模拟电子技术教材四.docx

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模拟电子技术教材四

第三节射极输出器

一、电路结构

    射极输出器的电路结构如图2-15a所示，三极管的集电极直接接电源VCC，发射极接射极电阻Re。

对交流信号而言，基极是信号的输入端，发射极是输出端，集电极相当于接地，是输入、输出回路的公共端，故称共集电极放大电路。

由于信号从发射极输出，所以又称射极输出器。

    二、静态分析

    由图2-15a的直流通路，有

    则

    三、动态分析

    1．电压放大倍数

    由图2-15b所示微变等效电路可得：

        Uo=Ui-Ibrbe

    通常Ube=Ibrbe很小，因此

        Uo≈Ui

    电压放大倍数

（2-20）

    可见，射极输出器的输出电压与输入电压数值相近、相位相同，即输出信号跟随输入信号的变化，因此又称射极跟随器。

    需要注意的是，虽然射极输出器没有电压放大作用，但输出电流Ie是输入电流Ib的（1+β）倍，因此仍具有一定的电流放大和功率放大作用。

    2．输入电阻由图2-15b可以看出射极输出器的输入电阻为

（2-21）

    其中

    射极输出器的输入电阻高，可达几十千欧至几百千欧。

    3.输出电阻射极输出器的输出能跟随输入的变化，基本不受负载RL变动的影响，说明其输出电阻很小，通常用下式估算：

（2-22）

    射极输出器的输出电阻小，一般为几欧至几百欧。

    四、特点和应用

    综上所述，射极输出器具有静态工作点稳定（射极电阻Re具有稳定静态工作点的作用）、电压放大倍数接近于1、输入电阻高和输出电阻低的特点。

    由于射极输出器的输入电阻高而输出电阻低，因而得到广泛应用。

例如电子测量仪器中，常用射极输出器作为多级放大电路的输入级，以提高输入电阻，提高测量仪表的精度。

当射极输出器作为多级放大电路的输出级时，可以使放大电路具有很低的输出电阻，从而提高放大电路的带负载能力。

在多级放大电路的中间插入射极输出器可以减小后级对前级的影响，称为隔离级或缓冲级。

在集成电路中，常用射极输出器组成互补电路作为其输出级。

第四节场效应晶体管放大电路

由于场效应晶体管具有输入电阻高、噪声小等优点，因而在一些特殊场合，例如高内阻信号源放大时，常采用场效应管放大电路。

     图2-16为NMOS管共源极场效应管放大电路，其偏置方式采用分压式自偏压电路。

图中，晶体管V为增强型NMOS管；RS为源极电阻，有稳定静态工作点的作用；Rg1、Rg2为分压电阻，Rg3用以提高输入电阻；Rd为漏极负载电阻，以获得随ui变化的输出电压uo。

C1、C2为耦合电容，起隔直和传递信号的作用；Cs是交流旁路电容，用以消除RS对交流信号的影响。

下面对该电路作静态和动态分析。

    一、静态分析

     场效应管是电压控制型器件，其静态工作点由偏压UGS决定。

不同类型的场效应管放大时需要的偏压也不同。

对于增强型NMOS管，应使UGS>0，如果是耗尽型NMOS管，则应使UGS<0。

由图2-16可知，在分压式自偏压电路中

（2-23）

     由式（2-23）可见，适当选择Rg1、Rg2和RS的电阻值，就可获得各类场效应管放大时需要的正、负或零偏压。

     已知增强型NMOS管的转移特性可近似表示为

     将上式及式（2-23）联立方程组，可求得静态工作点UGS和ID。

由图2-16还可求得UDS为

（2-24）

     实际应用中，常通过调节电阻Rg1以改变静态工作点。

     分压式自偏压电路适用于所有类型的场效应晶体管放大电路，如果是耗尽型或结型场效应晶体管还可采用图2-17所示自偏压电路，其静态工作点读者可自行分析。

二、动态分析

     图2-16所示共源极场效应管放大电路的微变等效电路如图2-18所示。

图中，栅极和源极之间的动态电阻近似为无穷大，因而用开路表示；漏极电流id受uGS控制，因而等效为一个受电压uGS控制的电流源gmuGS。

    1．电压放大倍数

（2-24）

     式中gm——跨导（S）

     RL′——交流负载等效电阻，RL′=Rd//RL?

（Ω）；

     由于一般场效应管的跨导gm只有几毫西，因此场效应晶体管放大电路的电压放大倍数比三极管放大电路小。

式（2-24）中，负号表示输出电压与输入电压相位相反。

（2）输入电阻

（2-25）

     一般取Rg3的阻值为几兆欧，使输入电阻大为提高。

     （3）输出电阻

（2-26）

     Rd的阻值一般为几千欧到几十千欧，因而输出电阻较高。

第五节多级放大电路

 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。

    一、多级放大电路的组成

    多级放大电路的组成框图如图2-19所示。

    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。

    二、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。

    常见的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合以及光电耦合等。

    1．阻容耦合阻容耦合多级放大电路如图2-20所示。

图中，前级的输出电阻通过电容C2（称为耦合电容）与后级的输入电阻相连，因而称为阻容耦合。

    由于耦合电容具有通交流、隔直流的作用，因而各级静态工作点各自独立，互不影响，但交流输入信号可以在级间顺利传送。

为减小传送过程中的信号损耗，耦合电容应有足够大的容量。

    阻容耦合结构简单，价格低廉，在多级分立元件交流放大电路中获得广泛应用。

但阻容耦合放大电路不能放大直流和缓变信号，并且集成电路中制造大电容也比较困难，使阻容耦合的应用又具有很大的局限性。

    2．变压器耦合变压器耦合多级放大电路如图2-21所示。

图中，前级的输出通过变压器与后级的输入端相连，因而称为变压器耦合。

    由于变压器对直流无感应作用，因而各级静态工作点互不影响，而交流信号则可以通过变压器的互感作用，从前级传送到后级。

变压器耦合的最大特点是能够进行阻抗变换，实现负载与放大电路之间的阻抗匹配，使负载获得最大功率。

    由于变压器具有体积大、笨重和频率特性差的缺点，同时也不能放大直流和缓变信号，因此应用较少。

    3．直接耦合直接耦合多级放大电路如图2-22a、b所示。

由图可见，前级的输出端直接与后级的输入端相连，因而称为直接耦合。

    直接耦合的多级放大电路具有良好的频率特性，不但能放大交流，还能放大直流和缓变信号，所以又称“直流放大电路”。

但由于前级与后级直接相连，因此需要解决以下两个问题。

（1）静态工作点相互牵制由图2-22a可见，V1管的集电极电位等于V2管的基极电位，被钳制在0.7V左右，处于接近饱和状态。

同时，V2管的基极电流由电源VCC经RC1提供，过大的偏流使V2管深度饱和。

可见，静态工作点的互相牵制使两级放大电路均无法进行正常的线性放大。

因此，必须采取有效的措施，既保证信号的有效传递，又使每一级有合适的静态工作点。

    1）抬高后级发射极电位图2-22a中，若在V2管的发射极接电阻或二极管、稳压管，则V2的发射极和V1的集电极电位被抬高，只要元件参数选择适当，放大电路就可以得到合适的工作点。

    2）用PNP和NPN管配合实现电平移动上述电路中，V2管的发射极电位抬高时，其集电极电位相应抬高，从而使输出电压的动态范围减小。

为降低输出端的直流电位，可在后级采用PNP管，因为PNP管的集电极电位低于基极电位，如图2-22b所示。

（2）零点漂移现象所谓零点漂移现象，就是当直接耦合放大电路的输入端短路，即输入电压为零时，其输出端出现偏离静态值的缓慢无规则变化输出电压的现象。

零点漂移测试电路及漂移电压波形如图2-23所示。

   产生零点漂移现象的主要原因是三极管参数ICBO、β、UBE等随温度变化，使各级静态工作点产生变动，因此零点漂移也称为温度漂移。

直接耦合放大电路中，前级与后级直接相连，故前级工作点的微小变化将会逐渐传递、放大，从而在输出端产生一个缓慢变化的漂移电压信号，以致影响整个放大电路工作。

放大电路的级数越多，放大倍数越大，零点漂移就越大。

在各级漂移中，第一级的漂移对输出的影响最大，因此零点漂移的抑制着重在第一级，常用的方法是在第一级采用差动放大电路（见第三章）。

    由于直接耦合无耦合电容、无变压器，因而在集成电路中获得广泛应用。

    4．光电耦合光电耦合电路如图2-24所示。

图中，方框内是光电耦合器，它由发光二极管和光电晶体管封装在同一管壳内组成。

前级输出信号使发光二极管发光，光电晶体管接受光照后，产生光电流。

光电流的大小随输入端信号的增加而增大。

光电耦合器以光为媒介，实现电信号从前级向后级传输，它的输入端和输出端在电气上绝缘，具有抗干扰、隔噪声等特点，已得到越来越广泛的应用。

    三、多级放大电路的分析和动态参数计算

    多级放大电路中的电压放大级属于小信号工作状态，可以用微变等效电路来分析其动态参数。

    例2-2两级放大电路如图2-25所示。

试计算总电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

已知β1=β2=50，rbe1=0.95kΩ，rbe2=1.65kΩ。

    分析图2-25所示两级放大电路，可用图2-26所示框图表示

1．电压放大倍数由图2-26可见，前级的输出电压uo1就是后级的输入电压ui2，而后级的输入电阻Ri2就是前级的负载电阻RL1，即uo1=ui2，RL1=Ri2。

    前级和后级的电压放大倍数分别为

    总的电压放大倍数为

    经推导，对于n级放大电路，有

（2-27）

    即：

多级放大电路的总放大倍数为各级电压放大倍数的乘积。

    工程上，放大倍数常用分贝（dB）表示，称为增益。

（2-28）

    用增益表示多级放大电路的总电压放大倍数时，总增益应为各级增益之和，即

（2-29）

    2．输入电阻由图2-26可见，多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻，即

       Ri=Ri1（2-30）

 3．输出电阻多级放大电路的输出电阻为最后的第n级的输出电阻，即

       Ro=Ron（2-31）

    解1．计算电压放大倍数

    根据式（2-27），总电压放大倍数为

    由于第一级的负载电阻RL1就是第二级的输入电阻Ri2，因此

    其中

    所以

    2．计算输入电阻根据式（2-30），有

    3．计算输出电阻根据式（2-31），有