共发射极电压放大器

共发射极电压放大器

电压放大器的任务是对输入的电压信号进行放大。要放大的信号通常是由传感器送来的,模拟某个物理量随时间变化的微弱电信号,利用放大器可以将这些微弱的电信号放大到足够的强,并将放大后的信号输送到驱动电路,驱动执行机构完成特定的工作。执行机构的驱动信号通常是变化量,所以放大电路放大的对象通常也是变化量。变化量即为交流信号,对交流信号进行放大是电压放大器的主要任务。

5.2.1电路的组成

共发射极电压放大器电路的组成如图5-9所示。图5-9中的VCC是为放大器提供能量的直流电源;Rb是偏流电阻,该电阻的作用是为晶体管提供适当的偏置电压,使三极管工作在放大区;RC为集电极电阻,RL为负载电阻;C1和C2为耦合电容,它们的作用是隔离放大器的直流电源对信号源与负载的影响,并将输入的交流信号引入放大器,将输出的交流信号输送到负载上。

5、2、2、共发射极电路图解分析法

对交流电压信号进行放大是电压放大器的任务,交流电压信号的特点是:大小和方向均是变化的。利用图解法可以很直观的分析电压放大器的工作原理。

图解法的分析步骤是:在三极管输入特性曲线上,画出输入信号的波形,根据输入信号波形的变化情况,在输出特性曲线相应的地方画出输出信号的波形,并分析输出信号和输入信号在形状,幅度,相位等参量之间的关系,如图5-10(a)、(b)所示。

图5-10(a)给出了三极管的输入特性曲线和输入信号的波形,图5-10(b)为三极管的输出特性曲线和输出信号的波形。

1、静态工作点的确定

由图5-10(a)的输入特性曲线可见,为了使三极管在任何时刻都工作在放大区,在输入信号等于0时,三极管的iB和UBE的值不能为零。否则当输入信号处在负半周时,三极管放大器的UBE将小于零,三极管将进入截止的状态,不能对输入信号进行正常的放大。

输入信号为零时,三极管所处的状态称为放大器的静态工作点,即图中的Q点,Q点有

IB、IC、UBE和UCE四个值,实际上只要IB、IC和UCE三个就可以确定电路的静态工作点,并用符号IBQ、ICQ和UCEQ来表示电路的静态工作点。

确定静态工作点的方法是:根据电容阻直流、通交流的特点和节点电位法可得放大器静态时输出端的电压为:

(5-8)

在输出特性曲线上,式5-8为直线,在横轴上,ICQ=0,UCEQ=Vcc;在纵轴上,UCEQ=0,  ,连接这两点即可得式5-8所确定的直线,因该直线的斜率与  有关,所以,该直线称为直流负载线。

因放大器输出端电流和电压的关系同时要满足三极管的输出特性曲线和电路的直流负载线,所以,放大器静态工作点应在两曲线的交点上,即在直流负载线上。为了使放大器保持较大的动态范围,通常将静态工作点选在直流负载线的中点,根据直流负载线中点所确定的值ICQ和UCEQ就是输出电路的静态工作点,再根据

(5-9)

即可确定输入电路的静态工作点IBQ。

2、输出信号波形分析

静态工作点确定之后,根据叠加定理可得放大器输入端的信号为:

(5-10)

即在静态工作点电压上叠加输入的交流信号。在放大器不带负载RL的前提下,放大器放大信号的过程如下:

当输入是ui>0的正半周信号时,放大器输入端的工作点沿输入特性曲线从Q点往a点移,放大器输出端的工作点沿直流负载线从Q点往c点移,在输出端形成uoio>0的正半周信号。完成对正、负半周输入信号的放大,如图5-10所示。

由图5-10可见,经放大器放大后的输出信号在幅度上比输入信号增大了,即实现了放大的任务。但相位却相反了,即输入信号是正半周时,输出信号是负半周;输入信号是负半周时,输出信号是正半周,说明共发射极电压放大器的输出和输入信号的相位差是180°。

由图5-10还可见,电压放大器电路中集电极电阻RC的作用是:用集电极电流的变化,实现对直流电源Vcc能量转化的控制,达到用输入电压ui的变化来控制输出电压uo变化的目的,实现小信号输入,大信号输出的电压放大作用。并由此可得,放大器放大的是变化量,放大电路放大的本质是能量的控制和转换,三极管在电路中就是起这种控制的作用。

当放大器接有负载RL时,对交流信号而言,RL和RC是并联的关系,并联后的总电阻为

(5-11)

根据该电阻,在输出特性曲线上也可做一条斜率为  的直线,该直线称为交流负载线,如图5-11所示。

由图5-11可见,在输入信号驱动下,放大器输出端的工作点将沿交流负载线移动,形成交流输出电压。但输出信号的幅度比不带负载时小,利用戴维南定理可解释此结论。