能 力 目 標(biāo)
重點(diǎn)掌握晶體管放大電路的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn),能夠正確分析和識(shí)讀放大電路中各種關(guān)鍵元器件的作用以及信號(hào)的輸出狀態(tài),并且可以將其靈活運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品電路中,能夠正確分析出其功能及作用范圍。 由NPN型晶體管和PNP型晶體管構(gòu)成的基本放大器單元電路各有3種,即共發(fā)射極放大器、共集電極放大器和共基極放大器。 5.1.1 共發(fā)射極放大電路的識(shí)圖方法1.共發(fā)射極放大電路的基本結(jié)構(gòu)和功能(1)共發(fā)射極放大電路的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵元器件 共發(fā)射極放大電路是指以發(fā)射極為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共接地端的基本放大電路,其基本結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。它的關(guān)鍵元器件包括一只晶體管、四只電阻器和兩個(gè)電容器。 電路中偏置電阻RB1和RB2通過(guò)電源給晶體管的基極供電,電阻RC通過(guò)電源給晶體管的集電極供電,兩個(gè)電容都是起到通交流、隔直流作用的耦合電容,電阻RL則是承載輸出信號(hào)的負(fù)載電阻。 NPN型與PNP型晶體管放大器的最大不同之處在于供電電源:對(duì)于采用NPN型晶體管的放大器,供電電源是正電源,送入晶體管的集電極;對(duì)于采用PNP型晶體管的放大器,供電電源是負(fù)電源,送入晶體管的集電極。 輸入信號(hào)加到晶體管的基極和發(fā)射極之間,而輸出信號(hào)又是取自晶體管的集電極和發(fā)射極之間,由此可見發(fā)射極為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端,因而稱共發(fā)射極晶體管放大器,它常用于晶體管電壓放大器電路中。
共發(fā)射極放大電路輸入與輸出信號(hào)的相位關(guān)系如圖5-2所示,對(duì)交流信號(hào)而言電阻的阻抗很小,可視為短路。
?。?)共發(fā)射極放大電路的基本功能 由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成的共發(fā)射極晶體管放大器常作為電壓放大器來(lái)使用,在各種電子設(shè)備當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用。它的最大特色是具有較高的電壓增益。由于輸出阻抗比較高,因此這種電壓放大器的帶負(fù)載能力比較低,不能直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器等低阻抗的負(fù)載。
圖5-3所示為晶體管電壓放大器(共發(fā)射極結(jié)構(gòu)形式),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是晶體管的發(fā)射極接地,基極輸入信號(hào)經(jīng)放大后由集電極輸出與輸入信號(hào)反相的信號(hào)。在每個(gè)電極處都有電阻提供偏壓,其中+UCC是電壓源。電阻R1和R2構(gòu)成一個(gè)分壓電路,通過(guò)分壓給VT的基極提供一個(gè)穩(wěn)定的偏壓;電阻R3是集電極電阻,交流輸出信號(hào)經(jīng)電容C3從負(fù)載電阻上取得;電阻R4是發(fā)射極上的負(fù)反饋電阻,用于穩(wěn)定放大器的工作,該電阻的阻值越大,整個(gè)放大器的放大倍數(shù)越小;電容C1是輸入耦合電容;電容C3是輸出耦合電容;與電阻R4并聯(lián)的電容C2是去耦合電容,相當(dāng)于將VT的發(fā)射極交流短路,使交流信號(hào)無(wú)負(fù)反饋?zhàn)饔?,從而獲得較大的交流放大倍數(shù)。 設(shè)置偏壓電阻以改變放大器中的偏壓值,使晶體管工作在放大區(qū),進(jìn)行線性放大。線性放大就是成正比放大,信號(hào)不失真地放大。如果偏壓失常,晶體管就不能進(jìn)行線性放大或不能工作,如圖5-4所示。
?。?)共發(fā)射極放大電路中的直流和交流通路 對(duì)一個(gè)放大電路進(jìn)行分析主要要做兩方面的工作:一是確定靜態(tài)工作點(diǎn),即求出當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí),電路中晶體管各極的電流和電壓值,它們是IB、IC、UBE和UCE,如果這些值不在正常范圍內(nèi),放大器便不能進(jìn)行正常放大;二是計(jì)算放大器對(duì)交流信號(hào)的放大能力及對(duì)其他交流參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,以確定放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro等。 從共發(fā)射極放大器單元電路結(jié)構(gòu)圖可知,該電路在工作時(shí),既有直流分量又有交流分量。為了便于分析,一般將直流分量和交流分量分開研究,因此將放大電路劃分為直流通路和交流通路。所謂直流通路是指未加輸入信號(hào)時(shí),放大電路在直流電源EC的作用下,直流分量所流過(guò)的路徑。 由于電容對(duì)于直流電壓可視為開路,因此當(dāng)集電極電壓源確定為直流電壓時(shí),可將電壓放大器中的電容省去,如圖5-5所示。
在交流分析中,由于交流供電電壓源的內(nèi)阻很小,對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于短路,所以UCC電壓為0V,稱為交流接地。交流接地與實(shí)際的接地端可視為同一點(diǎn),VT 的發(fā)射極通過(guò)電容C2 交流接地,如圖5-6 所示。 2.共發(fā)射極放大電路的工作原理及應(yīng)用實(shí)例 (1)工作原理 信號(hào)經(jīng)共發(fā)射極放大電路后輸出放大的反相信號(hào),其工作原理如圖5-7 所示。進(jìn)行分析時(shí),可以將輸入信號(hào)的變化曲線認(rèn)為是輸入端電流的變化曲線。在1/4 周期時(shí),電流呈增大狀態(tài),那么根據(jù)晶體管的放大功能IC = βIB,可知電流IC 也呈增大的趨勢(shì),所以根據(jù)歐姆定律URC=ICRC ,IC↑,則URC ↑,那么由負(fù)載RL 上的輸出電壓URL=UCC-URC 可得,IC↑,URC↑,UCC 不變,URL↓,即輸出圖5-7(a)所示的信號(hào)。其他周期依此類推,如圖5-7(b)、(c)、(d)所示。由此可見,輸出電壓與輸入電壓的相位相反。
思 路 點(diǎn) 撥 共發(fā)射極放大器充分利用晶體管的電流放大特性,基極電壓升高會(huì)使基極電流增大,基極電流增大會(huì)引起集電極電流的增大。在電源電壓恒定的情況下,由于集電極電阻(見圖5-8中的R3)上的壓降增加,集電極電壓下降。實(shí)際上基極電流增大會(huì)使晶體管集電極與發(fā)射極之間的阻抗降低。
根據(jù)電路結(jié)構(gòu),測(cè)得發(fā)射極的電壓值為Ue = 2.2V,便可以求出其他極的電流和電壓值。 ① 求發(fā)射極電流Ie。 Ie = Ue/R4 = 2.2/220 = 0.01(A) = 10mA ② 求集電極電流Ic。 Ic = Ib + Ie 由于Ib的值很小,可以忽略不計(jì),故Ic≈Ie,因而Ic = 10mA。 ③ 求集電極電壓Uc。 Uc等于電源電壓減去R3上的壓降。 Uc = 18 - Ic × R3 = 18 - (10 × 10-3) × (1 × 103) = 18 - 10 = 8(V) ④ 求基極電壓Ub。 基極電壓Ub等于發(fā)射極的電壓Ue加上基極和發(fā)射極之間的電壓Ube,由于Ube對(duì)于硅晶體管來(lái)說(shuō)通常為0.6~0.7V,因此: Ub = Ue + Ube = 2.2 + 0.65 = 2.85(V) (2)應(yīng)用實(shí)例 圖5-9所示是采用兩級(jí)共發(fā)射極放大器組成的寬頻帶實(shí)用放大器,其輸入、輸出和極間耦合均采用電容方式。C4、C8為發(fā)射極去耦電容,用以消除交流負(fù)反饋,增強(qiáng)放大交流信號(hào)的能力。接在-15V電源上的電感(10μH)和R6、C3、R11、C7、C2等用以濾除電源中的紋波。
調(diào)整帶“※”號(hào)的電容可使帶內(nèi)頻率特性達(dá)±1dB。帶“※”號(hào)的電容為高頻補(bǔ)償電容。 為了提高寬頻帶放大器的輸出功率,增強(qiáng)帶負(fù)載的能力,在VT2的輸出端增設(shè)一級(jí)射極跟隨器VT3。VT3主要是對(duì)VT2的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大,如圖5-10所示。
信 息 擴(kuò) 展 圖5-11所示為3種基本偏置電路:固定偏置電路、自偏置電路和分壓偏置電路。
5.1.2 共集電極放大電路的識(shí)圖方法 1.共集電極放大電路的基本結(jié)構(gòu)和功能 (1)共集電極放大電路的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵元器件 共集電極放大電路的基本構(gòu)成如圖5-12所示,其關(guān)鍵組成元器件和共發(fā)射極放大電路基本相同,不同之處有兩點(diǎn):其一是將集電極電阻RC移到了發(fā)射極(用RE表示),其二是輸出信號(hào)不再取自集電極而是取自發(fā)射極。
在該電路中,兩個(gè)偏置電阻RB1和RB2通過(guò)電源給晶體管基極供電,RE是晶體管發(fā)射極的負(fù)載電阻,兩個(gè)電容C1和C2都是起到通交流、隔直流作用的耦合電容,電阻RL則是加載輸出信號(hào)的負(fù)載電阻。 與共發(fā)射極晶體管放大器一樣,NPN型與PNP型晶體管共集電極放大器的最大不同之處也是供電電源不同。 由于晶體管放大器單元電路的供電電源內(nèi)阻很小,對(duì)于交流信號(hào)來(lái)說(shuō)正、負(fù)極間相當(dāng)于短路。交流地等效于電源,也就是說(shuō)晶體管的集電極相當(dāng)于接地。輸入信號(hào)加載到晶體管基極和發(fā)射極與負(fù)載電阻RE之間,也就相當(dāng)于加載到晶體管基極和集電極之間;輸出信號(hào)取自晶體管的發(fā)射極,也就相當(dāng)于取自晶體管發(fā)射極和集電極之間。因此,集電極為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端,故稱為共集電極放大電路。 (2)共集電極放大電路的基本功能 共集電極放大電路是從發(fā)射極輸出信號(hào)的,信號(hào)波形與相位基本上與輸入信號(hào)相同,因而又稱射極輸出器或射極跟隨器,簡(jiǎn)稱射隨器,常用作緩沖器。圖5-13所示為共集電極基本放大電路。共集電極晶體管放大器常作為電流放大器使用,它的特點(diǎn)是高輸入阻抗,電流增益大,但是輸出電壓的幅度幾乎沒(méi)有放大,也就是輸出電壓接近輸入電壓。而由于輸入阻抗高而輸出阻抗低的特性,它也作為阻抗變換器使用。
?。?)共集電極放大電路的直流和交流通路 對(duì)共集電極放大電路進(jìn)行分析時(shí),也可分為直流和交流兩條通路,如圖5-14 所示。
該電路的直流通路是由電源為晶體管提供直流偏壓的電路,晶體管工作在放大狀態(tài)還是開關(guān)狀態(tài),主要由它的偏壓確定。這種電路也是為晶體管提供能源的電路。交流通路是對(duì)交流信號(hào)起作用的電路,電容對(duì)交流信號(hào)來(lái)說(shuō)可視為短路,電源的內(nèi)阻對(duì)交流信號(hào)來(lái)說(shuō)也視為短路。 2.共集電極放大電路的工作原理及應(yīng)用實(shí)例 (1)共集電極放大電路的工作原理 經(jīng)共集電極放大電路后輸出同相且?guī)缀醯确男盘?hào)(幅度略小于輸入信號(hào)),其原理如圖5-15 所示。由圖5-15 可知,Ui=Ube+Uo ,那么Uo=Ui-Ube 。而晶體管基極和發(fā)射集之間的電壓Ube 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載上的電壓,因此Uo幾乎和Ui相等。在該電路中,被放大的僅為電流,因此共集電極放大電路常作為電流放大器使用。 (2)共集電極放大電路應(yīng)用實(shí)例 圖5-16 所示是一種采用共集電極放大器結(jié)構(gòu)的高輸入阻抗緩沖放大器,第一級(jí)采用共漏極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管放大器,第二級(jí)采用共集電極結(jié)構(gòu)的射極跟隨器,實(shí)際上是兩個(gè)緩沖放大器組合的電路,具有很高的電流放大倍數(shù)。在輸出端設(shè)置了兩路交流負(fù)反饋(C2、C3),將輸出信號(hào)反饋到VT1 的柵極和漏極,從而改善了放大器的頻率特性。
5.1.3 共基極放大電路的識(shí)圖方法 1.共基極放大電路的基本結(jié)構(gòu)和功能 共基極放大電路的基本結(jié)構(gòu)如圖5-17所示,其中的關(guān)鍵元器件主要是指偏置電阻、耦合電容器和放大晶體管。電路中有4個(gè)電阻都是為了建立靜態(tài)工作點(diǎn)而設(shè)置的,其中RC還兼作集電極的負(fù)載電阻;電阻RL是負(fù)載端的電阻;兩個(gè)電容C1和C2都是起到通交流、隔直流作用的耦合電容;去耦電容CB用于使基極的交流直接接地,起到去耦合的作用,即起消除交流負(fù)反饋的作用。
輸入信號(hào)加載到晶體管的發(fā)射極和基極之間,而輸出信號(hào)取自晶體管的集電極和基極之間,由此可見基極為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的公共端,因而該電路稱為共基極晶體管放大器。 在共基極放大電路中,信號(hào)由晶體管的發(fā)射極輸入,經(jīng)晶體管放大后由集電極輸出,輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。它的最大特點(diǎn)是頻帶寬,常用作晶體管寬頻帶電壓放大器。圖5-18所示為寬頻帶電壓放大器的應(yīng)用實(shí)例。
2.共基極放大電路的工作原理及應(yīng)用實(shí)例 在共基極放大電路的應(yīng)用中(見圖5-18),直流電源通過(guò)負(fù)載電阻RC為集電極提供偏置電壓。同時(shí),偏置電阻R2和R3構(gòu)成分壓電路為晶體管的基極提供偏置電壓。信號(hào)從輸入端輸入電路后,經(jīng)耦合電容C1輸入到晶體管的發(fā)射極,由晶體管放大后,經(jīng)耦合電容C2輸出同相放大的信號(hào),其原理與共發(fā)射極放大電路類似。負(fù)載電阻RC兩端的電壓隨輸入信號(hào)變化而變化,而輸出端信號(hào)取自集電極和基極之間,對(duì)于交流信號(hào)來(lái)說(shuō)直流電源相當(dāng)于斷路,因此輸出信號(hào)相當(dāng)于取自負(fù)載電阻RC的兩端,輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位同相。 圖5-19所示是一個(gè)調(diào)頻(FM)收音機(jī)高頻放大電路,天線接收的高頻信號(hào)(約為100MHz)由這個(gè)放大器進(jìn)行放大。這種放大器的高頻特性好,而且在高頻范圍工作比較穩(wěn)定。 在該電路中,天線接收天空中的信號(hào)后,分別經(jīng)LC串聯(lián)諧振電路和LC并聯(lián)諧振電路調(diào)諧輸出所需的高頻信號(hào),再經(jīng)耦合電容C1送入晶體管的發(fā)射極,由晶體管2SC2724進(jìn)行放大。在集電極輸出電路中設(shè)有LC諧振電路,它與高頻輸入信號(hào)諧振,起選頻作用。 圖5-20所示是一種共發(fā)射極—共基極寬頻帶視頻放大器,它是由兩個(gè)晶體管組成的。視頻信號(hào)R加到共發(fā)射極晶體管VT902的基極,VT902接成共發(fā)射極放大器的形式,因而具有較高的增益。VT902集電極的輸出信號(hào)直接送到VT901的發(fā)射極上,VT901接成共基極放大器的形式,因而具有頻帶寬的特點(diǎn)。放大后的視頻信號(hào)由VT901的集電極輸出送往顯像管陰極。該電路充分發(fā)揮了兩種電路的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能好。
要 點(diǎn) 提 示 共發(fā)射極、共集電極和共基極放大電路是單管放大器中3種最基本的單元電路,其他所有的放大電路都可以看成是它們的變形或組合。所以掌握這3種基本單元電路的性質(zhì)是非常必要的。這3種放大電路的特點(diǎn)比較見表5-1。
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