電工學(xué)-第9章放大電路.ppt

1、1,第 9 章 基本放大電路,9.1 雙極型晶體管,9.2 放大電路的工作原理,9.3 放大電路的靜態(tài)分析,9.4 放大電路的動(dòng)態(tài)分析,9.5 雙極型晶體管基本放大電路,9.6 場效應(yīng)型晶體管,9.7 場效應(yīng)型晶體管基本放大電路,9.8 多級(jí)放大電路,9.9 差分放大電路,9.10 功率放大電路,下一章,上一章,返回主頁,大連理工大學(xué)電氣工程系,2,9.1 雙極型晶體管,一、基本結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào),大連理工大學(xué)電氣工程系,3,二、工作狀態(tài),條件: 發(fā)射結(jié)正偏, 集電結(jié)反偏。,發(fā)射區(qū)發(fā)射載流子 形成電流IE 少部分在基區(qū)被復(fù)合 形成IB 大部分被集電區(qū)收集 形成IC,1放大狀態(tài),電流的形

2、成,晶體管中載流子的運(yùn)動(dòng)過程,大連理工大學(xué)電氣工程系,4, 電流的關(guān)系 IE= IB +IC,當(dāng) IB = 0 時(shí)，,直流 (靜態(tài)) 電流放大系數(shù),交流 (動(dòng)態(tài)) 電流放大系數(shù),IC = ICEO,電路圖,大連理工大學(xué)電氣工程系,5,IB 微小的變化，會(huì)產(chǎn)生 IC 很大的變化。 IC =IB 。 0UCEUCC ， UCE = UCCRC IC 。 晶體管相當(dāng)于通路。, 特點(diǎn),大連理工大學(xué)電氣工程系,6,特點(diǎn)： IB,IC 基本不變。 ICUCC / RC 。 UCE0 。 晶體管相當(dāng)于短路。,條件: 發(fā)射結(jié)正偏, 集電結(jié)正偏。,IB,IC UCE = (UCCRC IC) ICM = UCC

3、 / RC,2. 飽和狀態(tài),電路圖,飽和狀態(tài)時(shí)的晶體管,大連理工大學(xué)電氣工程系,7,特點(diǎn)： IB= 0 IC= 0 UCE= UCC 晶體管相當(dāng)于開路。,3. 截止?fàn)顟B(tài),條件: 發(fā)射結(jié)反偏, 集電結(jié)反偏。,電路圖,截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的晶體管,大連理工大學(xué)電氣工程系,8,晶體管處于放大狀態(tài)。 (2) 開關(guān) S 合向 b 時(shí),例9.1.1 圖示電路，晶體管的 = 100，求開關(guān) S 合向 a、b、c 時(shí)的 IB、IC 和 UCE，并指出晶體管的工作 狀態(tài)（忽略 UBE ）。,解 (1) 開關(guān) S 合向 a 時(shí),= 0.01 mA IC = IB = 1000.01 mA = 1 mA UCE = UCCR

4、CIC = (1551031103) V = 10 V,UCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 V RB1 = 500 k RB2 = 50 k RC = 5 k,大連理工大學(xué)電氣工程系,9,UCE = 0 V 晶體管處于飽和狀態(tài)。因?yàn)槿?IC = IB = 1000.1mA = 10 mA UCE = UCCRCIC = V =35 V UCE0，這是不可能的，即不可能處于放大狀態(tài)。 (3) 開關(guān) S 合向 c 時(shí) IB = 0，IC = 0，UCE = UCC = 15 V 晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。,大連理工大學(xué)電氣工程系,10,三、 特性

5、曲線,1. 輸入特性 IB= f (UBE) UCE=常數(shù),UCE1V 25,UCE1V 75, 硅管：UBE 0.7 V 鍺管：UBE 0.3 V,輸入特性,工作方式,大連理工大學(xué)電氣工程系,11,2. 輸出特性 IC= f (UCE)IB = 常數(shù),放 大 區(qū),飽和區(qū),截止區(qū),輸出特性,工作方式,大連理工大學(xué)電氣工程系,12,動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù) 2.穿透電流 ICEO 3.集電極最大允許電流 ICM 4.集電極最大耗散功率 PCM PC = UCE IC 5.反向擊穿電壓 U(BR) CEO,四、主要參數(shù),1.電流放大系數(shù),過 損 耗 區(qū),安 全 工 作 區(qū),功耗曲線,大連理工大學(xué)電氣工程系

6、,13,9.2 放大電路的工作原理,一、電路組成,兩個(gè)電源的放大電路,一個(gè)電源的放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,14,NPN 管放大電路,PNP 管放大電路,放大電路的簡化畫法：,大連理工大學(xué)電氣工程系,15,二、信號(hào)的放大過程,1. 靜態(tài)時(shí) ui = 0，直流電源單獨(dú)作用。,2. 動(dòng)態(tài)時(shí) 輸入信號(hào) ui，,輸出信號(hào) uo= uce = RC ic,信號(hào)的放大過程,大連理工大學(xué)電氣工程系,16,9.3 放大電路的靜態(tài)分析,一、靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 圖解法 在輸入特性曲線上,已知 IB , 可確定 Q 點(diǎn), 可知 UBE 。 在輸出特性曲線上 已知 IB , 可確定 Q 點(diǎn)， 可知 IC , UC

7、E 。,輸入特性,輸出特性,大連理工大學(xué)電氣工程系,17,2. 計(jì)算法,直流通路的做法： (1) 信號(hào)源中的電動(dòng)勢短路； (2) 電容開路。,IBRB + UBE = UCC,IC =IB UCE = UCCRCIC,直流通路,放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,18,例 9.3.1 在如圖所示的固定偏置放大電路中，已知 UCC = 6 V， RB = 180 k， RC = 2 k, = 50，晶體管為硅管。試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。,解,IC = IB UCE = UCCRC IC,= 0.029 4 mA,= 500.029 4 mA,= 1.47 mA,= (621.47 ) V,=3.

8、06 V,大連理工大學(xué)電氣工程系,19,二.靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,1. 當(dāng) IB 太小，Q 點(diǎn)很低，引起后半周截止失真。 2. 當(dāng) IB 太大，Q 點(diǎn)很高，引起前半周飽和失真。, 截止失真和飽和失真統(tǒng)稱為非線形失真。,截止失真,飽和失真,大連理工大學(xué)電氣工程系,20,9.4 放大電路的動(dòng)態(tài)分析,一、放大電路的主要性能指標(biāo) 1. 電壓放大倍數(shù) Au,其分貝值: | Au | (dB) = 20lg | Au |,定義：,當(dāng)輸入信號(hào)為正弦交流信號(hào)時(shí),大連理工大學(xué)電氣工程系,21,在放大電路中:,2. 輸入電阻 ri,定義：,當(dāng)輸入信號(hào)為正弦交流信號(hào)時(shí),放大電路,信號(hào)源,輸入電阻,大連理工大學(xué)電氣工程系

9、,22,ri 大 Ui 大 Uo 大； ri 大 Ii 小 可減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)；,ri 越大越好， ri RS 。,可見：,輸入電阻,大連理工大學(xué)電氣工程系,23,3. 輸出電阻 ro,當(dāng)輸入信號(hào)為正弦交流信號(hào)時(shí)：,定義：,放大電路,負(fù)載,輸出電阻,大連理工大學(xué)電氣工程系,24,若 ro 小，帶載能力強(qiáng)；反之帶載能力差。,可見：,ro 越小越好，ro RL。,大連理工大學(xué)電氣工程系,25,4. 放大電路的頻率特性,幅頻特性: |Au| f,相頻特性: f,通頻帶,大連理工大學(xué)電氣工程系,26,解 (1),= 9 mV,UOC = | A0 | Ui,= 1009 10 -3 V,= 0.9 V

10、 = 900 mV,例 9.4.1 某放大電路的空載電壓放大倍數(shù) | A0 | = 100，輸入電阻 ri = 9 k ，輸出電阻 ro = 1 k，試問: (1) 輸入端接到 Us = 10 mV，RS = 1 k 的信號(hào)源上，開路電壓 UOC 應(yīng)等于多少？(2) 輸出端再接上 RL= 9 k 的負(fù)載電阻時(shí)，負(fù)載上的電壓 UoL 應(yīng)等于多少？這時(shí)電壓放大倍數(shù) | Au | 是多少？,大連理工大學(xué)電氣工程系,27,(2),= 810 mV,= 0.81 V,= 90,= 90,大連理工大學(xué)電氣工程系,28,二、放大電路的微變等效電路,1. 晶體管的交流小信號(hào)電路模型, 輸入端電壓和電流的關(guān)系,

11、 稱為晶體管的輸入電阻。,rbe =,電路圖,輸入特性,大連理工大學(xué)電氣工程系,29,晶體管從輸入端看，可以用一個(gè)等效的動(dòng)態(tài)電 阻 rbe代替。,電路圖,輸入端口等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,30,(2) 輸出端電壓和電流的關(guān)系,從輸出端看，可以用一個(gè) 受控電流源代替。,晶體管的小信號(hào)模型,共射接法,共集接法,共基接法,電路圖,大連理工大學(xué)電氣工程系,31,2. 放大電路的交流通路,作法: C 短路，UCC 短路。,放大電路,交流通路,微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,32,= RB rbe, rbe,= RC,微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,33,例9.4.2 求例9.3.1放

12、大電路的空載電壓放大倍數(shù)、輸入電阻 和輸出電阻 。,(1) 空載電壓放大倍數(shù),解,= 1 084 ,=92.25,ri = RB rbe,(2) 輸入電阻,= 1.078 k,(3) 輸出電阻,ro = RC,= 2 k,大連理工大學(xué)電氣工程系,34,9.5 雙極型晶體管基本放大電路,一、共射放大電路,1. 電路組成 增加一個(gè)偏流電阻 RB2， 可以固定基極電位。 只要滿足: I2 IB,選擇參數(shù)時(shí)，一般取 I2(510) IB。,共射放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,35,(2) 增加發(fā)射極電阻 RE， 可以穩(wěn)定 IC。,只要滿足 UB UBE,選擇參數(shù)時(shí),一般取 UB(510)UBE。,T

13、 ,ICEO ,IE ,URE ,IC,IC , UBE ,(3) 增加 CE , 避免 Au下降。,共射放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,36,2. 靜態(tài)分析,畫直流通路,IC = IB,UCE = UCCRC ICRE IE UCC(RCRE) IC,共射放大電路的直流通路,共射放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,37,3. 動(dòng)態(tài)分析,共射放大電路的交流通路,共射放大電路,共射放大電路的微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,38,= RB1RB2rbe,rbe,= RC,共射放大電路的微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,39,1. 電路組成,二、共集放大電路,2. 靜態(tài)分析,RBIBUBE

14、RE (1) IB = UCC,IC = IB UCE = UCCREIE =UCCRE (1 ) IB,共集放大電路,共集放大電路的直流通路,大連理工大學(xué)電氣工程系,40,3. 動(dòng)態(tài)分析,共集放大電路的交流通路,共集放大電路,共集放大電路的微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,41,1,共集放大電路的微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,42,三、共基放大電路 1. 電路結(jié)構(gòu),2. 靜態(tài)分析,IC =IB,UCE = UCCRC ICRE IE UCC(RCRE) IC,共基放大電路,共基放大電路的直流通路,大連理工大學(xué)電氣工程系,43,3. 動(dòng)態(tài)分析,共基放大電路的交流通路,共基放大電路,

15、共基放大電路的微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,44,= RC,共基放大電路的微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,45,9.6 場效應(yīng)型晶體管,一、基本結(jié)構(gòu),SiO2,NMOS 管,PMOS 管,源極 漏極 S D,鋁片,柵極 G,大連理工大學(xué)電氣工程系,46,二、基本類型,按導(dǎo)電溝道的不同分為： N型溝道MOS管NMOS管 P型溝道MOS管PMOS管,NMOS 管,PMOS 管,導(dǎo)電溝道,大連理工大學(xué)電氣工程系,47,按導(dǎo)電溝道形成的不同分為： 增強(qiáng)型簡稱E型 耗盡型簡稱D型,場效應(yīng)管的圖形符號(hào):,大連理工大學(xué)電氣工程系,48,三、工作原理,形成反型層導(dǎo)電溝道的條件是： E型NMOS管

16、 UGS UGS(th) 0 E型PMOS管 UGS UGS(0ff) 0 總之, 改變UGS , 可以改變導(dǎo)通溝道的厚度和形狀, 從而實(shí)現(xiàn)控制 ID 。,大連理工大學(xué)電氣工程系,49,四、特性曲線,耗盡型NMOS 管,增強(qiáng)型NMOS 管,轉(zhuǎn)移特性,漏極特性,大連理工大學(xué)電氣工程系,50,耗盡型PMOS 管,增強(qiáng)型PMOS 管,轉(zhuǎn)移特性,漏極特性,UGS(off),O,ID,UGS,大連理工大學(xué)電氣工程系,51,9.7 場效應(yīng)型晶體管基本放大電路,一、增強(qiáng)型MOS管共源放大電路,1. 靜態(tài)時(shí),當(dāng)UGS UGS(th)時(shí), 才能建立起反型層導(dǎo)電溝道。 ID = IS UGS = UGRSIS U

17、D= UDDRDID,分壓偏置共源放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,52,2. 動(dòng)態(tài)時(shí),uo=idRD,uG= UG ui,uD= UDDiDRD,uGS= UGS ugs,iD= IDid,電壓電流波形,大連理工大學(xué)電氣工程系,53,只要 UGS UGS(off), 導(dǎo)電溝道就不會(huì)消失。 IG = 0 1. 靜態(tài)時(shí) uGS =RS IS 2. 動(dòng)態(tài)時(shí) 與增強(qiáng)型一樣。,二、耗盡型MOS管共源放大電路,自給偏置共源放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,54,9.8 多級(jí)放大電路,級(jí)間耦合方式 阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合。,一、阻容耦合,1. 靜態(tài)分析,前、后兩級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)彼此獨(dú)立，互不影響。,阻

18、容耦合,大連理工大學(xué)電氣工程系,55,2. 動(dòng)態(tài)分析,微變等效電路,阻容耦合,大連理工大學(xué)電氣工程系,56, Au = Au1Au2 其中：RL1 = ri2, ri = ri1 ro = ro2,阻容耦合放大電路，只能放大交流信號(hào)， 無法傳遞直流信號(hào)。,微變等效電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,57,1. 靜態(tài)分析 前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，相互制約；不能 獨(dú)立設(shè)置。 2. 動(dòng)態(tài)分析 分析方法同直接耦合放大電路。 可以放大直流信號(hào)。 3. 零點(diǎn)漂移,二、直接耦合,直接耦合,大連理工大學(xué)電氣工程系,58,例 9.6.1 如圖所示放大電路, 已知 RB1 = 33 k， RB2 = RB3 = 10

19、 k, RC = 2 k, RE1 = RE2 = 1.5 k, 兩晶體 管的 1 = 2 = 60, rbe1 = rbe2 = 0.6 k。求總電壓放大倍數(shù)。,RL1 = ri2,解,第一級(jí)為共射放大電路, 它的負(fù)載電阻即第二級(jí)的輸入電阻。,= RB3rbe2(12)RE2,大連理工大學(xué)電氣工程系,59,= 8.46 k,= 1.62 k,=162,第二級(jí)為共集放大電路, 可取 Au = 1，,Au = Au1Au2 =1621,=162,RL1 = RB3rbe2(12)RE2,解,大連理工大學(xué)電氣工程系,60,9.9 差分放大電路,IC1IC2 UC1 = UC2 Uo = UC1UC

20、2 = 0,一、工作原理,1. 靜態(tài)時(shí) ui1 = ui2 = 0,基本差分放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,61,(1) 共模輸入信號(hào) ui1 = ui2 uc1 = uc2 uo = uc1uc2 = 0 對(duì)共模信號(hào)無放大作用； 即Ac= 0 。,2. 動(dòng)態(tài)時(shí),RE抑制零點(diǎn)漂移的過程,T,uRE, iB1 iB2 ,基本差分放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,62,(2) 差模輸入信號(hào) ui1= ui2,uc1= uc2 uo= uc1 uc2 = 2uc1 對(duì)差模信號(hào)有放大作用, 即Ad0。,基本差分放大電路,大連理工大學(xué)電氣工程系,63,雙端輸入 單端輸入 雙端輸出 單端輸出,二、輸入和輸出方式,1. 反相輸入,設(shè) ui 增加，,ui 0 ,uBE1 0,ic1 0, uo 0,可見: 輸入和輸出電壓 的相