基本放大電路-《模擬電子技術(shù)》.ppt

(2-1),電子技術(shù),第二章基本放大電路,模擬電路部分,(2-2),第二章基本放大電路,2.1概論2.2放大電路的組成和工作原理2.3放大電路的分析方法2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定2.5射極輸出器2.6場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.7多級(jí)阻容耦合多級(jí)放大電路,(2-3),2.1概論,2.1.1放大的概念,電子學(xué)中放大的目的是將微弱的變化信號(hào)放大成較大的信號(hào)。這里所講的主要是電壓放大電路。,電壓放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示，如圖：,Au,(2-4),2.1.2放大電路的性能指標(biāo),一、電壓放大倍數(shù)Au,Ui和Uo分別是輸入和輸出電壓的有效值。,Au是復(fù)數(shù)，反映了輸出和輸入的幅值比與相位差。,(2-5),二、輸入電阻ri,放大電路一定要有前級(jí)（信號(hào)源）為其提供信號(hào)，那么就要從信號(hào)源取電流。輸入電阻是衡量放大電路從其前級(jí)取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，從其前級(jí)取得的電流越小，對(duì)前級(jí)的影響越小。,定義：,即：ri越大，Ii就越小，ui就越接近uS,(2-6),三、輸出電阻ro,放大電路對(duì)其負(fù)載而言，相當(dāng)于信號(hào)源，我們可以將它等效為戴維南等效電路，這個(gè)戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。,(2-7),如何確定電路的輸出電阻ro？,步驟：,1.所有的電源置零(將獨(dú)立源置零，保留受控源)。,2.加壓求流法。,方法一：計(jì)算。,(2-8),方法二：測(cè)量。,1.測(cè)量開(kāi)路電壓。,2.測(cè)量接入負(fù)載后的輸出電壓。,步驟：,3.計(jì)算。,(2-9),四、通頻帶,通頻帶：,fbw=fHfL,放大倍數(shù)隨頻率變化曲線幅頻特性曲線,(2-10),2.1.3符號(hào)規(guī)定,UA,大寫(xiě)字母、大寫(xiě)下標(biāo)，表示直流量。,uA,小寫(xiě)字母、大寫(xiě)下標(biāo)，表示全量。,ua,小寫(xiě)字母、小寫(xiě)下標(biāo)，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,(2-11),2.2基本放大電路的組成和工作原理,三極管放大電路有三種形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器為例講解工作原理,(2-12),2.2.1共射放大電路的基本組成,放大元件iC=iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。,輸入,輸出,？,參考點(diǎn),(2-13),作用：使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)。,基極電源與基極電阻,(2-14),集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。,(2-15),集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?(2-16),耦合電容：電解電容，有極性。大小為10F50F,作用：隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時(shí)能使信號(hào)順利輸入輸出。,(2-17),可以省去,電路改進(jìn)：采用單電源供電,(2-18),(2-19),2.2.2基本放大電路的工作原理,由于電源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、靜態(tài)工作點(diǎn),(2-20),IBQ,ICQ,(ICQ,UCEQ),(IBQ,UBEQ),(2-21),(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)分別對(duì)應(yīng)于輸入輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)。,(2-22),IB,uCE怎么變化,？,假設(shè)uBE有一微小的變化,(2-23),uCE的變化沿一條直線,uce相位如何,？,uce與ui反相！,(2-24),各點(diǎn)波形,(2-25),實(shí)現(xiàn)放大的條件,1.晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2.正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，使整個(gè)波形處于放大區(qū)。,3.輸入回路將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電流。,4.輸出回路將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的集電極電壓，經(jīng)電容濾波只輸出交流信號(hào)。,(2-26),如何判斷一個(gè)電路是否能實(shí)現(xiàn)放大？,3.晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,4.正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，使整個(gè)波形處于放大區(qū)。如果已給定電路的參數(shù)，則計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)判斷；如果未給定電路的參數(shù)，則假定參數(shù)設(shè)置正確。,1.信號(hào)能否輸入到放大電路中。,2.信號(hào)能否輸出。,與實(shí)現(xiàn)放大的條件相對(duì)應(yīng)，判斷的過(guò)程如下：,(2-27),2.3放大電路的分析方法,放大電路分析,靜態(tài)分析,動(dòng)態(tài)分析,估算法,圖解法,微變等效電路法,圖解法,計(jì)算機(jī)仿真,(2-28),2.3.1直流通道和交流通道,放大電路中各點(diǎn)的電壓或電流都是在靜態(tài)直流上附加了小的交流信號(hào)。,但是，電容對(duì)交、直流的作用不同。如果電容容量足夠大，可以認(rèn)為它對(duì)交流不起作用，即對(duì)交流短路。而對(duì)直流可以看成開(kāi)路，這樣，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考慮交流信號(hào)的分電路。直流通道：只考慮直流信號(hào)的分電路。信號(hào)的不同分量可以分別在不同的通道分析。,(2-29),例：,對(duì)直流信號(hào)（只有+EC）,(2-30),對(duì)交流信號(hào)(輸入信號(hào)ui),(2-31),一、直流負(fù)載線,IC,UCE,UCEIC滿(mǎn)足什么關(guān)系？,1.三極管的輸出特性。,2.UCE=ECICRC。,直流負(fù)載線,與輸出特性的交點(diǎn)就是Q點(diǎn),IB,2.3.2直流負(fù)載線和交流負(fù)載線,(2-32),二、交流負(fù)載線,其中：,(2-33),iC和uCE是全量，與交流量ic和uce有如下關(guān)系,所以：,這條直線通過(guò)Q點(diǎn)，稱(chēng)為交流負(fù)載線。,(2-34),交流負(fù)載線的作法,IB,過(guò)Q點(diǎn)作一條直線，斜率為：,交流負(fù)載線,(2-35),2.3.3靜態(tài)分析,一、估算法,（1）根據(jù)直流通道估算IB,RB稱(chēng)為偏置電阻，IB稱(chēng)為偏置電流。,(2-36),（2）根據(jù)直流通道估算UCE、IB,IC,UCE,(2-37),二、圖解法,先估算IB，然后在輸出特性曲線上作出直流負(fù)載線，與IB對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線與直流負(fù)載線的交點(diǎn)就是Q點(diǎn)。,(2-38),例：用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。,已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,請(qǐng)注意電路中IB和IC的數(shù)量級(jí)。,(2-39),2.3.4動(dòng)態(tài)分析,一、三極管的微變等效電路,1.輸入回路,當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，將輸入特性在小范圍內(nèi)近似線性。,uBE,對(duì)輸入的小交流信號(hào)而言，三極管相當(dāng)于電阻rbe。,rbe的量級(jí)從幾百歐到幾千歐。,(2-40),2.輸出回路,所以：,(1)輸出端相當(dāng)于一個(gè)受ib控制的電流源。,(2)考慮uCE對(duì)iC的影響，輸出端還要并聯(lián)一個(gè)大電阻rce。,rce的含義,(2-41),rce很大，一般忽略。,3.三極管的微變等效電路,c,b,e,(2-42),二、放大電路的微變等效電路,將交流通道中的三極管用微變等效電路代替:,(2-43),三、電壓放大倍數(shù)的計(jì)算,特點(diǎn)：負(fù)載電阻越小，放大倍數(shù)越小。,(2-44),四、輸入電阻的計(jì)算,對(duì)于為放大電路提供信號(hào)的信號(hào)源來(lái)說(shuō)，放大電路是負(fù)載，這個(gè)負(fù)載的大小可以用輸入電阻來(lái)表示。,電路的輸入電阻越大，從信號(hào)源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。,(2-45),五、輸出電阻的計(jì)算,對(duì)于負(fù)載而言，放大電路相當(dāng)于信號(hào)源，可以將它進(jìn)行戴維南等效，戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。,計(jì)算輸出電阻的方法：,(1)所有電源置零，然后計(jì)算電阻（對(duì)有受控源的電路不適用）。,(2)所有獨(dú)立電源置零，保留受控源，加壓求流法。,(2-46),所以：,用加壓求流法求輸出電阻：,(2-47),2.3.5失真分析,在放大電路中，輸出信號(hào)應(yīng)該成比例地放大輸入信號(hào)（即線性放大）；如果兩者不成比例，則輸出信號(hào)不能反映輸入信號(hào)的情況，放大電路產(chǎn)生非線性失真。,為了得到盡量大的輸出信號(hào)，要把Q設(shè)置在交流負(fù)載線的中間部分。如果Q設(shè)置不合適，信號(hào)進(jìn)入截止區(qū)或飽和區(qū)，則造成非線性失真。,下面將分析失真的原因。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)負(fù)載為空載(RL=)。,(2-48),uo,可輸出的最大不失真信號(hào),選擇靜態(tài)工作點(diǎn),(2-49),uo,1.Q點(diǎn)過(guò)低，信號(hào)進(jìn)入截止區(qū),放大電路產(chǎn)生截止失真,(2-50),2.Q點(diǎn)過(guò)高，信號(hào)進(jìn)入飽和區(qū),放大電路產(chǎn)生飽和失真,(2-51),2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定,為了保證放大電路的穩(wěn)定工作，必須有合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。但是，溫度的變化嚴(yán)重影響靜態(tài)工作點(diǎn)。,對(duì)于前面的電路（固定偏置電路）而言，靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE、和ICEO決定，這三個(gè)參數(shù)隨溫度而變化，溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在這一方面。,T,UBE,ICEO,Q,(2-52),一、溫度對(duì)UBE的影響,(2-53),二、溫度對(duì)值及ICEO的影響,總的效果是：,(2-54),小結(jié)：,固定偏置電路的Q點(diǎn)是不穩(wěn)定的。Q點(diǎn)不穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū)或截止區(qū)，從而導(dǎo)致失真。為此，需要改進(jìn)偏置電路，當(dāng)溫度升高、IC增加時(shí)，能夠自動(dòng)減少I(mǎi)B，從而抑制Q點(diǎn)的變化。保持Q點(diǎn)基本穩(wěn)定。,常采用分壓式偏置電路來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。電路見(jiàn)下頁(yè)。,(2-55),分壓式偏置電路：,一、靜態(tài)分析,RE射極直流負(fù)反饋電阻,CE交流旁路電容,(2-56),本電路穩(wěn)壓的過(guò)程實(shí)際是由于加了RE形成了負(fù)反饋過(guò)程,1.靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的原理,(2-57),2.求靜態(tài)工作點(diǎn),算法一：,上述四個(gè)方程聯(lián)立，可求出IE，進(jìn)而，可求出UCE。,本算法比較麻煩，通常采用下面介紹的算法二、三。,(2-58),方框中部分用戴維南定理等效為：,進(jìn)而，可求出IE、UCE。,算法二：,(2-59),算法三：,(2-60),可以認(rèn)為與溫度無(wú)關(guān)。,似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，將增加損耗，降低輸入電阻。因此一般取幾十k。,(2-61),例：已知=50，EC=12V，RB1=7.5k，RB2=2.5k，RC=2k，RE=1k，求該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。,算法一、二的結(jié)果：,算法三的結(jié)果：,結(jié)論：三種算法的結(jié)果近似相等，但算法三的計(jì)算過(guò)程要簡(jiǎn)單得多。,(2-62),二、動(dòng)態(tài)分析,+EC,uo,(2-63),問(wèn)題1：如果去掉CE，放大倍數(shù)怎樣？,(2-64),去掉CE后的交流通路和微變等效電路：,(2-65),用加壓求流法求輸出電阻。,可見(jiàn)，去掉CE后，放大倍數(shù)減小、輸出電阻不變，但輸入電阻增大了。,(2-66),問(wèn)題2：如果電路如下圖所示，如何分析？,(2-67),靜態(tài)分析：,直流通路,(2-68),動(dòng)態(tài)分析：,交流通路,(2-69),交流通路：,微變等效電路：,(2-70),問(wèn)題：Au和Aus的關(guān)系如何？,定義：,(2-71),2.5射極輸出器,(2-72),一、靜態(tài)分析,(2-73),二、動(dòng)態(tài)分析,(2-74),(2-75),1.電壓放大倍數(shù),(2-76),1.,所以,但是，輸出電流Ie增加了。,2.,輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱(chēng)電壓跟隨器。,結(jié)論：,(2-77),2.輸入電阻,輸入電阻較大，作為前一級(jí)的負(fù)載，對(duì)前一級(jí)的放大倍數(shù)影響較小且取得的信號(hào)大。,(2-78),3.輸出電阻,用加壓求流法求輸出電阻。,(2-79),一般：,所以：,射極輸出器的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。,所謂帶負(fù)載能力強(qiáng)，是指當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，放大倍數(shù)基本不變。,(2-80),例：已知射極輸出器的參數(shù)如下：RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,求Au、ri和ro。設(shè)：RS=1k，求：Aus、ri和ro。3.RL=1k時(shí)，求Au。,(2-81),RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,(2-82),RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,1.求Au、ri和ro。,rbe=2.9k，RS=0,(2-83),2.設(shè)：RS=1k，求：Aus、ri和ro,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，EC=12V,rbe=2.9k，RS=0,(2-84),RL=1k時(shí),3.RL=1k和時(shí)，求Au。,比較：空載時(shí),Au=0.995RL=5.6k時(shí),Au=0.990RL=1k時(shí),Au=0.967,RL=時(shí),可見(jiàn)：射極輸出器帶負(fù)載能力強(qiáng)。,(2-85),射極輸出器的使用,1.將射極輸出器放在電路的首級(jí)，可以提高輸入電阻。,2.將射極輸出器放在電路的末級(jí)，可以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能。,3.將射極輸出器放在電路的兩級(jí)之間，可以起到電路的匹配作用。,(2-86),2.6場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單。,(2)動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。,組成原則：,分析方法：,(2-87),2.6.1場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路,跨導(dǎo),漏極輸出電阻,(2-88),場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路為：,(2-89),2.6.2場(chǎng)效應(yīng)管的共源極放大電路,一、靜態(tài)分析,求：UDS和ID。,設(shè)：UGUGS,則：UGUS,而：IG=0,所以：,(2-90),二、動(dòng)態(tài)分析,(2-91),ro=RD=10k,(2-92),2.6.3源極輸出器,一、靜態(tài)分析,USUG,UDS=UDD-US=20-5=15V,(2-93),二、動(dòng)態(tài)分析,(2-94),輸入電阻ri,(2-95),輸出電阻ro,加壓求流法,(2-96),場(chǎng)效應(yīng)管放大電路小結(jié),(1)場(chǎng)效應(yīng)管放大器輸入電阻很大。(2)場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大器(漏極輸出)輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻=RD。(3)場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸出電阻小。,(2-97),耦合方式：直接耦合；阻容耦合；變壓器耦合；光電耦合。,2.7多級(jí)阻容耦合放大電路,耦合：即信號(hào)的傳送。,多級(jí)放大電路對(duì)耦合電路要求：,1.靜態(tài)：保證各級(jí)Q點(diǎn)設(shè)置,2.動(dòng)態(tài):傳送信號(hào)。,要求：波形不失真，減少壓降損失。,(2-98),設(shè):1=2=50,rbe1=2.9k,rbe2=1.7k,2.7.1典型電路,(2-99),關(guān)鍵:考慮級(jí)間影響。,1.靜態(tài):Q點(diǎn)同單級(jí)。,2.動(dòng)態(tài)性能:,方法:,ri2=RL1,2.7.2性能分析,(2-100),考慮級(jí)間影響,1,(2-101),微變等效電路:,(2-102),1.ri=R1/rbe1+（+1)RL1,其中:RL1=RE1/ri2=RE1/R2/R3/rbe1=RE1/RL1=RE1/ri2=27/1.71.7k,ri=1000/(2.9+511.7)82k,2.ro=RC2=10k,(2-103),3.中頻電壓放大倍數(shù):,其中：,(2-104),(2-105),多級(jí)阻容耦合放大器的特點(diǎn)：,(1)由于電容的隔直作用，各級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，分別估算。(2)前一級(jí)的輸出電壓是后一級(jí)的輸入電壓。(3)后一級(jí)的輸入電阻是前一級(jí)的交流負(fù)載電阻。(4)總電壓放大倍數(shù)=各級(jí)放大倍數(shù)的乘積。(5)總輸入電阻ri即為第一級(jí)的輸入電阻ri1。(6)總輸出電阻即為最后一級(jí)的輸出電阻。,由上述特點(diǎn)可知，射極輸出器接在多級(jí)放大電路的首級(jí)可提高輸入電阻；接在末級(jí)可減小輸出電阻；接在中間級(jí)可起匹配作用，從而改善放大電路的性能。,(2-106),例1：放大電路由下面兩個(gè)放大電路組成。已知EC=15V，R1=100k，R2=33k，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，；RB=570k，RE2=5.6k，2=100，RS=20k，RL=5k,(2-107),求直接采用放大電路一的放大倍數(shù)Au和Aus。若信號(hào)經(jīng)放大電路一放大后，再經(jīng)射極輸出器輸出，求放大倍數(shù)Au、ri和ro。若信號(hào)經(jīng)射極輸出器后，再經(jīng)放大后放大電路一輸出，求放大倍數(shù)Aus。,(2-108),ri=R1/R2/rbe=1.52k,(1)由于RS大，而ri小，致使放大倍數(shù)降低；(2)放大倍數(shù)與負(fù)載的大小有關(guān)。例：RL=5k時(shí),Au=-93；RL=1k時(shí),Au=-31。,求直接采用放大電路一的放大倍數(shù)Au和Aus。,rbe1=1.62k，rbe2=2.36k,(2-109),2.若信號(hào)經(jīng)放大電路一放大后，再經(jīng)射極輸出器輸出，求放大倍數(shù)Au、ri和ro。,(2-110),(2-111),討論：帶負(fù)載能力。,2.輸出不接射極輸出器時(shí)的帶負(fù)載能力：,RL=5k時(shí)：Au=-93RL=1k時(shí)：Au=-31,即：當(dāng)RL由5k變?yōu)?k時(shí)，放大倍數(shù)降低到原來(lái)的92.3%。,放大倍數(shù)降低到原來(lái)的30%,RL=5k時(shí)：Au1=-185，Au2=0.99，ri2=173k,RL=1k時(shí)：Au1=-174，Au2=0.97，ri2=76k,1.輸出接射極輸出器時(shí)的帶負(fù)載能力：,可見(jiàn)輸出級(jí)接射極輸出器后，可穩(wěn)定放大倍數(shù)Au。,(2-112),3.若信號(hào)經(jīng)射極輸出器后，再經(jīng)放大后放大電路一輸出，求放大倍數(shù)Aus。,Au2=-93ri2=1.52k,Au1=0.98ri=101k,(2-113),輸入不接射極輸出器時(shí)：,可見(jiàn)輸入級(jí)接射極輸出器后，由于從信號(hào)源取的信號(hào)增加，從而可提高整個(gè)放大電路的放大倍數(shù)Aus。,(2-114),思考題：若首級(jí)接射極輸出器、中間級(jí)接共射放大電路、末級(jí)接射極輸出器，射極輸出器和共射放大電路的參數(shù)同前。求該三級(jí)放大電路的放大倍數(shù)Au、Aus、ri和ro。,1=100，2=60，3=100,(2-115),1=100，2=60，3=100,rbe1=2.36k，rbe2=1.62k，rbe3=2.36k,(2-116),(2-117),(2-118),RL=5k時(shí)：ri2=173k，Au2=-185，Au3=0.99,RL=1k時(shí)：ri2=76k，Au2=-174，Au3=0.97,(2-119),RL=5k時(shí)：ri2=173k，Au2=-185，Au3=0.99,RL=1k時(shí)：ri2=76k，Au2=-174，Au3=0.97,，RS=20k，,RL=5k時(shí)：,RL=1k時(shí)：,(2-120),例2：設(shè)gm=3mA/V，=50，rbe=1.7k,求：總電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。,(2-121),（1）估算各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn):（略）,（2）動(dòng)態(tài)分析:,微變等效電路,首先計(jì)算第二級(jí)的輸入電阻：ri2=R3/R4/rbe=82/43/1.7=1.7k,(2-122),第二步：計(jì)算各級(jí)電壓放大倍數(shù),(2-123),第三步：計(jì)算輸入電阻、輸出電阻,ri=R1/R2=3/1=0.75M,ro=RC=10k,(2-124),第四步：計(jì)算總電壓放大倍數(shù),Au=Au1Au2=(-4.4)(-147)=647,(2-125),阻容耦合電路的頻率特性：,耦合電容造成,三極管結(jié)電容造成,采用直接耦合的方式可放大緩慢變化的信號(hào)，擴(kuò)大通頻帶。下面將要介紹的差動(dòng)放大器即采用直接耦合方式。,阻容耦合電路缺點(diǎn)：不能放大直流信號(hào)。,(2-126),電子技術(shù),第二章結(jié)束,模擬電路部分,