初识Multisim之放大电路

    放大电路的放大作用,实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号。输入信号的作用则是控制这种转移,使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。

   放大电路的核心元件是晶体管,因此,放大电路若要实现对输入小信号的放大作用,必须首先保证晶体管工作在放大区。

   晶体管工作在放大区的外部偏置条件是:其发射结正向偏置、集电结反向偏置。此条件是通过外接直流电源,并配以合适的偏置电路来实现的。

   本征半导体:不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体
   P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。
   N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导体

   正偏与反偏的区别:对于NPN晶体管,当发射极接电源正极、基极接负极时,则发射结是正偏,反之为反偏;当集电极接电源负极、基极(或发射极)接正极时,则集电结反偏,反之为正偏。总之,当p型半导体一边接正极、n型半导体一边接负极时,则为正偏,反之为反偏。晶体管放大电路一般有三种组态:共发射极放大电路,共集电极放大电路,共基极放大电路,无论放大电路的组态如何,其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后,输出时其信号幅度显著增强。必须清楚:幅度得到增强的输出信号,其能量并非来自于晶体管,而是由放大电路中的直流电源提供的。晶体管只是实现了对能量的控制,使之转换成信号能量,并传递给负载。

    放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大,单凭晶

体管的电流放大作用显然无法完成。必须在放大电路中设置

直流电源,使其保证晶体管工作在线性放大区。因此,放大

电路的组成原则为:

1.核心元件晶体管必须发射结正偏,集电结反偏;

2.输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路,以保证晶体管的以小控大作用;

3.输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转换成负载需要的电压形式;

4.不允许被传输小信号放大后出现失真

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如上图所示C1电容的作用是隔离直流让交流信号顺利通过,基极偏置电阻R1的作用是为放大电路提供合适的静态工作点,R2的作用是将放大的集电极电流转换成晶体管的输出电压,VCC向放大电路提供能量并保证晶体管工作在放大区,晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用。

放大电路内部各电压、电流都是交直流共存的。其直流分量及其注脚均采用大写英文字母;交流分量及其注脚均采用小写英文字母;叠加后的总量用英文小写字母,但其注脚采用大写英文字母。例如:基极电流的直流分量用IB表示;交流分量用ib表示;总量用iB表示。

需放大的信号电压 ui通过C1转换为放大电路的输入电流,与基极偏流叠加后加到晶体管的基极,基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流 iC变化;iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化,即: uCE=UCC- iCRC

   由上式可看出:当 iC增大时,uCE就减小,所以 uCE的变化正好与 iC相反,这就是它们反相的原因。uCE经过C2滤掉了直流成分,耦合到输出端的交流成分即为输出电压 u0。若电路参数选取适当,u0的幅度将比 ui 幅度大很多,亦即输入的微弱小信号 ui 被放大了,这就是放大电路的工作原理。

    输入信号ui=0、只在直流电源UCC作用下电路的状态称“静态”。静态分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。

直流下耦合电容C1、C2相当于开路

 

由晶体管放大原理可求得IC:IC=βIB, UCE=UCC-ICRC

R4为射极反馈电阻,C3为射极旁路滤波电容,两者为稳定工作点Q而添加的负反馈环节。

 

 

能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路,简称功放。

功放既不是单纯追求输出高电压,也不是单纯追求输出大电流,而是追求在电源电压确定的情况下,输出尽可能大的功率。

功放电路的要求:Pomax 大,三极管极限工作, h = Pomax / PV 要高, 失真要小

功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率,表达式为Po=IoUo。

最大输出功率是在电路参数确定的情况下,负载上可能获得的最大交流功率

功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。

在功率放大电路中,为使输出功率尽可能大,要求晶体管工作在极限应用状态

晶体管集电极电流最大时接近ICM

晶体管管压降最大时接近U(BR)CEO

晶体管耗散功率最大时接近PCM

选择功放管时,要注意极限参数的选择,还要注意其散热条件,使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施

   交流放大电路中如果不设置静态工作点,输入的交流信号就无法全部通过放大电路,造成传输过程中信号的严重失真;若静态工作点设置不合适,同样会发生传输过程中的饱和失真和截止失真。

   设置合适的静态工作点显然是放大电路保证传输质量的必要条件,其设置的原则是:保证正常的输入信号不失真的输出且保证静态工作点的相对稳定。

   分压式偏置的共射放大电路显然可以实现上述原则。通过选择合适的分压电阻RB1RB2,可获得一个恰当的基极电位VB值,以确保晶体管的发射结正偏和集电结反偏。这样,在信号传输的过程中晶体管就会始终工作在放大区,使放大电路正常工作。电路中的反馈电阻RE则起到了稳定工作点的作用,从而抑制了由于温度变化对放大电路产生的影响

 

如下图

 

用估算法计算静态工作点:

用微变等效电路法计算电压放大倍数Au及输入、输出电阻

rbe=rbb’+(1+β)re
re是发射结电阻,跟温度有关:re=VT/IEQ(T是下标,EQ是下标),因为常温下VT=26(mV)所以常温下rbe的计算公式是
rbe=rbb'+(1+β)26(mV)/IEQ(mA)

短路及过流保护:
当放大器输出短路或电流超出放大器的最大输出电流时,放大器将自动关断输出,并且提醒您此时放大器处于短路或过流保护状态。请您调低输出或排除外部线路故障后,方可重新输出。

过热保护:
当放大器在输出端接有重负载并且在环境温度较高的状况下工作时,若放大器升温过高将自动断开输出,并且提醒您此时放大器处于过热保护状态。待温度降至正常后,方可重新输出

分压式偏置共发射极放大电路:基极电压是由Rb2和Rb1分压所得的,所以称为分压偏置。发射极中增加了电阻Re和电容Ce,Ce称为交流旁路电容,对于交流是短路的;Re则有直流负反馈作用,所谓反馈就是把输出的变化通过某种形式送入到输出端,作为输入的一部分,如果送回部分和原来的输入部分是相减得,就是负反馈,反之则为正反馈。图中基极真正的输入电压是Rb2上的电压和Re上电压的差值,所以是负反馈。由于采用了上面的两个措施,使电路工作稳定性能提高。

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