模拟电子技术-基本放大电路

一、基本放大电路简介

• 基本放大电路概念：本质上是功率放大，包含了电压和电流，同时是对能量的控制和转换

• 目标：小功率信号 -> 大功率
  

• 基本放大电路组成必须要存在有源元件，包括三极管和场效应管等

• 基本放大电路的前提：不失真，失真无意义

• 测试信号：正弦波

• 构建放大电路时，以三级管为例，三极管必须要控制在放大状态下；小信号控制iB(UBE)；合理输出

1.1 放大电路的性能指标

• 任何一个放大电路都可以看成一个两端口网路

二、共射放大电路工作原理

2.1 基本共射放大电阻的组成

• 下图为NPN型基本共射放大电路-原理性电路图，输入信号ui为正弦波电压
• 当ui=0时，称放大电路处于静态。输入回路中，基极电源VBB使得UBE大于开启电压Uon，与电阻Rb共同决定电流iB；输出回路中，集电极电源VCC应该足够高，使晶体管反偏，保证晶体管工作在放大区，因此iC=βiB，其中c-e之间的电压UCE=VCC-iCRC
• 当ui不等于0时，在输入回路中，必将在静态值的基础上产生一个动态的基极电流ib(交流部分)，同时在输出回路也会有动态电流iC，电阻Rc的电压变化，导致了UCE变化，输出了一个动态电压u0，VCC用来提供能量

2.2 设置静态工作点的必要性

• 放大电路中，有信号输入时，交流和直流共存。将输入信号为零、即直流电源单独作用时晶体管的基极电流IB、集电极电流IC、b-e之间的电压UBE、管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q，记作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ

近似估算中认为导通电压|UBEQ|硅管为0.6-0.8V，锗管为0.1-0.3V，穿透电流ICEQ=0

• 静态工作点的表达式如下，计算过程属于基电内容

由于放大电路放大的对象是动态小信号，为什么要设置静态工作点？，即为什么要存在IBQ、ICQ和UCEQ，VBB等。当有ui存在时，当ui处于静态(=0)时，三极管截至，ui不等于零时，也只能在正半周大于Uon时导通，输出电压必然失真，这也是VBB的作用所在

静态分析就是工作点设置及分析，就是谋求最佳工作点，也叫临界工作点，其目的是使放大器的不失真输出电压幅度能达到最大，所以静态工作点不仅影响电路是否失真，同时影响放大电路的动态参数
动态分析是寻求放大倍数、输入电阻和输出电阻

2.3 放大电路的组成原则

• 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
• 对于晶体管放大电路，电源极性和大小应该使得发射结正偏，且静态电压要大于开启电压Uon，集电结反偏，保证晶体管工作在放大区
• 对于场效应管放大电路，电源极性和大小应该为g-s之间、d-s之间提供合适电压，使得工作在恒流区
• 电阻需要取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流
• 输入信号必须能够作用于放大管的输入回路，对于晶体管和场效应管，输入信号应该分别作用于IB和UGS，这样才能改变输出回路的电流，从而放大信号
• 当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流(iC或iD)能够作用于负载

2.4 直接耦合电路

• 不同于基本共射放大电路的原理性电路图，实用放大电路中，为了防止干扰，常要求输入信号、直流电源、输出信号共地，同时将基极电源和集电极电源合二为一，其中信号源与放大电路、放大电路与负载电阻直接相连，称为直接耦合(耦合就是连接的意思)

• 其中Rb1必不可少，若没有Rb1，静态时(ui=0)，输入端被短路，IBQ=0，晶体管截止
• Rb1和Rb2的取值和VCC配合决定合适的基极电流IBQ，合理选取Rc，得到合适的管压降UCEQ
• 将ui短路，得静态工作点如下：

2.5 阻容耦合电路

• 当输入信号ui接入时，Rb1上有损失，减小了晶体管基极与发射极之间的信号电压；同时接入负载后，负载电阻不但有信号电压，也有直流电源作用的结果，存在直流分量，这需要去除
• 如下图是阻容耦合电路。解决了上述问题。C1、C2称为耦合电容，电容隔直通交，信号源与放大电路、放大电路与负载之间均无直流量，在输入信号频率范围内，容抗很小可视为短路，输入信号无损加在放大电路的基极和发射极之间

• 同时，观察C1和C2电压，得到放大管基极与发射极之间总电压为C1电压UBEQ+ui，输出电压u0=集电结与发射结电压-C2上的UCEQ，所以u0纯交流信号
• 令输入端短路，得静态工作点如下：

三、放大电路的分析方法

• 直流是给放大电路提供基准的，放大本质上是放大的交流信号，所以想要搞清楚放大电路的各方面参数，需要首先搞明白静态工作点(直流)的相关信息，再交流

3.1 直流通路和交流通路

• 直流通路：直流电源作用下直流电流流经的通路，即静态电流流经的通路，用于分析静态工作点，其中电容开路，电感短路，信号源短路但应保留其内阻
• 交流通路：输入信号作用下交流信号流经的通路，其中容量大的电容视为短路，无内阻的直流电源视为短路

其中在交流电路中，电容的容抗Xc=1/2ΠfC，容量越大，容抗越小，对交流电阻碍作用较弱，视为短路，同时也可以用作高频干扰信号

• 如下图为各放大电路的直流通路和交流通路

3.2 等效电路法

• 晶体管电路中，在分析交流通路时，需要把直流置零，这么做并不是说交流信号单独作用，而是交流信号单独骑在直流上，即在Δ变化中，输入回路可以近似等效为线性电阻rbe(ΔUBE/ΔIB)，输出回路等效为受控电流源，同时静态工作点Q不同时rbe也不同

• 步骤：
• 1.分析电路时，首先需要分析直流通路，交流信号置0，电容开路，三极管开启电压为UBEQ，求解Q：IBQ、IC等，求出交流时的微变等效rbe

• 2.分析交流通路，直流置0，电容近似短路，画出交流通路，再画出微变等效电路，最后求解Au、Ri、Ro等参数

3.2.1 晶体管共射h参数等效模型

• 在低频动态小信号的共射放大电路分析中，可以将放大电路等效为h参数等效模型
• 将晶体管看作一个双口网络，b-e为输入端口，c-e为输出端口，则将ib和uCE看作自变量，根据输入输出特性曲线得到如下关系

• 研究低频信号作用下各变化量之间的关系

• 两边求全微分得

• 最终得h参数方程如下，下标e表示共射解法，式中h参数如下

• 将h参数方程等效成电路，如下图所示
• h11e等效为电阻、h12eUce等效为流控电压源，输入回路b-e之间等效成电阻串电压控制的电压源
• 输出回路c-e之间等效成一个电阻和一个受控电流源并联

• 事实上，在输入回路中，内反馈系数h12e很小，即内反馈很弱，近似分析中可忽略不计，故晶体管的输入回路可近似等效为只有一个动态电阻rbe(h11e)

• 其中rbe的公式如下，一般rbb‘已知，且rbe在纯交流电路中。

• 输出回路中，h22e很小，即rce很大，说明分析中该支路电流忽略不计，故输出回路近似等效为只有一个受控电流源ic，ic=βib
• 注意当输出回路所接的负载RL，其中rce<10RL，则需要考虑rce的影响

四、复合管

• 实际应用中，可用多只晶体管构成复合管来取代基本电路中的一只晶体管，那必须要满足电流的走向一致，即合理的通路
• 同时前面的晶体管作为主晶体管
• 放大倍数为β1*β2