第二章基本放大電路

第二章基本放大電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1第二章基本放大電路§2.1放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)§2.2基本共射放大電路的工作原理§2.3放大電路的分析方法§2.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定§2.5晶體管單管放大電路的三種基本接法§2.6晶體管基本放大電路的派生電路§2.7場效應(yīng)管放大電路2§2.1放大的概念和放大電路的主要性能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(luò)表示，如圖：uiuoAu31.放大電路放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換即在輸入信號作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為按照輸入信號規(guī)律變化的較大的輸出信號功率。2.電子電路放大的基本特征是功率的放大即在負(fù)載上總是獲得比輸入信號大得多的電壓或電流，有時(shí)兼而有之。故放大電路中必須存在有源元件。3.放大的前提是不失真即只有在不失真的情況下放大才有意義。42.1.2放大電路的性能指標(biāo)一、放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)互導(dǎo)放大倍數(shù)5二、輸入電阻Ri放大電路一定要有前級（信號源）為其提供信號，那么就要從信號源取電流。輸入電阻是衡量放大電路從其前級獲取電流大小的參數(shù)。輸入電阻越大，從其前級取得的電流越小，對前級的影響越小。AuIi~USUi6三、輸出電阻RoAu~US放大電路對其負(fù)載而言，相當(dāng)于信號源，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。~RoUS'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。UI方法一：計(jì)算。8方法二：測量。Uo1.測量開路電壓。~roUs'2.測量接入負(fù)載后的輸出電壓。~roUs'RLUo'步驟：3.計(jì)算。9四、通頻帶fAuAum0.7AumfL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：fbw=fH–fL放大倍數(shù)隨頻率變化曲線10五、非線性失真系數(shù)六、最大不失真輸出電壓當(dāng)輸入電壓再增大就會使輸出波形產(chǎn)生非線性失真時(shí)的輸出電壓。七、最大輸出功率與效率11§2.2基本共射放大電路的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12符號規(guī)定：UA大寫字母、大寫下標(biāo)，表示直流量。uA小寫字母、大寫下標(biāo)，表示全量。ua小寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量132.2.1基本共射放大電路的組成及各元件的作用放大元件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)圖2.2.1基本共射放大電路14集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。圖2.2.1基本共射放大電路15集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。圖2.2.1基本共射放大電路16使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)。基極電阻基極電源圖2.2.1基本共射放大電路17耦合電容隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時(shí)能使信號順利輸入輸出。Rb+VCCVBBRCC1C2T18可以省去電路改進(jìn)：采用單電源供電Rb+VCCVBBRCC1C2T19單電源供電電路+VCCRcC1C2TRb202.2.2設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性ui=0由于電源的存在IB0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ一、靜態(tài)工作點(diǎn)UBEQ21(IBQ,UBEQ)

和(ICQ,UCEQ

)分別對應(yīng)于輸入輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ22靜態(tài)工作點(diǎn)表達(dá)式：23二、為什么要設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)圖2.2.2沒有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)ibt242.2.3基本共射放大電路的工作原理及波形分析25圖2.2.3基本共射放大電路的波形分析262.2.4放大電路的組成原則一、組成原則1.必須根據(jù)晶體管的類型提供直流電源，以便設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并作為輸出的能源。2.電阻取值得當(dāng)，并與電源配合，使晶體管有合適的靜態(tài)工作電流。3.輸入信號必須能夠作用于晶體管的輸入回路。4必須保證晶體管輸出回路的動(dòng)態(tài)電流能夠作用于負(fù)載，從而使負(fù)載獲得比輸入信號大得多的信號電流或信號電壓。27二、常見的兩種共射放大電路圖2.2.4直接耦合共射放大電路1.直接耦合共射放大電路1.直接耦合共射放大電路28直接耦合共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)：29IBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)Rb+VCCRcC1C2T2.阻容耦合共射放大電路圖2.2.5阻容耦合共射放大電路耦合電容隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時(shí)能使信號順利輸入輸出。30阻容耦合共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)：31§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322.3.1直流通路與交流通路放大電路中各點(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。但是，電容對交、直流的作用不同。如果電容容量足夠大，可以認(rèn)為它對交流不起作用，即對交流短路。而對直流可以看成開路，這樣，交直流所走的通路是不同的。交流通路：只考慮交流信號的分電路。直流通路：只考慮直流信號的分電路。信號的不同分量可以分別在不同的通路分析。33例：對直流信號（只有+VCC）開路開路Rb+VCCRcC1C2T直流通道Rb+VCCRc34對交流信號(輸入信號ui)短路短路置零RbRcRLuiuo交流通路Rb+VCCRcC1C2T35一、靜態(tài)工作點(diǎn)的分析直流通道Rb+VCCRc2.3.2圖解法IB

~UBE滿足什么關(guān)系？1.三極管的輸入特性。2.UBE=VCC–IbRbQ輸入回路直流負(fù)載線與輸入特性的交點(diǎn)就是Q點(diǎn)VCCUBEIBIbUbE36IC

~UCE滿足什么關(guān)系？1.三極管的輸出特性。2.UCE=VCC–ICRC。ICUCEVCCQ輸出回路直流負(fù)載線與輸出特性的交點(diǎn)就是Q點(diǎn)IB直流通道Rb+VCCRcUCEIC37IBUBEQICUCEuCE怎么變化？假設(shè)uBE有一微小的變化ibtibtictuit二、電壓放大倍數(shù)的分析38uCE的變化沿一條直線uce相位如何？uce與ui反相！ICUCEictucet39各點(diǎn)波形Rb+VCCRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB40在放大電路中，輸出信號應(yīng)該成比例地放大輸入信號（即線性放大）；如果兩者不成比例，則輸出信號不能反映輸入信號的情況，放大電路產(chǎn)生非線性失真。為了得到盡量大的輸出信號，要把Q設(shè)置在直流負(fù)載線的中間部分。如果Q設(shè)置不合適，信號進(jìn)入截止區(qū)或飽和區(qū)，造成非線性失真。三、波形非線性失真的分析41iCuCEuo可輸出的最大不失真信號選擇靜態(tài)工作點(diǎn)ib不失真仿真42iCuCE1.Q點(diǎn)過低，信號進(jìn)入截止區(qū)放大電路產(chǎn)生截止失真uo輸出波形截止仿真輸入波形ib43iCuCE2.Q點(diǎn)過高，信號進(jìn)入飽和區(qū)放大電路產(chǎn)生飽和失真uo輸出波形飽和仿真ib輸入波形44四、交流負(fù)載線ic其中：uceRBRCRLuiuo交流通路交流負(fù)載電阻45iC和uCE是全量，與交流量ic和uce有如下關(guān)系所以：即：交流信號的變化沿著斜率為：的直線。這條直線通過Q點(diǎn)，稱為交流負(fù)載線。或：46交流負(fù)載線的作法ICUCEVCCQIB1.過Q點(diǎn)作一條直線，斜率為：交流負(fù)載線472.在縱坐標(biāo)上確定點(diǎn)A（0，），連接AQ即得交流負(fù)載線。3.在橫坐標(biāo)上確定點(diǎn)B（，0），連接BQ即得交流負(fù)載線。48五、圖解法的適用范圍1.信號幅值較大。2.工作頻率不高。492.3.3等效電路法一、晶體管的直流模型及靜態(tài)工作點(diǎn)的估算法圖2.3.11晶體管的直流模型50二、晶體管共射h參數(shù)等效模型1.h參數(shù)等效模型的由來51圖2.3.12晶體管的共射h參數(shù)等效模型522.h參數(shù)的物理意義及圖解求法輸入特性曲線在Q點(diǎn)處切線的斜率的倒數(shù)或be間的動(dòng)態(tài)電阻（rbe）輸出回路電壓Uce對Ube的影響，稱為內(nèi)反饋系數(shù)（<10-2）Q點(diǎn)附近的電流放大系數(shù)β輸出特性曲線在Q點(diǎn)處切線的斜率的或ce間的動(dòng)態(tài)電阻倒數(shù)（rce）（<10-5）53圖2.3.13h參數(shù)的物理意義及求解方法543.簡化的h參數(shù)等效模型圖2.3.14簡化的h參數(shù)等效模型554.rbe的近似表達(dá)式圖2.3.15晶體管輸入回路的分析5657對于小功率三極管：rbb′一般為幾百歐。rbe的數(shù)量級從幾百歐到幾千歐。58ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。三極管的h參數(shù)等效電路rbeibibrcerbeibibbce等效cbe59Rb+VCCRcC1C2T三、共射放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的分析60將交流通路中的三極管用微變等效電路代替:交流通路RbRcRLuiuouirbeibibiiicuoRbRcRL611.電壓放大倍數(shù)Au特點(diǎn)：交流負(fù)載電阻越小，放大倍數(shù)越小。rbeRbRcRL622.輸入電阻Ri對于為放大電路提供信號的信號源來說，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表示。輸入電阻的定義：是動(dòng)態(tài)電阻。rbeRbRcRL電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。633.輸出電阻Ro對于負(fù)載而言，放大電路相當(dāng)于信號源，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。64所以：用加壓求流法求輸出電阻：rbeRbRC=0=065分析結(jié)果：結(jié)果說明：1.負(fù)號說明輸出與輸入反相；2.共射極放大電路輸入電阻較?。?.共射極放大電路輸出電阻較大。66§2.4放大電路靜態(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，溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在這一方面。TUBEICEOQ67一、溫度對UBE的影響iBuBE25oC50oCTUBEQIBQICQ2.4.1靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的必要性68二、溫度對值及ICEO的影響T、ICEOICiCuCEQQ′總的效果是：溫度上升時(shí)，輸出特性曲線上移，造成Q點(diǎn)上移。69小結(jié)：TIC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IB，從而抑制Q點(diǎn)的變化。保持Q點(diǎn)基本穩(wěn)定。常采用基極分壓式電流串聯(lián)負(fù)反饋偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。電路見下頁。70Rb2+VCCReC1C2Rb1CeReRLuiuo一、電路組成及Q點(diǎn)穩(wěn)定原理I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路2.4.2典型的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路71I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路72可以認(rèn)為與溫度無關(guān)。似乎I1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。I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路73TUBEIBICUEIC本電路穩(wěn)壓的過程實(shí)際是由于加了Re形成了直流負(fù)反饋I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路74二、靜態(tài)工作點(diǎn)的估算條件：75三、動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算+VCCuoRb2RcC1C2Rb1CeReRLuirbeRcRLR'Bh參數(shù)等效電路uoRb1RcRLuiRb2交流通路76分析結(jié)果：結(jié)果說明：1.負(fù)號說明輸出與輸入反相；2.共射極放大電路輸入電阻rbe；3.共射極放大電路輸出電阻RC。分析結(jié)果均與基本共射放大電路相同。77Ce的作用：交流通路中，Ce將Re短路，Re對交流不起作用，放大倍數(shù)不受影響。問題1：如果去掉Ce，放大倍數(shù)怎樣？I1I2IBRb2+VCCRcC1C2Rb1CeReRLuiuo78去掉CE后的交流通路和微變等效電路：rbeRcRLReR'BRb1RcRLuiuoRb2ReRe的仿真79Rb2+VCCRcC1C2TRb1CeRe1RLuiuoRe2問題2：如果電路如下圖所示，如何分析？80I2I1IBRb2+ECRcC1TRb1Re1Re2靜態(tài)分析：直流通路Rb2+VCCRcC1C2TRb1CeRe1RLuiuoRe281動(dòng)態(tài)分析：交流通路Rb1RcRLuiuoRb2Re1Rb2+VCCRcC1C2TRb1CeRe1RLuiuoRe282交流通路：H參數(shù)等效電路：rbeRcRLRe1R'BRb1RcRLuiuoRb2Re183問題3：Au和Aus的關(guān)系如何？定義：放大電路RLRS842.4.3穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)措施圖2.4.5靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路一、利用二極管的反相特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償85二、利用二極管的正向特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償圖2.4.5aTIBICIRIC86TUD圖2.4.5bTUBEIBICUEICUBUBEIBIC87§2.5晶體管單管放大電路的三種基本接法RB+VCCC1C2RERLuiuoRB+VCCRE直流通道2.5.1基本共集放大電路一、電路組成88二、靜態(tài)分析折算IBQIEQRB+VCCRE直流通道89三、動(dòng)態(tài)分析RB+VCCC1C2RERLuiuorbeRERLRBh參數(shù)等效電路901.電壓放大倍數(shù)rbeRERLRB911.所以2.輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。結(jié)論：跟隨仿真但是，輸出電流Ie擴(kuò)大了倍。922.輸入電阻rbeRERLRB輸入電阻較大，作為前一級的負(fù)載，對前一級的放大倍數(shù)影響較小。933.輸出電阻用加壓求流法求輸出電阻。rorbeRERBRSrbeRERBRS電源置094一般：所以：射極輸出器的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。95射極輸出器的使用1.將射極輸出器作為前置級，可以提高輸入電阻。2.將射極輸出器放在電路的輸出級，可以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。3.將射極輸出器放在放大電路的兩級之間，可以起到電路的匹配作用。962.5.2基本共基放大電路圖2.5.4基本共基放大電路一、電路組成97二、靜態(tài)分析98三、動(dòng)態(tài)分析99§2.6晶體管基本放大電路的派生電路圖2.6.1復(fù)合管一、復(fù)合管的組成及其電流放大系數(shù)2.6.1復(fù)合管放大電路1001.各晶體管均有合適的電流通路，且均工作在放大區(qū)。復(fù)合管的組成原則：2.第一管子的集電極或發(fā)射極電流作為第二管子的基極電流。101圖2.6.2阻容耦合復(fù)合管共射放大電路二、復(fù)合管共射放大電路102三、復(fù)合管共集放大電路圖2.6.3阻容耦合復(fù)合管共集放大電路1032.6.2共射－－共基放大電路圖2.6.4共射－共基放大電路的交流通路1042.6.3共集－－共基放大電路圖2.6.5共集－共基放大電路的交流通路105§2.7場效應(yīng)管放大電路(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。(2)動(dòng)態(tài)：能為交流信號提供通路。組成原則：靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動(dòng)態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法：1062.7.1場效應(yīng)管放大電路的三種接法圖2.7.1場效應(yīng)管放大電路的三種接法共源電路共柵電路共漏電路1072.7.2場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法及其分析估算一、基本共源放大電路圖2.7.2基本共源放大電路108圖2.7.3圖解法求解基本共源放大

電路的靜態(tài)工作點(diǎn)109110二、自給偏壓電路圖2.7.4自給偏壓共源放大電路111結(jié)型場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)計(jì)算112耗盡型N溝道場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)計(jì)算

耗盡型N溝道場效應(yīng)管放大電路,因柵源之間電壓可以小于零、等于零和大于零，在求解Q點(diǎn)時(shí)，可先在轉(zhuǎn)移特性求得UGS=0時(shí)的IDQ,然后利用求出管壓降UDSQ。113三、分