第2章 放大電路.ppt

1、第2章 放大電路,三極管的結(jié)構(gòu)和放大作用 共射放大電路組成、工作原理、性能特點(diǎn)及分析方法 射極輸出器基本特點(diǎn) 多級(jí)放大電路組成及分析,學(xué)習(xí)要點(diǎn),2.1 共射放大電路,2.1.1 單管共射放大電路的組成,放大的實(shí)質(zhì)：用較小的信號(hào)去控制較大的信號(hào)。,共發(fā)射極放大電路的實(shí)用電路,2.2 共射放大電路的分析,靜態(tài)是指無(wú)交流信號(hào)輸入時(shí)，電路中的電流、電壓都不變的狀態(tài)，靜態(tài)時(shí)三極管各極電流和電壓值稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)值IBQ、ICQ和UCEQ。,直流通路：耦合電容可視為開路。,2.2.1 放大電路的靜態(tài)分析,(IB,UBE) 和( IC,U

2、CE )分別對(duì)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)。,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在線性區(qū)，以保證信號(hào)不失真。,動(dòng)態(tài)是指放大電路在接入交流信號(hào)后，電路中的各處電流、電壓的變化情況，動(dòng)態(tài)分析是為了了解放大信號(hào)的傳輸過程和波形變化。,結(jié)論在動(dòng)態(tài)工作時(shí),放大電路中的各處電流、電壓都是在靜態(tài)(直流)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)正弦交流分量。電路中同時(shí)存在直流分量和交流分量，這是放大電路的特點(diǎn)。,2.2.2 放大電路的動(dòng)態(tài)分析,符號(hào)說明,交流通路：（ui單獨(dú)作用下的電路）。由于電容C1、C2足夠大，容抗近似為零（相當(dāng)于短路），直流電源UCC去掉（短接）。,

3、（1）用估算法求出基極電流IBQ（如40A）。 （2）根據(jù)IBQ在輸出特性曲線中找到對(duì)應(yīng)的曲線。 （3）作直流負(fù)載線。根據(jù)集電極電流IC與集、射間電壓UCE的關(guān)系式UCE=UCCICRC可畫出一條直線，該直線在縱軸上的截距為UCC/RC，在橫軸上的截距為UCC，其斜率為1/ RC ，只與集電極負(fù)載電阻RC有關(guān)，稱為直流負(fù)載線。 （4）求靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并確定UCEQ、ICQ的值。晶體管的ICQ和UCEQ既要滿足IB=40A的輸出特性曲線，又要滿足直流負(fù)載線，因而晶體管必然工作在它們的交點(diǎn)Q，該點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)。由靜態(tài)工作點(diǎn)Q便可在坐標(biāo)上查得靜態(tài)值ICQ和UCEQ。,1 靜態(tài)圖解法,IB=40A的

4、輸出特性曲線,由UCE=UCCICRC所決定的直流負(fù)載線,兩者的交點(diǎn)Q就是靜態(tài)工作點(diǎn),過Q點(diǎn)作水平線，在縱軸上的截距即為ICQ,過Q點(diǎn)作垂線，在橫軸上的截距即為ICQ,圖解步驟： （1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點(diǎn)Q。 （2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。 （3）作交流負(fù)載線。 （4）由輸出特性曲線和交流負(fù)載線求iC和uCE。,動(dòng)態(tài)圖解法,從圖解分析過程，可得出如下幾個(gè)重要結(jié)論： （1）放大器中的各個(gè)量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量?jī)刹糠纸M成。 （2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔開，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓

5、ui反相。 （3）放大器的電壓放大倍數(shù)可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負(fù)載電阻RL越小，交流負(fù)載電阻RL也越小，交流負(fù)載線就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數(shù)下降。 （4）靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置得不合適，會(huì)對(duì)放大電路的性能造成影響。若Q點(diǎn)偏高，當(dāng)ib按正弦規(guī)律變化時(shí)，Q進(jìn)入飽和區(qū)，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓uo（即uce）的負(fù)半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點(diǎn)偏低，則Q進(jìn)入截止區(qū)，輸出電壓uo的正半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。,非線性失真,用微變等效法分析放大電路,基本思路,把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效成一

6、個(gè)線性電路，就是放大電路的微變等效電路，然后用線性電路的分析方法來(lái)分析，這種方法稱為微變等效電路分析法。等效的條件是晶體管在小信號(hào)（微變量）情況下工作。這樣就能在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，用直線段近似地代替晶體管的特性曲線。,（1）三極管的微變等效電路,輸入特性曲線在Q點(diǎn)附近的微小范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線性的。當(dāng)uBE有一微小變化UBE時(shí)，基極電流變化IB，兩者的比值稱為三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻，用rbe表示，即：,微變等效電路法,輸出特性曲線在放大區(qū)域內(nèi)可認(rèn)為呈水平線，集電極電流的微小變化IC僅與基極電流的微小變化IB有關(guān)，而與電壓uCE無(wú)關(guān)，故集電極和發(fā)射極之間可等效為一個(gè)受ib控制的電流源，即：,

7、（2）放大電路微變等效電路,放大電路的微變等效電路,電壓放大倍數(shù),式中RL=RC/RL。當(dāng)RL=（開路）時(shí),動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),輸入電阻,Ri,輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號(hào)源吸取電流（輸入電流）的大小。為了減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號(hào)源內(nèi)阻Rs的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在幾百歐到幾千歐，一般認(rèn)為是較低的，并不理想。,輸出電阻,對(duì)于負(fù)載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負(fù)載電阻RL的變化對(duì)輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負(fù)載能力越強(qiáng)，因此總希望Ro越小越好。上式中Ro在幾千歐到幾

8、十千歐，一般認(rèn)為是較大的，也不理想。,求：1. 靜態(tài)工作點(diǎn)。 2.電壓增益AU、輸入電阻Ri、 輸出電阻R0 。 3. 若輸出電壓的波形出現(xiàn)如 下失真 ，是截止還是飽和 失真？應(yīng)調(diào)節(jié)哪個(gè)元件？ 如何調(diào)節(jié)？,解：1 .,2. 思路：微變等效電路,AU、Ri 、R0,溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,溫度升高,UBE減小,ICBO增大,增大,IC增大,2.3 靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定電路,溫度對(duì)UBE的影響,T,UBE曲線左移,IB,IC,溫度對(duì)值及ICEO的影響,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。,常采用分壓偏置電路來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。電路見下頁(yè)。,條件：I2IB，則,與溫度基本無(wú)關(guān)。,調(diào)節(jié)

9、過程：,靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路,電容短路,直流電源短路，畫出交流通道,交流通道及微變等效電路,交流通道,微變等效電路,微變等效電路及電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的計(jì)算,Ri= Rb1/ Rb2/ rbe,Ro= RC,電容CE的作用：,例題：,例：圖示電路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。,解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn),（2）求電壓放大倍數(shù),（3）求輸入電阻和輸出電阻,2.4 基本放大電路,2.4.1 共集電極放大電路,靜態(tài)分析,直流通道及靜態(tài)工作點(diǎn)分析：

10、,VCC=IBRb+ UBE +IERe =IBRb+ UBE +(1+ ）IBRe,IC= IB,2.6.2 動(dòng)態(tài)分析,交流通道及微變等效電路,交流通道及微變等效電路,2、輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器，或者射極跟隨器。,討論,輸出電壓與輸入電壓近似相等，電壓未被放大，但是電流放大了，即輸出功率被放大了。,Au,（2）輸入電阻,（3）、輸出電阻,用加壓求流法求輸出電阻。,置0,保留,輸出電阻,（加電壓求流法）,ro=Re/,rbe,1+ ,當(dāng)RS=0時(shí),r,o,b,+,+,=,1,R,r,/,R,s,be,E,射極輸出器的特點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)=1， 輸入阻抗高，輸出阻抗小。

11、,例 在射極輸出器中 已知 UCC = 12V， RB = 240k， RE = 3k， RL = 6k， RS = 150， = 50 。,RS,uS,+,RL,iC,iB,T,C2,C1,+,+,RB,RE,+UCC,+,uO,（1）靜態(tài)工作點(diǎn),（2）Au、ri 和 r0,ri = RB / rbe+ （1+）RL ,= 240 / 1.2+ （1+50）（2/6） = 72.17k,= 1.20k,例：圖示電路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100 ，=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。,解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn),共

12、基放大電路的微變等效電路,電路圖 (b) 交流通路,2.4.2 共基電路,2.5 多級(jí)放大電路,2.5.1 多級(jí)放大電路的組成,2.8.2 多級(jí)放大電路的耦合,各極之間通過耦合電容及下級(jí)輸入電阻連接。優(yōu)點(diǎn)：各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，可以單獨(dú)調(diào)整到合適位置；且不存在零點(diǎn)漂移問題。缺點(diǎn)：不能放大變化緩慢的信號(hào)和直流分量變化的信號(hào)；且由于需要大容量的耦合電容，因此不能在集成電路中采用。,1阻容耦合放大電路,阻容耦合放大電路分析,（1）靜態(tài)分析：各級(jí)單獨(dú)計(jì)算。,（2）動(dòng)態(tài)分析 電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積。,注意：計(jì)算前級(jí)的電壓放大倍數(shù)時(shí)必須把后級(jí)的輸入電阻考慮到前級(jí)的負(fù)載電阻之中。如計(jì)算第一

13、級(jí)的電壓放大倍數(shù)時(shí)，其負(fù)載電阻就是第二級(jí)的輸入電阻。 輸入電阻就是第一級(jí)的輸入電阻。 輸出電阻就是最后一級(jí)的輸出電阻。,2.5.3 直接耦合放大電路,優(yōu)點(diǎn)：能放大變化很緩慢的信號(hào)和直流分量變化的信號(hào)；且由于沒有耦合電容，故非常適宜于大規(guī)模集成。 缺點(diǎn)：各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響；且存在零點(diǎn)漂移問題。 零點(diǎn)漂移：放大電路在無(wú)輸入信號(hào)的情況下，輸出電壓uo卻出現(xiàn)緩慢、不規(guī)則波動(dòng)的現(xiàn)象。 產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，其中最主要的是溫度影響。,2.5.4 差動(dòng)放大電路,4.3.1 基本差動(dòng)放大電路,抑制零漂的方法有多種，如采用溫度補(bǔ)償電路、穩(wěn)壓電源以及精選電路元件等方法。最有效且廣泛采用的方法是輸入級(jí)采用差動(dòng)

14、放大電路。,在發(fā)射極電阻RE的作用：是為了提高整個(gè)電路以及單管放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。,負(fù)電源UEE的作用：是為了補(bǔ)償RE上的直流壓降，使發(fā)射極基本保持零電位。,靜態(tài)時(shí)，uil=ui20 ，此時(shí)由負(fù)電源UEE通過電阻RE和兩管發(fā)射極提供兩管的基極電流。由于電路的對(duì)稱性，兩管的集電極電流相等，集電極電位也相等，即： IC1= IC2 UC1= UC2 輸出電壓： uo UC1 UC2=0 溫度變化時(shí)，兩管的集電極電流都會(huì)增大，集電極電位都會(huì)下降。由于電路是對(duì)稱的，所以兩管的變化量相等。即： IC1= IC2 UC1= UC2 輸出電壓： uo (UC1 + UC1)( UC2 +UC2 )

15、=0 即消除了零點(diǎn)漂移。,1抑制零點(diǎn)漂移的原理,2信號(hào)輸入,共模信號(hào)：兩輸入端加的信號(hào)大小相等、極性相同。,共模電壓放大倍數(shù)：,說明電路對(duì)共模信號(hào)無(wú)放大作用，即完全抑制了共模信號(hào)。實(shí)際上，差動(dòng)放大電路對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制就是該電路抑制共模信號(hào)的一個(gè)特例。所以差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)抑制能力的大小，也就是反映了它對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制能力。,（1）共模輸入,因兩側(cè)電路對(duì)稱，放大倍數(shù)相等，電壓放大倍數(shù)用Ad表示，則：,差模信號(hào)：兩輸入端加的信號(hào)大小相等、極性相反。,差模電壓放大倍數(shù)：,可見差模電壓放大倍數(shù)等于單管放大電路的電壓放大倍數(shù)。差動(dòng)放大電路用多一倍的元件為代價(jià)，換來(lái)了對(duì)零漂的抑制能力。,（2）差模輸入

16、,（3）比較輸入,比較輸入：兩個(gè)輸入信號(hào)電壓的大小和相對(duì)極性是任意的，既非共模，又非差模。 比較輸入可以分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)的組合，即：,式中uic為共模信號(hào)，uid為差模信號(hào)。由以上兩式可解得：,對(duì)于線性差動(dòng)放大電路，可用疊加定理求得輸出電壓：,上式表明，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關(guān)，而與信號(hào)本身的大小無(wú)關(guān)，這就是差動(dòng)放大電路的差值特性。 對(duì)于差動(dòng)放大電路來(lái)說，差模信號(hào)是有用信號(hào)，要求對(duì)差模信號(hào)有較大的放大倍數(shù)；而共模信號(hào)是干擾信號(hào)，因此對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)越小越好。對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)越小，就意味著零點(diǎn)漂移越小，抗共模干擾的能力越強(qiáng)，當(dāng)用作差動(dòng)放大時(shí)，就越能準(zhǔn)確、靈敏地

17、反映出信號(hào)的偏差值。,共模抑制比越大，表示電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。,在一般情況下，電路不可能絕對(duì)對(duì)稱，Ac0。為了全面衡量差動(dòng)放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。 共模抑制比定義為Ad與Ac之比的絕對(duì)值，即：,或用對(duì)數(shù)形式表示：,恒流源比發(fā)射極電阻RE對(duì)共模信號(hào)具有更強(qiáng)的抑制作用。,差動(dòng)放大電路的改進(jìn),差動(dòng)放大電路的四種接法及應(yīng)用,雙端輸入單端輸出式電路的輸出uo與輸入ui1極性（或相位）相反，而與ui2極性（或相位）相同。所以u(píng)il輸入端稱為反相輸入端，而ui2輸入端稱為同相輸入端。雙端輸入單端輸出方式是集成運(yùn)算放大器的基本輸入輸出方式

18、。,單端輸入式差動(dòng)放大電路的輸入信號(hào)只加到放大器的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端接地。由于兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流之和恒定，所以當(dāng)輸入信號(hào)使一個(gè)晶體管發(fā)射極電流改變時(shí)，另一個(gè)晶體管發(fā)射極電流必然隨之作相反的變化，情況和雙端輸入時(shí)相同。此時(shí)由于恒流源等效電阻或發(fā)射極電阻RE的耦合作用，兩個(gè)單管放大電路都得到了輸入信號(hào)的一半，但極性相反，即為差模信號(hào)。所以，單端輸入屬于差模輸入。,單端輸出式差動(dòng)電路，輸出減小了一半，所以差模放大倍數(shù)亦減小為雙端輸出時(shí)的二分之一。此外，由于兩個(gè)單管放大電路的輸出漂移不能互相抵消，所以零漂比雙端輸出時(shí)大一些。由于恒流源或射極電阻RE對(duì)零點(diǎn)漂移有極強(qiáng)烈的抑制作用，零漂仍然比單管放大電路小得多。所以單端輸出時(shí)仍常采用差動(dòng)放大電路，而不采用單管放大電路。,2.5.5 多級(jí)放大電路的頻率特性和頻率失真,中頻段：電壓放大倍數(shù)近似為常數(shù)。 低頻段：耦合電容和發(fā)射極旁