电工与模数电技术 2015级注册电气工程师考培 参考书目

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1 电工与模数电技术 2015级注册电气工程师考培 参考书目
[1] 张炳达，注册电气工程师执业资格考试公共/专业基础考试复习教程，天津大学出版社，2013年 [2] 元增民，模拟电子技术简明教程，清华大学出版社，2014年 [3] 元增民，电工技术，国防科大出版社，2011年 [4] 谢庆等，注册电气工程师(供配电)执业资格考试基础考试历年真题详解，人民交通出版社，2014年 本课件补充的知识点都来自于参考书[2]、[3]，特此一并注明。 主讲教师：元增民

2 PPT4 第3章 晶体管放大电路(1) 3.1 基本共射放大电路工作原理(1) 3.1.1 用直流器件放大交流信号的原理
第3章 晶体管放大电路(1) 3.1 基本共射放大电路工作原理(1) 用直流器件放大交流信号的原理 基本共射放大器设计计算 2. 临界工作点设计及输出范围 1. 交流参数及三大放大倍数分析计算 2. 晶体管极限耗散功率设计 3. 安伏变换器与负载电阻的匹配设计 基本共射放大器分析计算 1. 偏置参数分析计算 2. 晶体管基极偏置电阻设计 3. 上下限频率分析计算 作业： 94页习题3.1.1，3.1.2

3 本节要务 放大器偏置设计入门 1. 根据β、Rc、RL设计Rb 2. 撇开β直接设计临界工作点Uce(cr)

4 模拟电子技术学习指南 模拟电子技术的五大模块：放大、滤波、反馈、振荡、电源
放大是核心。放大器有工作点及其稳定性、输入电阻与输出电阻、电压、电流、功率三大放大倍数与频率特性、输入范围与输出范围、非线性失真、效率和元器件功率消耗等十项技术参数和指标，“一参数九指标”。一参数是纲，九指标是目，纲举目张。 放大器和振荡器三大失真：削波失真、非线性失真和交越失真 学习模电，就是围绕一参数九指标，着眼抑制三大失真。 当医生，应当尽可能多了解人体基本指标，如身高、体重、体温、脉搏、血压等。如果只知道简单的身高、体重，医生不可能看好病。学习模拟电子技术，应当尽可能全面了解放大器等技术指标。如果只知道简单的放大倍数，就很难学好模拟电子技术。 希望同学们经过模拟电子技术理论学习和实验，认识一参数九指标，熟悉三大失真，掌握理论、增长见识、提高技能。

5 放大概念 放大有电压放大、电流放大和功率放大。直流电压放大是把小电压放大为大电压。交流电压放大是把电压幅度放大，但频率保持不变，波形尽可能不变，放大后的电压相位可以与信号电压同相或反相。图3.1.1(a)、(b)各是四倍同相电压放大及四倍反相电压放大。 (a) 四倍同相放大 (b) 四倍反相放大 图 放大概念

6 图3.1.2 基本共射放大电路(可实现四倍等反相放大)
第3章 晶体管放大电路 3.1 基本共射放大电路工作原理 用直流器件放大交流信号的原理 1. 基本共射放大电路 图 基本共射放大电路(可实现四倍等反相放大) 2. 基本共射放大电路元器件的作用及特点 Rb：基极偏置电阻，属于人工设置，Rb取几十kΩ~几百kΩ 。 Rc：安伏变换器，属于人工设置，常取Rc=1kΩ~10kΩ。 C1：输入耦合电容，属于人工设置，常取C1=10μF 。 C2：输出耦合电容，属于人工设置，常取C2=10μF 。 信号源内阻rs和负载电阻RL属于放大器外围元件，都属于客观存在即已知参数。

7 3. 基本共射放大电路中的电流电压及其基本关系
图3.1.2所示基本共射放大电路中的电流电压符号安排如下。 小写字母i、u代表瞬时总值。 大写字母Ib、Ic、Uce代表工作点参数，其中Ib代表基极偏置电流、Ic代表集电极偏置电流，Uce代表集-射偏置压降。 大写字母Ucc表示加在BJT集电极c的直流电源电压。 相量Ės代表交流信号源电动势，Esm代表Ės的幅度；İs代表交流信号源电流，Ism代表İs的幅度；İb代表BJT基极交流信号电流，İc代表BJT集电极交流信号电流，Icm代表İc的幅度；İo代表负载获得的交流信号电流，Iom代表İo的幅度。 集电极-发射极压降uce是一个派生参数，简称集-射压降。图3.1.2中uce=Ucc-Rcic。

8 图3.1.3 基本共射放大器的直流等效电路及交流等效电路的作图过程
4.基本共射放大电路的直流通路与交流通路 (a) 基本共射放大器原图 (b) 直流通路(直流等效电路) (c) 原始交流通路 (d) 交流通路 (e) 频带内的交流通路 图 基本共射放大器的直流等效电路及交流等效电路的作图过程 交流通路里Rc与RL表现为并联,故称Rc与RL交流并联，用符号R′L表示R′L=Rc//RL。因RLİo=R′Lİc，R′L也叫交流等效负载电阻

9 图3.1.3(e) 基本共射放大器频带内的交流等效电路
基本共射放大电路输出电压与输入电压的反相关系 图3.1.3(e) 基本共射放大器频带内的交流等效电路

10 图3.1.2 基本共射放大器 图3.1.5 基极偏置电阻偏大造成的截止失真
基本共射放大电路设计计算 1. 临界工作点设计与输出范围计算 图3.1.2 基本共射放大器 图3.1.5 基极偏置电阻偏大造成的截止失真

11 图3.1.5 基极偏置电阻偏小造成的饱和失真

12 输出范围除以源电压放大倍数就是放大器输入范围
1) 临界工作点与输出范围 (3.1.5) (3.1.6) (3.1.7) 输出范围除以源电压放大倍数就是放大器输入范围

13 信号电压上下两个波峰中，哪个波峰与代表晶体管发射结的箭头顶牛，哪个波峰超限时就会发生截止削波失真。
NPN管共射放大器中信号电压负半波与代表晶体管发射结的箭头顶牛，故输入电压幅度超限时负半波削波，反相后输出电压uo顶部削波，见图3.1.4~6。 应当注意，PNP管共射放大器中信号电压正半波与代表晶体管发射结的箭头顶牛，故输入电压幅度超限时正半波削波，反相后输出电压uo底部削波。

14 调整基极偏置电阻，使Uce=Uce(cr) =4V，就能使放大器工作点达到最佳要求，获得输出范围Uom(max) =4V。
例 图3.1.7所示基本共射放大电路Ucc=12V，Rc=RL= =1kΩ，试计算晶体管集电极临界偏置电流Ic(cr) 、集-射临界偏置压降Uce(cr) 及放大电路输出范围Uom(max)。 解 R'L=Rc//RL=1kΩ//1kΩ=0.5kΩ 调整基极偏置电阻，使Uce=Uce(cr) =4V，就能使放大器工作点达到最佳要求，获得输出范围Uom(max) =4V。 按式(3.1.6)调整完毕后，可测量Rb实际阻值，再由(3.1.4)推算晶体管β实值 (3.1.4c)

15 3. 晶体管极限耗散功率设计 交流信号为零时BJT功率消耗达到最大值 Pt(max)=UceIc (3.1.8) 在此基础上乘以一定的安全系数，即能确定晶体管极限耗散功率 4. 安伏变换器与负载电阻的匹配设计 Rc/RL=2且满幅输出时，基本共射放大器负载可获得最大功率 (3.1.9) Rc/RL=√2且满幅输出时，基本共射放大器效率可达到最大值

16 图 基本射放大器效率及负载功率特性曲线 虽然基本共射放大器效率与不失真负载功率理论上不能同时达到最大，但电阻比Rc/RL=1时，负载功率可以达到最大值的89%，效率可达最大值的97%，而输出范围达到空载时的67%。因此，兼顾负载最大功率、效率和输出电压幅度时，可取电阻比Rc/RL =1。就是说取电阻比Rc/RL =1通常是一个既简单又比较合理的设计方案。

17 5. 根据上下限频率确定管子截止频率设计耦合电容
基本共射放大器上限频率 (3.1.10) 按照基本共射放大器上限频率要求可确定所用BJT的截止频率。 例，要基本共射放大器上限频率fh=1MHz，可选用截止频率fβ=1MHz的晶体管。 已知放大器下限频率fL和有关电阻，由下式设计计算耦合电容 (3.1.11) 要求放大器下限频率fL越低，频带越宽，耦合电容就得越大。 例 图3.1.7基本共射放大器中Rc=1kΩ，RL=1kΩ，rs=1kΩ，ri≈rbe =1kΩ，要求下限频率fL=12.5Hz，试确定输入耦合电容C1和输出耦合电容C2 解

18 3.1.3 基本共射放大电路分析计算 1. 偏置参数分析计算
基本共射放大电路分析计算 1. 偏置参数分析计算 已知Ucc、Ube、Rb及Rc、可用直流等效电路计算BJT基极偏置电流Ib、集电极偏置电流Ic及集-射极偏置电压Uce等三个偏置参数 (3.1.12) (3.1.12a) (3.1.13) 由此看出，晶体管发射结压降Ube对于基极电流Ib的形成是阻力。 计算结果若Uce<0，则应取Uce=Uces或Uce=0，并反计算Ic=Ucc/Rc。 再计算代表工作点内涵的偏置电流电压与临界值的相对偏差 (3.1.14) 最后以(|δIc|+|δUce|)/2较小，如10%，来判断工作点设计合理 传统只有Ib、Ic、Uce的简单计算，没有合理与否的分析判断。

19 例3. 1. 4 图3. 1. 7所示基本共射放大器晶体管β=100，Ucc=12V，Ube=0
例 图3.1.7所示基本共射放大器晶体管β=100，Ucc=12V，Ube=0.7V，Rb=150kΩ，Rc=RL=1k，试计算偏置参数Ib、Ic、Uce，并按照相对允差10%判定工作点设计是否合理。 解 由例3.1.2知，Ic(cr)=8mA，Uce(cr)=4V (|δIc|+|δUce|)/2=(5.8%+12%)/2=8.9%<10% 由此判断工作点设计基本合理。

20 将集电极临界偏置电流计算公式与基极偏置电流计算公式联立有
由此条件确定的Rb就是基本共射放大器基极临界偏置电阻，用符号Rb(cr)表示 基极偏置电阻最小值 Rb(min)=βRc 若基极偏置电阻实际值小于最小值，则信号越小，就越容易被淹没。信号较小时输出电压全部被淹没，信号较大时输出电压只有波峰露出一个头。

21 例3.1.1 图3.1.7所示基本共射放大电路中晶体管β=100，安伏变换器阻值与负载电阻相等，Rc=RL=1kΩ，试计算基极偏置电阻的最小值Rb(min)与临界值Rb(cr)。
图 基本共射放大电路 解

22 2005年注册电气工程师执业资格考试专业基础第27题
解 Rb>Rb(cr)，答案C、D被排除。 Ic=βUcc/Rb=100×12V/1200 kΩ=1mA R′LIc=2.7kΩ×1mA=2.7V Uce=Ucc-RcIc=12V-2.7×1mA=9.3V 输出范围为Uom=min(R′LIc, Uce) =2.7V Au=-βRc/rbe=-100×2.7kΩ/2.7kΩ=-100，倒推输入电压极限幅度为2.7V/100=27mV，实际输入电压幅度为1.414×27mV=38mV，故输出发生截止失真，顶部削平，答案选B。 此题05~07供配电连续考了3年，13年又考了一次！

23 2008年注册电气工程师(发输变电)执业资格考试专业基础第21题
解 电压放大倍数分母用Ui，意思就是要计算自身电压放大倍数 答案选D 计算rbe需要Ucc，但本题rbe已经给定，故应直接用rbe计算Au

24 无论C1小或C2小，都会影响低频特性。基本共射放大器频率特性函数就反映了这个事实
3. 下限频率和上限频率 输入耦合电容C1串联在信号源内阻与放大器输入电阻中间，影响信号源电流。频率越低，电容容抗越大，信号源电流及基极电流就越小，几乎无信号可放大，犹如无米之炊，电压增益就要降低。 图3.1.3(d) 基本共射放大器交流通路 输出耦合电容C2与负载电阻串联，与安伏变换器并联。频率越低，电容容抗越大，电容及负载电阻这一路分流就越小，犹如肥水流进他人田，结果负载电压增益也要降低。 无论C1小或C2小，都会影响低频特性。基本共射放大器频率特性函数就反映了这个事实

25 3. 下限频率和上限频率的分析计算 基本共射放大器频率特性函数、时间常数及转折频率 (3.1.20) τ1=(rs+ri)C1，ω1=1/τ1，f1=ω1/2π=1/2πτ (3.1.21) τ2=(ro+RL)C2，ω2=1/τ2，f2=ω2/2π=1/2πτ (3.1.22) τ1=(rs+ri)C1叫做输入侧时间常数， f1=1/2πτ1为一号转折频率 τ2=(ro+RL)C2叫做输出侧时间常数，f2=1/2πτ2为二号转折频率 1) 根据耦合电容分析计算下限频率 电容耦合放大器下限角频率ωL近似计算公式 (万能公式) (3.1.23) 这种根据放大器输入、输出电阻ri、ro计算下限频率的方法对三种组态BJT及FET放大器都是通用的。熟记ri、ro和Auz的计算及上式，就掌握了放大器下限频率计算。

26 通常周期的倒数就是频率。 为啥RC电路的时间常数τ=RC的倒数不是频率而是角频率呢？ 设电容电压u=√2Usin2πft=√2Usinωt，其电荷q=Cu，则电流i=dq/dt=Cdu/dt=√2UωCcosωt，与i=√2Icosωt对照可看出，UωC就是电流有效值I，即UωC=I，再与U/R=I对比即知ωC=1/R，即1/RC=ω。

27 例3.1.6 图3.1.7基本共射放大器ri=0.5kΩ，rs=0.5kΩ，C1=C2=10μF，Rc=RL=1kΩ，试计算放大器下限频率fL。
解 τ1=(rs+ri)C1=( )×10ms=10ms,ω1=1/τ1=1/0.01s=100/s τ2=(Rc+RL)C2=(1+1)×10ms=20ms，ω2=1/τ2=1/0.02s=50/s fL=ωL/2π=117.4/6.283Hz=19Hz，

28 图3.1.10 τ1与τ2相差很大时基本共射放大器的波德图的对数幅频特性图
2) 根据波德图确定下限频率 例 图3.1.7基本共射放大器波德图如图3.1.10，试根据波德图推算上下限频率。 解 波德图渐近线与中频水平线的交点频率叫做转折频率。低频渐近线以20dB/dec升高，转折频率处增益下降3dB，正符合频带下限条件，低频转折频率就是下限频率。高频渐近线以20dB/dec下降，转折频率处增益下降3dB，正符合频带上限条件，高频转折频率就是上限频率。故fL=100Hz，fH=100kHz。详见9.1节 图 τ1与τ2相差很大时基本共射放大器的波德图的对数幅频特性图

29 图3.1.11 τ1=τ2时基本共射放大器的波德图的对数幅频特性图
例 图3.1.7基本共射放大器波德图如图3.1.11，τ1=τ2，要求 (1) 试根据波德图推算上下限频率; (2) 用解析法计算下限频率。 解 高频渐近线以20dB/dec下降，高频转折频率就是fH=100kHz 图 τ1=τ2时基本共射放大器的波德图的对数幅频特性图 (1) 低频渐近线以40dB/dec升高，低频转折频率处增益下降6dB，不符合频带下限条件，如虚线所示，能估计下限频率高于转折频率。但究竟高多少，需要借助解析计算。 (2) τmin=τmax=τ1，f1=f2=100Hz，照式(3.1.23)计算

30 谢谢大家！