一、原理电路
二、阻容耦合基本放大电路
三、静态工作点稳定电路
2.1.1基本概念
一、放大的概念
在电子电路中,放大的对象是变化量,测试信号常用正弦波。放大的本质是能量的控制和转换,即在输人信号的作用下,通过有源元件(如晶体管或场效应管)使负载从直流电源中获得大于输入电压的输出电压,或者大于输入电流的输出电流,或者二者兼而有之。可见,负载上获得的能量比信号源向放大电路提供的能量大,因此放大的特征是功率放大。
放大的前提是不失真,换言之,如果电路输出波形产生失真便谈不上放大。
二、静态工作点与失真
放大电路的核心元件是有源元件,即晶体管(或场效应管)。因晶体管截止而产生的失真为截止失真,因晶体管饱和而产生的失真为饱和失真。在基本放大电路中,只有在信号的任意时刻晶体管都工作在放大区或场效应管都工作在恒流区,输出电压才不会失真。为此,放大电路必须设置静态工作点Q。当输入信号为零时,晶体管和场效应管各电极间的电流与电压称为Q点。对于晶体管,Q点包括基极电流
,集电极(或发射极)电流
(或
) ,b-e间电压
和管压降
;对于场效应管,Q点包括栅-源电压
,漏极电流
和管压降
当有电压信号输入时,在放大管的输入回路产生动态信号,并驮载在静态之上,输出回路电流随之产生相应的变化,再由电阻转换成电压的变化,从而实现了电压放大。
三、放大电路的性能指标
若将放大电路看成一个黑盒子,且输人电压和电流分别为
;,输出电压和电流分别为
,如图2.1.1所示,则电压放大倍数、电流放大倍数、电压-电流(互阻)放大倍数和电流-电压(互导)放大倍数分别为
2.1.2放大电路的组成原则
- 根据所用的放大管的特性选择供电电源的数值和极性。
- 选择合适的电阻阻值,与直流电源相配合建立合适的静态工作点,保证在输入信号的最大幅值下晶体管工作在放大区,场效应管工作在恒流区,即保证电路不失真。
- 输人信号应能够有效地作用于晶体管的b-e回路或场效应管的g-s回路;输出信号能够作用于负载之上;动态信号传递通畅,没有被短路和断路的地方。
2.1.3放大电路的分析方法
放大电路的分析应遵循“先静态、后动态”的顺序,在已知静态工作点合适的基础上,再分析动态才有意义。应当指出,Q点不但影响电路的输出是否失真,而且与大多数动态参数密切相关。一、放大电路的直流通路和交流通路
从基本放大电路的工作原理可知,在放大电路中交流量(变化量)和直流量往往共存,由于电容和电感的存在,直流量流经的通路和交流量流经的通路不同,为方便分析,引入直流通路和交流通路。
在直流电源作用下直流量所流经的通路为直流通路,电路中的电容开路,电感因线圈阻值很小而视为短路;信号源短路,但要保留其内阻。在输入信号作用下动态量所流经的通路为交流通路,因而电路中的容量大的电容(如耦合电容,旁路电容)和内阻为零的直流电源可视为短路。直流通路用于分析静态工作点,交流通路用于分析动态参数。二、放大电路的静态分析
在分析放大电路的静态工作点时,首先要画出直流通路,然后通过估算法或图解法求出Q点。1.估算法
在估算法中,认为晶体管的b-e间电压为已知量,常取硅管的
为0.7 V,锗管的
为0.2 V;集电极电流仅决定于基极电流,
;即认为晶体管的直流模型如图所示,图中二极管为理想二极管,它只表示电流的流向,导通时压降为零。
利用估算法求解静态工作点时,应首先画出放大电路的直流通路,然后列回路方程,并将
代入,解方程即可。
2.图解法
在实测放大电路中晶体管输人、输出特性曲线的前提下,可用图解法求解静态工作点。对于图2.1.3( a)所示共射放大电路,首先在输入特性坐标系中作输入回路负载线,与输入特性曲线的交点就是Q点,如图( b)所示,读其坐标值,得出
和
; 然后在输出特性坐标系中作输出回路负载线,它与
的那条输出特性曲线的交点就是Q点,如图(c)所示,读出坐标值,即为
和
。图解法可以直观地描述出Q点在输出特性坐标系中的位置。如果实测特性曲线和作图都比较准确,所得结果应比较符合实际情况。
三、放大电路的动态分析
放大电路的动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。通常,利用等效电路法求解
利用图解法分析
和失真情况。
1．双极型管和单极型管的h参数等效模型
h参数等效模型是适于低频小信号的模型,双极型管和单极型管简化的h参数等效模型及其参数来源如表2.1.1所示。
2.求解
在利用等效电路法求解
的方法和步骤
时,应首先画出放大电路的交流通路,并用晶体管简化的h参数等效模型取代其中的晶体管,从而得出交流等效电路;然后写出输入电压
(或信号源电压
)和输出电压
的表达式,根据
的定义,利用
,描述出
的关系;进而得出
的值;最后根据
的物理意义,观察交流等效电路,得出结论。
图2.1.3( a)所示基本共射放大电路的交流等效电路如图2.1.4所示,因而
3.求解最大不失真输出电压
的方法和步骤
图解法可以直观地描述出Q点在输出特性坐标系中的位置,因而有利于判断电路在输人信号时是否会产生失真,以及在输入信号增大时电路容易产生截止失真还是饱和失真,故应用图解法可以方便地求解
。
对于图2.1.3( a)所示电路,从图(c)可知,不产生饱和失真的最大输出电压的峰值为
,不产生截止失真的最大输出电压的峰值为
中小者除以
就是最大不失真输出电压。
2.1.4双极型晶体管基本放大电路
一、原理电路
在空载情况下三种接法的原理电路及动态参数如表2.1.2所示。
二、阻容耦合基本放大电路
在实用电路中,为了使信号源与放大电路、放大电路与负载电阻共地,也为了使负载电阻上无直流分量,常采用阻容耦合放大电路,它们的电路及动态参数如表2.1.3所示。其中共基电路是典型的工作点稳定电路,电容
,为旁路电容,在交流通路中可视为短路。
由表可知,共集放大电路的输入电阻可达一百千欧以上,输出电阻可至百欧以下;共基放大电路的输入电阻最小,也可至百欧以下。
三、静态工作点稳定电路
当环境温度变化时,由于晶体管的穿透电流、电流放大系数等参数随之变化使得
点产生变化,造成原本不失真的电路产生失真。由于
与
点相关,由表2.1.1和表2.1.2可知,放大电路的多数动态参数又与
有关,因而温度变化动态参数也将随之变化。因此,稳定
点不但可在环境温度变化时使电路不产生失真,而且可减小温度对动态参数的影响。
所谓
点稳定是指在温度变化时
点在晶体管输出特性坐标系中的位置基本不变,为此，在温度升高时要减小
,温度降低时要增大
。通过引人直流负反馈和温度补偿的方法能够稳定静态工作点。
图2.1.5( a)、(b)为典型的静态工作点稳定电路,前者为直接耦合电路,后者为阻容耦合电路,图(c)为它们的直流通路。通常,
,因此基极静态电位
基本不随温度的变化而变。
静态工作点
电路通过射极电阻
引人直流负反馈来稳定工作点。若在图2.1.5(b)所示电路中
用负温度系数的热敏电阻或
用正温度系数的热敏电阻,来实现温度补偿,则
点更加稳定。
图2.1.5(b)所示电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻为
若旁路电容开路,则
2.1.5单极型晶体管基本放大电路
场效应管放大电路的共源接法、共漏接法与晶体管放大电路的共射,共集接法相对应,但比晶体管电路输入电阻高、噪声系数低且在同样负载条件下电压放大倍数小,适用于作电压放大电路的输入级。
一、静态工作点的设置方法
根据所用场效应管的类型及其特性,在其输入回路和输出回路分别加合适的直流电源,即可设置合适的静态工作点,组成放大电路。根据表1.1.3所示各种场效应管的转移特性和输出特性,或者根据表1.2.2所示场效应管三个工作区域的极间电压,可以组成的各种场效应管基本共源放大电路,如图2.1.6所示,由于耗尽型MOS管电路的栅-源电压可为正值、零或负值,故其输入回路也可加
在实用电路中,常采用自给偏压电路和分压式偏置电路,如图2.1.7所示,它们均为阻容耦合电路。在图2.1.7(a)中
由于在正直流电源供电的情况下,通过源极电阻上的压降使放大管获得负偏压,而得名“自给偏压电路”。
在图2.1.7(b)中
由于栅极电位是两个电阻对直流电源的分压,从而得到偏置电压,故称为“分压式偏
二、动态分析
与分析晶体管放大电路相同,画出场效应管放大电路的交流等效电路,根据各动态参数的定义,利用i a=g.. 的关系,即可求出它们的表达式。由N沟道增强型MOS管组成的基本共源电路、共漏电路及其动态参数如表2.1.4所示。
在基本放大电路不能满足性能要求时,可将放大管采用复合管结构或两种接法组合的方式构成放大电路,前者可使等效管的电流放大系数约增大到组成它的各管的电流放大系数之积,后者可集中两种接法的优点于一个电路。在单级放大电路不能满足性能要求时,可采用多级放大电路,掌握各种基本放大电路的特点后,就可以在组成多级放大电路时正确地选择各级电路。
2.2.1 放大电路放大的本质
在物理学中,利用放大镜放大微小物体(光学中的放大),利用杠杆原理用小力移动重物(力学中的放大)和利用变压器将低电压变换为高电压(电学中的放大)等,在放大前后都遵循能量守恒的原则。从现象上看,放大电路和上述放大的对象均为变化量(或说差异),但放大电路放大却与它们有着本质的区别。在放大电路中,负载上获得的能量总是大于信号源提供的能量。因此,放大电路一定具有功率放大的特征,表现为输出电压大于输人电压,或者输出电流大于输入电流,或者二者兼而有之。换言之,不能将“放大”仅理解为电压放大。晶体管三种接法的放大电路虽然均实现了放大,但是共射放大电路既能放大电压又能放大电流,共集放大电路只能放大电流不能放大电压,共基放大电路只能放大电压不能放大电流。
放大电路中负载所获得的能量不是来源于信号源,而是来源于为电路供电的直流电源,可见放大的本质是能量的转换和控制。那么,负载究竟是怎样从直流电源中获得交流功率的呢?在图2.1.3( a)所示基本共射放大电路中,设静态工作点合适,信号源为晶体管输人回路提供了基极动态电流
,于是产生集电极动态电流
,改变了集电极回路从
索取的电流,
上电压产生相应的变化,使得管压降产生相反的变化,这个变化就是输出电压。放大电路通过晶体管将直流电源的直流功率转换为交流功率输出,并由输入信号控制直流电源为输出提供交流功率的大小。其它放大电路的原理相类似。放大电路中就是靠晶体管和场效应管来实现能量的控制和转换的。能够控制能量的电子元件是有源元件,因而晶体管和场效应管均为有源元件。
2.2.2 放大电路中的直流量、交流量和瞬时总量
在基本放大电路中,总是交、直流量共存,当有交流信号输入时,放大管各极的电流、电位均为瞬时总量。
图2.1.3( a)所示基本共射放大电路在不失真情况下输入电压
和放大管管压降
的波形如图2.2.1所示。以
为例,在图(c)中,虚线为静态管压降
,即在直流通路中c-e之间的电压;实线的正弦波电压是c-e之间电压的交流分量u.,即在图2.1.4所示交流等效电路中c-e之间的电压,即输出电压;而在图(c)中所读出波形某一点的纵坐标值则为c-e之间电压在这一时刻的瞬时总量
。同理可知图(b)中基极电流
。的物理意义。可见,在交流等效电路中,虽然由于
为交变信号使得基极回路电流随输入信号的极性有正、负的变化,但在实际电路中基极电流的方向是不变的,只不过在输入信号的正半周期时总量增大,而负半周总量变小而已。
2.2.3 直接耦合基本共射放大电路带负载情况下的分析
若图2.1.3( a)所示基本共射放大电路与负载的连接方式为直接耦合方式,则如图2.2.2( a)所示。在分析模拟电子电路时,应特别注意电路分析中的基本定理(如戴维宁定理、诺顿定理、叠加定理等)的应用。
在图2.2.2(a)所示电路中,若从a,b断开(如图中所示) ,按箭头方向利用戴维宁定理对
所组成的电路进行等效变换,得图2.2.2(b)所示电路,其中
图2.2.2( b)所示电路与图2.1.3( a)所示电路形式完全一样,因而其静态工作点与电压放大倍数表达式形式完全一样。
点为
电压放大倍数
2.2.4 放大电路中Q点和动态参数的关系
一、Q点的设置首先应保证电路不失真
放大电路放大的前提是不失真,换言之,若电路已产生失真,则其它的分析将没有意义。因而若所设置的
点在输入信号最大时放大电路既不产生饱和失真又不产生截止失真,则
从不失真的角度看该
点是合适的。通常,满足不失真要求的
点不是唯一的,它在直流负载线上有一个范围,因此究竟选择该范围中的哪一点应取决于对动态参数
的要求。
二、
在晶体管的h参数等效电路中
为晶体管发射极静态电流。
下面以提高图2.2.3所示阻容耦合共射放大电路
的方法为例,来说明
点与
的关系。为使问题简单起见,设电路某一参数变化时其余参数不变。
图2.2.3所示电路的电压放大倍数为
仅从数学式子上看,可以通过增大
来增大
,这些方法是否合理且行之有效呢?
- (1)
是由用户决定的,通常不宜改变。 - (2）增大
可使
增大。但是需考虑到,一方面由于输出电阻
为
,增大
就是增大
,使电路带负载能力变弱;另一方面,当
远远大于
时,增大
对提高电压放大能力将影响不大,而且增大!会使静态管压降减小,
增大到一定数值电路将产生饱和失真。 - (3）若
,,且
,根据式(2.2.1)可得
则式(2.2.2)可变换为
说明换管子增大
对
影响不大。换言之,在
相同的情况下,
大的管子
.也大,只有在不满足式(2.2.3)时增大β才是有效的方法。同时应注意,增大
会使
点沿直流负载线上移,易产生饱和失真。 - (4) 减小
使
增大,
随之增大, 
必然减小,根据式(2.2.2)可知, 
一定增大。从表2.1.2,2.1.3可知,电压放大倍数均与
有关,几乎对所有的单管放大电路,减小
.都是增大
行之有效的方法。但是由于输人电阻
;为
,减小
, 
将减小
,,从而增大从信号源索取的电流;而且减小
会使
点沿直流负载线上移,易产生饱和失真。 - 综上所述,各种方法中减小
是提高图2.2.3所示电路电压放大能力的最常用的有效方法。无论用哪种方法均不能顾此失彼,应考虑对
点的影响,以及由于
点变化对输入电阻和输出电阻的影响,只有这些影响在容许的范围内,这种方法才是适用的。上述分析也说明,不能将电子电路中的表达式看成为纯数学式子,应对照电路深入理解式中各物理量的意义及其相互关系。
三、
空载时,图2.2.3所示阻容耦合共射放大电路的交、直流负载线合二而一,输出电压沿图
点和
2.2.4中所示直流负载线变化。当静态工作点在
，处,增大输入电压将首先出现截止失真,这时有
点沿直流负载线上移时,最大不失真输出电压
。将随之增大,若上移到某一点,有
则
最大,输入电压增大到一定值时电路同时出现截止失真和饱和失真,有
若
点再继续上移则
.将减小,上移至
时,增大输入电压将首先出现饱和失真,有
在带负载的情况下,求解
.时,应首先画出放大电路的交流负载线,如图2.2.4所示,其斜率为
且过
点,与横轴的交点为
,输出电压将沿交流负载线变化。输出电压不产生饱和失真的最大幅值
,输出电压不产生截止失真的最大幅值
。
若
,说明当输入电压增大时电路首先出现饱和失真,则
若
,说明当输入电压增大时电路首先出现截止失真,则
当
,即
点约在交流负载线中点时
最大,为
综上所述,
随
点的变化而变,应根据交流负载线求解阻容耦合共射放大电路的
对于任何放大电路,使
最大的
点是唯一的。
应当指出,直接耦合共射放大电路直流负载线和交流负载线总是重合的,因而其
的分析方法与阻容耦合共射放大电路空载时相同。
2.2.5 NPN 型管和PNP型管共射放大电路的失真分析
NPN 型管基本共射放大电路如图2.2.5( a)所示,其输出电压与输入电压反相。
中的动态电压就是输出电压,因而可通过
判断输出电压的失真情况。设晶体管的饱和管压降和穿透电流均为零。由于集电极电阻上电压
与管压降
之和等于电源电压
,是常量,所以当输入如图2.2.5(b)所示正弦波电压
时,若在
正半周峰值附近的一段时间内, 
不能随
线性变化, 
趋于零,底部失真,则为饱和失真,如图( c)所示;若在
,负半周峰值附近的一段时间内, 
不能随
线性变化,
趋于
,顶部失真,则为截止失真,如图(d)所示。
对于图2.2.6( a)所示PNP型管共射放大电路,应如何从
的波形来判断其失真的性质呢?由图可知,集电极电阻上电压
与管压降
之和等于电源电压
是常量, 
在不失真的情况下,在
的正半周,晶体管的基极回路电压为
,使
小于
,
与
上电压随
成线性变化,因而
大于
,即集电极电位向
.变化;同理,在u;的负半周时,上述各物理量均向相反方向变化。可见,PNP型管共射放大电路的输出电压也与输入电压反相。设u波形如图(b)所示,晶体管的饱和压降和穿透电流均为零,在u的正半周峰值附近,若
增大到接近
,波形底部失真,则为截止失真,如图(c)所示;若
减小到接近零,波形顶部失真,则为饱和失真,如图(d)所示。
利用上述方法可以分析其它由不同类型管子作放大管的基本放大电路
与
;的相位关系以及波形失真的性质。综上所述可知:
(1)
与
的相位关系只和放大电路的基本接法有关,与所用放大管是 NPN型管还是PNP型管无关,共射放大电路
与
反相。类似分析可得共源放大电路
与
反相,共基、共集,共漏、共栅放大电路
与
同相。
(2）同种接法的放大电路,在输出波形相同时,会因为所用放大管的类型不同而失真性质不同。例如,共射放大电路的输出电压底部失真,若用NPN型管作放大管则为饱和失真
若用PNP型管作放大管则为截止失真。2.2.6放大电路基本接法的识别
晶体管放大电路有共射、共集和共基三种接法,场效应管有共源、共漏和共栅三种接法,不同接法的电路具有不同的特点,也就具有不同的适用场合,因而判断电路属于哪种基本接法是判断其基本性能的基础。
对于实用电路,常常不采用观察晶体管或场效应管哪个极接“地”的方法来判断其接法,因为在不少电路中放大管的三个极都不直接接“地”。例如,在图2.1.5( a)所示电路中就是如此。通常,可通过信号的传递方式,即看输入信号作用于哪个极和输出信号通过哪个极作用于负载来判断基本接法,如表2.2.1所示。
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