第02章放大電路的基本原理.ppt

1、第二章 放大電路的基本原理,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),第二章 放大電路的基本原理,2.1 放大的概念 2.2 放大電路的主要技術(shù)指標(biāo) 2.3 單管共發(fā)射極放大電路 2.4 放大電路的基本分析方法 2.5 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題 2.6 放大電路的三種基本組態(tài) 2.7 場效應(yīng)管放大電路 2.8 多級放大電路, 2.1 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：,Au,放大的本質(zhì)是實現(xiàn)能量控制，實現(xiàn)小能量對大能量的控制作用；放大的對象是變化量。,2.2 放大電路的主要技術(shù)指標(biāo),一、放大倍數(shù) A,1

2、電壓放大倍數(shù),和 分別是輸入和輸出電壓的正弦相量。,2電流放大倍數(shù),和 分別是輸入和輸出電流的正弦相量。,二、最大輸出幅度om,三、非線性失真系數(shù),四、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。,五、輸出電阻 Ro,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，這個戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。,如何確定電路的輸出電阻Ro ？,步驟：,1. 所有的電源置零（將獨立源置零，保留受控源）。,2. 加壓求流法。,方法一：計算。,

3、方法二：測量。,1. 測量開路電壓Uo 。,2. 測量接入負(fù)載后的輸出電壓Uo 。,步驟：,3. 計算。,六、通頻帶,通頻帶：,BW = fH fL,放大倍數(shù)隨頻率變化曲線,七、最大輸出功率Pom與效率,符號規(guī)定,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量, 2.3 單管共發(fā)射極放大電路,單管放大電路有三種形式,共射放大電路,共基放大電路,共集放大電路,以共射放大電路為例講解工作原理,2.3.1 單管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(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。,輸入,輸出,？,參考點,集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。,集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓?/p>

4、的電壓。,使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點。,基極電源與基極電阻,耦合電容 （隔直電容）,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。,可以省去,電路改進(jìn)：采用單電源供電,阻容耦合單管共射放大電路,2.3.2 單管共發(fā)射極放大電路的工作原理,由于電源的存在，IB 0,IC 0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、靜態(tài)工作點,IBQ,ICQ,( ICQ ,UCEQ ),(IBQ ,UBEQ ),(IBQ ,UBEQ)和( ICQ ,UCEQ )分別對應(yīng)于輸入輸出特性曲線上的一個點，稱為靜態(tài)工作點。,IB,uCE怎么變化,？,假設(shè)uBE有一微小的變化,uCE的變化沿一條直線

5、,uce相位如何,？,uce與ui反相！,各點波形,二、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(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2. 正確設(shè)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。,2.4 放大電路的基本分析方法,放大電路分析,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,估算法,圖解法,微變等效電路法,圖解法,計算機仿真,2.4.1 直流通道與交流通道,放大電路中各點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

6、用，即對交流短路。而對直流可以看成開路，這樣，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考慮交流信號的分電路。 直流通道：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道分析。,例：,對直流信號（只有+VCC）,對交流信號（輸入信號ui）,2.4.2 靜態(tài)工作點的近似估算 （ IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ）,（1）估算IBQ ( UBE 0.7 V),Rb稱為基極偏置電阻，IBQ 稱為基極偏置電流。,（2）估算UCEQ、ICQ,ICQ,UCEQ,ICQ = IBQ,例：用估算法計算靜態(tài)工作點。,已知：VCC=12V，Rc= 4 K， Rb=300K ， =37.5。,解：,請注

7、意電路中IBQ 和ICQ 的數(shù)量級,UBEQ 0.7V,1直流負(fù)載線,IC,UCE,UCEIC 滿足什么關(guān)系？,1. 三極管的輸出特性。,2. UCE = VCC IC Rc 。,2.4.3 圖解法 直流負(fù)載線和交流負(fù)載線,直流 負(fù)載線,IBQ,與輸出特性的交點就是Q點,靜態(tài)UCEQ,靜態(tài)ICQ,2交流負(fù)載線,其中：,iC 和 uCE是全量，與交流量ic和uce有如下關(guān)系,所以：,這條直線通過Q點，稱為交流負(fù)載線。,因為：,交流負(fù)載線的作法,IB,過Q點作一條直線，斜率為：,交流負(fù)載線,圖解法的步驟：,1由放大電路的直流通路畫出輸出回路的直流負(fù)載線；,2估算靜態(tài)基極電流 IBQ，直流負(fù)載線與

8、iB = IBQ 的一條輸 出特性的交點就是靜態(tài)工作點Q，由圖可得ICQ和UCEQ ；,3由放大電路的交流通路計算等效交流負(fù)載 在輸出特性上，通過Q點畫出斜率為 的直線，就是交流負(fù)載線；,4求電壓放大倍數(shù)時，可在Q點附近取一個 值，在輸入 特性上找到相應(yīng)的 值，再在輸出特性的交流負(fù)載線上找到相應(yīng)的 值， 與 的比值即為電壓放大倍數(shù)。,2.4.4 動態(tài)分析,一、三極管的微變等效電路,1 輸入回路,當(dāng)信號很小時，將輸入特性在小范圍內(nèi)近似為線性。,uBE,對輸入的小交流信號而言，三極管相當(dāng)于電阻 rbe 。,rbe 的量級從幾百歐到幾千歐。,對輸入的小交流信號而言，三極管be間等效于電阻rbe。,b

9、,e,c,b,e,2 輸出回路,所以：,(1) 輸出端相當(dāng)于一個受ib 控制的電流源。,(2) 考慮 uCE對 iC的影響，輸出端還要并聯(lián)一個大電阻rce。,rce的含義,rce很大，一般忽略。,rce的含義,受控源,rce很大， 一般忽略。,3 三極管的微變等效電路,c,b,e,二、放大電路的微變等效電路,將交流通道中的三極管用微變等效電路代替:,三、電壓放大倍數(shù)的計算,特點：負(fù)載電阻越小，放大倍數(shù)越小。,四、輸入電阻的計算,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，這個負(fù)載的大小可以用輸入電阻來表示。,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輸入電阻

10、。,五、輸出電阻的計算,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。,計算輸出電阻的方法：,(1) 所有電源置零，然后計算電阻（對有受控源的電路不適用）。,(2) 所有獨立電源置零，保留受控源，加壓求流法。,所以：,用加壓求流法求輸出電阻：,幾點結(jié)論：,1. 三極管中各極電壓和電流交直流并存；,2. 單管共射放大電路具有電壓放大作用；,3. 單管共射放大電路具有倒相作用。,微變等效電路法的步驟：,1. 利用圖解法或近似估算法確定電路的靜態(tài)工作點Q；,2. 求出靜態(tài)工作點處的微變等效電路參數(shù)和 rbe ；,3. 畫出電路的微變等效電路?？上犬嫵鋈?/p>

11、極管的等效電路，然后畫出放大電路其余部分的交流通路；,4. 列出電路方程并求解。,2.4.5 失真分析,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)置在交流負(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。,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,選擇靜態(tài)工作點,uo,1 Q點過低，信號進(jìn)入截止區(qū),放大電路產(chǎn)生截止失真（頂部失真）,2Q點過高，信號進(jìn)入飽和區(qū),放大電路產(chǎn)生飽和失真（底部失真）,2.5 靜態(tài)工

12、作點的穩(wěn)定問題,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(yán)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。,一、溫度對UBE的影響,二、溫度對 值及ICEO的影響,總的效果是：,小結(jié)：,常采用分壓式偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點。,固定偏置電路的Q點是不穩(wěn)定的。 Q點不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致靜態(tài)工作點靠近飽和區(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，能夠自動減少IB ，從而抑制Q點的變化。保持Q點基本穩(wěn)定。,一、靜態(tài)分析,靜

13、態(tài)工作點穩(wěn)定的放大器,可以認(rèn)為與溫度無關(guān)。,似乎I2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。,靜態(tài)工作點穩(wěn)定過程,UB,UB被認(rèn)為較穩(wěn)定,本電路穩(wěn)定的過程實際是由于加了RE形成了負(fù)反饋過程,二、動態(tài)分析,+VCC,uo,ri = RB1 / RB2 / rbe,ro= RC,例：上述靜態(tài)工作點穩(wěn)定的放大器，各參數(shù)如下： RB1=100k， RB2=33k， RE=2.5k， RC=5k， RL=5k， = 60，VCC =15V 。 求：（1）估算靜態(tài)工作點； （2）空載電壓放大倍數(shù)、有載電壓放大倍 數(shù)、輸入電阻、輸出電阻； （3）若信號源有RS =1

14、k 的內(nèi)阻，有載電 壓放大倍數(shù)將變?yōu)槎嗌伲?RB1=100k RB2=33k RE=2.5k RC=5k RL=5k = 60 VCC =15V,解：(1) 估算靜態(tài)工作點,RB1=100k RB2=33k RE=2.5k RC=5k RL=5k = 60 VCC =15V,解：(2) 空載電壓放大倍數(shù)、有載電壓 放大倍數(shù)：,輸入電阻、輸出電阻：,RB1=100k RB2=33k RE=2.5k RC=5k RL=5k = 60 VCC =15V,解：(3)信號源有RS =1 k 的內(nèi)阻時，有載電壓放大倍數(shù)為AusL,RB1=100k RB2=33k RE=2.5k RC=5k RL=5k =

15、 60 VCC =15V,信號源內(nèi)阻為 0 時的電壓放大倍數(shù)：,信號源內(nèi)阻為RS時的電壓放大倍數(shù)：,信號源有內(nèi)阻時，電壓放大倍數(shù)Aus減小。 輸入電阻越大，若ri RS ，則Aus Au,問題1：如果去掉CE ，放大倍數(shù)怎樣？,去掉 CE 后的交流通路和微變等效電路：,問題2：如果電路如下圖所示，如何分析？,靜態(tài)工作點穩(wěn)定且具有射極交流負(fù)反饋電阻的放大器,靜態(tài)分析：,直流通路,動態(tài)分析：,交流通路,交流通路：,微變等效電路：,微變等效電路：,ro=RC,問題：Au 和 Aus 的關(guān)系如何？,定義：,2.6 單管放大電路的三種基本組態(tài) 2.6.1 共集電極放大電路,一、靜態(tài)分析,1. 電壓放大倍

16、數(shù),結(jié)論：,2. 輸入電阻,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。,3. 輸出電阻,（用加壓求流法求輸出電阻）,一般：,所以：,射極跟隨器的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力強。所謂帶負(fù)載能力強，是指當(dāng)負(fù)載變化時，放大倍數(shù)基本不變。,動態(tài)分析及估算舉例：,rbe =2.9 k,（電壓放大倍數(shù)估算）,動態(tài)分析及估算舉例：,RB = 570 k RE = 5.6 k RL = 5.6 k =100 VCC = 12 V,RS = 0,（輸入電阻輸出電阻估算）,動態(tài)分析及估算舉例：,rbe =2.9 k,RB = 570 k RE = 5.6 k RL = 5.6 k =100 VCC

17、= 12 V,動態(tài)分析及估算舉例：,設(shè)信號源內(nèi)阻RS =1 k，求這時的電壓放大倍數(shù)Aus、輸入電阻、輸出電阻。,Ri =190 k,射極跟隨器的使用,1. 將射極跟隨器放在電路的首級，可以提高輸入電阻。,2. 將射極跟隨器放在電路的末級，可以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。,3. 將射極跟隨器放在電路的兩級之間，可以起到電路的匹配作用。,2.6.2 共基極放大電路,一、 靜態(tài)工作點,(a) 原理性電路,(b) 實際電路,實際電路,二、 動態(tài)指標(biāo),二、 動態(tài)指標(biāo),1. 電流放大倍數(shù),2. 電壓放大倍數(shù),微變等效電路,（忽略RE的作用）,二、 動態(tài)指標(biāo),3. 輸入電阻,4. 輸出電阻,思考：共基極

18、電路的輸入電阻很小，最適合用來放大何種信號源的信號？,微變等效電路,2.6.3 三種基本組態(tài)的比較, 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，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。,動態(tài)分析：微變等效電路法。,分析方法：,2.7.1 場效應(yīng)管的特點,場效應(yīng)管的特點：,1. 場效應(yīng)管是電壓控制器件； 2. 輸入電阻非常高； 3. 存在零溫度系數(shù)工作點；,4. 制造工藝簡單，便于大規(guī) 模集成；,5. 二氧化硅絕緣層易被擊穿 而損壞管子；,6. 在相同的負(fù)載電阻下，場效應(yīng)管的電壓 放大倍數(shù)一

19、般比晶體管的放大倍數(shù)小。,2.7.2 場效應(yīng)管的微變等效電路,跨導(dǎo),漏源之間的等效電阻,N 溝道增強型MOS管的漏極電流iD與柵源電壓uGS 之間近似滿足以下關(guān)系：,式中IDO為uGS = 2UGS(th) 時的 iD 值。,在Q點附近，可用IDQ表示上式中的iD ，則,場效應(yīng)管的微變等效電路為：,壓控電流源,2.7.3 分壓-自偏壓式共源極放大電路,柵極電壓由VDD經(jīng)R1 、R2分壓得到,漏極電流在RS 上產(chǎn)生自偏壓,UGS 由分壓和自偏壓共同決定,分壓-自偏壓式共源放大電路,RS 直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點,一、靜態(tài)分析,由輸入回路可得：,N 溝道增強型MOS管的漏極電流與柵源電壓滿足以下

20、關(guān)系：,1估算法,解上述方程即可得到UGSQ 和 IDQ,由輸出回路方程,2圖解法,Q,輸出回路方程：,輸出回路方程：,Q,直流負(fù)載線,二、動態(tài)分析,Ro = RD,2.7.4 共漏極放大電路（源極輸出器、源極跟隨器）,一、靜態(tài)分析,與分壓-自偏壓式共源極放大電路的靜態(tài)分析方法類似。,二、動態(tài)分析,輸入電阻 Ri,輸出電阻 Ro,加壓求流法,場效應(yīng)管放大電路小結(jié),(1) 場效應(yīng)管放大器輸入電阻很大。 (2) 場效應(yīng)管共源極放大器（漏極輸出）輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻 = RD。 (3) 場效應(yīng)管源極跟隨器輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸出電阻小。,2.8 多級放大

21、電路,耦合,耦合方式： (1)直接耦合 (2)阻容耦合 (3)變壓器耦合 (4)光電耦合,2.8.1 多級放大電路的耦合方式,為獲得足夠大的放大倍數(shù)，需將單級放大器串接，組成多級放大器。,對耦合電路要求：,要求,動態(tài): 傳送信號,減少壓降損失,耦合電路：,靜態(tài)：保證各級Q點設(shè)置,波形不失真,一、阻容耦合,特點：靜態(tài)工作點相互獨立。 低頻衰減大，無法采用線性集成。,多級阻容耦合放大器的特點：,(1) 由于電容的隔直作用，各級放大器的靜態(tài)工作點相互獨立，分別估算。 (2) 前一級的輸出電壓是后一級的輸入電壓。 (3) 后一級的輸入電阻是前一級的交流負(fù)載電阻。 (4) 總電壓放大倍數(shù) = 各級放大倍

22、數(shù)的乘積。 (5) 總輸入電阻 Ri 即為第一級的輸入電阻Ri1 。 (6) 總輸出電阻即為最后一級的輸出電阻。,二、直接耦合,優(yōu)點：能放大緩變和直流信號，適于集成化,直接耦合方式實例：,例：下圖所示兩級直接耦合放大電路中，已知RB1=240k，RC1=3.9k，RC2=500，穩(wěn)壓管VDZ的工作電壓UZ =4V，三極管VT1的1=45，VT2的2=40， VCC =24V，試計算各級的靜態(tài)工作點。如ICQ1由于溫度的升高而增加1%，試計算靜態(tài)輸出電壓UO的變化是多少。,解：設(shè)靜態(tài)時UBEQ1= UBEQ2 =0.7V，則 UQ1= UBEQ2 + UZ = 4.7V,靜態(tài)時輸出電壓為：,當(dāng)I

23、CQ1增加1%時，即,此時輸出電壓為,比原來升高了0.9V，約升高6% 。,直接耦合放大電路的缺點： （1）直流輸出電壓隨溫度的變化而波動； （2）存在零點漂移現(xiàn)象（引入直流負(fù)反饋、 熱敏元件補償、差分放大結(jié)構(gòu)）。,三、變壓器耦合、三種耦合方式的比較（自學(xué)）,優(yōu)點：阻抗變換、各級靜態(tài)工作點相互獨立 缺點：笨重、無法集成、緩變和直流信號無法通過變壓器。,2.8.2 多級放大電路的電壓放大倍數(shù)和 輸入、輸出電阻,多級阻容耦合放大器的級聯(lián),設(shè)二級放大器的參數(shù)完全一樣,多級阻容耦合放大器的分析,(1)由于電容的隔直作用，各級放大器的靜態(tài)工作點 相互獨立，分別估算。,(2)前一級的輸出電壓是后一級的輸入

24、電壓。,(3)后一級的輸入電阻是前一級的交流負(fù)載電阻。,(4)總電壓放大倍數(shù) = 各級放大倍數(shù)的乘積。,(5)總輸入電阻Ri 即為第一級的輸入電阻Ri1 。,(6)總輸出電阻即為最后一級的輸出電阻。,多級阻容耦合放大器的靜態(tài)工作點,第一級靜態(tài)工作點,第二級靜態(tài)工作點,多級阻容耦合放大器的交流通路,前一級的輸出電壓是后一級的輸入電壓,后一級的輸入電阻是前一級的交流負(fù)載電阻,多級阻容耦合放大器的微變等效電路,多級阻容耦合放大器的電壓放大倍數(shù)、輸入、輸出電阻的計算,第二級的 輸入電阻,Ri= Ri 1 = R11/ R12/ rbe1,多級阻容耦合放大器的電壓放大倍數(shù)、輸入、輸出電阻的計算,Ri 2

25、 = R21/ R22/ rbe2,Ro = Ro2 = RC2,總電壓放大倍數(shù),Au為正，輸入輸出同相,總放大倍數(shù)等于各級放大倍數(shù)的乘積,代入數(shù)值計算,Ri = Ri 1 = R11/ R12/ rbe1 =100/33/1.62=1.52k,R11=100k R12=33k RE1=2.5k RC1=5k RL=5k =60 VCC=15V,Ri 2 = R21/ R22/ rbe2 =100/33/1.62=1.52k,Au= Au1Au2 =(-43)(-93) =3999,Ro = RC2 = 5k,兩級單管放大器級聯(lián)，可提高電壓放大倍數(shù)；但輸入電阻仍很小，輸出電阻仍較大。,阻容耦合多級放大電路,當(dāng)兩級放大器（靜態(tài)工作點穩(wěn)定的基本放大器）級聯(lián)時，放大倍數(shù)大大提高。但輸入電阻較小，輸出電阻較大。,Au= Au1 Au2 =3999,RS=20k,=-6.6,輸入電阻很小的放大器，當(dāng)信號源有較大內(nèi)阻