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...

电路与电子技术基础


第七章放大电路基础

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




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）。

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。




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。

+ C2 -

+

- C1 + Rc

T RL U0

Rs Rb Ui UCC +Us UBB - -

由图可知放大电路需要两个电源 UBB 和 U

CC ，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。

+UCC

Rb Rc + C2 -

- C1 + +

Rs RL

Ui Uo +Us - -

+ C2 -

+

- C1 + Rc

RL U0

Rs Rb Ui +Us UCC - -




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。

+UCC

Rb Rc

直流通路

+

Rc RL UO

Rs + Rb Us - -

交流通路

+UCC

Rb Rc + C2 -

- C1 + +

Rs RL

Ui Uo +Us - -




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。

+12V

280k 3kΩ

β=50

直流通路

V63212

mA204.050

μA40mA04.0k280

7.012

cCQCCCEQ

BQCQ

BQ

RIUU

II

I




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。

iC

UCC/Rc N 直流负载线

M 0 UCC uCE

iC

iB5

iB4

iB3

iB2

iB1

iB0

0 uCE

a

Rc

UCC

b

iC

iB5

iB4

iB3

iB2

iB1

iB0

0 uCE

Ucc/Rc N

MUcc

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。

ICQ

UCQ

IBQ




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： +UCC

Rb Rc

ui RL Uo

mA),k(312 所以电流单位是注：电阻单位是CCE

cCccCE

iuRiUu

② 由输入回路计算基极静态电流 IBQ

A4010280

7.0123

b

BEccBQ R

UUI

iC(mA)

4

3

2

1

0 6 12 uCE(V)

iB4=80μA

iB3=60μA

iB2=40μA

iB2=20μA

N

M

Q

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 。




③ Ucc 对 Q 点的影响

iC(mA)

4

3

2

1

0 uCE(V)

iB4=80μA

iB3=60μA

iB2=40μA

iB2=20μA

N

M

Q

② Rc 对 Q 点的影响

iC(mA)

4

3

2

1

0 uCE(V)

iB4=80μA

iB3=60μA

iB2=40μA

iB2=20μA

N

M

Q

3. 电路参数对静态工作点的影响

① Rb 对 Q 点的影响

iC(mA)

4

3

2

1

0 uCE(V)

iB4=80μA

iB3=60μA

iB2=40μA

iB2=20μA

N

M

Q

Q2

Q1

Q1

Q2

Q1

Q2




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。

+

Rc RL UO

Rs + Rb Us - -

交流通路

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。

交流负载线

辅助线

iC(mA)

4

3

2

1

0 uCE(V)

iB4=80μA

iB3=60μA

iB2=40μA

iB2=20μA

N

M

Q直流负载线




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。

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 +UCC

Rb Rc

ui RL Uo

k5.1// LcL RRR

k5.1LRI

U即

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




② 交流波形的画法。设输入信号为：

ωt

ui/mV

0

ωt

uBE/mV

UBEQ

0iB/μA

ωt

60

40

20

0iC/mA

ωt

3

2

1

0

uCE/V

ωt

7.5

6.0

4.5

0

tUu mi sin

tUUuUu bemBEQbeBEQBE sin

tIIiIi bmBQbBQB sin

tIIiIi cmCQcCQC sin

tUUuUu cemCEQceCEQCE sin




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

iB

ib

IB Q

ube

ui

iC

ib

ic

Q IBQ

0 uCE

ucc




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。

iC 交流负载线ic

ib

0 t 0 uCE

0 uCE

t 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

Uces uCE/V

UCEQ ICQR'L 最大不失真输出波形

失真输出波形




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

CEBC

CEBBE

uifiuifu

,,

输出特性：输入特性：

CE

ICE

CB

UB

CC

CE

ICE

BEB

UB

BEBE

uu

ii

i

ii

uu

ui

i

uu

BQCEQ

BQCEQ

ddd

ddd

CEBC

CEBBE

CE

c

B

C

CE

BE

B

BE

uhihiuhihu

hu

ih

i

ih

u

uh

i

u

dddddd

2221

1211

22211211

则：

令：




iB=IBQ+ib ，而 diB 代表其变化量，故 diB=ib 。同理 duBE=ube ， diC=ic ， duCE=uce

cebc

cebbe

uhihiuhihu

2221

1211

则：

ceCE

c

B

Cr

CE

BEbe

B

BE

rh

u

ih

i

ih

u

urh

i

u 122211211

b c

+ + ib ic

h11

+ 1/h22

h12uce h21ib

- - -

e

ube uce




四个参数的几何意义： iB uCE= 常数

Q ΔiB

0 uBE

ΔuBE

iB ΔuCE

IB= 常数 Q

0 uBE

ΔuBE

iC

IB= 常数

ΔiC

0 uCE

ΔUCE

iC

ΔiC ΔiB

0 uCE

UCE= 常数

be

B

BE rhi

u

11 r

CE

BE hu

u

12

21hi

i

B

C

ceCE

c

rh

u

i 122

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：

bc

bbebe

iiiru

b c+ + ib ic rbe βib

- -

e

ube uce




【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：

Ib βIbb b' c

r'bb

Ie re

Ube

e

c

rc

b r'bb

b'

r'e

e因发射区重掺杂； r’

e 很小；结电阻是符合二极管特性

)(26

)(

)(26

EQEQe ImAI

mVr

对于小功率管， r’bb 约为 300Ω ，因此

)mA(

)mV(26)1(300

EQ

be Ir

热力学温度玻尔兹曼常数，电子电量，

），在常温下（

为反向饱和电流其中：

Tkq

UTq

kTU

I

eIi

TT

S

U

u

SET

be

mV26K300

)1(




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

i

ou

U

UA

s

ous

U

UA

i

oi

I

IA

i

ii

I

Ur

2

2

I

Uro

放大电路Au

Ii

+ Ui

– ri

Io

+ Uo

–

I2

+ U2

– ro

放大电路Au

中频段( 通频段

)低频段

高频段

fL fH

f

|A|

|Am|

0.707|Am|

0

e. 通频带概念




② 共发射极放大电路电路与微变等效电路如图所示

C2Rs C1 ui RL Uo

Us

+UCC

Rb Rc

Ii Ib Ic Io

b c + +Rs

Ui Rb rbe βIb Rc RL Uo +Us - - e -

ri r'i robe

L

i

ou

bebi

LcLLbo

r

R

U

UA

rIURRRRIU

)//(

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

)mA(

)mV(26)1(300

EQ

be Ir

静态工作点较低时， r’bb 较小。

LEQ

u

EQEQ

be RI

AII

r 26

2626)1(

静态工作点较高时， rbe≈r’bb 。

bb

Lu r

RA

i

oi

bibco

I

IA

IIIII

)(// bebbeibi

be

b

ii

rRrrRr

rI

Ur

通常

co

bbs

RrIIU

故，从而时，当 000

u

is

ius

is

i

s

i

u

s

i

i

o

s

i

s

ous

ArR

rA

rR

r

U

U

AU

U

U

U

U

U

U

UA




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。

C1

+ C2

Rs + + Ui Us Re RL Uo - - -

+UCC

Rb

+ Ib rbe βIb

Rs Io + Ui Rb +

Us Re RL Uo

- - -

ri r'i ro

ebebibi

ebe

b

ii

RrRrRr

RrI

Ur

)1(////

)1(

1//

)1(

2

2

222

22

2

beseo

bese

bese

rRR

I

Ur

rR

U

R

UI

IIrR

UI

R

UI

IIII

)1()1(

b

b

b

e

i

oi

bieoL

I

I

I

I

I

IA

IIIIR 且则ebe

e

i

ou

Leeebbebi

ebeeo

Rr

R

U

UA

RRRRIrIURIRIU

)1(

)1(

)//()1()1(

b rbe e

I” I2

I’ +Rs Rb I”’ βI” Re U2

-

c

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




Ii Io

e c Rs Ie βIb + Ui Re rbe Rc RL Uo

Us Ib - b ri r'i ro

C1 C2

Rs Rb1 Rc

+ Ui Re RL Uo

Us Rb2 Cb Ucc

-

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。

be

L

i

ou

bebi

LcLLbo

r

R

U

UA

rIURRRRIU

)//(

11////

1)1(

)1(

bebeeiei

be

b

bebi

bebebi

e

ii

rrRrRr

r

I

rIr

IIrIUI

Ur

cboc

oc

RIU

U

压用戴维南定理求输出电

e

c

i

oi

ei

coL

I

I

I

IA

II

IIR

cb

cb

sc

oco

bsc

RI

RI

I

Ur

II

求短路电流

+

Uoc

_

Isc




be

c

r

R

ebe

e

)1(

)1(

Rr

R

be

c

r

R

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=∞




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。

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




+UCC

Rc I Rb2 C2 + C1 UB

+ IB UE RL Uo

Rs + Ui IR Rb1 Re

Us - IE Ce - -

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

与三极管无关即

则若使

CC

bb

bB

bb

CCRBR

bRbBRCC

URR

RU

RR

UIII

RIRIIU

21

1

21

12)(

e

B

e

EEBEB

BEBE

e

EE

R

U

R

UIUU

UUUR

UI

则若使

BRBR IIII )10~5( 通常只要满足条件

BEBBEB UUUU )10~5( 通常只要满足条件

T IE IERe UBE

IE




)(

21

1

ecCQCCCEQ

CQe

EEQ

BEBE

CCbb

bB

RRIUU

IR

UI

UUU

URR

RU

估算公式：

精确计算，用戴维南等效电路计算输入回路：

Rc

Rb

UCC

UBB Re

+ + Rs Ib rbe βIb

+ Ui Rb2 Rb1 Rc RL Uo

Us - - -

)()1(

// 21

21

1

ecCCCCEBC

eb

BEBBB

bbbCC

bb

bBB

RRIUUIIRR

UUI

RRRURR

RU

co

bebbi

be

L

i

ou

bebi

LcLLbo

RrrRRr

r

R

U

UA

rIURRRRIU

////

)//(

21




例： UCC=24V,Rb1=20kΩ, Rb1=60kΩ, Re=1.8kΩ ， Rc=3.3kΩ,β=50 。估算工作点。

+UCC

Rc I Rb2 C2 + C1 UB

+ IB UE RL Uo

Rs + Ui IR Rb1 Re

Us - IE Ce - -V21.91.59.224)(

Aμ581

mA9.28.1

3.5V3.57.06

V6246020

20

21

1

ecCQCCCEQ

EQ

BQ

e

EEQCQ

BEBE

CC

bb

bB

RRIUU

II

R

UII

UUU

URR

RU

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？




+UCC=12V 560kΩ 5kΩ Rb Rc

C2 ++ C1ui RL Uo 5k - -

5kΩ +UCC=12V 50kΩ Rc I Rb2 C2 + C1

UB 5kΩ+ IB UE RL Uo

20kUi IR Rb1 2.7k

- IE Re Ce -

V75112mA102.050

mA02.010560

7.0123

cCQCCCEQ

BQCQ

b

BECCBQ

RIUUII

R

UUI

V3.47.7112)(

Am02.050

1

mA17.2

7.2V7.27.04.3

V4.35020

1220

21

1

ecCQCCCEQ

EQ

BQ

e

EEQCQ

BEBE

CC

bb

bB

RRIUU

II

R

UII

UUU

URR

RU

静态工作点计算：




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

+ + Ib rbe βIb

Ui Rb Rc RL Uo

- -

+ + Ib rbe βIb

Ui Rb1 Rb2 Rc RL Uo

- -

kΩ5.11

2651200

26)1(

EQ

bbbe Irr

kΩ5kΩ5.15.1//560//

3.835.1

)5//5(50

co

bebi

be

Lu

RrrRr

r

RA

kΩ5kΩ36.15.1//50//20////

3.835.1

)5//5(50

21

co

bebbi

be

Lu

RrrRRr

r

RA

当 β 值由 50 增大 100 时。静态工作点变化情况

V25212mA202.0100

mA02.0

cCQCCCEQ

BQCQ

BQ

RIUUII

I

基本不变，仍为

mA01.0100

1

CQ

BQ

CEQCQEQEB

II

UIIUU 基本不变、、、、

当 β 值由 50 增大 100 时。放大倍数的变化情况

1675.1

)5//5(100

kΩ5.12

26101200

be

Lu

be

EQ

r

RA

r

I

的变化

3.898.2

)5//5(100

kΩ8.21

26101200

be

Lu

be

EQ

r

RA

r

I

基本不变

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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...

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