任務(wù)2 估算法和圖解法
活動2 放大器的分析
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1．了解放大器的估算方法。
2．了解放大器的圖解法。
建議學(xué)時
6學(xué)時
知識準(zhǔn)備
一、放大電路的基本概念
三極管具有電流放大作用，如何使用三極管構(gòu)成一個電路，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的放大？本節(jié)就來討論這一問題。
基本放大電路是放大電路中最基本的結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成復(fù)雜放大電路的基本單元。它利用雙極型半導(dǎo)體三極管輸入電流控制輸出電流的特性，或場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管輸入電壓控制輸出電流的特性，實(shí)現(xiàn)信號的放大。本章基本放大電路的知識是進(jìn)一步學(xué)習(xí)電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。本書中雙極型半導(dǎo)體三極管簡稱三極管，場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管簡稱場效應(yīng)管。
放大的概念：基本放大電路一般是指由一個三極管或場效應(yīng)管組成的放大電路。從電路的角度來看，可以將基本放大電路看成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。放大的作用體現(xiàn)在如下方面：
（1）放大電路主要利用三極管或場效應(yīng)管的控制作用放大微弱信號，輸出信號在電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強(qiáng)。
（2）輸出信號的能量實(shí)際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負(fù)載。
二、基本放大電路的組成及工作原理
1．共射組態(tài)基本放大電路的組成
共射組態(tài)交流基本放大電路如圖2—2—1所示。在該電路中，輸入信號加在基極和發(fā)射極之間，耦合電容器C1和Ce視為對交流信號短路。輸出信號從集電極對地取出，經(jīng)耦合電容器C2隔除直流量，僅將交流信號加到負(fù)載電阻RL之上。放大電路的共射組態(tài)實(shí)際上是指放大電路中的三極管是共射組態(tài)。
2．放大原理
在輸入信號為零時，直流電源通過各偏置電阻為三極管提供直流的基極電流和直流集電極電流，并在三極管的三個極間形成一定的直流電壓。由于耦合電容的隔直流作用，直流電壓無法到達(dá)放大電路的輸入端和輸出端。當(dāng)輸入交流信號通過耦合電容C1和Ce加在三極管的發(fā)射結(jié)上時，發(fā)射結(jié)上的電壓變成交、直流的疊加。放大電路中信號的情況比較復(fù)雜，各信號的符號規(guī)定如下：uBE代表發(fā)射結(jié)上的交直流總電壓；ube代表交流量；UBE代表直流量，相當(dāng)于平均值，將交流量的正半周填平負(fù)半周。三極管中的三種波形如圖2—2—2所示。
uBE=UBE+ube
基極電流發(fā)生改變，從而使集電極電流發(fā)生變化：
iB=IB+ib,iC=IC+ic
集電極電流變化，通過在Rc上電壓降的變化造成三極管C、E間管壓降的變化：
uCE=VCC—iCRc
由于三極管的電流放大作用，ic要比ib大幾十倍，一般來說，只要電路參數(shù)設(shè)置合適，輸出電壓可以比輸入電壓高許多倍。uCE中的交流量有一部分經(jīng)過耦合電容到達(dá)負(fù)載電阻，形成輸出電壓，完成電路的放大作用。
由此可見，放大電路中三極管集電極的直流信號不隨輸入信號而改變，而交流信號隨輸入信號發(fā)生變化。在放大過程中，集電極交流信號是疊加在直流信號上的，經(jīng)過耦合電容，從輸出端提取的只是交流信號。因此，在分析放大電路時，可以采用將交、直流信號分開的辦法，分成直流通路和交流通路來分析。
3．放大電路的組成原則
（1）保證放大電路的核心器件三極管工作在放大狀態(tài)，即有合適的偏置。也就是說發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。
（2）輸入回路的設(shè)置應(yīng)當(dāng)使輸入信號耦合到三極管的輸入電極，形成變化的基極電流，從而產(chǎn)生三極管的電流控制關(guān)系，造成集電極電流的變化。
（3）輸出回路的設(shè)置應(yīng)該保證將三極管放大以后的電流信號轉(zhuǎn)變成負(fù)載需要的電量形式（輸出電壓或輸出電流）。
活動實(shí)施
放大電路的工作狀態(tài)分為交流和直流狀態(tài)，分別稱為“動態(tài)”和“靜態(tài)”。分析電路的步驟是先靜態(tài)、后動態(tài)。分析方法常用的有計算法、圖解法和微變等效電路法。三極管的特性曲線是非線性的，不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述，只能用特性曲線來表示。在分析放大電路時可采用圖解的方法，在放大電路的輸入回路，三極管的一方，可以用三極管的輸入特性曲線表示；外電路的一方，可以用基極回路直流通路方程式來描述。在放大電路的輸出回路，可以用三極管的輸出特性曲線和輸出側(cè)直流通路的方程式來描述。曲線是非線性的，方程式是線性的，在坐標(biāo)平面上，二者交點(diǎn)的坐標(biāo)值就是解。由于純粹的圖解方法比較麻煩，所以工程上往往采用計算法對放大電路的靜態(tài)進(jìn)行求解，或用計算和圖解混合的方法進(jìn)行求解。
一、放大電路靜態(tài)的基本概念
放大電路的靜態(tài)是指交流輸入信號為零時的狀態(tài)，電路中只包含直流量，因此可以用放大電路的直流通路來分析。
1．靜態(tài)和動態(tài)
分析放大電路時必須建立正確的靜態(tài)和動態(tài)的概念。靜態(tài)，即輸入信號等于0時放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。動態(tài)，即輸入信號不等于0時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提，沒有正確的靜態(tài)就不可能有正確的動態(tài)。在進(jìn)行放大電路動態(tài)分析之前，必須先進(jìn)行靜態(tài)分析，靜止工作狀態(tài)正確了，動態(tài)的分析才有意義。
2．直流通路和交流通路
分析放大電路還必須要正確地區(qū)分直流通路和交流通路。直流通路，從C、B、E向外看，即能通過直流的通路。直流通路有直流負(fù)載電阻Rc、Rb1、Rb2和Re。交流通路，如從C、B、E向外看，即能通過交流的電路通路。有等效的交流負(fù)載電阻Rc//RL、Rb1和Rb2。直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)于短路。因為按疊加原理，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、C2足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零，在交流通路中，可將大容量的耦合電容短路（圖2—2—3中的耦合電容是電解電容，容量比較大，電容符號旁邊的“+”號，代表該電容器極板的直流電位應(yīng)高于另一極板）。
二、靜態(tài)工作狀態(tài)的分析
1．靜態(tài)工作狀態(tài)的計算分析法
靜態(tài)分析是在輸入信號等于零的情況下進(jìn)行的，因此和放大電路的直流通路打交道。
在輸入同路有
IB=f（UBE）
2．靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析法
放大電路靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析如圖2—2—4所示。
直流負(fù)載線由兩個點(diǎn)即可確定，在此用的是兩個特殊點(diǎn)，分別在兩個坐標(biāo)軸上，即（0,VCC/（Rc+Re））和（VCC,0）。在輸出特性曲線上決定的直線，稱為直流負(fù)載線。直流負(fù)載線與IC的交點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示。或與以IBQ為參變量的那條曲線相交的點(diǎn)，即為Q點(diǎn)。Q點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)，專門用加有下標(biāo)Q的坐標(biāo)符號來表示，即IBQ、ICQ和UCEQ。如果說求靜態(tài)工作點(diǎn)，也就是求這三個參數(shù)。當(dāng)然在輸入特性曲線上對應(yīng)有IBQ和UBEQ。在不會產(chǎn)生誤解的情況下，為簡單起見，下標(biāo)Q也可不加。
靜態(tài)圖解分析中，重要的是直流負(fù)載線的確定方法：
（1）由集電極輸出回路，列直流負(fù)載方程式UCE=VCC—IC（Rc+Re）；
（2）在輸出特性曲線x軸及g軸上確定兩個特殊點(diǎn)VCC/（Rc+Rc），即可畫出直流負(fù)載線；
（3）在輸入回路列方程式fB=f（UBE），解出IB，即IBQ，于是可計算出ICQ；
（4）在輸出特性曲線上，根據(jù)ICQ與直流負(fù)載線相交，得到Q點(diǎn)，于是可得到Q點(diǎn)在x 軸上的數(shù)值UCEQ。
一般在放大電路中，均是小信號工作，不會進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，只要靜態(tài)工作點(diǎn)合適，不必考慮失真問題。但在大信號運(yùn)用時，或工作點(diǎn)設(shè)置不正確，會產(chǎn)生失真，為了具體研究三極管工作的動態(tài)范圍或失真的情況，才需要在輸出特性曲線上作圖。
三、分壓偏置（射極偏置）的優(yōu)點(diǎn)
放大電路偏置電路的形式稱為分壓偏置，它有穩(wěn)定工作點(diǎn)的特點(diǎn)，分壓偏置穩(wěn)定工作點(diǎn)的原理如下。
因為三極管是一種對溫度非常敏感的半導(dǎo)體器件，溫度變化將導(dǎo)致集電極電流的明顯改變。溫度升高，集電極電流增大；溫度降低，集電極電流減小。這將造成靜態(tài)工作點(diǎn)的移動，有可能使輸出信號產(chǎn)生失真。在實(shí)際電路中，要求流過Rb1和Rb2串聯(lián)支路的電流遠(yuǎn)大于基極電流IB。這樣溫度變化引起的IB的變化，對基極電位就沒有多大的影響了，就可以用Rb1和Rb2的分壓來確定基極電位。采用分壓偏置以后，基極電位提高，為了保證發(fā)射結(jié)壓降正常，就要串入發(fā)射極電阻Re。Re的串入有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用。如果集電極電流隨溫度升高而增大，則發(fā)射極對地電位升高，因基極電位基本不變，故UBE減小。從輸入特性曲線可知，隨著UBE的減小，基極電流將隨之下降，根據(jù)三極管的電流控制原理，集電極電流將下降，反之亦然。這就在一定程度上穩(wěn)定了工作點(diǎn)。分壓偏置基本放大電路具有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用。
四、放大電路的動態(tài)圖解分析
放大電路加入輸入信號的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)時，電路中的電流和電壓將在靜態(tài)直流量的基礎(chǔ)上疊加交流量，可以采用交、直流分開的分析方法，即人為地把直流和交流分量分開后單獨(dú)分析，然后再把它們疊加起來。分析交流分量時，利用放大電路的交流通路。
1．交流負(fù)載線
在靜態(tài)分析時，確定電路的直流負(fù)載線是重要的，在進(jìn)行動態(tài)分析時，就需要確定放大電路的交流負(fù)載線：交流負(fù)載是放大電路輸出回路交流通路的等效負(fù)載電阻值，像直流負(fù)載線一樣，將交流負(fù)載畫在輸出特性曲線上，即為交流負(fù)載線。
2．放大電路的動態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析
從物理概念對交流負(fù)載線的解釋：靜態(tài)時，無信號變化，集電極電位是直流量，不能通過耦合電容。所以，耦合電容C2上承受集電極靜態(tài)時的電壓值。當(dāng)輸入信號增加時，基極電流增加，集電極電流增加，RC上的電壓降增加，所以集電極電位比靜態(tài)時下降，C2向集電極放電，集電極電流增加；當(dāng)輸入信號減小時，基極電流減小，集電極電流減小，集電極電位比靜態(tài)時增加，向C2充電，流過RC的電流被分流一部分，集電極電流減小。所以，交流負(fù)載線比直流負(fù)載線更加陡一些。顯然交流負(fù)載線是在輸入信號作用下工作點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。當(dāng)輸入信號越來越小時，工作點(diǎn)運(yùn)動的范圍就越來越小，交流負(fù)載線向靜態(tài)工作點(diǎn)收縮。當(dāng)輸入信號等于零時，變?yōu)殪o態(tài)，交流負(fù)載線收縮到Q點(diǎn)。所以，交流負(fù)載線和直流負(fù)載線相交于靜態(tài)工作點(diǎn)Q。
五、非線性失真和最大不失真輸出幅度
1．波形的非線性失真
放大電路輸出信號要求其形狀保持輸入信號的形狀，如果輸出波形的形狀與輸入波形不同，輸出波形產(chǎn)生變形稱為波形失真。產(chǎn)生失真的原因有多種，這里介紹的是由于三極管輸出與輸入關(guān)系的非線性引起的失真，稱為非線性失真。三極管特性曲線的線性區(qū)是有一定范圍的，如果放大電路工作時，由于靜態(tài)工作點(diǎn)接近飽和區(qū)或截止區(qū)，或是工作點(diǎn)正確，但輸入信號太大，使三極管的工作范圍超出了特性曲線的線性區(qū)，交流量在飽和區(qū)或截止區(qū)放大倍數(shù)低或不能放大就會產(chǎn)生非線性失真。非線性失真包括飽和失真和截止失真。飽和失真是由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管特性曲線的飽和區(qū)而引起的非線性失真。截止失真由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管特性曲線的截止區(qū)而引起的非線性失真。
要注意不能簡單地通過波形是頂部有失真、還是底部有失真來判斷是飽和還是截止失真。因為對于NPN型三極管構(gòu)成的基本放大電路，還是PNP型三極管構(gòu)成的基本放大電路，由于供電電壓極性的不同，同一種失真可能出現(xiàn)在頂部，或出現(xiàn)在底部。
由NPN型三極管構(gòu)成的共射組態(tài)基本放大電路的輸入、輸出波形圖，通道1是輸入波形（上部），通道2是輸出波形，波形圖右側(cè)的1和2代表通道號，且為零線位置。可以看出集電極輸出波形與基極的輸入波形是反相的，同時輸出波形存在失真。
2．放大電路的最大不失真輸出幅度
放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：
（1）工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位；
（2）要有合適的交流負(fù)載線。
活動評分標(biāo)準(zhǔn)：
想一想，寫一寫認(rèn)識放大器的分析方法的收獲和體會。
評議：
根據(jù)放大器分析方法的實(shí)訓(xùn)課題，在聽取小組實(shí)訓(xùn)成果匯報的基礎(chǔ)上，進(jìn)行評議，填寫課題實(shí)訓(xùn)情況評議表。