[理学]模电课件第四章.ppt

第四章 放大器基础,概 述,4.1 偏置电路和耦合方式,4.2 放大器的性能指标,4.3 基本组态放大器,4.4 差分放大器,4.5 电流源电路及其应用,4.6 集成运算放大器,4.7 放大器的频率响应,掌握放大电路输入、输出电阻、增益及频率响应的概念及 计算方法，基本组态放大电路、差分放大电路的组成、工作原 理、性能特点，放大电路的等效电路分析法；理解理想情况下 放大电路的组成原理；了解电流源电路的组成、工作原理及应 用。,1基本要求与基本知识点,2教学重点与难点,基本放大电路的组成、工作原理、等效电路分析法,频率 响应及其分析方法；等效电路分析法、频率响应分析方法。,放大器组成框图,4.1 偏置电路和耦合方式,4.1.1 偏置电路,设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路。,对偏置电路的要求,提供合适的 Q 点，保证器件工作在放大模式，并使放大电路具有足够的输出动态范围,当环境温度等因素变化时，能稳定电路的 Q 点,Q,ICQ,VCEQ,Q 点在中点，动态范围最大，输出波形不易失真。,Q 点升高，不失真动态范围减小，输出易饱和失真。,Q 点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真。,Q,Q,O,三极管偏置电路,(1)固定偏流电路,Q 点估算：,电路优点：,Q 点设置方便，计算简单,电路缺点：,不具有稳定 Q 点的功能,T 时 、ICBO、VBE(on),ICQ,Q 点升高,BJT的 对温度敏感,随温度变化对Q点的影响最大，直接反映在对ICQ 的影响,(2)分压偏置电路,Q 点估算,电路优点：具有稳定 Q 点的功能。,T ICQ,(固定), VEQ( = ICQRE), VBEQ(= VBQ - VEQ),IBQ,ICQ,假设 I1 IBQ,则,存在问题：,工程上，常选用：,RE 越大,VBEQ 越大, Q 点越稳定,VCEQ 越小, 输出动态范围越小,VEQ = 0.2VCC,或,VEQ = 1 3 V,RB1、RB2 过大, 不满足 I1 IBQ,工程上，常选用：,I1 = (5 10)IBQ,则 VBQ 不稳定,RB1、RB2 过小, 放大器 Ri 减小,4.1.2 耦合方式,放大器与信号源、放大器与负载以及放大器级与级之间的连接方式称为耦合方式。,交流信号正常传输。,为保证交流信号正常传输、不失真放大，耦合方式必须保证：,尽量减小有用信号在传输过程中的损失。,实际电路常采用两种耦合方式：电容耦合、直接耦合。,电容耦合,直流工作时：,信号源不影响放大器 Q 点正常设置，且各级 Q 点 相互独立。,交流工作时：,CB 的接入不会影响信号的正常传输。,电路缺点：,体积大，不易集成。,直接耦合,各级之间不经过任何元件直接相连。,直接耦合方式：,电路优点：,频率特性好，便于集成。,存在问题：,问题一 级间直流电平配置,结果：T1 管Q 点靠近饱和区，输出易出现失真,由图,若 RE2 = 0，,后级接入 RE，扩大前级动态范围。,解决方法：,工作在放大模式时：,加电平位移电路,解决方法：,由图,越往后级 VBQ3, ICQ3, , 输出动态范围 ,采用 PNP 管的电平位移电路：,利用 NPN 管与 PNP 管电位极性相反的特点，将直流电平下移，扩大后级的输出动态范围。,VCQ1 VBQ1,放大模式 NPN 管,放大模式 PNP 管,VCQ2 VBQ2 = VCQ1,问题二 零点漂移问题,零点漂移：指 vi = 0 时，输出端静态电压的波动。,第一级采用低温漂的差分放大器。,解决方法：, 则第一级 Q 点变 (VCEQ1 + V),温度漂移：因温度变化引起的漂移，简称温漂。,温漂危害：,若温度变,淹没有用信号。,例如：假设直接耦合放大器原输出端静态电压为 VCEQn,电容耦合放大器由于电容的隔直作用，温漂很小，可忽略。,放大器的组成原则：,直流偏置电路(即直流通路)要保证器件工作在放大 模式。,交流通路要保证信号能正常传输，即有输入信号 vi 时，应有 vo 输出。,判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。,元件参数的选择要保证信号能不失真地放大，即电 路需提供合适的 Q 点及足够的放大倍数。,放大器的组成原则：,元件参数的选择要保证信号能不失真地放大。,放大器：BJT（FET）+外围电路（直流偏置电路+耦合电路）,P242 4-7 如图(a)所示的三级直接耦合放大器中，已知各管=100， 可忽略，要求ICQ1=1mA， ICQ2=1.4mA， ICQ3=1.6mA，各管的 。试（1） 计算各电阻值和各管的VCQ值；（2）将PNP管改为NPN管，如图(b)所示,调整RE2和RC2 ，保证ICQ2不变，试指出电路能否正常工作。,(a),(b),解答：涉及的知识点,放大器静态工作点Q的设置；直接耦合放大器的直流电平配置,（1）第一级电路,(a),KVL、欧姆定律、BJT放大模式条件,则：,(a),则：,第二级电路 PNP管，,第三级电路分析略,(a),（2）T2管换成NPN型，如图。则：,各种小信号放大器均可统一表示为有源线性四端网络,4.2 放大器的性能指标,反映放大器性能的主要指标有：,增益 A。,输入电阻 Ri 、,输出电阻 Ro、,4.2.1 输入电阻、输出电阻、增益,输入电阻,对输入信号源而言，放大器相当于它的一个负载，而这个等效负载电阻就是放大器的输入电阻 Ri 。,定义,上式中，Ri 表示放大电路对输入信号源的影响程度。,输出电阻,对输出负载（电阻）而言，任何放大器均可看作它的信号源，该信号源内阻即放大器输出电阻 Ro 。,vot ：负载开路时 vi 或 ii 在电路输出端产生的开路电压。,ion ：负载短路时 vi 或 ii 在电路输出端产生的短路电流。,输出电阻 Ro 计算：,令负载电阻 RL 开路，信号源为零。,在输出端外加电压 v，则产生电流 i。,定义,小信号放大器四种电路模型,放大器的增益：,增益(放大倍数),即放大器输出信号变化量与输入信号变化量的比值。,A = xo / xi,电压放大器,电流增益：,互导放大器,互导增益：,互阻放大器,互阻增益：,电压增益：,电流放大器,1、负载开路和短路时的增益,（讨论Ro对增益的影响）,1）RL开路时的电压增益,由图：,又：,所以：,越小， 越大， 对 的影响越小，放大器带负载的能力强。,2）、RL短路时的电流增益,由图：,又：,所以：,越大， 越大， 对 的影响越小，放大器带负载的能力强。,2、源增益AS （讨论Ri对增益的影响）,定义：放大器输出信号对信号源信号的比值，表明输入信号源对放大器激励的大小，用AS 表示：,源电压增益：,越大， 越大， 的影响越小。,源电流增益：,越小， 越大， 的影响越小。,理想放大器特点（只考虑放大器的性能指标）,1）、理想电压放大器,大，且与 无关。,2）、理想电流放大器,大，且与 无关。,3）、理想互导放大器,大，且与 无关。,4）、理想互阻放大器,大，且与 无关。,5、小结,2）、在输出端，为有效将信号传送到放大器，且在 变化时，力求输出量不变，则输出量为 时，要求 ，,输出量为 时，要求 ，,理想情况下，,理想情况下，,多级放大器,多级放大器可拆分成单级电路进行分析：,将后级输入电阻作为前级的负载电阻。,将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。,4.2.2 放大器的失真,频率失真,放大器的失真是指输出信号不能重现输入信号波形的一种物理现象。,失真类型,一般而言，放大器中含有电抗元件。在正弦信号激励下，不同频率呈现不同电抗，因而放大器增益应为频率的复函数：,波特图,在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。,(对数刻度),(对数刻度),(线性刻度),(线性刻度),增益分贝值：,通频带：,对应上限频率 fH,及下限频率 fL 。,fH,fL,频率特性的三个频段,中频段：通频带以内的区域。,放大器的增益、相角均为常数，不随 f 变化。,特点：,原因：,所有电抗影响均可忽略不计。,高频段： f fH 的区域。,频率增大，增益减小并产生附加相移。,特点：,原因：,极间电容容抗 分流 不能视为开路。,即极间电容开路、耦合旁路电容短路。,低频段： f fL 的区域。,频率减小，增益降低并产生附加相移。,特点：,原因：,耦、旁电容容抗 分压 不能视为短路。,幅度失真与相位失真,实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：,若不同频率信号呈现不同增益,幅度失真,相位失真,幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。,若不同频率信号呈现不同相角,由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。,注意：线性失真不产生新的频率成分。,非线性失真,非线性失真由三极管产生，它产生了新的频率成份。,假设三极管基射间外加电压：,则,非线性失真系数：,输入电阻、输出电阻、增益,1、输入电阻、输出电阻,放大器的性能指标,放大器的增益：,2、增益(放大倍数),A = xo / xi,电压增益：,电流增益：,1）、RL开路时的电压增益,越小， 越大， 对 的影响越小，放大器带负载的能力强。,（1）、负载开路和短路时的增益（讨论RL对增益的影响）,2）、RL短路时的电流增益,越大， 越大， 对 的影响越小，放大器带负载的能力强。,（2）、源增益AS （讨论RS对增益的影响）,源电流增益：,越小， 越大， 的影响越小。,源电压增益：,越大， 越大， 的影响越小。,理想放大器（只考虑放大器的性能指标）,1）、理想电压放大器,大，且与 无关。,2）、理想电流放大器,大，且与 无关。,3）、理想互导放大器,大，且与 无关。,4）、理想互阻放大器,大，且与 无关。,多级放大器可拆分成单级电路进行分析：,将后级输入电阻作为前级的负载电阻。,将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压。,4、多级放大器,根据三极管(场效应管)在放大器中的不同接法，放大器分为三种基本组态。,4.3 基本组态放大器,无论何种组态放大器，分析方法均相同：,1)由直流通路确定电路静态工作点。,注意：,2)由交流通路画出小信号等效电路，并进行分析。,共发射极放大器,4.3.1 共发电路,共发电路性能分析,画微变等效电路,分析电路输入、输出电阻,共发电路电流增益,通常 RB rbe,短路电流增益,共发电路电压增益,开路电压增益,源电压增益,1)既有电压放大作用、又有电流放大作用。,2)输出电压与输入电压反相。,共发电路提供的最大电压增益,若采用有源负载作为 RC，可使 RC rce,因此,由于厄尔利电压 |VA|VT ，因此共发电路提供的 Av 很大，且其值与静态电流 ICQ 无关。,共发电路特点,共基极放大器,4.3.2 共基电路,共基电路性能分析,画微变等效电路(忽略 rce 影响),共基电路输入电阻,共基电路输出电阻,共基电路电流增益,短路电流增益,共集电极放大器,4.3.3 共集电路,共基电路电压增益,共基电路特点,1)有电压放大作用、但无电流放大作用。,2)输出电压与输入电压同相。,3)输入电阻低、输出电阻高。,共集电路性能分析,画微变等效电路,共集电路输入电阻,其中：,共集电路输出电阻,令 vs = 0、RL 开路，画出求 Ro 的等效电路。,由图推得：,共集电路电流增益,短路电流增益,共集电路电压增益(忽略 rce),其中,三种组态电路性能比较,小,大,小,大,大,小,大,大,1,大,中,中,P244 4-15 一共发放大器如图所示，试画出直流通路、交流通路、交流等效电路。图中各电容对交流信号短路。已知BJT的 试求：,解答： 1）其直流通路、交流通路、交流等效电路分别如图 （a）、（b）、（c）所示：,（a）,（c）,（b）,2）小信号电路模型中的参数未知，故需求解。,由图：,由图：,又：,所以：,三种组态电路的应用,共发放大器,广泛应用于多级放大器提供增益的增益级中。,共基放大器,由于频率特性好，故常与共发电路配合，组成宽带放大器。,共集放大器,利用Ri 高的特点，常作多级放大器输入级；,利用Ro低的特点，常作多级放大器输出级，提高带负载能力。,利用Ri 高、Ro低的特点，常作缓冲级(隔离级)，以提高前级电路的增益。,4.3.3 改进型放大器,一、组合放大