實(shí)用模擬電子技術(shù)教程第5章電子學(xué)習(xí)教案

1、實(shí)用模擬電子技術(shù)實(shí)用模擬電子技術(shù)(jsh)教程第教程第5章電子章電子課件課件第一頁，共31頁。(dinl)設(shè)計(jì)；介紹直接耦合放設(shè)計(jì)；介紹直接耦合放大電路大電路(dinl)的零點(diǎn)漂移及差的零點(diǎn)漂移及差分放大電路分放大電路(dinl)的結(jié)構(gòu)、工的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能指標(biāo)。通過討論，作原理、性能指標(biāo)。通過討論，為模擬集成電路為模擬集成電路(dinl)的學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。第1頁/共31頁第二頁，共31頁。解基本放大電路的含義。解基本放大電路的含義。第2頁/共31頁第三頁，共31頁。 各種電子設(shè)備，從收錄機(jī)、電視機(jī)、攝象機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)等家用電子設(shè)備，直至各種工業(yè)檢測、控制(k

2、ngzh)設(shè)備等，一般都需要有一個(gè)部件來將微弱的電信號（電壓、電流或功率）放大到所需要的強(qiáng)度。這一部件或裝置即稱為放大電路。 用方框圖來表示放大電路，如上圖所示，它有四個(gè)端口，兩個(gè)是信號輸入端，兩個(gè)是信號輸出端，習(xí)慣上將輸入端畫在方框的左邊，輸出端畫在方框的右邊。放大電路的基本功能是對輸入量進(jìn)行放大，使輸出量的強(qiáng)度比輸入量大。 第3頁/共31頁第四頁，共31頁。 實(shí)際(shj)的放大電路千變?nèi)f化，品種繁多，為了設(shè)計(jì)和應(yīng)用上的方便，一個(gè)復(fù)雜的放大電路?？梢苑纸鉃槿舾蓚€(gè)“級”，電路對信號的放大是逐級進(jìn)行的，如下圖所示。 基本放大電路的概念： 按照放大電路組成和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，又可以將復(fù)雜的放大電路分

3、解為若干基本的單元，每一個(gè)單元都具有獨(dú)立的放大功能，我們將這些單元稱為基本放大電路。復(fù)雜放大電路的每一級都由某種基本放大電路或由基本放大電路演變而來的單元電路組成。第4頁/共31頁第五頁，共31頁。 基本放大電路(dinl)分類 每個(gè)基本放大電路(dinl)一般都由一只具有放大功能的晶體管或場效應(yīng)管和若干電阻、電容、電感等線性元件組成。常見的基本放大電路(dinl)有以下5種： （1）基本共射極放大電路；（2）基本共集電極放大電路；（3）基本共基極放大電路；（4）基本共源極放大電路；（5）基本共漏極放大電路。前三種基本放大電路中具有放大功能的是晶體管，每種電路都包含一只晶體管；后兩種基本放大電

4、路具有放大功能的器件是場效應(yīng)管，每一種電路都包含一只場效應(yīng)管。本篇重點(diǎn)介紹(1)、(2)、(4)、(5)等基本放大電路。 第5頁/共31頁第六頁，共31頁。靜態(tài)輸入信號等于零時(shí)，放大(fngd)電路仍需通電，這時(shí)放大(fngd)電路所處的狀態(tài)稱為放大(fngd)電路的靜態(tài)。處于靜態(tài)時(shí)，放大(fngd)電路中各元器件都會(huì)有電壓或有電流通過，我們將靜態(tài)情況下晶體管、場效應(yīng)管等元器件所通過的電流、所具有的電壓，稱為靜態(tài)電流、電壓。動(dòng)態(tài)輸入信號不等于零時(shí)放大電路所處的狀態(tài)，稱為放大電路的動(dòng)態(tài)。處于動(dòng)態(tài)時(shí)，放大電路中晶體管、場效應(yīng)管等元器件所通過的電流及所具有的電壓，在原來靜態(tài)值的基礎(chǔ)上，還要考慮輸入信

5、號引起的變動(dòng)部分，實(shí)際的電流、電壓是靜態(tài)值和變動(dòng)部分的總和。靜態(tài)值是不隨時(shí)間變化的，因此也稱晶體管、場效應(yīng)管等元器件電流、電壓的直流成分，變動(dòng)部分則稱為交流成分。第6頁/共31頁第七頁，共31頁。我們將求解放大電路中電流、電壓靜態(tài)成分的過程稱為放大電路的靜態(tài)分析(fnx)或直流分析(fnx)；將求解電流、電壓變動(dòng)（交流）部分的過程稱為動(dòng)態(tài)、或交流分析(fnx)。下面以擴(kuò)音機(jī)放大電路為例說明上述概念。 靜態(tài)分析：就是求出無話音信號輸入時(shí)，各級放大電路中晶體管、場效應(yīng)管等元器件所通過(tnggu)的靜態(tài)電流及所具有的電壓。動(dòng)態(tài)分析：就是求出有話音信號輸入時(shí)，各級放大電路中晶體管、場效應(yīng)管等元器件所

6、通過(tnggu)的交流電流及所具有交流電壓。各元器件所通過(tnggu)的總電流、電壓，是靜態(tài)直流成分和交流成分之和。 第7頁/共31頁第八頁，共31頁。在對放大電路進(jìn)行分析時(shí)，為了有效地區(qū)分電路的靜態(tài)電壓(diny)、電流和動(dòng)態(tài)（交流）的電壓(diny)、電流信號，需要對電流、電壓(diny)的符號作些規(guī)定。 表中的規(guī)定可歸納為以下幾個(gè)要點(diǎn)：電流、電壓符號規(guī)定 1、電壓、電流的瞬時(shí)值（直流成分和交流成分之和）用小寫的字母i、u加大寫的下標(biāo)來表示，如iC表示流過集電極的電流的瞬時(shí)值。第8頁/共31頁第九頁，共31頁。 2、電壓、電流(dinli)的直流分量用大寫的字母I、U加大寫的下標(biāo)來表示

7、，如IC表示集電極電流(dinli)的直流分量。晶體管、場效應(yīng)管靜態(tài)時(shí)的電流(dinli)、電壓，則在下標(biāo)后面再加大寫字母“Q”。 3、電壓、電流交流分量的符號部分，表示瞬時(shí)值時(shí)用小寫字母，表示有效值、峰值(fn zh)時(shí)用大寫字母；交流分量的下標(biāo)部分一律用小寫字母表示。例如Ic表示集電極電流交流分量的有效值，Im表示集電極電流交流分量的峰值(fn zh)。 4、電源電壓用字母“V”加下標(biāo)表示，VCC表示正電源。 第9頁/共31頁第十頁，共31頁。表示集電極電流t時(shí)刻的總瞬時(shí)值iC等于靜態(tài)直流ICQ和交流分量ImSin(t +)之和，交流分量(正弦波)的峰值(fn zh)為Im，角頻率為，初位

8、相為。 例如，三極管集電極電流表達(dá)式 )(tSinIIimCQCIm iC ICQ t 集電極電流交流分量的有效值Ic和峰值Im的關(guān)系是2mcII第10頁/共31頁第十一頁，共31頁。 放大電路品質(zhì)的優(yōu)劣由一系列性能指標(biāo)來表征。放大電路的基本功能是放大電信號，因此這些指標(biāo)的作用，主要是評價(jià)(pngji)放大電路的放大能力和信號保真能力。 常用的放大電路性能指標(biāo)有放大倍數(shù)、輸入輸出電阻等等。這些指標(biāo)可以通過一系列實(shí)驗(yàn)來測定，測試時(shí)通常在放大電路的輸入端加上一個(gè)輸入信號ui，然后測量輸出端的信號uo，計(jì)算輸出量和輸入量的關(guān)系，最后就可以確定放大電路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，測試技術(shù)指標(biāo)的示意圖如下：第11頁

9、/共31頁第十二頁，共31頁。 從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻稱為放大電路的輸入電阻，用符號Ri表示。在放大電路輸入端測得的電壓(diny)ui的有效值為Ui，測得流入放大電路的電流ii的有效值為Ii，則放大電路輸入電阻為： 由于電流的測量比較復(fù)雜，在已知信號源內(nèi)阻(ni z)RS信號源開路電壓US的情況下也可以通過下面的公式計(jì)算放大電路內(nèi)阻(ni z)RiiiiIUR issiiUURUR第12頁/共31頁第十三頁，共31頁。 例5-1已知一信號源的內(nèi)阻RS=10k，信號源電壓有效值US=20mV，將這一信號加到放大電路的輸入端，試計(jì)算： （1）設(shè)放大電路輸入電阻Ri1=1 k，求放大電路

10、輸入端得到(d do)的輸入信號電壓Ui1=？ （2）假設(shè)放大電路輸入電阻改變?yōu)镽i2=100 k，求這時(shí)放大電路輸入端得到(d do)的輸入信號電壓Ui2=？ 解：放大(fngd)電路輸入端得到的信號電壓，是信號電壓US在放大(fngd)電路內(nèi)阻Ri上的分壓，因此： mV.RRRUUiSiSi811110120111mV.RRRUUiSiSi1181001010020222第13頁/共31頁第十四頁，共31頁。 第二種情況下放大電路輸入端得到的信號是第一種情況的十倍。原因是信號加到放大電路的輸入端時(shí)，放大電路要從信號源索取(suq)電流，輸入電阻越大，從信號源所取的電流越小，輸入端的信號電壓

11、就越高。因此，通常希望放大電路的輸入電阻大一些好。mV.RRRUUiSiSi811110120111mV.RRRUUiSiSi1181001010020222第14頁/共31頁第十五頁，共31頁。 將一個(gè)較小的正弦波信號電壓加到放大電路的輸入端，在輸出端就可測得放大了的正弦信號，放大電路的這種功能稱為放大電路的放大作用。但要注意，正弦波信號有三個(gè)要素：幅度、角頻率和相位，一個(gè)正弦波電壓經(jīng)過放大電路放大的同時(shí)，一般說，相位也可能發(fā)生變化。因此，為了全面反映放大電路對于正弦波信號的放大作用，需要將放大電路的電壓放大倍數(shù) 定義為輸出電壓相量 和輸入電壓相量 的比值，即： uA0UiUiuUUA0用相

12、量的指數(shù)(zhsh)表達(dá)式，上式可表示為： jijijijueUUeUUeUeUAii0)(0000/U0、Ui各為輸出和輸入電壓的有效值 為電壓放大倍數(shù)的幅度 iUU /0 反映輸出電壓與輸入電壓相位關(guān)系。 )(0ije第15頁/共31頁第十六頁，共31頁。 由上式可知，電壓放大(fngd)倍數(shù)的定義既反映了放大(fngd)電路對于輸入電壓幅度的放大(fngd)作用，同時(shí)也反映輸出電壓與輸入電壓之間的相位關(guān)系。一般情況下，這種關(guān)系比較復(fù)雜，但在以下兩種情況下，上述表達(dá)式將變得較為簡單： 1、如果(rgu)放大后，輸出電壓的相位與輸入電壓相同，這時(shí)反映相位關(guān)系的指數(shù)因子等于1，電壓放大倍數(shù)等于

13、：jijijijueUUeUUeUeUAii0)(0000/ 2、如果放大后，輸出電壓的相位與輸入電壓相差180，即輸出電壓與輸入電壓在相位上存在倒相的關(guān)系，則反映相位關(guān)系的指數(shù)因子等于1，電壓放大倍數(shù)等于： iuUUA010 ieiuUUA/0iuUUA01ieiuUUA/0第16頁/共31頁第十七頁，共31頁。工程(gngchng)上常用分貝（dB）來表示放大倍數(shù)，稱為增益。增益和相對應(yīng)的放大倍數(shù)之間的關(guān)系如以下各式所示：除電壓放大倍數(shù)以外，放大電路的放大作用還可以通過電流放大倍數(shù) 、源電壓放大倍數(shù) 和功率放大倍數(shù) 來描述，其定義分別為： pAiAsAiiIIA0ssUUA0iopPPA電

14、壓增益： uuAlg)dB(A20電流增益： iiAlg)dB(A20功率增益： ppAlg)dB(A10 注意放大倍數(shù)和增益之間是對數(shù)關(guān)系，放大倍數(shù)每增大10倍，增益增加20 dB。 第17頁/共31頁第十八頁，共31頁。式中Uo、Io為電壓(diny)uo及電流io的有效值。放大電路(dinl)輸出電阻Ro定義為輸入端信號短路（即us = 0，但保留Rs），輸出端負(fù)載開路（即RL=）時(shí)，輸出端外加一個(gè)電壓uo 與由此產(chǎn)生的輸出端電流io 的比值，即輸出電阻Ro等于： LsoooRUIUR0 為了測量放大電路的輸出電阻，可采用以下的方法：將信號源電壓加到放大電路輸入端，使放大電路輸入端的電壓

15、ui維持不變，先使輸出端負(fù)載開路，測得的輸出電壓以Uo1表示，然后接上阻值為RL的負(fù)載電阻，這時(shí)測得的輸出電壓以Uo2表示 第18頁/共31頁第十九頁，共31頁。由此解得： 為了測量放大電路的輸出電阻，可采用以下的方法：將信號源電壓(diny)加到放大電路輸入端，使放大電路輸入端的電壓(diny)ui維持不變，先使輸出端負(fù)載開路，測得的輸出電壓(diny)以Uo1表示，然后接上阻值為RL的負(fù)載電阻，這時(shí)測得的輸出電壓(diny)以Uo2表示，則得： 輸出電阻的大小反映放大電路帶負(fù)載的能力，輸出電阻越小，放大電路帶負(fù)載的能力越強(qiáng)，因此放大電路的輸出電阻越小越好。LLRRRUU00102221)(

16、oooLoUUURR第19頁/共31頁第二十頁，共31頁。接負(fù)載后，U01是U0經(jīng)輸出電阻R01和負(fù)載RL分壓所得的結(jié)果(ji gu)，因此： 解：根據(jù)式（5-5），求得負(fù)載開路情況下輸出端電壓U0等于： U02是U0經(jīng)輸出電阻R02和負(fù)載RL分壓所得的結(jié)果，因此：)(5 . 205. 0500VU)(185. 0810085 . 201001VRRRUULL)(47. 281 . 085 . 202002VRRRUULL第20頁/共31頁第二十一頁，共31頁。 在放大電路的輸入(shr)端輸入(shr)正弦波電壓ui，放大后，其輸出端就有放大了的正弦波信號uo輸出。逐漸加大輸入(shr)信號

17、ui的幅度，輸出信號uo的幅度也隨之增大。用示波器觀測輸出信號uo的波形，可以得到以下各圖所示的結(jié)果： 在輸出波形沒有失真的情況下放大電路能夠提供的最大輸出信號的峰峰值稱為放大電路的最大輸出幅度，有時(shí)候也用輸出電壓的有效值表示，通過實(shí)驗(yàn)測量放大電路最大輸出幅度的辦法如圖所示。 第21頁/共31頁第二十二頁，共31頁。輸入信號小，輸出信號沒有失真 輸入信號加大，輸出信號頂部被削平 截止失真 輸入信號加大，輸出底部被削平飽和失真 繼續(xù)加大輸入信號，輸出波形的頂部和底部均被削平 逐漸加大輸入信號(xnho)，在出現(xiàn)波形失真之前測得的最大輸出信號(xnho)的峰峰值，稱為放大電路的最大輸出幅度。 第2

18、2頁/共31頁第二十三頁，共31頁。 所謂附加相移，是指相對于中頻信號(xnho)來說，輸出電壓對于輸入電壓所增加的位相移動(dòng)。以共射極基本放大電路為例，這種電路的輸出電壓與輸入電壓的位相有倒相關(guān)系，即輸出電壓相對于輸入電壓有180的位相移動(dòng)。如果輸入信號(xnho)的頻率過高或過低，輸出電壓相對于輸入信號(xnho)的相移就不等于180，其相差的部分即稱為附加相移。 放大電路的頻率特性，反映的是輸入信號頻率變化時(shí)，放大電路的性能隨之發(fā)生變化的情況。信號頻率過高或過低時(shí)，放大電路的性能會(huì)在以下兩方面發(fā)生變化： （1）電壓放大倍數(shù)下降； （2）輸出信號與輸入信號之間將產(chǎn)生附加的位相移動(dòng)。 第23頁

19、/共31頁第二十四頁，共31頁。 放大電路的幅頻特性(txng)： 放大電路放大倍數(shù)（或增益）隨頻率變化的特性(txng)稱為放大電路的幅頻特性(txng)； 由于頻率變化時(shí)放大電路的特性在放大倍數(shù)和輸出信號相移兩方面發(fā)生變化，因此，放大電路的頻率特性由放大電路的幅頻特性和放大電路相頻特性兩項(xiàng)指標(biāo)描述： 放大電路的相頻特性： 放大電路輸出信號相對于輸入信號相位移動(dòng)隨頻率變化的特性稱為放大電路的相頻特性。第24頁/共31頁第二十五頁，共31頁。 檢測放大(fngd)電路幅頻特性的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示，將某種頻率的信號輸入放大(fngd)電路，用示波器測量輸入、輸出信號的幅度，求出兩者的比值，該比值即為對應(yīng)于這一頻率的電壓放大(fngd)倍數(shù)。 輸入信號頻率從低到高逐漸變化，測出不同頻率下的放大倍數(shù)，以頻率f為橫坐標(biāo)（習(xí)慣使用對數(shù)坐標(biāo)），電壓放大倍數(shù)Au為縱坐標(biāo)畫圖，即可畫出放大電路放大倍數(shù)隨頻率變化的曲線，即為幅頻特性曲線。 第25頁/共31頁第二十六頁，共31頁。 典型(dinxng)的幅頻特性曲線如下圖所示：在中頻段放大倍數(shù)是常數(shù)，稱為中頻放大倍數(shù)，用Aum表示。頻率下降時(shí)，放大倍數(shù)下降，放大倍數(shù)下降到Aum/0.7Aum時(shí)所對應(yīng)的頻率稱為放大電路的下限頻率，用fL表示；頻率升高時(shí)放大倍數(shù)也下降，放大倍數(shù)下降到Aum /0.7Aum時(shí)所對應(yīng)的