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单级低频小信号放大器


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第3章
本章重点

单级低频小信号放大器

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.了解温度对静态工作点的影响; 3.掌握共发射极放大电路的图解分析法和估算法。

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。

学时分配
序号 1 2 3 4 5 6 7 内 3.1 放大器的基本概念 3.2 单级低频小信号放大器 3.3 放大电路的分析方法 3.4 放大器的偏置电路 实验四 单级低频小信号放大器 本章小结与习题 本章总学时 8 容 学时 1 2 2 1 2

3.1
3.1.1 放大器概述

放大器的基本概念

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 22

图 3.1.2

放大器的框图

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3.1.2

放大器的放大倍数

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。 一、放大倍数的分类 1.电压放大倍数
Av ? Vo Vi

(3.1.1)

2.电流放大倍数
Ai ? Io Ii
Po Pi

(3.1.2)

3.功率放大倍数
Ap ?

?

(3.1.3)

三者关系为
AP ? Po I oVo ? ? Ai ? Av Pi I iVi

?

(3.1.4)

二、放大器的增益 增益 G:用对数表示放大倍数。单位为分贝(dB)。 1.功率增益 GP???10lgAP(dB) 2.电压增益 Gv???20lgAv(dB) 3.电流增益 Gi???20lgAi (dB) ? (3.1.7) 增益为正值时,电路是放大器,增益为负值时,电路是衰减器。例如,放大器的电 压增益为 20?dB,则表示信号电压放大了 10 倍。又如,放大器的电压增益为-20?dB,这 表示信号电压衰减到 1/10,即放大倍数为 0.1。 (3.1.6) (3.1.5)

3.2

单级低频小信号放大器

单级低频小信号放大器:工作频率 在 20 Hz 到 20 kHz 内、 电压和电流都较 小的单管放大电路。

3.2.1

电路的说明

一、电路的组成和电路图的画法 1.电路组成 单管共发射极放大电路如图
23 图 3.2.1 单管共发射极放大电路

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3.2.1(a)所示。 2.元件作用 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” 。 实际电路通常采用单电源供电,如图 3.2.1(b)所示。 3.电路图的画法 如图 3.2.3 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。

图 3.2.2

单电源供电放大器的习惯画法

图 3.2.3

C1、C2 非电解电容器的画法

二、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。

3.2.2

放大器的静态工作点

动画 放大器的静态工作点 静态:无信号输入(vi???0)时电路的工作状态。 1.静态工作点 Q 如图 3.2.4 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。
I BQ ? VG ? VBEQ Rb

(3.2.1)
图 3.2.4 静态工作点

I CQ ? ?I BQ

(3.2.2) (3.2.3)

VCEQ ? VG ? I CQ ? Rc
VBEQ:硅管一般为 0.7?V,锗管为 0.3?V。

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[例 3.2.1]在图 3.2.4 所示单级放大器中,设 VG ? 12 V,Rc ? 2 k?,Rb ? 220 k? ,

????60。求放大器的静态工作点。
解 从电路可知,晶体管是 NPN 型,按照约定视为硅管,则 VBEQ???0.7?V,则 VG ? VBEQ 12 V ? 0 ? 7 V I BQ ? ? ? 51 ?A Rb 220 k? I CQ ? ?I BQ ? 60 ? 50 ?A ? 3 mA VCEQ ? VG ? I CQ Rc ? 12 V ? 3 mA ? 2 k? ? 6 V

2.静态工作点对放大器工作状态的影响 放大器的静态工作点是否合适,对放大器的工作状态影响非常大。 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,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 Rb 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 ib 叠加在 直流 I BQ 上,如图 3.2.6 所示。如果 I BQ 的值大于 ib 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,是放大器能否正常工作的重要条件。由 电源 G C 和偏置电阻 Rb 组成的电路,就是为了 提供合适的偏流而设置的,称为偏置电路。

3.2.3 反相作用

共发射极电路的放大和

1.信号放大与反相 电路如图 3.2.2 所示。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
25 图 3.2.7 放大器各处电压、电流波形

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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 总的电压应为
vCE ? VG ? iC Rc ? VG ? ( I CQ ? ic ) Rc ? VG ? I CQ Rc ? ic Rc ? VCEQ ? ic Rc

(3.2.4)

由于集电极电流 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

(3.2.5)

比较式(3.2.5)与式(3.2.4)可得
vce ? ?ic Rc ??

?

?

(3.2.6)

式中负号表示 ic 增加时 ? ce 将减小,即 ? ce 与 ic 反相。故 ?CE 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) vo ? vce ? ?ic Rc 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。 2.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:图 3.2.8(a)放大电路的直流通路和交流通路如图 3.2.8(b)、(c)所示。 单级放大器的工作特点: (1) 为了不失真地放大信号,放大器必须设置合适的静态工作点。 (2) 共射极放大器对输入的信号电压具有放大和倒相作用。 (3) 在交流放大器中同时存在着直流分量和交流分量两种成分。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。

图 3.2.8

直流、交流通路画法

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3.3

放大电路的分析方法

通常采用图解法和估算法对放大电路的基本性能进行分析。

3.3.1

图解法

图解法:利用晶体管特性曲线,通过作图分析放大器性能。 一、用图解法分析静态工作点 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 VCE 和 I C 关系的方程为
VCE ? VG ? I C Rc

(3.3.1)
1 。 由于 Rc 是 Rc

根据式 3.3.1 在图 3.3.2 晶体管输出特性曲线族上作直线 MN , 斜率是 直流负载电阻,所以直线 MN 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 I BQ ? I B3 ,则曲线 I BQ ? I B3 与直线 MN 的交点 Q ,即为静 态工作点。过 Q 点分别作横轴和纵轴的垂线得对应的 VCEQ 、 I CQ 。由于晶体管输出特性 是一组曲线,所以,对应不同的 I BQ ,静态工作点 Q 的位置也不同,所对应的 VCEQ 、 I CQ 也不同。

图 3.3.1

放大器的输出回路

图 3.3.2

静态工作点的图解分析

二、用图解法分析输出端带负载时的放大倍数 1.交流负载线 电路如图 3.3.3(a),交流通路如图 3.3.3(b)所示。 可见,交流负载电阻为

? RL ?

Rc RL Rc ? RL

(3.3.2)

? 在图 3.3.4 上过 Q 点,作斜率为 1 / RL 的直线,得交流负载线 M ?N ? 。

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图 3.3.3

放大器交流负载电阻示意图

图 3.3.4

放大倍数的图解分析

2.图解分析 如图 3.3.4 所示,根据 iB 的变化范围 iBmax 和 iBmin ,得到工作点的变化范围 Q1 、 Q2 , 可得输出电压的动态范围 VCE max ? VCE min ,所以输出电压的幅值 Vom ? VCE max ? VCEQ ;若输 入信号的幅值为 Vim ,则放大器的电压放大倍数 V Av ? om Vim 三、静态工作点与波形失真的图解 如图 3.3.5 所示。 1.饱和失真 如果静态工作点接近于 QA ,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 QB ,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。 ? (3.3.3)

3.3.2

估算法

估算法:应用数学方程式通过近似计算来分析放大器的性能。 一、估算静态工作点 电路如图 3.3.6 所示。

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图 3.3.5

静态工作点引起的非线性失真

图 3.3.6

估算静态工作点

由放大器的直流通路得出估算静态工作点的公式:

I BQ ?

VG ? VBEQ Rb

?

VG Rb

I CQ ? ? I BQ ? I CEO ? ? I BQ VCEQ ? VG ? I CQ Rc
[例 3.3.1] 图 3.3.6 的放大器,设 VG ? 12 V,Rb ? 200 k?,Rc ? 3 k? ,若晶体 管电流放大系数?????35,试估算静态工作点。 V 12 V 解 I BQ ? G ? ? 60 μA Rb 200 k? I CQ ? ?I BQ ? 35 ? 60 ?A ? 2.1 mA VCEQ ? VG ? I CQ Rc ? 12 V ? 2.1 mA ? 3 k? ? 5.7 V 二、估算输入电阻、输出电阻和放大倍数 1.晶体管输入电阻 rbe 的估算公式 如图 3.3.7 所示,晶体管基极和发射极之间交流电压 vi 与相应交流电流 ib 之比,称为晶体管的输入电阻 v (3.3.4) rbe ? i ib 估算公式为

图 3.3.7

晶体管的输入电阻

rbe ? rbb ?(1 ? ? )

26 mV I E (mA)

(3.3.5)

rbb 是晶体管基区电阻,在小电流(IEQ 约几毫安)情况下, 低频小功率管约为 300??,因此,在低频小信号时

26 mV rbe ? 300 ? (1 ? ? ) I E (mA)
rbe 约为 1k?左右。 2.放大器的输入电阻 ri 和输出电阻 ro
29

图 3.3.8

交流通路

(3.3.6)

从式可见,rbe 与静态电流 IEQ 有关,静态工作点不同,rbe 取值也不同。常用小功率管的

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(1) 输入电阻 ri 图 3.3.6 放大器的交流通路如图 3.3.8 所示。 从放大器输入端看进去的交流等效电阻称为输入电阻 v ri ? i ii 从图中可以看出
ri ? Rb // rbe

(3.3.7)

(3.3.8) (3.3.9)

一般 Rb ?? rbe ,所以
ri ? rbe

ri 表示放大器从信号源吸取信号幅度的大小。ri 越大,信号源内阻损耗越小,放大器 得到的有效输入信号越大。 结论:单级放大器的输入电阻 ri 近似等于晶体管的输入电阻 rbe。 (2) 输出电阻 ro 如图 3.3.8 所示。 输出电阻 ro:从放大器输出端(不包括外接负载电阻)看进去的交流等效电阻。 因晶体管输出端在放大区呈现近似恒流特性,其动态电阻很大,所以输出电阻近似 等于集电极电阻。即
ro ? Rc

(3.3.10)

上式中 ro 表示放大器带负载的能力。输出电阻越小,输出信号时,自身损耗越小,带负 载的能力越强。 3.估算放大倍数的公式 ? ? 放大 器输 出端 外接 负 载 电阻 RL 时, 等效 负载 电 阻 RL ? Rc // RL , vo ? ?ic RL ,故

Av ?

? ? vo ? ic RL ? ?ib RL ? ? ,即 vi ib rbe ib rbe

? RL (3.3.11) rbe [例 3.3.2] 在图 3.3.6 单级放大器中,Rc???3?k?,设静态电流 IE???2.1?mA,晶体管 ? ?????35。求输出端带负载电阻 RL???3?k??时,电压放大倍数 AV 。 26 mV 26 mV 解 rbe ? 300 ? (1 ? ? ) ? 300 ? (1 ? 35) ?746 ? I E mA 2.1 mA AV ? ? ?

? RL ?

Rc RL 3 ? 3 k? ? ? 1 .5 k? Rc ? RL (3 ? 3) k? ? RL 1.5 ? 10 3 ? ? ?35 ? ? ?70 rbe 746 ?

? Av ? ? ?

3.4
3.4.1 固定偏置电路

放大器的偏置电路

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电路如图 3.4.1 所示。由直流通路可见,偏置电流 I BQ 是通 过偏置电阻 Rb 由电源 VG 提供,当 VG ?? VBEQ 时
I BQ ? VG ? VBEQ Rb ? VG Rb

(3.4.1)

只要 VG 和 Rb 为定值, I BQ 就是一个常数,故把这种电路称 为固定偏置电路。该电路由于 I CQ ? ?I BQ ? I CEQ (3.4.2)
图 3.4.1 固定偏置电路

因此,当环境温度升高时,虽然 I BQ 为常数,但???和 I CEQ 的增 大会导致 I CQ 的上升。可见,电路的温度稳定性较差。只能用 在环境温度变化不大,要求不高的场合。

3.4.2

分压式稳定工作点偏置电路

动画 分压式稳定工作点偏置电路 电路如图 3.4.2 所示。 电路特点是静态工作点比较 稳定 1.元件作用 Rb1 :上偏置电阻, Rb2 :下偏置电阻, Re :发射 极电阻, Ce :发射极旁路电容。 2.工作原理 基 极 电 压 VBQ 由 Rb1 和 Rb2 分 压 后 得 到 , 即
VBQ ? Rb2 VG 固定。当环境温度上升时,引起 I CQ Rb1 ? Rb2
图 3.4.2 分压式稳定工作点偏置电路

增加,导致 I EQ 的增加,使 VEQ ? I EQ ? Re 增大。由于 VBEQ ? VBQ ? VEQ ,使得 VBEQ 减小,于 是基极偏流 I BQ 减小,使集电极电流 I CQ 的增加受到限制,从而达到稳定静态工作点的目 的。稳定工作点的过程表示如下:
T ?? I CQ ?? I EQ ?? VEQ ? I CQ ?? I BQ ?? VBEQ ? ?

[例 3.4.1] 在图 3.4.2 具有分压式稳定工作点偏置电路的放大器中,Rb1???30?k?, Rb2???10?k?、Rc???2?k?,Re???1?k?,VG???9?V,试估算 ICQ 和 VCEQ。 解 估算时可认为 VBQ 是基极开路时的电压值。

VBQ ? VG

Rb 2 10 ? 9? ? 2.25 V Rb1 ? Rb2 30 ? 10 VEQ Re

VEQ ? VBQ ? VBEQ ? 2.25V ? 0.7V ? 1.55V I CQ ? I EQ ? ? 1.55 mA

VCEQ ? VG ? I CQ Rc ? I EQ Re ? VG ? I CQ ( Rc ? Re ) ? 9V ? 1.55(1 ? 2)V ? 4.35 V

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本章小结
1. 单级低频小信号放大电路是最基本的放大电路, 表征放大器的放大能力是放大倍 数,即电压、电流和功率三种放大倍数。放大器常采用单电源电路。要不失真地放大交 流信号必须使放大器设置合适的静态工作点,以保证晶体管放大信号时,始终工作在放 大区。 2. 图解法和估算法是分析放大电路的两种基本方法。 用图解法可直观地了解放大器 的工作原理,关键是会画直流负载线和交流负载线。用估算法可以简捷地了解放大器的 工作状况,分析计算放大器的各项性能指标。 3.在放大器中,为了稳定静态工作点,常采用分压式稳定工作点偏置电路。

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