导通,电流iC2自下而上流过负载RL;
在ui的一个周期内,电流iC1和iC2以正反方向交替流过负载RL,在RL上合成而得出一个交流输出信号电压uo。
Otuo电流是靠电容CL放电形成的,为了使输出波形对称,CL的容量必须足够大。
这种功率放大电路在理想情况下的效率为78.5%。
其工作原理与OTL电路基本相同。
*10.7场效晶体管及其放大电路10.7.1绝缘栅场效晶体管SiO2绝缘层源极S栅极G漏极DP型硅衬底N+N+N沟道增强型绝缘栅场效晶体管结构示意图DSG符号再在两个N+型区之间的二氧化硅绝缘层的表面及两个N+型区的表面分别安置三个电极:栅极G、源极D和漏极D。
由于柵极电流几乎为零,栅源电阻RGS很高,最高可达1014Ω。
并在表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层。
耗尽层ID= 0UGSN+N+UDS当栅-源电压UGS=0时,D与S之间是两个PN结反向串联,无论D与S之间加什么极性的电压,总有一个PN结是反向偏置的,漏极电流ID均接近于零。
当在柵极和源极之间加正向电压但数值较小时(0<UGS<UGS(th)),由柵极指向衬底方向的电场吸引电子向上移动,填补空穴在P型硅衬底的上表面形成耗尽层,此时仍然没有漏极电流。
图中标注与公式片段:P型硅衬底N++BSGD。
当UGS大于一定数值时(UGS>UGS(th)),在栅极下P型半导体表面形成N型层,通常称它为反型层。
这就是沟通源区和漏区的N型导电沟道(与P型衬底间被耗尽层绝缘)。
UGS正值越高,导电沟道越宽。
耗尽层N型导电沟道N+N+−UGS+EG
图中标注与公式片段:P型硅衬底N++BSGD。
形成导电沟道后,在漏-源电压UDS的作用下,将产生漏极电流ID,管子导通。
在一定的漏-源电压UDS下,使管子由不导通变为导通的临界栅-源电压称为开启电压,用UGS(th)表示。
只有当UGS>UGS(th)后,ID才随栅-源电压的变化而变化,这就是N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的栅极控制作用。
UDSIDN+UGSN+N沟道N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的导通
图中标注与公式片段:P型硅衬底N++BSGD。
N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的特性曲线(1)转移特性栅-源电压对漏极电流的控制特性(2)输出特性ID/mAOUDS/VUGS= 1V2V4V3VN沟道增强型管的输出特性曲线ID/mAOUGS/V无沟道有沟道UGS(th)UDS=常数N沟道增强型管的转移特性曲线
P沟道增强型绝缘栅场效晶体管SiO2绝缘层结构示意图N型硅衬底源极S栅极G漏极DP+P+其工作原理与N沟道管相似,接线时应调换电源的极性,电流方向也相反。
跨导是表示场效晶体管放大能力的参数,它是当漏-源电压UDS为常数时,漏极电流的增量ΔID与引起这一变化的栅源电压的增量ΔUGS的比值,即DSG符号漏-源击穿电压UDS(BR)、栅-源击穿电压UGS(BR)以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数,使用时不可超过。
*10.7.2场效晶体管放大电路下图是场效晶体管的分压式偏置共源极放大电路C1+UDD+SGDRDRG1RGRG2TRSRLCSC2+ui−+uo−分压式偏置放大电路静态时,电阻RG中无电流,栅-源电压为式中,VG为栅极电位。
当有输入信号时,由交流通路可得输出电压为
SGDRDRG1RGRG2TRL分压式偏置放大电路的交流通路+−+−电压放大倍数为式中,的负号表示输出电压和输入电压反向。
放大电路的输入电阻为放大电路的输出电阻为ro≈RD。
[例1]在分压式偏置共源极放大电路中,已知UDD=20V,RD=5kΩ,RS=1.5kΩ,RG1=100kΩ,RG2=47kΩ,RG=2MΩ,RL=10kΩ,gm=2mA/V,ID=1.5mA。
[解](1)静态值(2)电压放大倍数
下图是由场效晶体管构成的源极输出器,它和晶体管的射极输出器一样,具有电压放大倍数小于但近于1,输入电阻高输出电阻低等特点。
C1+UDDRG1RGRG2TRSC2+ui−+uo−源极输出器
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