【正文】 第 2章 放大電路基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容 (1)放大電路的基本組成和工作原理 (2)放大電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析 (3)共集電極放大電路 (4)場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路 (5)多級(jí)放大電路 (6) 差分放大電路 (7) 功率放大電路 ? 放大電路又稱放大器 ， 它的基本功能是把微弱的電信號(hào)不失真地放大成較強(qiáng)的電信號(hào) 。 ? 它的基本原理就是用較小的輸入信號(hào)控制較大的電壓或電流 ， 從而產(chǎn)生增大的輸出信號(hào) 。 ? 其實(shí)質(zhì)就是用較小的能量去控制較大的能量 。 ? 實(shí)際的放大電路通常由多級(jí)組成 ， 如圖 。 圖 ? 首先由傳感器將非電形式的物理量 （ 如溫度 、 壓力 、 流量等 ） 轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 。 ? 由于轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的電信號(hào)往往比較微弱 ， 所以需先經(jīng)過(guò)前幾級(jí)放大電路得到足夠幅度的電壓信號(hào) ， 再經(jīng)過(guò)末級(jí)功率放大器得到較強(qiáng)的信號(hào)能量去推動(dòng)執(zhí)行元件 （ 負(fù)載 ） 。 ? 常見(jiàn)的執(zhí)行元件有揚(yáng)聲器 、 顯示器 、 繼電器及電磁閥等 。 ? 從放大器的功能上看 ， 它可以分為 電壓放大器 和 功率放大器 兩種類型 。 ? 從放大器的組成上看 ， 可分為 共發(fā)射極放大電路 、 共集電極放大電路和共基極放大電路 。 這三種放大電路根據(jù)各自的特點(diǎn)而用在不同 場(chǎng)合 。 ? 圖 。 圖 ? 由圖可見(jiàn) ， 它是由一個(gè)晶體管 、 一個(gè)電源 、 三個(gè)電阻 、 兩個(gè)電容及相關(guān)連接線所組成的單管放大器 ， 輸入信號(hào) ui經(jīng)電容 C1加到晶體管 T的基極 ， 放大后的信號(hào)從集電極經(jīng)電容 C2輸出 。 RL為負(fù)載電阻 。 圖 。 （ 1） NPN型晶體管 T是放大電路的核心器件 ， 它起電流放大作用 。 （ 2） 電源 UCC使晶體管的發(fā)射結(jié)正向偏置 ， 集電結(jié)反向偏置 ， 晶體管處于放大狀態(tài) 。 （ 3） 集電極電阻 RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化 ，以實(shí)現(xiàn)電壓放大 ， 并對(duì)集電極電流起限制作用 。 （ 4） 基極偏置電阻 RB提供適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置電流 ， 使發(fā)射結(jié)正向偏置 ， 并使放大器具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn) 。 （ 5） 耦合電容 C1和 C2起隔直流 、 通交流的作用 。 C1用來(lái)隔斷信號(hào)源與放大電路之間的直流通路 ， C2用來(lái)隔斷放大電路與負(fù)載之間的直流通路；而對(duì)于交流信號(hào) ， 由于 CC2的值取得較大 ， 交流信號(hào)在其上的壓降很小 ， 可近似看為短路 ， 可以通暢地傳遞交流信號(hào) 。 共發(fā)射極基本放大電路的工作原理 ? 在圖 ， 當(dāng)電路參數(shù)選得合適時(shí) ， 則晶體管工作在放大狀態(tài) 。 此時(shí) ， 如果在放大電路的輸入端加上一個(gè)微小的變化電壓 ui， 它經(jīng)過(guò)電容 C1傳送到晶體管的基極 ， 基極與發(fā)射極之間的電壓 uBE將跟隨 ui的變化而變化 ，產(chǎn)生變化量 Δ uBE。 ? 由于晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài) ， 所以當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓發(fā)生變化時(shí) ， 將使基極電流 iB產(chǎn)生相應(yīng)的變化量 Δ iB。由于晶體管的電流放大作用 ， 基極電流的變化將引起集電極電流 iC發(fā)生更大的變化 ， 即 Δ iC=βΔ iB。 ? 從電路的輸出回路上看 ， 這個(gè)集電極電流的變化將引起集電極與發(fā)射極之間的電壓 uCE發(fā)生相應(yīng)的變化 。 由于uCE=UCCiCRC， 而 UCC是恒定不變的直流電源 ， 所以 UCE的變化剛好與 iC的變化相反 ， 當(dāng) iC增大時(shí) ， uCE將相應(yīng)減小 。也就是說(shuō) ， uCE將跟隨 ui做反相變化 。 ? uCE的變化量 Δ uCE經(jīng)電容 C2傳送到輸出端成為輸出電壓 uo，但 uo的幅度將比 ui大得多 ， 從而達(dá)到信號(hào)放大作用 。 ? 被放大的輸入信號(hào)加到基極和發(fā)射極組成的輸入回路中 ，而放大后的信號(hào)是在集電極和發(fā)射極組成的輸出回路輸出 ，發(fā)射極既在輸入回路又在輸出回路中 ， 即發(fā)射極是兩個(gè)回路的公共端 ， 因此這種電路稱為 共發(fā)射極電路 。 放大電路的靜態(tài)分析 ? 所謂 靜態(tài) ， 是指放大電路沒(méi)有交流信號(hào)輸入 （ ui=0） 時(shí)的工作狀態(tài)；所謂 動(dòng)態(tài) ， 是指放大電路有交流信號(hào)輸入 （ ui≠0）時(shí)的工作狀態(tài) 。 ? 靜態(tài)分析的目的是確定放大電路的靜態(tài)值 IB、 IC、 UBE和UCE， 通常稱這 4個(gè)數(shù)值為放大器的靜態(tài)工作點(diǎn) ， 簡(jiǎn)稱 Q點(diǎn) ，并記為 IBQ、 ICQ、 UBEQ和 UCEQ。 ? 動(dòng)態(tài)分析的目的是確定放大電路的電壓放大倍數(shù) 、 輸入電阻 、 輸出電阻等 。 ? 放大電路的靜態(tài)分析有 計(jì)算法 和 圖解法 兩種 。 ? 對(duì)于圖 ， 當(dāng)其處于靜態(tài)工作狀態(tài)時(shí) ， 耦合電 C1和 C2只起隔直作用 ， 可視為開(kāi)路 ， 所以其直流通路如圖 。 圖 共發(fā)射極放大電路的直流通路 根據(jù)圖 ，可求得基極電流 IB的靜態(tài)值為 IBQ=(UCCUBEQ)/RB （ 21） ? 在 計(jì)算法 中，常認(rèn)為 UBEQ為已知量，對(duì)于硅晶體管，通常取 UBEQ為 ~，如 ；對(duì)于鍺晶體管，通常取 UBEQ為 ~，如 。計(jì)算時(shí)，也可將 UBEQ忽略不計(jì)。 ? 由 IBQ可求出集電極電流的靜態(tài)值為 ICQ=β IBQ （ 22） ? 靜態(tài)時(shí)集電極與發(fā)射極之間的電壓為 UCEQ=UCCICQRC （ 23） 圖解法 ? 根據(jù)晶體管的輸入輸出特性曲線 ， 用作圖的方法求放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的方法稱為 圖解法 。 ? 由于晶體管的靜態(tài)基極電流 IBQ和發(fā)射結(jié)壓降 UBEQ既需要滿足回路電壓方程 IBQRB=UCCUBEQ， 又應(yīng)與晶體管的輸入特性曲線相對(duì)應(yīng) 。 ? 所以在輸入特性曲線平面上 ， Q點(diǎn)是回路電壓方程IBQRB=UCCUBEQ所在直線與晶體管輸入特性曲線的交點(diǎn) ，Q點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值即 IBQ， 橫坐標(biāo)值即 UBEQ， 如圖 （ a） 所示 。 也就是說(shuō) ， 只要在晶體管輸入特性曲線平面上根據(jù)橫軸上的截距 UCC和縱軸上的截距 UCC/RB連接直線 ， 找到該直線與輸入特性曲線的交點(diǎn) Q， 即可求得 IBQ和 UBEQ。 圖 用圖解法求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) ? 同樣 ， 晶體管的靜態(tài)集電極電流 ICQ和集電極 發(fā)射極壓降UCEQ既要滿足回路電壓方程 UCEQ=UCCICQRC， 又應(yīng)與晶體管的輸出特性曲線相對(duì)應(yīng) 。 ? 在輸出特性曲線平面上 ， Q點(diǎn)是回路電壓方程 UCEQ=UCCICQRC所在直線與晶體管對(duì)應(yīng)于靜態(tài)基極電流 IBQ的輸出特性曲線的交點(diǎn) ， Q點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值即 ICQ， 橫坐標(biāo)值即 UCEQ， 如圖 （ b） 所示 。 ? 只要在晶體管輸出特性曲線平面上根據(jù)橫軸上的截距 UCC和縱軸上的截距 UCC/RC連接直線 ， 找到該直線與對(duì)應(yīng)于IBQ的輸出特性曲線的交點(diǎn) Q， 即可求得 ICQ和 UCEQ。 例 ， 已知電源電壓 UCC=10V， 基極電阻 RB=250kΩ， 集電極電阻 RC=， 晶體管的直流電流放大倍數(shù) β=50， 晶體管的輸入特性曲線如圖 （ a） 所示 ，輸出特性曲線如圖 （ b） 所示 。 請(qǐng)分別用計(jì)算法和圖解法求該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) 。 解 （ 1） 用計(jì)算法求靜態(tài)工作點(diǎn)： ? IBQ=（ UCC UBEQ） /RB≈UCC/RB=10V/250kΩ==40μA ? ICQ=βIBQ=50 =2mΑ ? UCEQ=UCCICQRC=10V2mA =10V5V=5V （ 2） 用圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)： ? 在圖 （ a ） 中 ， 根據(jù) UCC/RB=10V/250kΩ=40μA 、UCC=10V連接直線 ， 與輸入特性曲線相交于 Q點(diǎn) ， 由 Q點(diǎn)可查得 IBQ≈40μA。 ? 在圖 （ b ） 中 ， 根據(jù) UCC/RC=10V/250kΩ=4mA 、UCC=10V作直流負(fù)載線 ， 與 IBQ=40μA的輸出特性曲線相交于 Q點(diǎn) ， 由 Q點(diǎn)查橫 、 縱坐標(biāo) ， 得 ICQ=2mA UCEQ=5V 放大電路的動(dòng)態(tài)分析 ? 放大電路輸入端加上交流信號(hào) ui后的工作狀態(tài) ， 稱為動(dòng)態(tài) 。動(dòng)態(tài)時(shí)放大電路在直流電源 UCC和交流輸入信號(hào) ui共同作用下工作 ， 電路中的電流 iB、 iC和電壓 uBE、 uCE均為兩個(gè)分量的疊加 （ 直流分量 +交流分量 ） ， 即 iB=IB+ib （ 24） iC=IC+ic （ 25） uBE=UBE+ube （ 26） uCE=UCE+uce （ 27） ? 其中 ， IB、 IC和 UBE、 UCE是直流電源 UCC單獨(dú)作用下產(chǎn)生的電流和電壓 ， 即放大電路的靜態(tài)值 ， 稱為 直流分量 ；而ib、 ic和 ube、 uce是在交流輸入信號(hào) ui單獨(dú)作用下產(chǎn)生的電流和電壓 ， 稱為 交流分量 。 ? 放大電路的動(dòng)態(tài)分析就是在確定靜態(tài)值以后分析信號(hào)的放大和傳輸情況 ， 并確定放大電路的電壓放大倍數(shù) 、 輸入電阻和輸出電阻等 。 ? 在進(jìn)行放大電路的動(dòng)態(tài)分析時(shí) ， 需采用 ui單獨(dú)作用下的交流通路 。 交流通路是表示交流分量傳遞路徑的 。 ? 在繪制放大電路的交流通路時(shí) ， 由于直流電源內(nèi)阻很小 ，可忽略不計(jì) ， 所以 對(duì)于交流信號(hào)而言 ， 直流電源可視為短路 。 ? 耦合電容的電容值往往很大 ， 容抗近似為零 ， 也可視為短路 。 ? 對(duì)于圖 ， 其交流通路如圖 。 圖 共發(fā)射極放大電路的交流通路 ? 放大電路的動(dòng)態(tài)分析方法有圖解法和微變等效電路法兩種 。 圖解法的動(dòng)態(tài)分析 ? 圖解法是進(jìn)行放大電路動(dòng)態(tài)分析的有效方法 。 它利用晶體管的輸入輸出特性曲線 ， 通過(guò)作圖的方法來(lái)形象直觀地觀察信號(hào)在電路中的傳遞過(guò)程 、 各路電流電壓的變化情況及放大電路的工作范圍等 。 1. 由輸入特性曲線求 iB和 uBE ? 設(shè)放大電路的交流輸入信號(hào) ui=Uimsinωt。 首先 ， 根據(jù)靜態(tài)分析方法 ， 求出放大器的靜態(tài)工點(diǎn) （ IBQ、 UBEQ、 ICQ和UCEQ） ， 如圖 。 （ 1） 在輸入特性曲線上根據(jù)交流輸入信號(hào) ui求 uBE和 iB ? 當(dāng)圖 Uim的正弦信號(hào) ui后 ， 由于 C1的耦合作用 ， uBE在靜態(tài)值 UBEQ的基礎(chǔ)上發(fā)生變化 ， 這時(shí)的 uBE為 uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsinωt （ 28） ? uBE是由直流分量 UBEQ和正弦形式的交流分量 ui疊加而成 ，其信號(hào)波形如