由浅入深——晶体管放大电路基础
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前文
正文
何为“放大”,怎么理解所谓“放大电路”呢?
放大的概念
放大电路的基本组成
放大电路工作条件
放大电路的三种组态
BJT三种组态
1、共发射极组态
2、共集电极组态
3、共基极组态
共射基本放大电路的组成及其工作原理
简化
分析方法
注意
放大电路的主要技术指标
1)放大倍数(增益)
2)最大输出幅度
3)输入电阻
4)输出电阻
5)通频带fBW
6)最大输出功率与效率
直流通路与交流通路
直流通路画法要点:
直流通路画法示例:
编辑
交流通路画法要点:
交流通路画法示例:
总结
主要内容点:
1、讨论了放大电路如何工作,原理如何;
2、分析法:分直流部分与交流部分:直流部分设计静态工作点,使其工作在放大区;然后再结合交流部分讨论如何进行信号放大;
思考自测点:
1、什么是放大?放大特征是什么?
2、组成放大电路的原则是什么?有几种接法?
3、如何评价放大电路的性能?有哪些指标?
4、在放大电路中,输出电流和输出电压是由有源元件提供的吗?为什么?
5、耦合电容的电压极性怎么标注?
前文
“真的勇士,敢于直视淋漓的鲜血和惨淡的模电!”
本文将从原理到方法,结合适当的补充内容,为“模电主义”开辟一条有趣而可行的学习之道。俗话说的好,男人可以没有切尔西,但不能没有一份模电好秘籍。那么废话不多说,我们开始“单刀直入”吧!
PS:配套书籍为《电路与模拟电子技术 第三版》(殷瑞祥主编)。仅作为课程补充,具体请以授课内容为主!
如果不清楚基极b、集电极c、发射极e以及放大区等涉及到的基础知识,请看书6.2的详细解释,此处不做赘述。很重要,一定要了解再向下看!
正文
何为“放大”,怎么理解所谓“放大电路”呢?
放大的概念
放大电路属于一种功能模块,本质上对于一个功能模块而言,无论我们想要其实现任何作用,首先得要实现对能量的控制。
而对于放大电路所具有的放大作用,即是小信号对大能量的控制。在这个过程中,被放大的量为变化量——好比使用话筒说话时经过放大产生的强弱音量。
放大电路的基本组成
Q:为啥放大电路需要外加一个直流电源呢?
A:前面我们说过,放大电路具有放大作用,即信号的能量或功率得到增强。而从能量的角度来看,这一部分”增强“并不会凭空产生——要求必须具备能量补充的来源,即图中可以直接看见的直流电源以及未画出的能量的转化装置(器件)。
简化来看,整个流程是:输入信号源产生需要被放大的信号➡经放大电路输入端口传入➡完成信号的转换及放大➡经输出端口传出➡负载接受放大电路产生的信号能量,完成整个电路的功能。
放大电路工作条件
1、晶体管工作在放大区;
2、放大信号能输入、能输出。
放大电路的三种组态
BJT三种组态
BJT——双极型面接触晶体管
1、共发射极组态
输入在基极(左侧),输出在集电极(右侧),公共端共发射极(下部正中心结点)。通常简写为CE。
既能放大电压,又能放大电流。
使用频次最高。
2、共集电极组态
输入在基极(左上侧),输出在发射极(右下侧),公共端集电极(右上侧)。通常简写为CC。
不能放大电压,可以放大电流。
使用频次较多。
3、共基极组态
输入在发射极(左上侧),输出在集电极(右上侧),公共端基极(中心处)。
不能放大电流,可以放大电压。
使用频次较少。
参考书P181-182。
共射基本放大电路的组成及其工作原理
分析其组成,让我们先回到之前的放大电路条件——首先我们需要保证晶体管工作在放大区,左侧加电源Eb实现发射极正偏;其次右侧加电源Ec实现集电极反偏——Ec > Eb,集电极电位高于基极。至此,可以工作在放大区,条件一满足。
简化
实际中上面电路需要两个电源,比较麻烦,我们可不可以只使用一个电源实现放大电路呢?
答案是肯定的,我们来看下图:
Vcc加到集电极;我们不难注意到此图多了一个Rb,而Vcc恰通过Rb加到基极,此个回路中使发射极正偏,只需要Rc取到恰当的大小,使得集电极的电位比基极高,就实现了反偏。
Q:信号的输入与输出的完成靠什么来呢?
A:这里注意到C1与C2两个电容,我们需要它们的”帮助“。
一般的电容有两个极板,我们称之为无极性电容,一般容量小。
而仔细观察我们可以发现,C1与C2旁有两个”+“号,表示其为大电容。一般大电容成本最低的实现方法是使用电解电容——内部由锡纸环绕而成,在中间加入电解质隔离而成的电容。
电容的特性是”通直阻交“,我们的输入信号是正弦波交流信号,Ub与Uc不能因为信号源而改变,而交流信号可以畅通无阻直达放大器之上。
注意:C1与C2的+端一定只接电位的高电位端,如果接反,电解电容会出现电解液泄露继而漏电,甚至是爆炸!
题外话,市场上电容一般是长正短负(管脚),或按标志来接线。
回到图片(右),Vcc接Rc形生的电压一定是比较大的,而负载处是较小的,可以印证以上的电解电容接线方式。
分析方法
在分析时需要记住:
至于具体电路中的电流与电压变化,则需要根据关系列出等式,以及综合如P184的晶体管输入特性曲线走向等相关影响因素来进行判断,细节的分析请多关注书上的内容以及PPT内容,老话说“勤能补拙”,此处就不赘述了。
注意
对于双极型晶体管而言:
放大电路的主要技术指标
1)放大倍数(增益)
对输入与输出而言:
增益:
对信号源与输出而言:
2)最大输出幅度
解释:
失真:表现有很多种,如截顶失真,频率失真,互调失真,相位失真等。失真度在可接受范围内一般可以认为是没有明显失真。
3)输入电阻
回到顶图:
应该从输入端口,即蓝色箭头处来看:
根据Rs与Ri分压关系可以得到,放大电路输入电阻越大,获取信号的能力就越强——即Us几乎全加在Ri上。
4)输出电阻
还是从蓝色箭头处分析:
而这里,R0相当于等效内阻,与负载RL是相串联的,负载上的电压大小取决于两者的分压关系:
因此我们一般希望R0越小越好,称此为”带负载能力“——与RL/R0成正比。
5)通频带fBW
放大电路的放大倍数并非一尘不变,而是会随着频率发生改变。这是为什么呢?
因为PN结具有结电容,频率较低时,可以忽略不计,但当频率较高时,结电容造成的影响将不可被忽视——使放大倍数下降。而对于前文所提到的电解电容,其对低频的信号也存在一定阻挡。因此我们需要给出频率的限制。
图中所画出的,左侧交点为下限截止频率,右侧为上限截止频率。
一般而言,正常工作时的频率带宽为fBW=fL-fH。
6)最大输出功率与效率
关系式为:
第七章会详细介绍,此处简略描述。
直流通路与交流通路
直流通路画法要点:
1、电容开路,电感短路;
2、交流信号源短路处理(保留其内阻);
3、所有电压、电流均用直流量表示。
直流通路画法示例:
交流通路画法要点:
1、电容短路,电感开路;
2、直流电源(内阻视为0)对地短路;
3、所有电压、电流均用交流量表示。
交流通路画法示例:
总结
“温故而知新。可以为师矣”。关于响应管部分的内容由于暂未涉及因此先不作分析,现在,让我们一起先回顾一下此文的主要脉络吧!
主要内容点:
1、讨论了放大电路如何工作,原理如何;
2、分析法:分直流部分与交流部分:直流部分设计静态工作点,使其工作在放大区;然后再结合交流部分讨论如何进行信号放大;
思考自测点:
1、什么是放大?放大特征是什么?
2、组成放大电路的原则是什么?有几种接法?
3、如何评价放大电路的性能?有哪些指标?
4、在放大电路中,输出电流和输出电压是由有源元件提供的吗?为什么?
5、耦合电容的电压极性怎么标注?
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