基本放大电路1.ppt

15.1 共发射极放大电路的组成,15.2 放大电路的静态分析,15.4 静态工作点的稳定,15.6 射极输出器,15.8 互补对称功率放大电路,15.9 场效晶体管及其放大电路,15.3 放大电路的动态分析,15.5 放大电路的频率特性,15.7 差分放大电路,第十五章 基本放大电路,理解共发射极单管放大电路的基本结构和工作原理, 掌握静态工作点的估算，掌握微变等效电路的分析方法, 了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念。 理解射极输出器的基本特点和用途。 了解放大电路的频率特性。 了解多级放大的概念。 理解差分放大电路的工作原理及差模信号和共模信号的概念。 理解基本的互补对称功率放大电路的工作原理。 理解MOS场效晶体管的基本结构、工作原理、主要特 性和主要参数的意义，了解共源极放大电路的工作原理。,第十五章 基本放大电路,基本要求,15.1 共发射极放大电路的组成,晶体管T：放大元件，其实质为一控制元件，即能量较小的输入信号通过晶体管的控制作用，去控制电源Ec所供给的能量，以在输出端获得一个能量较大的信号。,基极电源EB和基极电阻RB：使发射结正偏，并提供大小适当的基极电流，获得合适的静态工作点。,15.1 共发射极放大电路的组成,集电极电阻RC：将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。,集电极电源EC：为电路提供能量，并保证集电结反偏。,耦合电容C1、C2：隔直通交。,信号源：电动势es与电阻Rs组成。,负载：RL,ui = ube uBE = UBE + ube iB = IB + ib iC = IC + ic uCE = UCE + uce uce = uo,15.1 共发射极放大电路的组成,15.2 放大电路的静态分析,静态：放大电路无输入信号（ui = 0）时的工作状态。,分析方法：估算法、图解法。 电路：静态值是直流，故用交流放大电路的直流通路来分析计算。,设置合适的静态工作点，使放大电路的放大信号不失真。,IB、UBE、IC、UCE,静态分析：确定放大电路的静态值，即,UCC = IB RB+ UBE,UCC = IC RC+ UCE,UCE = UCC IC RC,直流通路,15.2.1 用估算法确定静态值,15.2 放大电路的静态分析,绘出晶体管的输出特性曲线组。,找出静态值。,UCE = UCC ICRC,作出直流负载线：,由直流通路求出偏流IB。,得出合适的静态工作点。,15.2.2 用图解法确定静态值,15.2 放大电路的静态分析,直流负载线斜率,直流负载线,由IB确定的某条输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。,O,UCE =UCCICRC,15.2 放大电路的静态分析,15.3 放大电路的动态分析,动态：放大电路有输入信号（ui 0）时的工作状态。,分析方法：微变等效电路法，图解法。 电路：放大电路的交流通路。,动态分析：在静态值确定的基础上分析各极电压和电流的交流分量。 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,15.3.1 微变等效电路法,微变等效电路： 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件： 晶体管在小信号（微变量）情况下工作。所以在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,15.3 放大电路的动态分析,当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的输入特性曲线可近似为直线。, 晶体管的微变等效电路,UBE,低频小功率晶体管的输入电阻估算式：,输入特性曲线,Q,晶体管的输入电阻,晶体管的输入电路可用rbe等效代替。,15.3 放大电路的动态分析,输出特性曲线,rce阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的输出电阻：,输出特性曲线组在线性工作区是一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数：,晶体管的输出电路可用一受控电流源 ic= ib代替。,15.3 放大电路的动态分析,15.3 放大电路的动态分析, 放大电路的微变等效电路,电容对交流视作短路。,微变等效电路,15.3 放大电路的动态分析,一般直流电源的内阻很小，可忽略不计，对交流也视作短路。,晶体管用其微变等效电路代替。,若输入为正弦交流信号，则微变等效电路中的电压与电流都可用相量表示，即用相量法分析电路。,15.3 放大电路的动态分析, 电压放大倍数的计算,负载电阻愈大，放大倍数愈大；,式中的负号表示输出电压与输入电压的相位相反；,Au与和rbe均有关。,15.3 放大电路的动态分析, 放大电路输入电阻的计算,输入电阻是对交流信号而言的一个动态电阻。,放大电路对信号源（或对前级放大电路）来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻 ri 。,15.3 放大电路的动态分析,如果放大电路的输入电阻较小，则： 将从信号源取用较大的电流，增加信号源的负担； 减小实际输入电压，从而减小输出电压； 降低前级放大电路的电压放大倍数。 因此通常希望放大电路的输入电阻高一些。,15.3 放大电路的动态分析, 放大电路输出电阻的计算,15.3 放大电路的动态分析,放大电路对负载（或对后级放大电路）来说，是一个信号源，可以将它用戴维宁等效电路等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻ro ，它也是一个动态电阻。,通常用加压求流的方法求ro,如果放大电路的输出电阻较大，当负载变化时，输出电压的变化较大，也就是放大电路带负载的能力较差。 因此通常希望放大电路的输出电阻低一些。,15.3 放大电路的动态分析,加压求流法,15.3.2 图解法,15.3 放大电路的动态分析, 交流负载线,直流负载线其斜率,交流负载线其斜率,交流负载线,直流负载线,交流负载线比直流负载线要陡些。, 图解分析,由于Q设置不合适或信号太大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，造成非线性失真。,若Q设置太高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。, 非线性失真,15.3 放大电路的动态分析,所谓失真，是指输出信号的波形不像输入信号的波形。,若Q设置太低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,15.3 放大电路的动态分析,15.4 静态工作点的稳定,放大电路应有合适的静态工作点，以保证有较好的放大效果，并且不引起非线性失真。 但由于某些原因，如温度的变化、三极管老化、电源电压波动等因素的影响，将使集电极电流的静态值发生变化，从而影响静态工作点的稳定性。 严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。 前面的电路为固定偏置放大电路，简单、容易调整，但它不能稳定静态工作点。,VB与晶体管参数无关，不受温度影响，基本固定。, 电路特点,15.4 静态工作点的稳定,IC不受温度影响，基本固定。,15.4 静态工作点的稳定,I2 不能太大，否则RB1和RB2就要取得较小，这将增加功率损耗，且增加信号源负担。 VB过高，则使VE增高，UCC一定时，UCE相对减小，从而减小放大电路输出电压的变化范围。,I2 =（5 10）IB VB =（5 10）UBE,15.4 静态工作点的稳定,则VB和IC与晶体管参数几乎无关，不受温度变化的影响，从而静态工作点得以基本稳定。,只要满足, 稳定过程,RE：对直流而言RE越大，稳定性能越好。但 RE不能太大，否则减小输出电压的幅值； 对交流而言RE越大，输出电压越小，因此RE端并联旁路电容CE。,15.4 静态工作点的稳定, 静态分析,15.4 静态工作点的稳定, 动态分析,15.4 静态工作点的稳定,例1: 在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 2k, RE1= 0.2k，RE2= 1.8k，RB1= 20k，RB2= 10k RL= 6k ，晶体管的= 37.5，UBE= 0.6V。 试求静态值； 画出微变等效电路； 计算该电路的Au，ri和ro 。,15.4 静态工作点的稳定,解： 由直流通路求静态值。,15.4 静态工作点的稳定,画出微变等效电路,15.4 静态工作点的稳定,15.5 放大电路的频率特性,由于放大电路中一般都有电容元件，如耦合电容、发射极电阻交流旁路电容及晶体管的极间电容和联线分布电容等。它们对不同频率的信号所呈现的容抗值不同，故放大电路对不同频率的信号在幅度上和相位上放大的效果不完全一样，从而产生频率失真（含幅度失真和相位失真）。,频率特性,幅频特性：,相频特性：,电压放大倍数的模|Au|与频率 f 的关系。,输出电压相对于输入电压的相 位移 与频率 f 的关系。,通频带,fL,fH,下限截止频率,上限截止频率,耦合、旁路电容造成放大倍数降低,三极管结电容、 造成放大倍数降低,15.5 放大电路的频率特性,带宽,BW = fH - fL,在中频段： 由于耦合电容和发射极旁路电容的容量较大，故对中频段信号来讲容抗很小，可视作短路。 晶体管的极间电容和联线分布电容很小，可认为它们的等效电容CO与负载并联。由于CO的容量很小，它对中频段信号的容抗很大，可视作开路。 所以，在中频段可认为电容不影响交流信号的传送，放大电路的放大倍数与信号频率无关。 （前面所讨论的放大倍数及输出电压相对于输入电压的相位移均是指中频段的）,15.5 放大电路的频率特性,在低频段：,在高频段： 由于信号频率较高，耦合电容和发射极电阻旁路电容的容抗比中频段还小，仍可视作短路。 CO的容抗将减小，它与输出端的电阻并联后，使总阻抗减小，在高频时电流放大系数 下降，因而使输出电压减小，电压放大倍数降低。,15.5 放大电路的频率特性,由于信号频率较低，耦合电容和发射极电阻旁路电容的容抗较大，其分压作用不能忽略。以至实际送到晶体管输入端的电压 比输入信号 要小，故放大倍数降低。,CO的容抗比中频段还大，仍可视作开路。,15.6 射极输出器,因为电源Ucc对交流信号相当于短路，故集电极成为输入与输出电路的公共端，所以是共集电极电路。,射极输出器：输出端从发射极输出。,15.6.1 静态分析,15.6 射极输出器,15.6.2 动态分析,15.6 射极输出器, 电压放大倍数,电压放大倍数接近且恒小于1，因为,虽无电压放大作用，但有一定的电流放大和功率放大作用。,输出电压与输入电压同相，且大小基本相等，,15.6 射极输出器,因而输出端电位跟随输入端电位的变化而变化，具有跟随作用，故称射极跟随器。, 输入电阻,射极输出器的输入电阻很高，通常作为放大电路的输入级。,15.6 射极输出器, 输出电阻,用加压求流法求,15.6 射极输出器,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强，可作为放大电路的输出级。,射极输出器的应用,因输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，以减轻信号源负担。,因输出电阻低，它常被用作多级放大电路的输出级，以提高带负载能力。,也可将射极输出器接在两级共发射极放大电路之间，起阻抗变换作用。这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,15.6 射极输出器,射极输出器的主要特点：电压放大倍数接近1；输入电阻高；输出电阻低。,多级放大电路的总电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积； 多级放大电路的总输入电阻为第一级放大电路的输入电阻； 多级放大电路的总输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻； 前级放大电路的输出信号为后级放大电路的输入信号； 后级放大电路的输入电阻为前级放大电路的负载。 耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,多级放大电路及其级间耦合方式,15.6 射极输出器,直接耦合：将前级的输出端直接接到后级的输入端， 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,15.7.1 直接耦合放大电路,15.7 差分放大电路,零点漂移,零点漂移：当输入信号为零时，输出电压出现缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等。其中温度的影响最严重，因而零漂又叫温漂。,直接耦合存在的两个问题：,前后级静态工作点相互影响,抑制零漂关键在第一级,15.7 差分放大电路,15.7.2 差分放大电路的工作原理,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等，因而它们的静态工作点必然相同。,差分放大原理电路,15.7 差分放大电路,uo=VC1VC2 =0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,静态时， ui1 = ui2 = 0,当TICVC（两管的变化量相等）,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移具有抑制作用。, 零点漂移的抑制,15.7 差分放大电路,对于完全对称的差分放大电路来说，两管的集电极电位变化相同，因而输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。,共模输入 大小相等 极性相同 ui1 = ui2,差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。, 信号输入,15.7 差分放大电路,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，则,差模输入 大小相等 极性相反 ui1 = ui2,uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1,即对差模信号有放大能力，两管集电极之间的输出电压为单管输出电压变化量的两倍。,15.7 差分放大电路,ui1 和ui2的大小、极性是任意的。,例: ui1 = 10 mV ui2 = 6 mV,ui2= 8 mV 2 mV,分解成: ui1= 8 mV + 2 mV,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,为便于分析和处理，可将它分解为共模分量和差模分量。,比较输入,共模信号,差模信号,15.7 差分放大电路,RE：限制每个管子的漂移范围，进一步减小零漂，稳定静态工作点。,EE：用来抵偿RE上两端的压降，以获得合适的静态工作点。,调零电位器RP：在静态时将输出电压调为零。,15.7.3 典型差分放大电路,15.7 差分放大电路,RE为共模抑制电阻，不影响差模信号放大。,全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,KCMR越大，说明差分放大电路分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。,15.7 差分放大电路,15.7.4 共模抑制比 （Common Mode Rejection Ratio),15.8 互补对称功率放大电路,功率放大电路：将前置电压放大级送来的低频信号进行功率放大，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。,电压放大电路,功率放大电路,小信号状态,大信号状态,电压放大倍数 输入电阻 输出电阻,效率 最大功率 失真,微变等效电路法 图解法,图解法,15.8.1 对功率放大电路的基本要求,在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。,由于功率较大，就要求提高效率。,电路通常工作在极限状态，要考虑晶体管的极限参数； 由于信号大，电路工作的动态范围大，要考虑失真的问题。,所谓效率，即负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比值。,晶体管的工作状态,甲类工作状态：晶体管在输入信号的整个周期都导通，Q点适中，波形好，管耗大，效率低。,乙类工作状态：晶体管只在输入信号的半个周期内导通，IC0，波形严重失真，管耗更小，效率高。,甲乙类工作状态：晶体管导通时间大于半个周期，Q点沿负载线下移，有失真，管耗小，效率高。,15.8 互补对称功率放大电路,OTL电路：无输出变压器(Output Transformerless) 电路。 它通过容量较大的电容与负载耦合，单电源供电。,15.8.2 互补对称放大电路,15.8 互补对称功率放大电路,工作于甲乙类和乙类状态的互补对称放大电路。 它既能提高效率，又能减小信号波形的失真。,互补对称电路直接与负载相连，双电源供电。,OCL电路：无输出电容(Output Capacitorless)电路。,特点,T1（ NPN型）、T2 （ PNP型）的特性基本相同； 两管均接成射极输出器，输出端有大电容。,静态时(ui= 0), OTL电路,15.8 互补对称功率放大电路,两管工作于 甲乙类状态,动态时,设输入端在UCC/2直流基础上加入正弦信号ui