1 放大的概念和放大电路的主要性能指标
1.1 放大的概念
放大的对象:变化量。
放大的本质:能量的控制和转换。
放大的基本特征:功率放大。(判断电路能否放大的基本出发点)
放大的基本要求:不失真。(放大的前提)
能控制能量的元件:有源元件。(放大电路中必须存在有源元件,如晶体管和场效应管等)
1.2 放大电路的性能指标
(1)放大倍数:直接衡量放大电路放大能力的重要指标,为输出量与输入量之比。
电压放大倍数:
电流放大倍数:
电压对电流的放大倍数(互阻放大倍数):
电流对电压的放大倍数(互导放大倍数):
(2)输入电阻:从放大电路输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压有效值与输入电流的有效值之比,即。
(3)输出电阻:从放大电路输出端看进去的等效电阻,为空载时输出电压的有效值,为带负载后输出电压的有效值,,输出电阻。输出电阻愈小,负载电阻变化时,负载后输出电压就愈小,放大电路的带负载能力愈强。
(4)通频带:衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。由于电容、电感及放大管PN结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数下降,并产生相移。(注:也包括平行导线间的分布电容等)
上限截止频率、下限截止频率和通频带:
通频带越宽,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。
(5)非线性失真系数:由于放大器件均具有非线性特性,它们的线性放大范围有一定的限度,当输入信号幅度超过一定值后,输出电压将会产生非线性失真。
输出波形中的谐波成分总量与其基波成分之比称为非线性失真系数D。
基波基波幅值为,谐波幅值为、……
(6)最大不失真输出电压:定义为当输入电压再增大时,就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。
(7)最大输出功率与效率:在输出信号不失真的情况下,负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率。此时输出电压达到最大,不失真输出电压。
直流电源能量的利用率称为效率。其中电源消耗的功率为。
2 基本共射放大电路的工作原理
2.1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用
当时,放大电路处于静态。
输出回路中,集电极电源足够高,使得晶体管的集电结反向偏置,以保证晶体管工作在放大状态,集电极电流。
集电极电阻上的电流等于,其电压为,从而确定了c-e间电压。
2.2 设置静态工作点的必要性
一、静态工作点
令,根据回路方程,便可得到静态工作点的表达式
二、为什么要设置静态工作点
对于放大电路的基本要求,一是不失真,二是能否放大。设置合适的静态工作点,以保证放大电路不产生失真是非常必要的。Q点不仅影响电路是否会产生失真,而且影响着放大电路几乎所有的动态参数。
2.3 基本共射放大电路的工作原理及波形分析
对于基本共射放大电路,只有设置合适的静态工作点,使交流信号驮载在直流分量之上,以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态,输出电压波形才不会产生非线性失真。
基本共射放大电路的电压放大作用,是利用晶体管的电流放大作用,并依靠将电流的变化转化成电压的变化来实现的。
2.4 放大电路的组成原则
一、组成原则
(1)必须根据所用放大管的类型提供直流电源,以便设置合适的静态工作点,并作为输出的能源。
(2)电阻取值得当,与电源配合,使放大管有合适的静态工作点。
(3)输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。
(4)当负载接入时,必须保证放大管输出回路的动态电流(晶体管的、或场效应管的、)能够作用于负载,从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。
二、两种实用的共射放大电路
在使用放大电路中,为了防止干扰,常要求输入信号、直流电源、输出信号均有一端接在公共端,即“地”端,称为“共地”。
(1)直接耦合共射放大电路
信号源与放大电路、放大电路与负载电阻均直接相连接。
(2)阻容耦合共射放大电路
起连接作用的电容称为耦合电容,利用电容连接电路称为阻容耦合。
电容对直流量的容抗无穷大,所以信号源与放大电路、放大电路与负载之间没有直流量通过。耦合电容的容量应该足够大,使其在输入信号频率范围内的容抗很小,可视为短路,所以输入信号可以几乎无损失地加在放大管的基极与发射级之间。
耦合电容的作用是“隔离直流,通过交流”。令输入端短路,可以求出静态工作点。
3 放大电路的分析方法
3.1 直流通路与交流通路
直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的通路,也就是静态电流流行的通路,用于研究静态工作点。对直流通路,有以下原则:①电容视为开路;②电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻);③信号源视为短路,但应保留其内阻。
交流通路是输入信号作用下交流信号流经的通路,用于研究动态参数。对交流通路,有以下原则:①容量大的电容(如耦合电容)视为短路;②无内阻的直流电源(如)视为短路。
在分析放大电路时,应遵循“先静态,后动态”的原则,求解静态工作点时应利用直流通路,求解动态参数时应利用交流通路,两种通路切不可混淆。
3.2 图解法
一、静态工作点的分析
当输入信号时,晶体管的输入回路,静态工作点应该在晶体管的输入特性曲线上,又满足外电路的回路方程。
晶体管的输出回路,静态工作点既应在的那条输出特性曲线上,又应满足外电路的回路方程。
二、电压放大倍数的分析
三、波形非线性失真的分析
截止失真:因晶体管截止而产生的失真。只有增大基极电源,才能消除截止失真。
四、直流负载线与交流负载线
3.3 等效电路法(微变等效电路法)
一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算法
二、晶体管共射h参数等效模型(只能用于放大电路低频动态小信号参数的分析)
(1)h参数等效模型的由来
(2)h参数的物理意义及求解方法
(3)简化的h参数等效模型
晶体管的输入回路可近似等效为只有一个动态电阻;
晶体管的输出回路可近似等效为只有一个受控电流源。
如果晶体管所接负载电阻与可比,如,则在电路分析中应当考虑的影响。
(4)的近似表达式
三、共射放大电路动态参数的分析
利用h参数等效模型可以求解放大电路的电压方法倍数、输入电阻和输出电阻。
1.电压放大倍数
2.输入电阻
3.输出电阻
4 放大电路静态工作点的稳定
4.1 静态工作点稳定的必要性
所谓稳定Q点,通常是指在环境温度变化时静态集电极电流和管压降基本不变,即Q点在晶体管输出特性坐标平面中的位置基本不变。
而且必,须依靠的变化抵消和的变化。常用引入直流负反馈或温度补偿的方法,使在温度变化时产生与相反的变化。
4.2 典型的静态工作点稳定电路
一、电路组成和Q点稳定原理
如图,分别为直接耦合电路和阻容耦合电路。
这种电路Q点稳定的原因是:
(1)的直流负反馈作用。
(2)在的情况下,在温度变化时基本不变。
二、静态工作点的估算
三、动态参数的估算
4.3 稳定静态工作点的措施
使用温度补偿方法稳定静态工作点时,必须在电路中采用对温度敏感的元件,如二极管、热敏电阻等。
温度补偿的方法是靠温度敏感元件直接对基极电流产生影响,使之产生与相反方向的变化。
以上两幅图所展示的是利用二极管来稳定静态工作点的措施。
(a)利用二极管的反向特性进行温度补偿
(b)利用二极管的正向特性进行温度补偿
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