模拟电子技术第三章 单管放大器.ppt

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1、第三章第三章 单管放大器单管放大器3.1 3.1 单管共射放大器单管共射放大器3.2 3.2 放大器的分析放大器的分析3.3 3.3 稳定静态工作点电路稳定静态工作点电路3.4 3.4 三极管其它组态单管放大器三极管其它组态单管放大器 3.5 3.5 场效应管单管放大器场效应管单管放大器引言引言 单管放大器是指由一只晶体管构成的放大器。单管放大器是指由一只晶体管构成的放大器。三三极极管管可可以以组组成成3 3种种形形式式的的单单管管放放大大器器，分分别别是是：共共发发射射极极放放大大器器、共共集集电电极极放放大大器器、共共基基极极放放大大器器。3.1 单管共射放大器单管共射放大器图3-1 阻容

2、耦合共射放大器3.1.1 一个典型的共射放大器一个典型的共射放大器1.放大器基本结构放大器基本结构 元件作用：元件作用：三极管三极管T：电流放大作用，是放：电流放大作用，是放大器的核心元件。大器的核心元件。Rb：提供合适的基极电流：提供合适的基极电流IB。Rc：集电极电位因：集电极电位因iC的变化的变化而改变，从而引起输出端电压变而改变，从而引起输出端电压变化化。电容电容C1、C2：耦合电容，隔离：耦合电容，隔离直流，通过交流。直流，通过交流。2.静态工作点的定义静态工作点的定义 交流输入信号交流输入信号ui=0时，时，晶体管各极的电流、晶体管各极的电流、b-e间的间的电压、管压降称为电压、管

3、压降称为静态工作点或静态工作点或直流工作点直流工作点Q，称为，称为Q点，点，常记作常记作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。思考 输出电压必然失真！输出电压必然失真！设置合适的静态工作点！设置合适的静态工作点！为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？时有合适的直流电流和极间电压？3.1.2 放大器的组成原则放大器的组成原则组成放大器时必须遵循以下原则：组成放大器时必须遵循以下原则：合适的静态工作点：合适的直流电源，合适的静态工作点：合适的直流电源，合适的电路参数。合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入

4、回路，动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：对实用放大电路的要求：共地、直流电共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。源种类尽可能少、负载上无直流分量。在图在图3-2(a)中，该电路不具有放大作用。改正方法是将电容中，该电路不具有放大作用。改正方法是将电容C C1 1移至移至如图如图3-13-1的位置。的位置。在图在图3-2(b)中，该电路交流信号无法输出。改正的方法是在集电极中，该电路交流信号无法输出。改正的方法是在集电极与直流电源与直流电源VCC之间加一集电极电阻之间加一集电极电阻Rc，以便把放大

5、的集电极电流，以便把放大的集电极电流转化为输出电压。转化为输出电压。图3-2 例题3.1的电路图(a)(b)【例例3.1】试分析图试分析图3-2所示电路是否具有放大作用。如果不所示电路是否具有放大作用。如果不能放大，如何改正？能放大，如何改正？3.2放大器的分析放大器的分析 放大器的分析包括两方面的内容：放大器的分析包括两方面的内容：一、一、静态分析静态分析（又称直流分析或静态工作点分析）（又称直流分析或静态工作点分析）二、二、动态分析动态分析（又称交流分析或小信号分析）（又称交流分析或小信号分析）3.2.1直流通路和交流通路直流通路和交流通路 一般情况下，在放大器中，直流量和交流量总是共存一

6、般情况下，在放大器中，直流量和交流量总是共存的。但由于电容、电感及电源等的存在，直流量和交流的。但由于电容、电感及电源等的存在，直流量和交流量流经的通路是不完全相同的。需要分别给出量流经的通路是不完全相同的。需要分别给出直流通路直流通路和交流通路和交流通路进行相应的分析。进行相应的分析。直流通路：直流通路：是在直流电源作用下直流电流流经的通路，是在直流电源作用下直流电流流经的通路，遵循以下原则：遵循以下原则：电容视为开路；电容视为开路；电感视为短路；电感视为短路；电压信号源视为短路但保留其内阻；电压信号源视为短路但保留其内阻；电流信号源视为开路并保留其内阻。电流信号源视为开路并保留其内阻。直流

7、通路交流通路交流通路是输入交流信号作用下，信号流经的通路是输入交流信号作用下，信号流经的通路,遵循遵循以下原则：以下原则：耦合电容或旁路电容视为短路；耦合电容或旁路电容视为短路；凡是不变的信号就视为凡是不变的信号就视为0 0，直流电压源视为接地，直流，直流电压源视为接地，直流电流源视为开路；电流源视为开路；在不考虑内阻时，二极管、稳压管都可视为短路。在不考虑内阻时，二极管、稳压管都可视为短路。交流通路3.2.2等效电路法等效电路法 在小信号作用下，在小信号作用下，晶体管的非线性可近似用线性电路晶体管的非线性可近似用线性电路来等效。来等效。（一）静态分析（一）静态分析1 1、画出放大电路的直流通

8、路、画出放大电路的直流通路2 2、根据回路电压方程及三极管的电流关系、根据回路电压方程及三极管的电流关系,有：有：（二）动态分析（二）动态分析 1、画出放大电路画出放大电路交流通路；交流通路；2 2、交流通路中的三极管用微变等效、交流通路中的三极管用微变等效电路代替，得到放大电路的交流电路代替，得到放大电路的交流等效电路。等效电路。3 3、根据交流等效电路求、根据交流等效电路求AuAu、RiRi、RoRo1 1）放大倍数）放大倍数思考：负载开路思考：负载开路时的时的Au2）输入阻抗输入阻抗根据根据Ri的定义的定义3）输出阻抗输出阻抗画出求画出求R Ro o的等效电路的等效电路:令令u ui i

9、=0=0，对图分析可知，对图分析可知i ib b=0=0，受控电流源，受控电流源i ic c=i=ib b=0=0，即受，即受控电流源相当于开路，当外加一个控电流源相当于开路，当外加一个u uo o必然产生必然产生i io o，则：，则：求输出阻抗等效电路解：（解：（1）求）求Q点点 【例【例3.2】在图示阻容耦合电路中在图示阻容耦合电路中，已知已知VCC=12V,Rb=510k，Rc=3k；晶体管的晶体管的 =150，=80，导通时，导通时UBEQ=0.7V；RL=3k。（1）求出电路的）求出电路的Au、Ri和和Ro。（2）若所加信号源内阻）若所加信号源内阻Rs=2k，求，求出出Aus=uo

10、/us=?（2）求Au、Ri和和Ro。（3）求Aus。nP79习题2（a，b，c，d）n画出图示电路的直流通路和交流通路。3.2.33.2.3图解分析法图解分析法 已知放大管的输入特性图、输出特性已知放大管的输入特性图、输出特性图以及放大器中各元件参数的情况下，利用图以及放大器中各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大器进行分析即为图解法。作图的方法对放大器进行分析即为图解法。1.静态分析静态分析1）图解法求静态工作点）图解法求静态工作点UCE=VCC-ICRc输出回路方程：输出回路方程：2）电路参数对静态工作点的影响）电路参数对静态工作点的影响通过上述静态工作点的图解过程可以看出，影响静态工

11、作点的参数有通过上述静态工作点的图解过程可以看出，影响静态工作点的参数有VCC、Rb和和Rc。改变改变Rb：输出回路负载线不变，：输出回路负载线不变，Q 点将沿该负载线上下移动，如图点将沿该负载线上下移动，如图(a)所所示。示。改变改变Rc：输出回路负载线斜率变化，：输出回路负载线斜率变化，Q点在点在IBQ所在的那条输出特性曲线所在的那条输出特性曲线上移动，如图上移动，如图(b)所示。所示。改变改变VCC：输出回路负载线平移，：输出回路负载线平移，Q点发生移动，如图点发生移动，如图(c)所示。改变所示。改变VCC，输出回路负载线和，输出回路负载线和IBQ所在的那条输出特性曲线均发生变化，故一般

12、对所在的那条输出特性曲线均发生变化，故一般对VCC的改变要慎重。的改变要慎重。(a)(b)(c)电路参数对静态工作点的影响 2.动态分析动态分析（1）由放大管输入特性曲线及）由放大管输入特性曲线及ui描绘输入回路中电压描绘输入回路中电压uBE和电流和电流iB的波形的波形（2）由）由iB的变化曲线、输出特性曲线及输出端负载线画的变化曲线、输出特性曲线及输出端负载线画出出uCE和和iC的波形。的波形。输入回路图解法 输出回路图解法由图可见放大器带载增益降低3.静态工作点的设置与非线性失真的分析静态工作点的设置与非线性失真的分析放大器的工作点放大器的工作点Q1设置太低，引起设置太低，引起截止失真截止

13、失真。放大器的工作点为放大器的工作点为Q2设置太高，引起设置太高，引起饱和失真饱和失真。Q点选择不当引起的失真消除失真方法？截止失真：截止失真：消除方法：增大消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。，即向上平移输入回路负载线。饱和失真饱和失真：减小减小Rb能消除截止失真吗？能消除截止失真吗？n消除方法：消除方法：增大增大Rb，减小减小Rc，减小减小，减小减小VBB，增大增大VCC。n最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uom：比较比较UCEQ与（与（VCC UCEQ），），取其小者，取其小者，除以除以 。这可不是这可不是好办法！好办法！4.静态工作点选取的一般原则静态工作点选取的一般原

14、则 通过以上分析可知，静态工作点的选择要根据输出电压通过以上分析可知，静态工作点的选择要根据输出电压uo的幅值和交流的幅值和交流负载综合考虑。若输入信号负载综合考虑。若输入信号ui幅值较大幅值较大，则输出电压，则输出电压uo的幅值也较大，为的幅值也较大，为了减小波形失真，静态工作点最好选择在了减小波形失真，静态工作点最好选择在交流负载线的中点交流负载线的中点，这样可保证，这样可保证uo的正、负半周对称。的正、负半周对称。若若输入信号输入信号ui的幅值不大的幅值不大，其输出电压的幅值较小，此时，为降低直流，其输出电压的幅值较小，此时，为降低直流电源电源VCC的功率损耗，在不产生失真的前提下，常把

15、静态工作点选得低一的功率损耗，在不产生失真的前提下，常把静态工作点选得低一些，静态工作点可选择在些，静态工作点可选择在交流负载线中点偏下交流负载线中点偏下的地方。的地方。5.图解法的局限性和适用范围图解法的局限性和适用范围 图解法必须具备所用管子的特性曲线，一般情况下，测试三极管特性曲图解法必须具备所用管子的特性曲线，一般情况下，测试三极管特性曲线费用较高，因此，图解法不经济。线费用较高，因此，图解法不经济。图解法只能分析简单无反馈电路，对较复杂的放大器显得无能为力。图解法只能分析简单无反馈电路，对较复杂的放大器显得无能为力。图解法未考虑三极管的结电容影响，只适合于中低频放大器。图解法未考虑三

16、极管的结电容影响，只适合于中低频放大器。但是，图解法却有一个优点，它对理解放大器原理是很有帮助的，尤其但是，图解法却有一个优点，它对理解放大器原理是很有帮助的，尤其是在设计大功率放大器输出端电路时，往往要用到图解法的概念。是在设计大功率放大器输出端电路时，往往要用到图解法的概念。3.3 稳定静态工作点电路稳定静态工作点电路3.3.1 静态工作点稳定的必要性静态工作点稳定的必要性 放大器的静态工作点对放大性能有着重要的影响。因此，选择放大器的静态工作点对放大性能有着重要的影响。因此，选择合适的工作点并使之保持稳定，就成为保证放大器正常工作的关键。合适的工作点并使之保持稳定，就成为保证放大器正常工

17、作的关键。静态工作点不稳定因素：电源电压的变化、电路元件由于老化而引静态工作点不稳定因素：电源电压的变化、电路元件由于老化而引起参数值的改变、以及起参数值的改变、以及温度对器件参数的影响温度对器件参数的影响等等.晶体管在不同环境温度下的的输出特性曲线稳定静态工作点的方法有：稳定静态工作点的方法有：在电路中加入二极管、热敏电阻等温在电路中加入二极管、热敏电阻等温度敏感元件，这种方法往往适用范围小、度敏感元件，这种方法往往适用范围小、调试麻烦且成本高。调试麻烦且成本高。通过引入负反馈电路来稳定工作点，通过引入负反馈电路来稳定工作点，这是最有效的方法。这是最有效的方法。ICQ T UBE ICBO

18、3.3.2带带ReRe的共射放大器的共射放大器分压式偏置稳定放大器直流通路直流通路:如果如果Rb1、Rb2及及Re的值选得的值选得合适就可满足合适就可满足I1IB，此时有：，此时有：UB与晶体管参与晶体管参数基本无关数基本无关Re 的的作用作用T()ICUE UBE（UB基本不变）基本不变）IB IC Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。点越稳定。关于反馈的一些概念：关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。直流

19、通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。为正反馈。Re有上限值吗？有上限值吗？IC通过通过Re转换为转换为UE影响影响UBE温度升高温度升高IC增大，反馈的结果使之减小增大，反馈的结果使之减小（一）静态分析（一）静态分析式1这里顺便讨论一下如何选择这里顺便讨论一下如何选择Re的值。利用戴维宁定的值。利用戴维宁定理，可将上图理，可将上图 变换成下图所示电路，其中：变换成下图所示电路，其中：（二）动态分析（二）动态分析（1）电压放大倍数）电压放大倍数 （2）输入阻抗）输入阻抗 （3）输出阻抗）输出阻抗 射极

20、偏置电路的微变等效电路【例例3.3】在带在带Re的共射放大器，分析的共射放大器，分析Ce开路时，将引起电开路时，将引起电路哪些动态参数发生变化？如何变化？路哪些动态参数发生变化？如何变化？解：旁路电容开路时的交流等效电路如下图所示解：旁路电容开路时的交流等效电路如下图所示无旁路电容的微变等效电路一般有：一般有：可见，可见，Re使使|Au|减小了，但由于减小了，但由于Au仅决定于电阻取值，所以不受环仅决定于电阻取值，所以不受环境温度的影响，同时输入阻抗也提高了。在境温度的影响，同时输入阻抗也提高了。在Re的两端并一电解电容的两端并一电解电容Ce后，既能稳定直流工作点，又不影响放大器增益。后，既能

21、稳定直流工作点，又不影响放大器增益。n温度补偿：利用对温度敏感温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接的元件，在温度变化时直接影响输入回路。影响输入回路。n例如，例如，Rb1或或Rb2采用热敏电采用热敏电阻。阻。它们的它们的温度系数？温度系数？nP81 4、53.4三极管其它组态的单管放大器三极管其它组态的单管放大器3.4.1 单管共集电极放大器单管共集电极放大器 信号由基极输入，由发射极输出，故又称为信号由基极输入，由发射极输出，故又称为射极输出器射极输出器。Rb提供基极静态工作电流；提供基极静态工作电流；Re是发射极电阻，将发射极电流转化是发射极电阻，将发射极电流转化为电压；为电压

22、；C1、C2分别为输入回路和输出回路的耦合电容。分别为输入回路和输出回路的耦合电容。图3-15 基本共集放大器（一）静态分析（一）静态分析画出放大器的直流通路。画出放大器的直流通路。输入回路的方程为：输入回路的方程为：由此求得由此求得IB、IE和和UCE分别为：分别为：（2）输入阻抗）输入阻抗（二）动态分析（二）动态分析（1）电压放大倍数）电压放大倍数1、画出放大器的交流通路；、画出放大器的交流通路；2、画出微变等效电路；、画出微变等效电路；3、列出输入和输出电压的表达式：、列出输入和输出电压的表达式：电压放大倍数：电压放大倍数：无电压放大比共射的输入阻抗高特点特点：输入阻抗高、输出阻抗小。：

23、输入阻抗高、输出阻抗小。应用应用：充当在电压型放大器的输：充当在电压型放大器的输入级或输出级。入级或输出级。（3）输出阻抗）输出阻抗 画出共集放大器输出阻画出共集放大器输出阻抗的等效电路抗的等效电路共集放大器输出阻抗的等效电路为什么？3.4.23.4.2单管共基极放大器单管共基极放大器3-18 共基极放大器 图图3-183-18为一种典型的共基极为一种典型的共基极放大器。放大器。1、静态分析、静态分析 该放大器的直流通路与稳定该放大器的直流通路与稳定Q点共射电路的直流通路一样，点共射电路的直流通路一样，故其静态工作点求法相同：故其静态工作点求法相同：直流通路（2）输入阻抗）输入阻抗（3）输出阻

24、抗）输出阻抗特点：共基放大器具有通频带宽的优点，在高频电路中扮演着重要的角特点：共基放大器具有通频带宽的优点，在高频电路中扮演着重要的角色，其原理将在第色，其原理将在第5章说明。章说明。（1）电压放大倍数）电压放大倍数微变等效电路（二）动态分析（二）动态分析3.4.3三种单管放大器性能比较三种单管放大器性能比较共射、共基、共集放大器性能比较：共射、共基、共集放大器性能比较：【例【例3.4】放大器电路如图所示，设晶体管放大器电路如图所示，设晶体管 =100，=200，导通时，导通时UBEQ=0.7V。（1）说明该放大器为何种类型放大器。说明该放大器为何种类型放大器。（2）求求Q值。值。（3）求电

25、路的求电路的Au、Ri和和Ro；放大器电路图 解：（解：（1）该放大器为射极输出器，）该放大器为射极输出器，是共集放大电路。是共集放大电路。（2）ui=0时，由图可知：时，由图可知：（3）画出交流通路）画出交流通路微变等效电路 求输出电阻的等效电路求输出电阻的等效电路求Ro等效电路 放大器电路 微变等效电路 解：（解：（1）画出放大器电路的微变等效电路）画出放大器电路的微变等效电路（2）电路为由）电路为由PNP管组成的共射放大器。管组成的共射放大器。【例【例3.5】放大器电路如图所示，设放大器电路如图所示，设 ，（1）求电路的）求电路的Au、Ri、Ro和和Aus。（2）说明放大器为何种类型放大

26、器。说明放大器为何种类型放大器。n【例3.6】电路如图（a）所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。n【例例3.7】电路如图所示，二极管导通电压UD0.7V，常温下UT26mV，电容C对交流信号可视为短路；ui为正弦波，有效值为10mV。n 试问二极管中流过的交流电流有效值为多少？n n解：解：二极管的直流电流n ID（VUD）/R2.6mAn 其动态电阻 n rDUT/ID10n 故动态电流有效值n IdUi/rD1mA80页图3-29的（b）（c）交直流通路（b）（c）n82页8、10下周一交作业3.5场效应管放

27、大器场效应管放大器 场效应管放大器：共源极、共漏极、共栅极，其中共栅场效应管放大器：共源极、共漏极、共栅极，其中共栅极电路很少用，本书只介绍共源极和共漏极两种组态的场极电路很少用，本书只介绍共源极和共漏极两种组态的场效应管放大器。效应管放大器。1、自偏压共源放大器、自偏压共源放大器图3-21 共源自给偏压放大器3.5.1 共源极放大器共源极放大器1）静态分析）静态分析 直流通路 思考：自给偏压适合增强型管子吗？为什么？U UGSGS由由I ID D在在R Rs s上的压降提供上的压降提供2）图解法分析静态工作点）图解法分析静态工作点FET放大器的图解法(a)转移特性曲线(b)输出特性曲线 输出

28、回路外特性方程：输出回路外特性方程：输入回路外特性方程：输入回路外特性方程：（2）动态分析）动态分析如果在电路中加上电容如果在电路中加上电容Cs：2）输入阻抗）输入阻抗 3）输出阻抗）输出阻抗1）电压放大倍数）电压放大倍数如果电路中没有电容如果电路中没有电容Cs:无旁路电容Cs时的微变等效电路 图3-21 共源自给偏压放大器（二）分压式偏置共源放大器二）分压式偏置共源放大器图3-23 分压式偏置电路 直流通路（1）静态分析）静态分析思考：分压式偏置适合什么类型的FET?Rg3的加入目的是提高输入阻抗。的加入目的是提高输入阻抗。（2）动态分析）动态分析1）电压放大倍数）电压放大倍数如果电路中没有

29、电容如果电路中没有电容Cs：如果在电路中加上电容如果在电路中加上电容Cs：2）输入阻抗）输入阻抗3）输出阻抗）输出阻抗微变等效电路 图3-23 分压式偏置电路 3.5.23.5.2共漏极放大器共漏极放大器1、静态分析、静态分析 该放大器静态分析时，除了把转移特性方程换为耗尽型方程外，其余与分压式偏置电路相同。图3-24 共漏放大器电路 2、动态分析、动态分析1）电压放大倍数）电压放大倍数 可以看出，同共集放大器一样，共放大器电压放大倍数可以看出，同共集放大器一样，共放大器电压放大倍数小于小于1，当，当 时，放大倍数接近于时，放大倍数接近于1，且输出电压与输入电压，且输出电压与输入电压同相，故共

30、漏放大器又称为同相，故共漏放大器又称为源极跟随器源极跟随器。2）输入阻抗）输入阻抗微变等效电路 输出电阻：输出电阻：求输出阻抗电路 3）输出阻抗）输出阻抗 求共漏极放大器输出阻抗的等效电路。求共漏极放大器输出阻抗的等效电路。令输入电压源令输入电压源ui短路，将短路，将RL去掉后，在输出端加电压信去掉后，在输出端加电压信号号uo，产生，产生io。此时此时ui=0，ugs=-u-usgsg=-uo不等于不等于0，所以受控电流源电流，所以受控电流源电流gmugs不为零。不为零。【例例3.6】电路如图（电路如图（a）所示，已知）所示，已知-VDD=-40V，RG=1M，RD=12k,Rs=1k，场效应

31、管的场效应管的I IDSSDSS=-6mA,U=-6mA,UGS(off)GS(off)=6V,r=6V,rdsdsRRD D,各电容器的容量均足够大。各电容器的容量均足够大。（1）求电路静态时的求电路静态时的IDQ、UGSQ、UDQ。（2）求电路的求电路的Au、Ri、Ro。解：（解：（1）设管子工作于放大区，可建立）设管子工作于放大区，可建立下面两个方程：下面两个方程：联解上面两个方程可得到：联解上面两个方程可得到：由于由于 ，故假设正确。，故假设正确。微变等效电路（2）求电路的求电路的Au、Ri、Ro。【例【例3.7】电路如图电路如图3-26（a）所示，）所示，Rd=Rs=5.1k，Rg2

32、=1M，VDD=24V，场效应管的，场效应管的IDO=2.4mA，UGS（th）=2V，各电容器的电容量足够大。若要求管子的，各电容器的电容量足够大。若要求管子的UGSQ=4V，求，求（1）IDQ和和Rg1的值；的值；（2）及此时的及此时的Ri、Ro；（3）的值。的值。解：（解：（1）由由IDO的定义的定义:UGSQ=2UGS(th)可得可得IDQ=IDO=2.4mA。由由 代入已知数据可得代入已知数据可得Rg1=0.5M 类同共漏极放大器输出电阻的求法可得类同共漏极放大器输出电阻的求法可得（2）微变等效电路如图所示）微变等效电路如图所示uo1输出时的微变等效电路 （3）微变等效电路如图所示）微变等效电路如图所示uo2输出时的微变等效电路