3.電子技術第1章1.2(放大器).ppt

1 2 3放大器的一般概念 電子學中放大的目的是將微弱的變化信號放大成較大的信號 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)絡表示 如圖 Au 1 放大的基本概念 放大實際上就是將 幅度 進行增大的電子處理過程 幅度 這一名詞在電學中可以理解為信號的大小 在電子技術中 信號一般指加在電路中的交流信號或直流信號 因此 在電子技術中 放大可以被理解為 通過輸入信號對輸出信號進行控制 從而使輸出信號具有輸入信號的特點 同時輸出信號的電壓 電流或功率大于輸入信號 2 放大器的應用 多數(shù)電子設備利用放大器對信號進行放大 由于原始信號的幅值太小 以至于不能控制和驅(qū)動受控設備 所以需要放大 幾乎在所有的電子設備中都有放大器 可見 放大器的應用是相當廣泛的 電壓放大器 將輸入信號的電壓進行放大 也就是說輸出信號的電壓大于輸入信號 功率放大器 將輸入信號的功率進行放大 一般功率放大器作為末級放大器 它控制和驅(qū)動輸出設備 輸出設備可能是揚聲器 顯示器或天線等 3 放大器的分類 圖1 2 15電壓和功率放大器框圖 4 放大器的工作類型 1 甲類放大器甲類放大器的輸出信號對全部輸入信號波形進行放大 如輸入信號是一個正弦波 那么輸出信號也是一個正弦波 即輸出回路電流的變化由全部的按正弦規(guī)律變化的輸入電流控制 特點 保真度高和效率低 最大效率也只能達到50 小信號放大器屬于甲類放大器 保真度 輸出信號除幅度增大以外 其它方面都與輸入信號相同 即 輸出信號與輸入信號具有波形相同 頻率相同的特點 2 乙類放大器乙類放大器的輸出信號僅對輸入信號波形的50 進行放大 而輸入信號的另一個半周使三極管截止 即放大器只導通半個周期 特點 由于在靜態(tài)時 晶體管中沒有電流 因此它的效率高于甲類放大器 但輸出信號嚴重失真 功率放大器一般采用乙類放大器 乙類放大器不僅有輸出半周輸入信號的作用 而且對該半周信號進行了放大 3 甲乙類放大器甲乙類放大器的輸出信號對輸入信號的半個周期以上的波形進行放大 它的輸出波形與輸入波形不同 甲乙類放大器工作于甲類和乙類放大器之間 因此其特點也介于上述兩種放大器之間 它的效率高于甲類放大器 而低于乙類放大器 它的保真度比甲類放大器差 但比乙類放大器好 甲乙類放大器更接近于乙類放大器的特點 實際的功率放大器都工作于甲乙類 因為它可以消除信號的交越失真 4 丙類放大器丙類放大器的輸出信號僅對輸入信號波形的少一半部分 50 進行放大 這種放大器的效率最高 它一般用于對已調(diào)波的信號進行放大 1 2 4低頻小信號放大器1 概述低頻小信號放大電路屬于甲類放大器 組成 三極管 電阻器 電容器及電源等 工作原理 利用三極管的電流放大原理 把微弱的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強的電信號 信號源 向放大器提供輸入信號的電路或設備 負載 接收放大器輸出電信號的元器件或電路 放大電路的工作條件和技術要求 發(fā)射結正向偏置 集電結反向偏置 對于放大電路 要保證輸入 輸出電信號的傳輸暢通無阻 對放大電路還應滿足若干基本技術要求 主要反映在以下幾方面 1 放大電路的放大倍數(shù)要大 2 放大電路的非線性失真要小 3 放大電路要有合適的輸入電阻和輸出電阻 4 放大電路的工作要穩(wěn)定 符號規(guī)定 UA 大寫字母 大寫下標 表示直流量 uA 小寫字母 大寫下標 表示全量 ua 小寫字母 小寫下標 表示交流分量 uA ua 全量 交流分量 t UA直流分量 2 共發(fā)射極基本放大電路 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 放大電路要加上適當?shù)闹绷髌秒娐?3 靜態(tài)工作點的設置 在無交流信號輸入時 放大電路的狀態(tài)稱為靜態(tài) UBB通過RB給三極管加了直流偏置電流 相應的基極電壓UBE 集電極電流IC 集電極電壓UCE在靜態(tài)時也都是不變的直流電量 這些直流電量對應著三極管輸入特性曲線和輸出特性曲線上的某一個點 這個點稱為放大電路的靜態(tài)工作點Q 當有交流信號輸入時 放大電路的狀態(tài)稱為動態(tài) 4 共射放大電路的組成 放大元件iC iB 工作在放大區(qū) 要保證集電結反偏 發(fā)射結正偏 輸入 輸出 參考點 使發(fā)射結正偏 并提供適當?shù)撵o態(tài)工作點IB和UBE 基極電源與基極電阻 共射放大電路各元件作用 共射放大電路各元件作用 集電極電源 為電路提供能量 并保證集電結反偏 共射放大電路各元件作用 集電極電阻 將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?耦合電容 電解電容 有極性 大小為10 F 50 F 作用 隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系 同時能使信號順利輸入輸出 共射放大電路各元件作用 單電源供電 可以省去 RB 單電源供電 由于電源的存在IB 0 IC 0 IC IE IB IC 無信號輸入時 靜態(tài)工作點 5 共發(fā)射極放大電路的工作原理 在共發(fā)射極電路中 輸入信號電壓ui 基極信號電流ib和集電極信號電流ic是同相位的 輸出電壓uo的波形與輸入信號ui的頻率相同 但相位相反 這也叫放大電路的 反相 作用 放大電路工作在動態(tài)時 uBE iB uCE和iC都是由直流分量和交流分量組成 因而三極管在整個信號周期內(nèi)都是導通的 結論 6 共發(fā)射極放大電路的分析 IC IC UCE IB UBE 靜態(tài)工作點 IB UBE 和 IC UCE 分別對應于輸入輸出特性曲線上的一個點稱為靜態(tài)工作點 放大電路的直流通道 直流通道 1 估算IB UBE 0 7V RB稱為偏置電阻 IB稱為偏置電流 1 用估算法分析放大器的靜態(tài)工作點 IB UBE IC UCE 2 估算UCE Ic IC UCE Ic IB 例 用估算法計算靜態(tài)工作點 已知 UCC 6V RC 2K RB 200K 50 解 請注意電路中IB和IC的數(shù)量級 2 近似估算放大電路的輸入電阻 輸出電阻和放大倍數(shù) 三極管的輸入電阻rbe是指從三極管的輸入端看進去有一個交流等效阻抗存在 忽略其電抗 低頻時 而只計算其電阻時 這個電阻稱為三極管輸入電阻 rbe的大小可以用公式表示為 對于小功率三極管在共發(fā)射極接法且工作在低頻小信號時 常用下面的近似公式估算 放大電路的輸入電阻Ri是指從放大電路輸入端看進去的交流等效電阻 它定義為交流輸入電壓ui與交流輸入電流ii的比值 即 輸入電阻 Ri RB rbe由于一般RB rbe 上式可以近似為 Ri rbe 放大器的輸出電阻Ro是指從放大器的輸出端 不包括負載電阻RL 看進去 放大電路相當于一個具有內(nèi)阻Ro和電動勢uo的等效電路 這個內(nèi)阻Ro就是放大電路的輸出電阻 輸出電阻等于三極管集電極 發(fā)射極間等效電阻rce與RC的并聯(lián)值 即 Ro RC rce由于三極管在放大區(qū)rce很大 即rce RC 故上式可以近似為 Ro RC 放大電路的放大倍數(shù)A 表示電路放大能力的指標 分別有下列三種 電壓放大倍數(shù)Au 是放大電路輸出電壓變化量 交流分量 uo與輸入電壓變化量 交流分量 ui的比值 即 電流放大倍數(shù)Ai 是放大電路輸出電流變化量 交流分量 io與輸入電流變化量 交流分量 ii的比值 即 功率放大倍數(shù)AP 是放大電路輸出功率Po與輸入功率Pi的比值 即 電壓放大倍數(shù)Au 輸出端不帶負載時 輸入電壓ui iiRi 由于Ri rbe ii ib 因此 ui ibrbe 由于放大后的集電極電流ic通過RC以電壓的形式輸送出去 即 uo icRC 電壓放大倍數(shù)Au 輸出端帶負載時 當輸出端外接負載電阻RL時 再從圖1 2 28 b 所示交流通路來看 輸出端電阻為RC RL 集電極電流ic通過交流等效負載電阻RL RC RL以電壓的形式輸出 因此uL uo icRL 所以 結論 放大電路不帶負載時輸出電壓最高 電壓放大倍數(shù)也最大 帶負載后 電壓放大倍數(shù)下降 而且負載電阻越小 電壓放大倍數(shù)下降也越多 2 圖解法分析法 近似估算法較為簡單 并能很快計算出具體數(shù)值 可以據(jù)此來分析放大電路的一些性能 這種方法局限 難以判斷所設置的靜態(tài)工作點是否適當 放大電路在工作過程中是否會出現(xiàn)非線性失真 動態(tài)工作范圍是多少 而采用圖解分析法就可以解決這些問題 圖解法分析法 運用三極管的特性曲線簇 通過作圖的方法 直觀地分析放大電路性能的方法 稱為圖解分析法 簡稱圖解法 2 用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點 1 直流負載線 UCE UCC ICRC 圖1 2 29放大電路輸出回路的直流通路圖1 2 30直流負載線 2 用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點 2 圖解分析靜態(tài)工作點 當電源電壓UCC一定時 靜態(tài)工作點Q在直流負載線上的位置取決于靜態(tài)基極電流IBQ 當其他條件不變時 集電極負載電阻RC減小 直流負載線的斜率增大 與縱坐標軸的交點向上移動 靜態(tài)工作點從原來的Q點移到QL點 反之 RC增大 則直流負載線斜率變小 與縱坐標的交點向下移 此外 當其他條件不變時 僅改變電源電壓UCC的大小 則負載線將向右 或向左 平移 但斜率不會改變 2 用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點 2 圖解法分析動態(tài)工作情況 圖1 2 32圖解法分析動態(tài)工作情況 根據(jù)圖1 2 32所示的波形 可以計算出放大器的電壓放大倍數(shù) 電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù) 其計算公式為 各點波形 uo比ui幅度放大且相位相反 實現(xiàn)放大的條件 1 晶體管必須偏置在放大區(qū) 發(fā)射結正偏 集電結反偏 2 正確設置靜態(tài)工作點 使整個波形處于放大區(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 4 圖解分析靜態(tài)工作點與波形失真的關系失真分析 為了得到盡量大的輸出信號 要把Q設置在交流負載線的中間部分 如果Q設置不合適 信號進入截止區(qū)或飽和區(qū) 造成非線性失真 失真 輸出波形較輸入波形發(fā)生畸變 稱為失真 uo 可輸出的最大不失真信號 合適的靜態(tài)工作點 uo Q點過低 信號進入截止區(qū) 稱為截止失真 信號波形 uo Q點過高 信號進入飽和區(qū) 稱為飽和失真 信號波形 7 工作點穩(wěn)定的偏置電路 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 但是 溫度的變化嚴重影響靜態(tài)工作點 對于前面的電路 固定偏置電路 而言 靜態(tài)工作點由UBE 和ICEO決定 這三個參數(shù)隨溫度而變化 溫度對靜態(tài)工作點的影響主要體現(xiàn)在這一方面 溫度對UBE的影響 溫度對 值及ICEO的影響 總的效果是 常采用分壓式偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點 電路見下頁 靜態(tài)工作點穩(wěn)定的放大器 UBE UB UE UB IERE I2 5 10 IBI1 I2 IB I2 IE IC IB IC 分壓式偏置電路 RE射極直流負反饋電阻 CE交流旁路電容 靜態(tài)工作點穩(wěn)定過程 UB UBE UB UE UB IERE UB被認為較穩(wěn)定 本電路穩(wěn)壓的過程實際是由于加了RE形成了負反饋過程 E C B 直流通道及靜態(tài)工作點估算 IB IC UCE EC ICRC IERE IC IE UE RE UB UBE RE UBE 0 7V 電容開路 畫出直流通道 3 具有溫度補償?shù)钠秒娐贩謮菏狡秒娐?利用集電極電流ICQ的變化反映到輸入電路的方法來穩(wěn)定靜態(tài)工作點的 它們并不能完全消除溫度對靜態(tài)工作點的影響 對于穩(wěn)定性要求較高的放大電路 常常利用熱敏電阻 面結合型二極管等對溫度敏感的元器件 來補償三極管參數(shù)隨溫度變化而帶來的影響 從而使靜態(tài)工作點穩(wěn)定 帶有這種元器件的偏置電路稱為溫度補償偏置電路 圖1 2 36熱敏電阻的溫度變化曲線圖1 2 37用熱敏電阻穩(wěn)定靜態(tài)工作點 該電路的特點 在射極偏置電路的基礎上 增加一個和RB2并聯(lián)的熱敏電阻Rt 2 用二極管作溫度補償?shù)钠秒娐吩?二極管的正向壓降和正向電阻隨溫度升高而減小 反向電流隨溫度升高而增大 圖1 2 38用二極管作溫度補償?shù)钠秒娐?為什么要研究放大器的頻率特性 放大器放大倍數(shù)與信號頻率的關系稱為頻率響應 或頻率特性 放大器放大的信號往往不是單一的正弦波 非正弦波是由許多不同頻率 不同相位的正弦波迭加而成的 為了不失真地放大非正弦信號 就必須將輸入信號中各頻率成分的幅值放大相同倍數(shù) 而它們之間的相對相位關系保持不變 8 放大器的頻率特性 任何放大器的放大倍數(shù)都是頻率的函數(shù) 這種放大倍數(shù)與信號頻率的函數(shù)關系 就是放大器的頻率特性 放大器的頻率特性 就是要了解放大器的放大性能與頻率的關系 以及影響這種關系的因素 從而能夠根據(jù)信號的頻率范圍 選擇和設計放大電路 以滿足不失真地放大信號的要求 關于頻率失真非正弦信號中的各頻率成分不能獲得同等放大 產(chǎn)生的波形失真 即因放大器對不同頻率信號的放大倍數(shù)不等而引起的失真 稱為頻率失真 頻率失真包含兩個方面的意思 因信號中各頻率成分的幅值被放大的倍數(shù)不同而造成的失真稱為幅頻失真 因通過放大器時 各頻率成分產(chǎn)生的相移不與頻率成正比 以至輸出電壓中各頻率成分之間的相位關系不能保持原輸入信號中各頻率成分之間的相位關系 從而使輸出波形失真 稱為相頻失真 放大器在放大含有多種頻率成分的復雜信號 如聲音信號 時 如果各頻率分量都在通頻帶之內(nèi) 則各種頻率成分的信號幅值被放大相同的倍數(shù) 而且具有相同的相移 在輸出端就能得到不失真的輸出信號 如果復雜信號中有的頻率成分是在通頻帶之外的低頻區(qū)或高頻區(qū) 那么放大器對各頻率成分放大倍數(shù)不同 而且產(chǎn)生不同的相移 在輸出端得到的輸出信號就會產(chǎn)生失真 這種因放大電路不能同等地放大不同頻率信號而引起的失真 稱為頻率失真 FrequencyDistortion 頻率特性分為幅頻特性和相頻特性 幅頻特性 表示電壓放大倍數(shù)的絕對值 Au 與頻率f的關系 相頻特性表示輸出電壓相對于輸入電壓的相位移 與頻率f的關系 圖1 2 39是射極偏置電路 圖1 2 35 的頻率特性 曲線表明