模电放大电路的基本原理

Au 所以
Uo Ui
Au
而
Uo Ui
Ui Ibrbe
RL
rbe
Uo IcRL Ib
(RL Rc // RL ) Ri = rbe // Rb ，
Ro = Rc
(二) rbe 的近似估算公式
rbb ：基区体电阻。
iC c
reb ：基射之间结电阻。
re：发射区体电阻，一般只有几
iB
欧姆，可忽略。
图 2.4.1(a)
【例】图示单管共射放大电路中，VCC = 12 V，
Rc = 3 k，Rb = 280 k，NPN 硅管的 = 50，试估算静
态工作点。
解：设 UBEQ = 0.7 V
IBQ
VCC
U BEQ Rb
12 0.7
(
) mA
280
40 A
ICQ IBQ
= (50 0.04) mA = 2 mA
方法：根据 uCE = VCC iCRc 式确定两个特殊点
当 iC 0 时，uCE VCC
当
uCE
0
时，iC
VCC Rc
输出回路 输出特性
iC 0，uCE VCC
uCE
0，iC
VCC RC
图 2.4.2
Q 直流负载线
由静态工作点 Q 确 定 的 ICQ 、 UCEQ 为静态值。
【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知
其中 Ie (1 )Ib
引入发射极电阻
后， Au 降低了。
若满足(1 + ) Re >> rbe
Au
RL Re
Au 与 三 极 管 的 参 数 、rbe 无关。
b +
Ui Rb
Ib
Ic c
rbe e
Ib Rc
Ie Re
+
RLUo
2. 放大电路的输入电阻
Ri
Ui Ii
rbe (1 )Re
图 2.4.3(a)
UCEQ = VCC – ICQ Rc = (12 2 3)V = 6 V
2.4.3 图解法
在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方
法求解放大电路的工作情况。
一、图解法的过程
(一)图解分析静态
1. 先用估算的方法计算输入回路 IBQ、 UBEQ。 2. 用图解法确定输出回路静态值
iB Q
iB
uBE
O
uBE
图 2.4.10(a)
rbe
uB E iB
U CE 常 数
rbe ：晶体管的输入电阻。
在 小 信 号 的 条 件 下 ， rbe 是 一 常 数。晶体管的输入电路可用 rbe 等效 代替。
2. 输出电路
假设在 Q 点附近特性曲线基本上是水平的(iC 与 uCE
无关)，数量关系上， iC 是 iB 的 倍；
t t
2.5 工作点的稳定问题
2.5.1 温度对静态工作点的影响
三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管 子参数的影响主要表现有：
1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 –2 mV/C，即温度 每升高 1C，UBE 约下降 2 mV 。
2. 改变。温度每升高 1C， 值约增加 0.5% ~ 1 %， 温度系数分散性较大。
3. ICBO 改变。温度每升高 10C ，ICBQ 大致将增加一 倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。
温度升高将导致 IC 增大，Q 上移。波形容易失真。
iC
VCC RC
T = 20 C
T = 50 C
Q
iB
Q
O VCC uCE
图 2.5.1 温度对 Q 点和输出 波形的影响
Rb = 280 k，Rc = 3 k ，集电极直流电源 VCC = 12 V， 试用图解法确定静态工作点。
解：首先估算 IBQ
IBQ
VCC
UBEQ Rb
(12 0.7 )mA 40 μA 280
做直流负载线，确定 Q 点
根据 UCEQ = VCC – ICQ Rc
iC = 0，uCE = 12 V ； uCE = 0，iC = 4 mA .
1. 当 IEQ 一定时， 愈大则 rbe 也愈大，选用 值
较大的三极管其 Au 并不能按比例地提高；
2. 当 值一定时，IEQ 愈大则 rbe 愈小，可以得到较
大的 Au ，这种方法比较有效。
(三) 等效电路法的步骤(归纳)
1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路 的静态工作点 Q 。
例 如 图 ， 已 知 BJT 的 β=100， VBE=-0.2V。 （1）试求该电路的静态工作点； （2）画出简化的小信号等效电路；
（3）求该电路的电压增益AV， 输出电阻Ro、输入电阻Ri。
解（1）求Q点，作直流通路
I
V CC
V BE
12 (0.2)
40uA
B
R
ห้องสมุดไป่ตู้
300K
b
I β I 100 (40) 4mA
C
B
V V I R 12 4 2 4V
CE
CC
Cc
+ -
直流通路
2. 画出小信号等效电路
3. 求电压增益
rbe
200
(1
)
26(mV) I E Q ( mA )
＝200+（1+100）26/4
=865欧
Ib Vvii Rb
Ic Ib Rc RL VO
AV
VO Vi
Ic (Rc // Ib rbe
// Rb
引 入 Re 后，输入电阻
增大了。
3. 放大电路的输出电阻
将放大电路的输入 端短路，负载电阻 RL 开 路 ，忽略 c 、e 之间的 内电阻 rce 。
Ro Rc
bb +
Ui RRbb
IIbb
IIcc cc
rrbbee e IIbb
IIee RRee
RRcc
e
+
RRLLUo
图 2.4.14(b)
的输出端；
VBB 、Rb：为发射结提 供正向偏置电压，提供静
态基极电流(静态基流)。
图 2.2.1 单管共射放大电路 的原理电路
2.2.2 单管共发射极放大电路的 工作原理
一、放大作用： Δ uΙ Δ uBE Δ iB Δ iC( Δ iB )
Δ uO Δ uCE( Δ iCRC )
ΔuO ΔuΙ 实现了放大作用。
图 2.2.1 单管共射放大电路 的原理电路
二、组成放大电路的原则：
1. 外加直流电源的极性 必须使发射结正偏，集 电结反偏。则有：
Δ iC Δ iB
2. 输入回路的接法应使输入电压 u 能够传送到三 极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量 iB。
3. 输出回路的接法应使变化量 iC 能够转化为变化 量 uCE，并传送到放大电路的输出端。
注意：这里忽略了 rce 对 iC与输出特性的影响，在 大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说
误差很小。
4. 电压放大倍数 Au；输入电阻 Ri、输出电阻 RO
Rb C1+ + Ui
Rc +C2
VT RL
+VCC
+
UO
b Ib
+
Ic c
+
Ui Rb
rbe Ib
Rc RLUo
e
图 2.4.12 单管共射放大电路的等效电路
RL )
Ib (Rc Ib rbe
//
RL )
(Rc // rbe
RL )
155.6
4. 求输入电阻
Ri
Vi Ii
Rb
// rbe
865
Ib
Vvi Rb
5. 求输出电阻
us
Ro = Rc =2K
6.非线性失真判断
底部失真即截止失真
uo
基极电流太小，应减小 基极电阻。
Ic Ib Rc RL VO
图 2.4.3(a)
iC /mA
4
80 µA
3
60 µA
静态工作点
40 µA
2
Q
20 µA
1
M iB = 0 µA
0
2
4
6
8
10 12
uCE /V
图 2.4.3(b)
由 Q 点确定静态值为：
IBQ = 40 µA ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.
单管共射放大电路 当输入正弦波 uI 时， 放大电路中相应的 uBE、 iB、iC、uCE、uO 波形。
小能量对大能量的控制作用称为放大作用。
放大的对象是变化量。
核心元件：双极型三极管和场效应管。
2.2 单管共发射极放大电路
2.2.1 单管共发射极放大电路的组成
VT：NPN 型三极管，为放大元件；
VCC：为输出信号提供能量； RC：当 iC 通过 Rc，将 电流的变化转化为集电极
电压的变化，传送到电路
2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数 和
rbe 。 3. 画出放大电路的微变等效电路。可先画出三
极管的等效电路，然后画出放大电路其余部分的交 流通路。
4. 列出电路方程并求解。
二、 微变等效电路法的应用
例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放 大倍数和输入、输出电阻。
1. 计算电压放大倍数 Au
2 3
U1
四、输入电阻 Ri
从放大电路输入端看进去的等
效电阻。
Ri
Ui Ii
五、输出电阻 Ro
从放大电路输出端看进去的等效电阻。Ro
Uo Io
US 0 RL
输入端正弦电压 Ui ，分别测量空载和输出端接负载
RL 的输出电压 Uo 、Uo。
Uo
Uo RL Ro RL
Ro (UUoo 1)RL
三、原理电路的缺点：
1. 双电源供电； 2. uI、uO 不共地。
四、单管共射放大电路
图 2.2.2 单管共射放大电路
C1 、C2 ：为隔直电容或耦合电容； RL：为负载电阻。 该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。
2.3 放大电路的主要技术指标
一、放大倍数
电压放大倍数 ( Au )
Au
Uo Ui
电流放大倍数 ( Ai)
Ai
Io Ii
图 2.3.1 放大电路技术指标测试示意图
二、最大输出幅度
在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供 给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值表 示，或有效值表示(Uom 、Iom)。
三、非线性失真系数 D
所有谐波总量与基波成分之比，即
D
U
2 2
U
单管共射放大电路输出 信号与输入信号反相。
图 2.4.6 单管共射放大电路的 电压电流波形
图解法小结
1. 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性 失真的关系；
2. 方便估算最大输出幅值的数值； 3. 可直观表示电路参数对静态工作点的影响； 4. 有利于对静态工作点 Q 的检测等。
2.4.4 微变等效电路法
2.4.1 直流通路与交流通路
图 2.2.2(b)
图 2.4.1(a)
图 2.4.1(b)
2.4.2 静态工作点的近似计算
IB
Q
VCC
UBEQ Rb
硅管 UBEQ = (0.6 ~ 0.8) V 锗管 UBEQ = (0.1 ~ 0.2) V
c b
IBQ e
ICQ UCEQ
ICQ IBQ
UCEQ = VCC – ICQ RC
输出电阻愈小，带载能力愈强。
六、通频带
Aum 1 2 Aum
BW
fL：下限频率 fH：上限频率
图 2.3.2
fL
fH
七、最大输出功率与效率
输出不产生明显失真的最大输出功率。用符号 Pom
表示。
Pom
PV
：效率
PV：直流电源消耗的功率
2.4 放大电路的基本分析方法
基本分析方法两种 图解法 微变等效电路法
Rb
C1+ + Ui
Rc +C2
VT
Re
RL
+VCC
+ UO
b +
Ui Rb
Ib
Ic c
rbe e
Ib Rc
Ie Re
+
RLUo
图 2.4.14 接有发射极电阻的放大电路
根据微变等效电路列方程
Ui Ibrbe IeRe
而 UO ICRL Ib RL
Au
UO Ui
rbe
RL (1 )Re
b
b
rbb re e
reb
iE e
图 2.4.13
reb
UT I EQ
26 I EQ
UT ：温度电压当量。
rbe
duB E diB
rbb
(1
)
26 IEQ
低频、小功率管 rbb 约为 300 。
讨论
电流放大倍数与电压放大倍数之间关系
因：
Au
RL
rbe
r 300 (1 ) 26
be
IEQ
第二章 放大电路的基本原理
2.1 放大的概念 2.2 单管共发射极放大电路 2.3 放大电路的主要技术指标 2.4 放大电路的基本分析方法 2.5 工作点的稳定问题 2.6 放大电路的三种基本组态 2.7 场效应管放大电路 2.8 多级放大电路
2.1 放大的概念
本质：实现能量的控制。 在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入 信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动 负载。
从三极管输出端看，
可以用 iB 恒流源代
iC
替三极管；
该恒流源为受控源；
Q
iB
iB
为 iB 对 iC 的控制。
O
uCE
图 2.4.10(b)
3. 三极管的简化参数等效电路
iB b
+
uBE
iC c
+
iB b
+
iC c
+
uCE
uBE rbe
iB uCE
rce
e
e
图 2.4.11 三极管的简化 h 参数等效电路
晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静 态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的 特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。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。
微变等效条件
研究的对象仅仅是变化量 信号的变化范围很小
一、简化的 h 参数微变等效电路
(一) 三极管的微变等效电路 1. 输入电路 晶体管的输入特性曲线 Q 点附近的工作段 近似地看成直线 可认为 uBE 与 iB 成正比