第3章单级低频小信放大器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,3,章单级低频小信号放大器,本章学习目标,3.1,放大器的基本概念,3.2,基本共射放大器,3.3,放大电路的分析方法,3.4,分压式偏置放大电路,本章小结,本章学习目标,了解放大器的方框图的组成，理解放大倍数的概念。,掌握基本共射极放大电路的组成，理解各元器件的作用，会分析其工作原理。,掌握基本共射放大电路的直流通路的画法，并能用估算法计算基本共射放大器的静态工作点，清楚静态工作点的作用。,掌握基本共射放大电路的交流通路的画法，理解输入电阻、输出电阻的含义，掌握输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的计算。,理解图解法的含义，会用图解法进行静态工作点分析并理解因静态工作点设置不当引起的失真，了解失真消除的方法。,熟悉分压式偏置共射放大电路的构成及作用，理解其稳定静态工作点的原理。,3.1,放大器的基本概念,3.1.1,放大器概述,3.1.2,放大器的放大倍数,3.1.1,放大器概述,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。,扩音机框图,扩音机是一种常见的放大器，如图所示。,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。,3.1.2,放大器的放大倍数,放大器的框图,输入端,输入电流,输出电流,输入电压,输出电压,输出端,一、放大倍数的分类,1,电压,放大倍数,(,3,.,1,.,1,),2,电流,放大倍数,(,3,.,1,.,2,),3,功率放大倍数,(,3,.,1,.,3,),三者关系为,(,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,G,P,=10lg,A,P,(dB),2,电压增益,G,v,=20lg,A,v,(dB),3,电流增益,G,i,=20lg,A,i,(dB),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,。,3.2,单级低频小信号放大器,3.2.1,单管共射基本放大电路,3.2.2,放大器的静态工作点,3.2.3,共发射极电路的放大和反相作用,单级低频小信号放大器：,工作频率在,20 Hz,(,赫,),到,20 kHz,(,千赫,),内、电压和电流都较小的单管放大电路。,3.2.1,单管共射基本放大电路,单管共发射极放大电路,一、电路的组成和电路图的画法,1,电路组成,2,元件作用,G,B,基极电源。通过偏置电阻,R,b,，保证发射结正偏。,G,C,集电极电源。通过集电极电阻,R,C,，保证集电结反偏。,R,b,偏置电阻。保证由基极电源,E,B,向基极提供一个合适的基极电流。,R,c,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。,C,1,、,C,2,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,(,b,),所示,。,单管共发射极放大电路,3,电路图的画法,如右图所示。,“,”,表示接地点，实际使用时，通常与设备的机壳相连。,R,L,为负载，如扬声器等。,单电源供电放大器的习惯画法,C,1,、,C,2,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,I,B,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,i,b,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,i,B,=,I,B,+,i,b,，即表示基极电流的总瞬时值。,3.2.2,放大器的静态工作点,静态：,无信号输入,(,v,i,=0,),时电路的工作状态。,1,静态工作点,Q,：,静态时晶体管直流电压,V,BE,、,V,CE,和对应的,I,B,、,I,C,值。分别记作,V,BEQ,、,I,BQ,、,V,CEQ,和,I,CQ,。如下图 所示。,V,BEQ,：硅管一般为,0.7 V,，锗管为,0.3 V,。,静态工作点,例,3.2.1,在图示单级放大器中，设,V,G,=12 V,R,C,=2 k,，,=220K,，,=60,。求放大器的静态工作点。,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,2,静态工作点对放大器工作状态的影响,静态工作点,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。,若把左图中的,R,b,除掉，电路如右图所示，则,I,BQ,=0,，当输入端加正弦信号电压,v,i,时，在信号正半周，发射结正偏而导通，输入电流,i,b,随,v,i,变化。在信号负半周，发射结反偏而截止，输入电流,i,b,等于零。即波形产生了失真。,除去,R,b,时放大器工作不正常,2,静态工作点对放大器工作状态的影响,如果,R,b,阻值适当，则,I,BQ,不为零且有合适的数值。当输入端有交流信号,v,i,通过,C,1,加到晶体管的发射结时，基极电流在直流电流,I,BQ,的基础上随,v,i,变化，即交流,i,b,叠加在直流,I,BQ,上。,如果,I,BQ,的值大于,i,b,的幅值，那么基极的总电流,I,BQ,+,i,b,始终是单方向的直流电，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,i,b,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,V,G,和偏置电阻,R,b,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,共发射极电路的放大和反相作用,1,信号放大与反相,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,I,CQ,的基础上跟着,i,b,变化,i,c,=,I,CQ,+,i,c,同样，集电极与发射极电压也是静态电压,V,CEO,和交流电压,v,ce,两部分合成，即,v,CE,=,V,CEQ,+,v,ce,交流输入信号,v,i,经过电容,C,1,作用在晶体管的发射结，引起基极电流的变化，这时基极总电流为,i,B,=,I,BQ,+,i,b,由于集电极电流,i,c,流过电阻,R,C,时，在,R,C,上产生电压降,i,c,R,C,，则集电极与发射极间总的电压应为：,负号表示,i,c,增加时,v,ce,将反相增大，即,v,ce,与,i,c,反相。,经耦合电容,C,2,的,“,隔直通交,”,，放大器，输出端获得放大后的输出电压,v,o,v,ce,i,c,R,c,，即,v,o,与,v,i,反相。,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，其他不变。,(,2,),交流通路：,电容和电源视为短路。,直流、交流通路画法,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,),共发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。,3.3,放大电路的分析方法,3.3.1,图解法,3.3.2,估算法,3.3.1,图解法,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。,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,放大器的输出回路,静态工作点的图解分析,由直流通路得,V,CE,和,I,C,关系的方程为,V,CE,=,V,G,-,I,C,R,c,根据上式在左图晶体管输出特性曲线族上作直线,MN,，斜率是,1/,R,c,。由于,R,c,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,静态工作点的图解分析,如图所示，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,V,CEQ,、,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,V,CEQ,、,I,CQ,也不同。,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,交流通路,交流负载电阻为,过,Q,点，作斜率为 的直线，得交流负载线,M,N,。,2,放大倍数的图解分析,如图所示。根据,i,B,的变化范围,i,Bmax,和,i,Bmin,，得到工作点的变化范围,Q,1,、,Q,2,，,可得输出电压的动态范围,V,CEmax,V,CEmin,。,所以输出电压的幅值,V,om,=,V,CEmax,V,CEQ,若输入信号的幅值为,V,im,，则放大器的电压放大倍数为,放大倍数的图解分析,三、静态工作点与波形失真的图解,1,饱和失真,如果静态工作点接近于,Q,A,，在输入信号的正半周，管子将进入饱和区，输出电压,v,ce,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,Q,B,，在输入信号的负半周，管子将进入截止区，输出电压,v,ce,波形正半周被部分削除，产生,“,截止失真,”,。,3,非线性失真,饱和失真和截止失真统称为非线性失真。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。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。,工程应用,消除非线性失真的方法,由上页图可知，当静态工作点偏高时，,I,BQ,偏大，出现饱和失真，要消除饱和失真，可将偏置电阻,R,b,增大，即可使,I,BQ,下降，静态工作点下移动。,当静态工作点偏低时，,I,BQ,偏小，出现截止失真，要消除截止失真，可将偏置电阻,R,b,减小，静态工作点上移动。,为调节静态工作点，常将偏置电阻设置成可调电阻，为防止可调偏置电阻调为零电阻时静态工作电流过大引起的三极管损坏，又常将可调偏置电阻与一固定电阻相串联。,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,由放大器的直流通路得出估算静态工作点的公式：,例,3.3.1,如图所示放大器，设,V,G,=12 V,，,R,b,=200 k,，,R,C,=3 k,，,若晶体管电流放大系数,=,35,，,试估算静态工作点。,估算静态工作点,解,二、估算输入电阻、输出电阻和放大倍数,1,晶体管输入电阻,r,be,的估算公式,晶体管的输入电阻,r,be,：晶体管基极和发射极之间交流电压,v,i,与相应交流电流,i,b,之比。,估算公式为：,r,bb,是晶体管基区电阻，在小电流,(,I,EQ,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,从式可见，,r,be,与静态电流,I,EQ,有关，静态工作点不同，,r,be,取值也不同。常用小功率管的,r,be,约为,1 k,左右。,2,放大器的输入电阻,r,i,和输出电阻,r,o,(1),输入电阻,r,i,输入电阻,r,i,：从放大器输入端看进去的交流等效电阻。,从图中可以看出，,r,i,=,R,b,/,r,be,一般,R,b,r,be,，所以,r,i,r,be,如图所示放大器的交流通路，,r,i,表示放大