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共发射极三极管电压放大器原理分析_三极管的放大原理(图)

时间:2010-07-03 来源: 编辑: 点击:次 字体设置:
电压放大器的任务是对输入的电压信号进行放大。要放大的信号通常是由传感器送来的,模拟某个物理量随时间变化的微弱电信号,利用放大器可以将这些微弱的电信号放大到足够的强,并将放大后的信号输送到驱动电路,驱动执行机构完成特定的工作。执行机构的驱动信号通常是变化量,所以放大电路放大的对象通常也是变化量。变化量即为交流信号,对交流信号进行放大是电压放大器的主要任务。
共发射极三极管电压放大器电路的组成

共发射极电压放大器电路的组成如图5-9所示。图5-9中的VCC是为放大器提供能量的直流电源;Rb是偏流电阻,该电阻的作用是为晶体管提供适当的偏置电压,使三极管工作在放大区;RC为集电极电阻,RL为负载电阻;C1和C2为耦合电容,它们的作用是隔离放大器的直流电源对信号源与负载的影响,并将输入的交流信号引入放大器,将输出的交流信号输送到负载上。


共发射极三极管电压放大器原理分析_5、2、2、共发射极电路图解分析法

对交流电压信号进行放大是电压放大器的任务,交流电压信号的特点是:大小和方向均是变化的。利用图解法可以很直观的分析电压放大器的工作原理。

图解法的分析步骤是:在三极管输入特性曲线上,画出输入信号的波形,根据输入信号波形的变化情况,在输出特性曲线相应的地方画出输出信号的波形,并分析输出信号和输入信号在形状,幅度,相位等参量之间的关系,如图5-10(a)、(b)所示。

图5-10(a)给出了三极管的输入特性曲线和输入信号的波形,图5-10(b)为三极管的输出特性曲线和输出信号的波形。

1、静态工作点的确定

由图5-10(a)的输入特性曲线可见,为了使三极管在任何时刻都工作在放大区,在输入信号等于0时,三极管的iB和UBE的值不能为零。否则当输入信号处在负半周时,三极管放大器的UBE将小于零,三极管将进入截止的状况,不能对输入信号进行正常的放大。

输入信号为零时,三极管所处的状况称为放大器的静态工作点,即图中的Q点,Q点有

IB、IC、UBE和UCE四个值,实际上只要IB、IC和UCE三个就可以确定电路的静态工作点,并用符号IBQ、ICQ和UCEQ来表示电路的静态工作点。

确定静态工作点的方法是:根据电容阻直流、通交流的特点和节点电位法可得放大器静态时输出端的电压为:

(5-8)

在输出特性曲线上,式5-8为直线,在横轴上,ICQ=0,UCEQ=Vcc;在纵轴上,UCEQ=0,
,连接这两点即可得式5-8所确定的直线,因该直线的斜率与 -1/Rc有关,所以,该直线称为直流负载线。

因放大器输出端电流和电压的关系同时要满足三极管的输出特性曲线和电路的直流负载线,所以,放大器静态工作点应在两曲线的交点上,即在直流负载线上。为了使放大器保持较大的动态范围,通常将静态工作点选在直流负载线的中点,根据直流负载线中点所确定的值ICQ和UCEQ就是输出电路的静态工作点,再根据
(5-9)

即可确定输入电路的静态工作点IBQ。

2、输出信号波形分析

静态工作点确定之后,根据叠加定理可得放大器输入端的信号为:


(5-10)

即在静态工作点电压上叠加输入的交流信号。在放大器不带负载RL的前提下,放大器放大信号的过程如下:

当输入是ui>0的正半周信号时,放大器输入端的工作点沿输入特性曲线从Q点往a点移,放大器输出端的工作点沿直流负载线从Q点往c点移,在输出端形成uo<0的负半周信号;当输入是ui<0的负半周信号时,放大器输入端的工作点沿输入特性曲线从Q点往b点移,放大器输出端的工作点沿直流负载线从Q点往d点移,在输出端形成uo>0的正半周信号。完成对正、负半周输入信号的放大,如图5-10所示。

由图5-10可见,经放大器放大后的输出信号在幅度上比输入信号增大了,即实现了放大的任务。但相位却相反了,即输入信号是正半周时,输出信号是负半周;输入信号是负半周时,输出信号是正半周,说明共发射极电压放大器的输出和输入信号的相位差是180°。

由图5-10还可见,电压放大器电路中集电极电阻RC的作用是:用集电极电流的变化,实现对直流电源Vcc能量转化的控制,达到用输入电压ui的变化来控制输出电压uo变化的目的,实现小信号输入,大信号输出的电压放大作用。并由此可得,放大器放大的是变化量,放大电路放大的本质是能量的控制和转换,三极管在电路中就是起这种控制的作用。

当放大器接有负载RL时,对交流信号而言,RL和RC是并联的关系,并联后的总电阻为

(5-11)

根据该电阻,在输出特性曲线上也可做一条斜率为的直线,该直线称为交流负载线,如图5-11所示。

由图5-11可见,在输入信号驱动下,放大器输出端的工作点将沿交流负载线移动,形成交流输出电压。但输出信号的幅度比不带负载时小,利用戴维南定理可解释此结论。

3、波形失真的类型

当放大器的工作点选的太低,或太高时,放大器将不能对输入信号实施正常的放大。

(1)截止失真

图5-12所示为工作点太低的情况,由图5-12可见,当工作点太低时,放大器能对输入的正半周信号实施正常的放大,而当输入信号为负半周时,因
将小于三极管的开启电压,三极管将进入截止区,iB=0,iC=0,输出电压u0=uCE=Vcc将不随输入信号而变化,产生输出波形的失真。

这种失真是因工作点取的太低,输入负半周信号时,三极管进入截止区而产生的失真,所以称为截止失真。


(2)饱和失真

图5-13所示为工作点太高的情况,由图5-13可见,当工作点太高时,放大器能对输入的负半周信号实施正常的放大,而当输入信号为正半周时,因太大了,使三极管进入饱和区,iC=βib的关系将不成立,输出电流将不随输入电流而变化,输出电压也不随输入信号而变化,产生输出波形的失真。


这种失真是因工作点取的太高,输入正半周信号时,三极管进入饱和区而产生的失真,所以称为饱和失真。

电压放大器工作时应防止饱和失真和截止失真的现象,当饱和失真或截止失真出现时,应消除它,改变工作点的设置就可以消除失真。

在消除失真之前必须从输出信号来判断放大器产生了什么类型的失真,判断的方法是:

对由NPN管子组成的电压放大器,当输出信号的负半周产生失真时,因共发射极电压放大器的输出和输入倒相,说明是输入信号为正半周时电路产生了失真。输入的正半周信号与静态工作点电压相加,将使放大器的工作点进入饱和区,所以,这种情况的失真为饱和失真,消除的办法是降低静态工作点的数值。

当输出信号的正半周产生失真时,说明输入信号为负半周时电路产生了失真,输入负半周信号与静态工作点电压相减,将使放大器的工作点进入截止区,所以,这种情况的失真为截止失真,消除的办法是提高电路静态工作点的数值。

注意:上述判断的方法仅适用于由NPN型三极管组成的放大器,对于由PNP型三极管组成的放大器,因电源的极性相反,所以结论刚好与NPN型的相反。

图解法能直观的分析出放大电路的工作过程,清晰地观察到波形失真的情况,且能够估算出波形不失真时输出电压的最大幅度,从而计算出放大器的动态范围VP-P=2Uom,但作图的过程比较麻烦,也于精确计算。该方法通常用于对大信号下工作的放大电路进行分析,对于在小信号下工作的放大器,通常采用微变等效电路法来分析。

共发射极三极管电压放大器原理分析_5-2-3 微变等效电路分析法

因放大电路中含有非线性元件三极管,前面介绍的各种分析法对非线性电路不适用,为了利用线性电路的分析法来分析电压放大器的问题,必须对三极管进行线性化处理。



对三极管的线性化处理就是将三极管的输入、输出特性线性化。工作在小信号场合的放大器,在工作点附近因输入信号的幅度很小,可用直线对输入特性曲线线性化,经线性化后的三极管输入端等效于一个电阻rbe,输出端等效于一个强度为βib的受控电流源,三极管线性化后的微变等效电路如图5-14所示。图5-14(a)是NPN三极管的符号,图5-14(b)是NPN三极管的微变等效电路图。等效的理论依据请参阅附录B的内容。

将三极管线性化处理后,放大电路从非线性电路转化成线性电路,线性电路所有的分析方法在这里都适用。必须注意的是,因微变等效电路是在微变量的基础上推得的,所以微变等效电路分析法仅适用于对放大器的动态特性进行分析,不适用于放大器静态工作点的计算。放大器静态工作点的计算可利用直流电路分析法进行。

1、放大器的静态分析


放大器静态分析的任务就是确定放大器的静态工作点Q,即确定IBQ,ICQ和UCEQ的值。

对放大器进行静态分析必须使用放大器的直流通路。因放大器静态工作点指的是,在输入信号为零时放大器所处的状况。当输入信号为零时,放大器各部分的电参数都保持不变,电容器两端的电路互不影响,相当于电容器断路,由此可得共发射极电压放大器的直流通路如图5-15所示。

由图5-15可见画放大器直流通路的方法很简单,只要将电容器从原电路中断开即可。

放大器直流通路是计算静态工作点的电路,电流IB,IC的参考方向如图5-15所示。根据节点电位法可得


工作在放大区的硅管Ube=Uon=0.7V,将Ube的值代入可得IBQ为:

(5-12)

由5-12式可见IBQ与Rb有关,在电源电压Vcc固定的情况下,改变Rb的值,IBQ也跟着变,所以Rb称为偏流电阻或偏置电阻。当Rb固定后,IBQ也固定了,因图5-15所示的电路Rb是固定的,所以该电路又称为固定偏流的电压放大器。

IBQ确定后,根据三极管的电流放大作用可求得ICQ,即

(5-13)

由放大器的输出电路可得





(5-14)

式5-12,5-13,5-14就是计算图5-9所示电路静态工作点的公式。

静态工作点是保证放大器正常工作的条件,实践中常用万用表测量放大器的静态工作点来判断该放大器的工作状况是否正常。

2、放大器的动态分析

放大器动态分析的主要任务是:计算放大器的动态参数:电压放大倍数,输入电阻ri,输出电阻ro,通频带宽度fbw等。本节先介绍前面的三个,通频带宽度在放大器的频响特性中介绍。

因动态分析是计算放大器在输入信号作用下的响应,所以计算动态分析的电路是放大器的微变等效电路,由原电路画微变等效电路的方法是:

(1)先将电路中的三极管画成图5-14(b)所示的微变等效电路。

(2)因电容对交流信号而言相当于短路,用导线将电容器短路。

(3)因直流电源对交流信号而言可等效成一个电容,所以直流电源对交流信号也是短路的,用导线将图中的+Vcc点与接地点相连。

利用上面介绍的方法对原电路进行处理后,再利用第一章介绍的整理电路的方法可将微变等效电路整理成便于计算的电路图,如图5-16所示。


根据微变等效电路可得计算电压放大倍数,输入电阻ri和输出电阻ro的公式。

根据的定义可得:
(5-15)
式中的RL,由5-11式确定,因UO的参考方向与RL,上电流的参考方向非关联,所以用欧姆定律写UO的表达式时有负号,该负号也说明输出电压和输入电压倒相,该结论在图解分析法中已得出。

由式5-15可见,要计算电压放大倍数的大小,还必须知道电阻rbe。rbe是三极管微变等效电路的输入电阻,计算rbe的电路如图5-17所示,计算rbe的公式是:

(5-16)

式中的rbb‘为三极管基极的体电阻,在题目没有给出rbb‘的具体数值时,可取rbb‘的值为300,IEQ是发射极的静态电流,该值为

(5-17)

放大器的输入电阻ri就是从放大器输入端往放大器内部看(图中输入端虚线箭头所指的方向),除源后的等效电阻,除源的方法与前面介绍的一样,即电压源短路,电流源开路。由图5-16可见,放大器的输入电阻是Rb和rbe相并联。即

(5-18)

式5-18约等的理由是,Rb是偏流电阻,它的值是几十k以上,而rbe的值通常为1k左右,两者在数值上相差悬殊,可以使用近似的条件。

放大器的输出电阻ro就是从放大器输出端往放大器内部看(图中输出端虚线箭头所指的方向),除源后的等效电阻,受控电流源开路,该电阻就是RC。即

(5-19)

式5-15、5-18、5-19就是计算图5-9所示电路电压放大倍数
,输入电阻ri,输出电阻ro的公式。

当考虑信号源内阻对放大器电压放大倍数的影响作用时,放大器的电压放大倍数称为源电压放大倍数,用符号


来表示,计算源电压放大倍数的公式为
(5-20)

式中的P为放大器的输入电阻与信号源内阻RS所组成的串联分压电路的分压比。即
(5-21)

共发射极三极管电压放大器原理分析例题:在图5-9电路中,已知Vcc=6V,Rb=150K,β=50,RC=RL=2k,RS=200,求:

(1)放大器的静态工作点Q;

(2)计算电压放大倍数,输入电阻、输出电阻和源电压放大倍数的值;

(3)若Rb改成50k,再计算(1)、(2)的值。

〖解〗:(1)根据式5-12、5-13、5-14可得放大器的静态工作点 Q的数值





(2)根据式5-11,5-16,5-15,5-18,5-19和5-20可得









(3)将Rb=50k的值代入解(1)的各式中可得




(5-22)

式5-22的结果出现了负值,在图5-9所示的电路中,静态工作点UCEQ的值不可能为负值(最小值约为0.2V)。出现负值的原因是管子工作在饱和区,当管子进入饱和区后,ICQ=βIBQ的关系不成立,把根据ICQ=βIBQ所确定的ICQ代入式5-14来计算UCEQ就会得到错误的结果。

由此可得结论,进行放大器静态工作点计算时,若UCEQ的结果为负数,说明三极管工作在饱和区。放大器工作在饱和区时不必进行动态分析的数值计算。

上面的计算过程也可以用EWB软件来仿真。由上面的计算过程还可见,放大器的静态工作点决定了放大电路的工作状况,实践中经常利用万用表来测量放大器的静态工作点,根据测量所得的数值来判断放大器的工作是否正常,并可确定三极管的三个管脚在电路中所处的位置和管子的类型。

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