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三极管放大电路原理

三极管放大电路原理

 

一、放大电路的组成与各元件的作用

 

Rb和Rc:提供适合偏置--发射结正偏,集电结反偏。C1、C2是隔直(耦合)电容,隔直流通交流。

共射放大电路

 

Vs ,Rs:信号源电压与内阻; RL:负载电阻,将集电极电流的变化△ic转换为集电极与发射极间的电压变化△VCE

二、放大电路的基本工作原理

 

静态(Vi=0,假设工作在放大状态) 分析,又称直流分析,计算三极管的电流和极间电压值,应采用直流通路(电容开路)。

基极电流:IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb

集电极电流:IC=ICQ=βIBQ

集-射间电压:VCE=VCEQ=VCC-ICQRc  动态(vi≠0)分析:

放大电路对信号的放大作用是利用三极管的电流控制作用来实现 ,其实质上是一种能量转换器。

 

三、构成放大电路的基本原则

 

放大电路必须有合适的静态工作点:直流电源的极性与三极管的类型相配合,电阻的设置要与电源相配合,以确保器件工作在放大区。输入信号能有效地加到放大器件的输入端,使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比例变化,经三极管放大后的输出信号(如ic=β*ib)应能有效地转变为负载上的输出电压信号。

 

电压传输特性和静态工作点

 

一、单管放大电路的电压传输特性

 

图解分析法:

 

输出回路方程:

输出特性曲线:

 

AB段:截止区,对应于输出特性曲线中iB<0的部分。

 

BCDEFG段:放大区

 

GHI段:饱和区

 

作为放大应用时:Q点应置于E处(放大区中心)。若Q点设置C处,易引起载止失真。若Q点设置F处,易引起饱和失真。

 

用于开关控制场合:工作在截止区和饱和区上。

 

二、单管放大电路静态工作点(公式法计算)

单电源固定偏置电路:选择合适的Rb,Rc,使电路工作在放大状态。

 

工作点稳定的偏置电路:该方法为近似估算法。

分压式偏置电路:

稳定工作点的另一种解释:温度T↑→IC↑→IE↑→VE↑(=IERe)↓(VB固定) ,则 IC↓ IB↓ VBE↓ (=VB-VE)。  

 

在静态情况下,温度上升引起IC增加,由于基极电位VB基本固定,该电流增量通过Re产生负反馈,迫使IC自动下降,使Q点保持稳定。Re愈大,负反馈作用愈强,稳定性也愈好。但Re过大,输出的动态范围(ΔVCE)变小,易引起失真。Rb1、Rb2愈小,VB愈稳定。但它们过小将使放大能力下降。工程设计时,应综合考虑电阻阻值的影响。

 

经验公式:I1=(5~10)IBQ,VEQ=IEQRe=0.2VCC(或VEQ=1~3V)。

 

附:放大电路

 

放大电路(amplification circuit)能够将一个微弱的交流小信号(叠加在直流工作点上),通过一个装置(核心为三极管、场效应管),得到一个波形相似(不失真),但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。

 

增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件,如电子管、晶体管等。为了实现放大,必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源,但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移,使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中,电信号的产生、发送、接收、变换和处理,几乎都以放大电路为基础。20世纪初,真空三极管的发明和电信号放大的实现,标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世,特别是60年代集成电路的问世,加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。

 

现代使用最广的是以晶体管(双极型晶体管或场效应晶体管)放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大,常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管,如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。

 

放大电路的前置部分或集成电路元件变质引起高频振荡产生"咝咝"声,检查各部分元件,若元件无损坏,再在磁头信号线与地间并接一个1000PF~0.047F的电容,"咝咝"声若不消失,则需要更换集成块。

 

2原则

 

(1)静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电路(元件)参数。

(2)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。

(3)对实用放大电路的要求:共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。[1]

 

3特点

 

放大电路本身的特点:

 

一、有静态和动态两种工作状态,所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析;

 

二、电路往往加有负反馈,这种反馈有时在本级内,有时是从后级反馈到前级,所以在分析这一级时还要能“瞻前顾后”。在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。

 

4性能指标

 

电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的三个主要性能指标,分析这三个指标最常用的方法是微变等效电路法,这是一种在小信号放大条件下,将非线性的三极管放大电路等效为线性放大电路。[1]

 

放大倍数

 

放大倍数又称增益,它是衡量放大电路放大能力的指标。根据需要处理的输入和输出量的不同,放大倍数有电压、电流、互阻、互导和功率放大倍数等,其中电压放大倍数应用最多。

 

输入电阻

 

放大电路的输入电阻是从输入端向放大电路内看进去的等效电阻,它等于放大电路输出端接实际负载电阻后,输入电压与输入电流之比,即Ri=Ui/Ii。对于信号源来说,输入电阻就是它的等效负载。

 

输入电阻的大小反映了放大电路对信号源的影响程度。输入电阻越大,放大电路从信号源汲取的电流(即输入电流)就越小,信号源内阻上的压降就越小,其实际输入电压就越接近于信号源电压,常称为恒压输入。反之,当要求恒流输入时,则必须使Ri<<Rs;若要求获得最大功率输入,则要求Ri=Rs,常称为阻抗匹配。

 

输出电阻

 

对负载而言,放大电路的输出端可等效为一个信号源。输出电阻越小,输出电压受负载的影响就越小,若Ro=0,则输出电压的大小将不受RL的大小影响,称为恒压输出。当RL<<Ro时即可得到恒流输出。因此,输出电阻的大小反映了放大电路带负载能力的大小。[2]

 

5分类

 

根据放大电路的作用可以将其分为:电压放大电路、电流放大电路和功率放大电路。根据放大电路的组成元件可以分为晶体管放大电路和场效应管放大电路。

 

晶体管放大电路的基本形式有三种:共射放大电路,共基放大电路和共集放大电路;场效应管放大电路基本形式有两种:共源放大电路,共漏放大电路。在构成多级放大器时,这几种电路常常需要相互组合使用。[1]

 

一、共发射极放大电路

 

共发射极放大电路简称共射电路,输入端AA′外接需要放大的信号源;输出端BB′外接负载。发射极为输入信号ui和输出信号uo的公共端。公共端通常称为“地”(实际上并非真正接到大地),其电位为零,是电路中其他各点电位的参考点,用“⊥”表示。

 

1.电路的组成及各元件的作用

 

(1)三极管VNPN管,具有放大功能,是放大电路的核心。

(2)直流电源VCC使三极管工作在放大状态,VCC一般为几伏到几十伏。

(3)基极偏置电阻Rb它使发射结正向偏置,并向基极提供合适的基极电流(。Rb一般为几十千欧至几百千欧。

(4)集电极负载电阻Rc它将集电极电流的变化转换成集-射极之间电压的变化,以实现电压放大。Rc的值一般为几千欧至几十千欧。

(5)耦合电容C1、C2又称隔直电容,起通交流隔直流的作用。C1、C2一般为几微法至几十微法的电解电容器,在联结电路时,应注意电容器的极性,不能接错。

 

2.放大电路的静态分析:静态是指放大电路没有交流输入信号(ui=0)时的直流工作状态。静态时,电路中只有直流电源VCC作用,三极管各极电流和极间电压都是直流值,电容C1、C2相当于开路,其等效电路如图6-22所示,该电路称为直流通路。

 

对放大电路进行静态分析的目的是为了合理设置电路的静态工作点(用Q表示),即静态时电路中的基极电流IBQ、集电极电流ICQ和集-射间电压UCEQ的值,防止放大电路在放大交流输入信号时产生的非线性失真。

 

三极管工作于放大状态时,发射结正偏,这时UBEQ基本不变,对于硅管约为0.7V,锗管约为0.3V。

 

三、功率放大电路

 

1.功率放大电路的基本概念功率放大电路的任务是输出足够的功率,推动负载工作。例如扬声器发声、继电器动作、电动机旋转等。功率放大电路和电压放大电路都是利用三极管的放大作用将信号放大,不同的是功率放大电路以输出足够的功率为目的,工作在大信号状态;而电压放大电路的目的是输出足够大的电压,工作在小信号状态。

 

功率放大电路应满足以下要求:

 

(1)输出功率足够大为了获得较大的输出信号电压和电流,往往要求三极管工作在极限状态。实际应用时,应考虑到三极管的极限参数PCM、ICM和U(BR)CEO。

 

(2)动态工作分析设输入信号为正弦电压ui,如图6-30a所示。在正半周时,V1管发射结正偏导通,V2管发射结反偏截止,由+VCC提供的电流ic1经V1管流向负载,在负载RL上获得正半周输出电压uo。同理,在负半周时,V1管发射结反偏截止,V2管发射结正偏导通,由-VCC提供的电流ic2从-VCC端经负载流向V2管,在RL上获得负半周输出电压uo。可见,在ui的整个周期内,V1管和V2管轮流导通,相互补充,从而在RL上得到完整的输出电压uo,故称为补对称功率放大电路。

 

3.集成功率放大电路简介

 

集成功率放大电路是将功率放大电路中的各个元件及其联线制作在一块半导体芯片上的整体。它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等优点,因此在收录机、电视机及伺服放大电路中获得广泛应用。

 

四、多级放大电路简介

 

实际应用中,放大电路的输入信号都是很微弱的,一般为毫伏级或微伏级。为获得推动负载工作的足够大的电压和功率,需将输入信号放大成千上万倍。由于前述单级放大电路的电压放大倍数通常只有几十倍,所以需要将多个单级放大电路联结起来,组成多级放大电路对输入信号进行连续放大。

 

多级放大电路中,输入级用于接受输入信号。为使输入信号尽量不受信号源内阻的影响,输入级应具有较高的输入电阻,因而常采用高输入电阻的放大电路,例如射极输出器等。中间电压放大级用于小信号电压放大,要求有较高的电压放大倍数。输出级是大信号功率放大级,用以输出负载需要的功率。

 

2.多级放大电路的级间耦合方式及特点在多级放大电路中,级与级之间的联结方式称为耦合。级间耦合时应满足以下要求:各级要有合适的静态工作点;信号能从前级顺利传送到后级;各级技术指标能满足要求。

 

6功率类型

 

A类

 

当对效率要求不高的时候,大多数小信号线性放大器会设计成甲类(A类),即输出级元件总是处于导通区。甲类(A类)放大器一般比其它类型线性度更好,也较为简单,但效率非常低。这类放大器最常用于小信号级或低功率(例如驱动耳机)应用中。

 

D类

 

丁类(D类)放大器使用开关来达到很高的功耗效率(在现代设计中大于90%)。通过允许每个输出器件完全导通或关断,能量损失达到最小化。像脉冲宽度调制这类简单方法有时还在使用;然而,高性能的开关放大器使用数字技术,比如∑-Δ调制,来达到更高的性能。早先由于有限的带宽和相当大的失真,它们仅用于亚低音用扩音器。半导体器件的进展已经使开发高保真、全声音频带丁类(D类)放大器的开展成为可能,使得它们的信噪比(S/N)和失真度与其它线性器件相近。

 

7历史及演化

 

放大器电路在不同时期在电子领域中有扮演着不同的角色:

 

(1)放大器电路被首次用于中继传播设施。例如在旧式电话线路中:用弱电流控制外呼线路的电源电压。

 

(2)用于音频广播。范信达(Reginald Fessenden)在1906年12月24日,首次把碳粒式麦克风(Carbon microphone)作为放大器,应用于调频广播传送装置中,把声音调制成射频源。

 

(3)在20世纪60年代,晶体管开始淘汰。当时,一些大功率放大器或专业级的音频应用(例如吉他放大器和高保真放大器)仍然会采用晶体管放大器电路。许多广播发射站仍然使用真空管。

 

(4)20世纪70年代开始,越来越多的晶体管被连接到一块芯片上来制作集成电路。如今大量商业上通行的放大器都是基于集成电路的。

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