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第七章 晶体管基本放大电路 第一节 放大电路的组成 7.1.1 放大电路的组成原则 7.1.2 直流通路和交流通路 第二节 放大电路的静态分析 PowerPoint Presentation
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第七章 晶体管基本放大电路 第一节 放大电路的组成 7.1.1 放大电路的组成原则 7.1.2 直流通路和交流通路 第二节 放大电路的静态分析 - PowerPoint PPT Presentation

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  1. 第七章 晶体管基本放大电路 第一节 放大电路的组成 7.1.1 放大电路的组成原则 7.1.2 直流通路和交流通路 第二节 放大电路的静态分析 7.2.1 图解法确定静态工作点 7.2.2 解析法确定静态工作点 7.2.3 电路参数对静态工作点的影响 第三节 放大电路的动态分析 7.3.1 图解法分析动态特性 7.3.2 放大电路的非线性失真 7.3.3 晶体管微变等效电路 7.3.4 三种基本组态放大电路的分析 第四节 静态工作点的稳定及其偏置电路

  2. 研究对象:放大电路的各种参数计算; 关注焦点:放大电路的组成、直流通道和交流通道画法。 第一节 放大电路的组成 1. 放大电路的组成原理 ①为保证三极管工作在放大区,发射结必须正偏,集电结反偏。 ②被放大信号加在发射结,以控制三极管基极电流,从而控制集电极电流,将受控制的集电极电流转换为电压输出。 ③直流偏置仅设置静态工作点,为了保证三极管工作在放大区,放大是对交流信号放大,所以应将直流和交流隔离。电容对频率较高的信号容抗很小(可认为短路),对直流信号具有隔离作用(相当于开路)。

  3. + C2 - + - C1 + Rc TRLU0 RsRb UiUCC + UsUBB - - +UCC RbRc + C2 - -C1 + + RsRL UiUo + Us - - + C2 - + - C1 + Rc RLU0 RsRb Ui + UsUCC - - 根据放大电路的组成原理可以得到如下电路,三极管的外部电路应满足T处于放大状态的外部条件的要求。UBB保证发射结正向偏置,UCC保证了集电结的反向偏置。C1和C2是隔直电容。 由图可知放大电路需要两个电源UBB和UCC,这会给使用带来极大不方便,为了减少电源,可将电路改为下图。在电子电路中常用的画法是下右图。

  4. +UCC Rb Rc 直流通路 + Rc RL UO Rs + Rb Us - - 交流通路 +UCC RbRc + C2 - -C1 + + RsRL UiUo + Us - - 2. 直流通道和交流通道 由于在直流电路中,电容可以看作为开路,所以将电容断开就得到直流通道。直流通道用于静态分析 交流通道。由于电容C1和C2的值较大,对于交流信号而言,容抗较小,可以视为短路。关键是如何理解电源的交流通道,由于理想的直流电源的内阻为零,对于交流变化信号在直流电源上产生的压降是为零。交流通道用于动态分析。

  5. +12V 280k3kΩ β=50 直流通路 第二节 放大电路的静态分析 对放大电路的静态分析,就是对放大电路的直流通道进行分析。这就是求放大电路的直流的直流工作点或称为静态工作点,放大电路的静态工作点对放大电路的性能有很大影响。 放大电路的分析可以用解析法,也可以用图解法。 1. 解析法确定静态工作点 在解析法分析静态工作点时,三极管的结压降 硅管:UBE=0.6~0.8V,通常取0.7V 锗管:UBE=0.1~0.3V,通常取0.3V 静态工作点通常需要确定IBQ、ICQ、UCEQ。 下面以右图为例计算。

  6. iC iB5 iB4 iB3 iB2 iB1 iB0 0 uCE iC iB5 iB4 iB3 iB2 iB1 iB0 0 uCE iC UCC/Rc N 直流负载线 M 0 UCC uCE a Rc UCC b Ucc/RcN ICQ IBQ M Ucc UCQ 2. 图解法确定静态工作点 图解法就是在特性曲线上直接用作图的方法确定静态工作点的方法。 三极管特性曲线与直流负载线交点就是静态工作点,交点有很多,到底是哪一条?只要知道IB就可以唯一确定。

  7. +UCC Rb Rc uiRL Uo Q iC(mA) 4 3 2 1 0612 uCE(V) iB4=80μA iB3=60μA iB2=40μA iB2=20μA N M 例:已知电路中Rb=280kΩ,Rc=3kΩ,Ucc=12V,试用图解法确定静态工作点? 解:① 直流负载线方程: ②由输入回路计算基极静态电流IBQ ③直流负载线与特性曲线上iB=40μA相交的曲线就是静态工作点。从图上可以直接读出ICQ和UCEQ。 由图可知,ICQ为2mA,UCEQ位于UCC中点,大约是6V。

  8. iC(mA) 4 3 2 1 0 uCE(V) iB4=80μA iB3=60μA iB2=40μA iB2=20μA Q2 Q2 Q2 Q Q Q Q1 Q1 Q1 iC(mA) 4 3 2 1 0 uCE(V) iC(mA) 4 3 2 1 0 uCE(V) ① Rb对Q点的影响 ② Rc对Q点的影响 ③ Ucc对Q点的影响 iB4=80μA iB3=60μA iB2=40μA iB2=20μA iB4=80μA iB3=60μA iB2=40μA iB2=20μA N N N M M M 3. 电路参数对静态工作点的影响

  9. 交流负载线 + Rc RL UO Rs + Rb Us - - 交流通路 iC(mA) 4 3 2 1 0 uCE(V) 直流负载线 Q iB4=80μA iB3=60μA iB2=40μA iB2=20μA N 辅助线 M 第三节 放大电路的动态分析 在放大电路的输入端加入交流信号后,三极管的基极电流就会在静态电流IBQ附近变化,分析三极管后加入交流信号的过程称为动态分析。 1. 图解法分析动态特性 就是利用三极管的特性曲线和负载线来确定信号的变化规律。 ①交流负载线的作法 a. 交流负载线通过静态工作点。为什么? b. 交流负载线斜率由R’L=RL//Rc决定(由交流通道决定uce与ic的关系) 具体作法:过静态工作点斜率为R’L=ΔU/ΔI的直线就是交流负载线。

  10. +UCC Rb Rc uiRL Uo iC 4 N 80μA 3 60μA 2 Q 40μA 1 20μA 0 M uCE 2 4 6 8 10 12 UCEQ U'CC UCC 交流负载线 辅助线 例:已知电路中Rb=280kΩ,Rc=3kΩ, RL=3kΩ,Ucc=12V,试作出交流负载线。 解:首先作直流负载线。由于 取ΔU=6V,则得ΔI=4mA,在特性曲线作交流负载线辅助线,然后平行移动交流辅助线使其通过静态工作点即可。

  11. ui/mV 0 ωt uBE/mV UBEQ 0 ωt iB/μA 60 40 20 0 ωt iC/mA 3 2 1 0 ωt uCE/V 7.5 6.0 4.5 0 ωt ②交流波形的画法。 设输入信号为:

  12. iB ib IB Q ube ui iC ib ic Q IBQ 0 uCE ucc 2. 放大电路的非线性失真 作为放大电路,应使输出电压尽可能大,但受到三极管的非线性特性的限制,当信号过大或静态工作点不合适,输出波形将会发生失真。输入信号经过放大后产生失真是我们不希望的,因此我们讨论导致非线性失真产生的原因。 图解法可以形象的说明非线性失真的产生。 ①由三极管特性曲线非线性引起的失真 a. 输入特性非线性引起的失真 b. 输出特性的间距不均匀引起的失真

  13. iC 交流负载线 ic ib 0 t 0 uCE 0 uCE t iC/mA 交流负载线 Q 直流负载线 UcesuCE/V UCEQ ICQR'L 最大不失真输出波形 失真输出波形 iC 交流负载线 ic ib 0 t 0 uCE 0 uCE t ②静态工作点不合适引起的失真 静态工作点过高会引起饱和失真,静态工作点过低会导致截止失真。

  14. 3. 三极管微变等效电路 图解法尽管直观,但作图麻烦,精确度较低,所以,对信号变化不大的放大电路分析,常采用微变等效电路的解析分析方法。 ①三极管h参数微变等效电路

  15. b c + + ibic h11 + 1/h22 h12uceh21ib - - - e ube uce iB=IBQ+ib,而diB代表其变化量,故diB=ib。同理duBE=ube,diC=ic,duCE=uce

  16. iBΔuCE IB=常数 Q 0 uBE ΔuBE iBuCE=常数 QΔiB 0 uBE ΔuBE iC IB=常数 ΔiC 0 uCE ΔUCE iC ΔiCΔiB 0 uCE UCE=常数 b c + + ibic rbeβib - - e ube uce 四个参数的几何意义: h12、h22是由于uCE变化通过基区宽度变化对iC和uBE产生影响,这种影响一般很小,可忽略不计,h参数方程可简化为:

  17. c rc b r'bb b' r'e e IbβIb b b' c r'bb Iere Ube e 【注意事项】 ①“等效”指的是只对微变量(交流)的等效。三极管外部的直流分量应视为零—直流电压源短路、直流电流源开路;外电路与微变量(交流)有关部分应全部保留。但这并不意味着h参数的数值与直流分量无关,恰恰相反,h参数的数值与特性曲线上Q点位置有着密切的关系。不过只要把动态运用范围限制在特性曲线的线性范围内,h参数近似保持常数。 ②等效电路中的电流源h21ib为一受控电流源,它的数值和方向都取决于基极电流ib,不能随意改动。 ③微变等效电路只适合工作频率在低频、小信号状态下的三极管等效。低频通常是指频率低于几百千赫。在大信号工作时,不能用上述h参数等效电路来等效。 简化电路中rbe的计算: 因发射区重掺杂;r’e很小;结电阻是符合二极管特性 对于小功率管,r’bb约为300Ω,因此

  18. Ii + Ui – ri Io + Uo – 放大电路 Au |A| I2 + U2 – ro 放大电路 Au |Am| 0.707|Am| fL fH 0 f 高频段 中频段 (通频段) 低频段 4. 三种基本组态放大电路的分析 用微变等效电路对三种基本放大电路进行分析 ①放大电路的性能指标 a. 电压放大倍数 b. 电流放大倍数 c. 输入电阻 d. 输出电阻 e. 通频带概念

  19. IiIb Ic Io bc + + Rs Ui Rb rbe βIb Rc RL Uo + Us - - e - ri r'i ro +UCC Rb Rc C2 RsC1 uiRL Uo Us ②共发射极放大电路 电路与微变等效电路如图所示 讨论: a. 负号表示输出电压与输入电压相位相反。 b. 电压放大倍数与β和静态工作点关系 静态工作点较低时,r’bb较小。 静态工作点较高时,rbe≈r’bb。

  20. +UCC Rb + IbrbeβIb Rs Io + UiRb + UsReRLUo - - - ri r'i ro C1 + C2 Rs + + Ui UsReRLUo - - - brbee I”I2 I’ + RsRbI”’βI”ReU2 - c ③共集电极放大电路(射极跟随器) 信号从基极输入,射极输出,集电极是输入、输出的公共端。 该电路特点:电压放大倍数近似为1、输入电阻大、输出电阻小

  21. Isc C1C2 RsRb1Rc + UiReRLUo UsRb2CbUcc - IiIo ec RsIeβIb + UiRerbe Rc RL Uo UsIb - b ri r'i ro + Uoc _ ④共基极放大电路 发射极作为输入端,集电极作为输出端,基极是输入、输出的公共端。

  22. 接法 参数 共射极 共集极 共基极 Ai 表达式 β -(1+β) -α 数值 50 -51 -0.98 Au 表达式 数值 -136 0.993 136 ri 表达式 rbe rbe+(1+β)Re rbe/(1+β) 数值 1.1kΩ 154kΩ 21.6Ω ro 表达式 Rc Rc 数值 3 kΩ 80.4 Ω 3 kΩ 用途及特点 Ai和|Au|均较大;输出电压与输入电压反相;ri和ro适中,应用广泛。 |Ai|较大,但Au<1,输出电压与输入电压同相;ri高;ro低。可用作输入级、输出级以及起隔离作用的中间级。 Ai<1,但Au较大,输出电压与输入电压同相;ri低;ro高。用于宽带放大或作为恒流源。 设β=50,rbe=1.1kΩ,rce=∞, Rc=3 kΩ,Re=3 kΩ,Rs=3 kΩ,RL=∞

  23. iC I'B2 IB2 Q' I'BQ Q IBQ I'B1 IB1 0 uCE 饱和失真 第四节 静态工作点的稳定及偏置电路 半导体器件是一种对温度十分敏感的器件,温度上升时反映在如下几个主要方面: ①反向饱和电流ICBO增加,穿透电流ICEO=(1+β)ICBO也增加。反映在特性曲线上就是使特性曲线上移。 ②射—基电压UBE下降,在外加电压和电阻不变的情况下,使基极电流Ib上升。 ③使三极管的电流放大倍数β增大,使特性曲线间距增大。 综合起来,温度上升,将引起集电极电流IC增加,使静态工作点随之变化(提高)。静态工作点提高会导致饱和失真。如何能做到温度升高IC保持不变呢?采用电流负反馈稳定电流。

  24. +UCC Rc I Rb2 C2 + C1UB + IBUE RL Uo Rs + UiIR Rb1Re Us - IECe - - 为了保证静态点稳定,应满足如下两个条件: (1)保持UB不变 (2)保持UE恒定 T IERe UBE IE IE

  25. Rc Rb UCC UBBRe + + RsIbrbeβIb + UiRb2 Rb1RcRLUo Us - - - 估算公式: 精确计算,用戴维南等效电路计算输入回路:

  26. +UCC Rc I Rb2 C2 + C1UB + IBUE RL Uo Rs + UiIR Rb1Re Us - IECe - - 例:UCC=24V,Rb1=20kΩ,Rb1=60kΩ, Re=1.8kΩ, Rc=3.3kΩ,β=50。估算工作点。 例:两个放大电路,已知β=50,r’bb=200Ω,UBEQ=0.7V,电路的其他参数见图。 (1)分别求两放大电路的放大倍数和输入、输出电阻; (2)若三极管β值都增大一倍,分析静态工作点发生怎样变化? (3)若三极管β值都增大一倍,两电路放大倍数如何变化?

  27. 5kΩ +UCC=12V 50kΩRc I Rb2 C2 + C1UB 5kΩ + IBUE RL Uo 20k UiIR Rb1 2.7k - IEReCe - +UCC=12V 560kΩ 5kΩ Rb Rc C2 + + C1 uiRL Uo 5k - - 静态工作点计算:

  28. + + IbrbeβIb UiRb Rc RL Uo - - + + Ib rbeβIb Ui Rb1 Rb2 Rc RL Uo - - 动态分析计算。两个放大电路的静态工作点ICQ的值相同,所以 当β值由50增大100时。静态工作点变化情况 当β值由50增大100时。放大倍数的变化情况