第五章放大器的工作原理和分析方法

1、第五章放大器的工作原理和分析方法放大器的基本概念和主要參數(shù)放大器的組成和工作原理放大器的圖解分析法5.15.25.35.4 微變等效電路法2010年9月13日1一放大器在模擬電路中占特別重要的地位。一方面，在現(xiàn)實(shí)生活中有許多微弱信號(hào)需要放大，另一方面，放大器又是濾波器、振蕩器等各種模擬電路關(guān)鍵組成部分。放大器可分為：電壓放大器，電流放大器，跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器。2010年9月13日2一5.1放大器的基本概念和主要參數(shù)一.放大器的基本概念放大電路主要用于放大微弱的電信號(hào)，輸出電壓或電流在幅度上得到了放大，這里主要講電壓放大電路。2010年9月13日3一二.放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1.放大倍數(shù)表示放

2、大器的放大能力根據(jù)放大電路輸入信號(hào)的條件和對(duì)輸出信號(hào)的要求，放大器可分為四種類型，所以有四種放大倍數(shù)的定義。AU=UO/UI AI=IO/IIAr=UO/IIAg=IO/UI（1） 電壓放大倍數(shù)定義為:（2） 電流放大倍數(shù)定義為:放大倍數(shù): 增益dB=20logA（3）互阻增益定義為:（4）互導(dǎo)增益定義為:2010年9月13日4一2. 輸入電阻Ri從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻iiRS輸入電阻：RiuSAuui輸出端信號(hào)源 輸入端一般來(lái)說(shuō)， Ri越大越好。2010年9月13日5一（1）Ri越大，ii就越小，從信號(hào)源索取的電流越小。（2）當(dāng)信號(hào)源有內(nèi)阻時(shí)， Ri越大， ui就越接近uS。Ri=

3、ui / ii輸出電阻Ro從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻。輸出端uS輸出端2010年9月13日6一Rouso Au.= U oR輸出電阻的定義：RL =¥,US =0o.I o輸出電阻是表明放大電路帶負(fù)載的能力，Ro越小，放大電路帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，反之則差。2010年9月13日7一放大倍數(shù)隨頻4帶A率變化曲線幅頻特性曲線Am0.707Am3dB帶寬f上限截 fH止頻率下限截止頻率fLfbw=fHfL通頻帶：2010年9月13日8一5.最大輸出幅度表示在輸出波形沒(méi)有明顯失真的情況下，放大電路能夠提供給負(fù)載的最大輸出電壓，一般指電壓的有效值：2 U=UP-Pom22010年9月13日9

4、一6.非線性失真系數(shù)所有的諧波總量與基波成分之比：U 2+ U 2+L23D =U12010年9月13日10一作原理三種組態(tài)對(duì)應(yīng)于三種放大器：共射放大器，共基放大器，共集放大器。輸入、輸出特性曲線靜態(tài)工作點(diǎn)： I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ 不失真放大條件：1、置于放大區(qū)；2、正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)；3、輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化成基極電流的變化，再轉(zhuǎn)化成集電極電流的變化；4、輸出端接負(fù)載，把集電極電流的變化轉(zhuǎn)化成負(fù)載的電壓變化。2010年9月13日11一放5.2 放大器的組成和工大器的組成一二放大器的原理工作在放大區(qū)：三發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。+V（+12V）CC放大原理：RC

5、83;I （bI ）+UIRUibCBBEBTUCE·V UoI+UUCE（-IC×Rc） U+IBBBCEBOUBE+UBE·Uo·UI-·Au =電壓放大倍數(shù)：Ui2010年9月13日12一IC +IC放大元件iC=biB，工作在+VCC放大區(qū)集電結(jié)反偏，發(fā)RCC2 射結(jié)正偏。C1TRLRbuo輸出ui輸入VBB2010年9月13日13一共射放大電路組成+VCC使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)IB和UBE。C1RCC2TRLRbVBB2010年9月13日14一集電極電源， 為電路提供能+VCC量。集電結(jié)反偏。RCC2C1TRLRbVBB

6、2010年9月13日15一集電極電阻， 將變化的電流+VCC共射放大電路轉(zhuǎn)變RC電壓。C2C1TRLRbVBB2010年9月13日16一作用：隔直通交輸入輸出與電容：+V電路直流的聯(lián)CC電解電容，有極性，大小為10mF50mF系，同時(shí)能使信RC號(hào)順利輸入輸出。C2C+1+TRLRbuouiVBB2010年9月13日17一+VCCRCC2C1TRLRb可以省去VBB2010年9月13日18一+VCCRCRbC2C1TRL2010年9月13日19一IBICibQUBEUCE2010年9月13日20一ICicUCE2010年9月13日21一uCE（1）放大電路中的信流共存，可表示成：BE= UBE+

7、 ubeiB= I B + ibiC= IC+ ic= UCE+ uceuCE雖然交流量可正負(fù)變化，但 瞬時(shí)量方向始終不變（2）輸出uo與輸入u i 相比，幅度被放大了，頻率不變，但相位相反。2010年9月13日22一 結(jié)號(hào)是論：交直uvi = Vim sin wt= IBQ + ibm sin wtIB = IBQ + ibIC= bIB = ICQ+ ic = ICQ + bibm sin wtV= E- (Isin wt)R+ biCC= VCEQCQbmC- (bibm sin wt )RCv0 = -RC bibm sin wt = -RC bib= v0= - RC bib= -

8、bRCAvvi RRibii2010年9月13日23一三.靜態(tài)工作點(diǎn)工作點(diǎn)ui=0時(shí)電路的工作狀態(tài)+VCCIC¹0RRC1由于電源的存在IB¹0bCC2ICIBTRLu =0時(shí)iIE=IB+IC2010年9月13日24一工作點(diǎn)+VCCRCRbCIC2CIB1T( IC,UCE )(IB,UBE)UBERLUCE2010年9月13日25一,UBE) 和( IC,UCE )分別對(duì)應(yīng)于輸入輸出特性曲的一個(gè)點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。為什么要設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)？放大電路建立正確的靜態(tài)工作點(diǎn)，是為了使三極管工作性區(qū)，以保證信號(hào)不失真。ICBQQIBICIBUBEUCEUCEUBE一2010年9月1

9、3日26靜態(tài)工作點(diǎn)的估算2.直流通路和交流通路交流R1/jC jL 短路vs斷路is直流元件電阻電容電感直流電壓源交流電壓源直流電流源交流電流源R0Ec短路Is斷路2010年9月13日27一將交流電壓源短路，將電容開路放大電路的直流通路直流通路的畫法：+VCCRb C1RCC2RL開路開路2010年9月13日28一+VCCRCRb2010年9月13日29一用估算法分析放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)（ IB、UBE、IC、UCE）VCC - UBE （1）估算IB（ UBE »0.7V)IB =RbVCC - 0.7+VCCRR»CbRb» VCCRbIBUR 稱為偏置電阻，I

10、 稱BEb為偏置電流。B2010年9月13日30一）估算UCE、IC+VCCIC= bIBRCRbIC= VCC- IC RCUCEUCE2010年9月13日31一例：用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。已知：VCC=12V，RC=4KW，Rb=300K W，b=37.5。UBE »0.7V解：IB » VCC =12= 0.04mA= 40ARb300IC » bIB = 37.5 ´ 0.04 =1.5mAUCE = VCC - ICRC =12 -1.5´ 4 = 6V請(qǐng)注意電路中IB和IC的數(shù)量級(jí) 2010年9月13日32一5.3放大器的圖解分析法

11、用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)一.直流通路IC直流負(fù)載線V CCR CUCE=VCCICRCQI靜態(tài)I由估算法求出IB，IB對(duì)應(yīng)的輸出特性與直流負(fù)載線的交點(diǎn)就是工作點(diǎn)QBCUCE靜態(tài)UCE VCC2010年9月13日33一二.用圖解法分析放大器的動(dòng)態(tài)工作情況1.放大原理（設(shè)輸出空載） IIBC靜態(tài)工作點(diǎn)ibQUCEUBEuCE怎么變化2010年9月13日34一假設(shè)在靜態(tài)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上，輸入一微小的正弦信號(hào) uiICicUCE2010年9月13日35一uCE+VCCRbRCC2C1uCEiBuo比ui幅度放大且相位相反2010年9月13日36一 2.放大器的交流通路交流通路分析動(dòng)態(tài)工作情況將直流

12、電壓源短路，將電容短路。交流通路的畫法：+VCC對(duì)交流信號(hào)(輸入信號(hào)ui)置零RRC2CbC1短路u短路 1/wC»0 RLuio2010年9月13日37一交流通道RLRCuouiRb2010年9月13日38一3.交流負(fù)載線輸出端接入負(fù)載RL：不影響Q影響動(dòng)態(tài)！交流通路交流負(fù)載線2010年9月13日39一交流負(fù)載線icuceRLRCuouiRbuce=-ic（RC/RL）= -ic RL其中： R¢L = RL / RC2010年9月13日40一交流量ic和uce有如下關(guān)系：uce=-ic（RC/RL）= -ic RL或ic=（-1/ RL） uce 1 這就是說(shuō)，交流負(fù)載

13、線的斜率為：-R¢L交流負(fù)載線的作法：斜 率為-1/R'L 。（ R'L= RLRc ）經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)。2010年9月13日41一交流負(fù)載線的作法IC交流負(fù)載線VCCRC直流負(fù)載線斜 率為-1/R'。LQIB（ R'L= RLRc ）經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)。UCEVCC注意：（1）交流負(fù)載線是有交流 輸入信號(hào)時(shí)工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。（2）空載時(shí)，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線重合。2010年9月13日42一交流負(fù)載線滿足的方程為E 'R'= I+ VCCLCE交流負(fù)載線穿過(guò)靜態(tài)工作點(diǎn)，則：E 'R'= I+ VCCQLCEQE '過(guò) C 和Q點(diǎn)

14、作直線就是交流負(fù)載線。2010年9月13日43一E '的說(shuō)明：當(dāng)C2足夠大時(shí)，C2上的電壓基本不變，始終等于VCEQC2010年9月13日44一= R= R'RReqCLL= VCC - VCEQ× R+ VVeqLCEQR+ RCVeq = ICQ ReqL+ VCEQ= I+ VE'R'即為CCQLCEQ2010年9月13日45一4非線性失真與Q的關(guān)系（1）合適的靜態(tài)工作點(diǎn)iCib可輸出的最大不失真信號(hào)uCEuo2010年9月13日46一（ ）Q點(diǎn)過(guò)低信號(hào)進(jìn)入截止區(qū)iCuCEuo2010年9月13日47一（ ）Q點(diǎn)過(guò)高信號(hào)進(jìn)入飽和區(qū)iCuCEuo截

15、止失真和飽和失真統(tǒng)稱 “非線性失真”2010年9月13日48一5圖解法的用途 求最大輸出幅度 求解靜態(tài)工作點(diǎn) 分析波形失真 求電壓增益對(duì)于NPN管電路，求最大輸出幅度的方法： 求直流工作點(diǎn)的ICQ和VCEQE 'R'= I+ V 根據(jù)交流負(fù)載，用'求 E 'RCCQLCEQLC 如果> E'E'- V，則最大不失真幅度為V/ 2CEQCCCEQ信號(hào)再大，將產(chǎn)生截止失真。-V< E' 如果V，則最大不失真幅度為V/ 2CEQCCEQCES信號(hào)再大，將產(chǎn)生飽和失真。2010年9月13日49一5.4微變等效電路法思路：將非線性的BJ

16、T等效成一個(gè)線性電路條件：交流小信號(hào)2010年9月13日50一一 .三極管的共射低頻h參數(shù)模型1、三極管的h參數(shù)等效電路當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，將輸入特性在小范圍內(nèi)近似線性。iB= DuBE= uberbeDiiBbDiB對(duì)輸入的小交流信號(hào)而言，三極管BE間等效于電阻rbe。DuBEuBE2010年9月13日51一對(duì)輸入的小交流信號(hào)而言，三極管BE間等效于電阻rbe。ibbcibbuberbeeubee2010年9月13日52一輸出回路ic= bib輸出端相當(dāng)于一個(gè)受iC近似平行ib的電流源。且電流源兩端還要并聯(lián)一個(gè)大電阻rce。uCE2010年9月13日53一iCDiC= DucerceDicDuCE

17、uCE2010年9月13日54一極管的h參數(shù)等效電路畫icibbibibuberbeucerceuceuberce很大，一般忽略。2010年9月13日55一2.三極管的簡(jiǎn)化微變等效電路 請(qǐng)注意如下問(wèn)題： 電流源為一受控源，而不是的電源。電流源的流向不能隨意假定，而是由i b決定。該模型僅適用于交流小信號(hào)，不能用于靜態(tài)分析和大信號(hào)。 cic =bibbcbr等效beee2010年9月13日56一二 .三極管放大電路特性壓放大倍數(shù)的計(jì)算·Ii··IIbc·Ui·Uo··= Ib rbeUiR¢= R/ RLCL

18、3;·Uo = -b Ib R¢L負(fù)載電阻越小，放大倍數(shù)越小。572010年9月13日一·bIBRLRbrbeRC2、輸入電阻的計(jì)算：根據(jù)輸入·電阻的定義：·I i··II= UbcRii·I·U i·Uoi» rbe= R b /rbe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。2010年9月13日58一·RLRbrbeb IBRC當(dāng)信號(hào)源有內(nèi)阻時(shí)：2010年9月13日59一03出電阻的計(jì)算：0··I b定義·Ic·Ii.UoR=¥,=oRU0.LSIo·U oRbrbeRC·Uo ·IoR =Rc所以：o2010年9月13日60一 求：1. 靜態(tài)工作點(diǎn)。2. 電壓增益AU、