[信息与通信]模电课件第2章 交流放大电路.ppt

1,交流放大电路,第四节、放大电路的微变等效电路分析法,第三节、静态工作点的稳定,第二节、放大电路的分析,第一节、单管交流电压放大电路的组成,第二章 交流放大电路,第九节、场效应管及其放大电路,第八节、功率放大电路,第七节、射极输出器,第六节、放大电路中的负反馈,第五节、阻容耦合多级放大电路,4,晶体管组成放大电路,放大作用将微弱电信号增强到人们所需要的较强的数值。,5,扩音机电路示意图,放大器,信号源,负载,第一节 单管交流电压放大电路的组成,一、基本电压放大电路的组成,二、各元件的作用,7,第一节、单管交流电压放大电路的组成,将微弱电信号放大,推动功率放大电路,输出足够大功率去推动执行元件,低频放大电路工业电子技术中, 输入交流的频率范围在20Hz20000Hz。,8,第一节、单管交流电压放大电路的组成,第一章学习了用于放大的三极管电路。,9,第一节、单管交流电压放大电路的组成,一、电路组成,放大电路组成原则：,1、晶体管工作在放大区，发射结正向运用，集电结反向运用。,2、输入交流信号能送入晶体管e结放大，放大后的交流信号能顺利送到负载上输出。,3、放大电路工作点稳定，失真小。,10,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,11,第一节、单管交流电压放大电路的组成,放大电路组成,晶体管T,耦合电容,集电极电阻,负载,直流电源,基极电阻,交流信号源,信号源 内阻,12,第一节、单管交流电压放大电路的组成,二、元件作用,设置合适的IB,隔直通交,将iC的变化转化为uO的变化,直流电源 提供能量来源,电解电容的正极性，表示接直流高电位。,设各电电位的参考点为“零”，称“地”,13,单电源和简化画法,第一节、单管交流电压放大电路的组成,第二节 放大电路的分析,一、静态分析,二、动态分析,三、波形失真与工作点的关系,15,第二节、放大电路的分析,（1）静态的工作情况 静态当输入信号为零时，放大电路的工作状态，即直流电流及电压值。,概述,IB、IC、UBE、UCE,1、放大电路的两种工作情况,（2）动态的工作情况 动态当加入输入信号时，放大电路的工作状态，即在直流基础上加交流信号。,交流瞬时值：ib、iC、ube、uce,瞬时总值：i、iC、uBE、uCE,包括直流量和交流量,16,符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流量。,uA,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,17,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,18,第二节、放大电路的分析,表2-2-1 放大电路中电压和电流符号,19,第二节、放大电路的分析,（1）静态分析,确定静态值（直流值）： IB、IC、UBE、UCE,2、放大电路的分析的主要任务,（2）动态分析,确定电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。,20,对直流信号 （只有 +UCC ）,1、直流通路和静态值的计算,一、静态分析,输入ui,=0,21,直流通道,包含两个直流通路,22,静态值计算：,1 估算法：,（1）,根据直流通道估算IB,23,第二节、放大电路的分析,直流通路,固定式偏置放大电路 静态电流IB近似为一个固定值。,IB固定偏置电流。,RB固定偏置电阻。,24,（2）,根据直流通道估算UCE、IC,IC,UCE,25,讨论,第二节、放大电路的分析,直流通路,例2-2-1 UCC=12V,RC=2K, RB=200K,=50,试求：放大电路静态值。,解：,26,讨论,第二节、放大电路的分析,直流通路,例2-2-2UCC=24V,=50,IC=2mA, UCE=8V, 试估算RB电阻。,解：,27,2、用图解法确定静态值,第二节、放大电路的分析,把u、i的代数关系式,转换为几何图形,用作图方法求解。,28,uCEUCCiCRC,直流负载线通过直流通路得到，且与集电极负载电阻有关。,输出回路分析,第二节、放大电路的分析,是一个线性方程,两点定一直线, 找两特殊点,29,计算IBUCC/RB, 找IB那条曲线。,直流负载线与IB曲线交点为Q点。,确定IB、IC、UCE。,UCC,IB,第二节、放大电路的分析,做输出直流负载线。,令iC0时: uCEUCC 令uCE0时: iCUCC/RC,作图步骤：,静态工作点Q代表：IB、IC、UCE,输入回路分析略,30,VCC,IB,静态工作点Q的调整：,Q点沿直流负载线下移至Q,RB,Q点沿直流负载线上移至Q,RB,第二节、放大电路的分析,31,第二节、放大电路的分析,二、动态分析,动态当加入输入信号时，放大电路的工作状态，即在直流基础上加交流信号。,32,第二节、放大电路的分析,静态工作情况,us=0,直流量,C2隔直作用,直流无法到达,输入信号为零时,C2,33,动态工作情况,us,瞬时总量,只有交流信号,有输入信号时,第二节、放大电路的分析,34,直流量,直流分量,交流分量,35,瞬时总值 iB 直流分量IC 交流分量ib,结论：,1、交直流共存于放大电路,直流是基础，交流是目的,直流分量,交流分量,在直流量的基础上叠加了一个交流量。,单方向脉动电电流和电压的大小变化，方向不变,第二节、放大电路的分析,36,uCE = UCC iC RC,2、uo与ui倒相180,第二节、放大电路的分析,37,瞬时工作点,瞬时工作点,当发射极电压变化uBE时。,第二节、放大电路的分析,用图解法分析交流输入输出信号,O,IB/mA,UBE/V,38,第二节、放大电路的分析,用图解法分析交流输入输出信号,39,原则一：工作在放大区，有合适静态工作点。,C1隔断直流,无合适静态工作点,工作在截止区,例2-2-1放大电路能否完整地放大信号？,UCC极性反,工作在截止区,讨论,第二节、放大电路的分析,图a,40,原则二：输入交流信号能送入三极管e结放大。,U将输入交流信号旁路,使之不能送入三极管e结放大,讨论,第二节、放大电路的分析,图b,41,原则三：输出交流信号能送到负载上。,UCC将输出交流信号短路,使之不能送到负载上,讨论,第二节、放大电路的分析,图C,42,放大电路的微变等效电路分析法,一、晶体管的微变等效电路,二、电压放大倍数的计算,三、放大电路输入电阻和输出电阻的计算,43,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,麻烦、误差大、无法计算输入和输出电阻,只介绍此法,44,目 的：将含有三极管的非线性电路等效成线性电路。,等效条件：小信号范围内，输入特性近似看成直线。,放大电路的微变等效电路法,ID,45,输入回路,输出回路,输入信号很小时,Q点的切线与曲线重合,rbe为常数。,一、晶体管的微变等效电路,46,输入回路,E,B,三极管输入电阻,动态电阻与静态工作点有关,静态电流,rbe在晶体管手册中常用h表示,47,输出回路,IB,受控电流源,48,考虑曲线上翘影响,iC=ib+ iC,同样 IB下, uCE增大,iC在ib的基础上略有增大,49,rce很大，一般忽略。,50,简化的微变等效电路,51,放大电路的微变等效电路,交流通路,52,二、电压放大倍数的计算,表明输入电压和输出电压反相,53,放大电路信号源内阻RS不可忽略时,电压放大倍数降低了,54,电压放大倍数是放大电路重要性能指标,但大,rbe也大。,IE太大，产生饱和失真,但太大易失真。,必须综合考虑RC、rbe,55,三、放大电路的输入电阻和输出电阻的计算,放大电路与信号源、负载之间是相互联系的。,信号源放大电路输入端 电路输出端负载,56,1、输入电阻ri：从信号源两端向放大器看进去，相当一个动态电阻。,57,2、输出电阻ro：放大器对负载而言，是一个信号源，其内阻为ro。,一般几千欧较高,58,RC,Rs,Rb,一般几千欧较高,59,对ri、ro的一般要求,希望ri高：,从信号源索取电流小，减轻信号源负担。,放大电路从信号源分压大，提高电压放大倍数。,希望rO低：,放大电路相当恒压源，当RLro时，RL变UO（有效值）不变，带负载能力强。,60,归纳,小信号范围内，将含有三极管的非线性电路等效成线性电路。,微变等效电路法,1、三极管的微变等效电路,称h参数等效模型或低频小信号模型。,61,归纳,3、动态参数计算,电压放大倍数,输入电阻ri,输出电阻ro,2、放大电路的微变等效电路,第三节 静态工作点的稳定,一、温度对静态工作点的影响,二、分压式偏置放大电路,63,Q点不稳定因素： UCC波动，管子老化,温度变化。,一、温度对静态工作点的影响,影响最大的是温度引起管子参数的变化。,64,前提：设置合适的静态工作点Q,主要研究,1、失真原因,对于电压放大电路： 能得到符合要求的电压放大倍数； 使输出信号尽量不失真。,65,uo,Q点过低，信号进入截止区,截止失真,截止失真信号波形,2、失真分类,66,uo,Q点过高，信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,67,设置静态工作点的目的,为了保证有较好的放大效果，且不引起非线性失真，放大电路应有稳定的静态工作点。,68,uo,可输出的最大不失真信号,合适的静态工作点,Q点选在负载线中点 输入信号不要太大,69,饱和失真,3、失真改善,减小IB, RB 减小RC,改变负载线斜率。,截止失真 增大IB, RB,改变 RB、RC、UCE 均能调整Q点，但改变 RB最方便 。,70,二、分压式偏置放大电路,（一）电路组成,RB1、2：上、下偏置电阻。 RE：发射极电阻。 CE：发射极旁路电容。,典型的Q点稳定电路。,71,VB基本不受温度影响,故：,直流通路,1、利用RB1、RB2分压来固定基极电位,72,直流通路,2、利用RE上的电压调节UBE的大小来抑制IC的变化,当RB固定时，IC、IE基本不变,73,（二） 稳定原理,UE,直流通路,74,CE作用使交流信号不经过RE,避免在RE上产生交流压降，导致电压放大倍数下降。,发射极旁路电容,75,（三）静态工作点的估算,条件:,直流通路,计算IB较困难，先从计算VB入手。,76,分压式偏置电路的微变等效电路,RC,RL,RB2,RB1,rbe,动态分析,77,例2-3-1 UCC=18V,RC=3K, RE=1.5K, RB1=33K, RB2=12K,=60。 试求：放大电路静态值。,解：,78,T,uo,RC,RS,us,C1,C2,RL,RB2,RB1,RE,VCC,如果电容C开路，动态参数又如何？,79,RE使Au减小， ri增加。,rbe,Ib,RC,RL,RB2,RB1,RE1,80,射极输出器,一、电路的组成,二、工作原理,三、射极输出器的用途,81,放大电路三种形式,共射放大器CE,共基放大器CC,共集放大器CB,共极：仅对交流电压而言， 输入与输出交流电压共用了三极管某一电极的电位。,一般接地，有时通过电阻接地,82,共射极放大电路,共集电极放大电路 (射极输出器),共基极放大电路,83,c,e,简易判别法：从b极到地输入电压，从e极到地取出电压，地电位就是C极电位,c,e,c,84,（一）静态分析,直流通路,一、电路组成,二、工作原理,1、从射极输出， 射极输出器,2、一般不接RC,85,ui ib ic uRe uo,输出电压跟随输入电压，相位相同，数值近似相等，故称电压跟随器。,（三）动态分析,86,微变等效电路,定性分析,定量分析,2、无电压放大作用Au1,87,无电压放大作用Au1, 但有功率放大作用,88,3、输入电阻高,89,4、输出电阻低,90,RS=RS/RB,定性分析,91,对ri、ro的一般要求,希望ri高：,从信号源索取电流小，减轻信号源负担。,放大电路从信号源分压大，提高电压放大倍数。,希望rO低：,放大电路相当恒压源，当RLro时，RL变UO（有效值）不变，带负载能力强。,92,三、主要用途,满足放大电路对ri 、ro的要求。,2、做低阻抗输出级,ri,rO,1、做高阻抗输入级,93,3、做中间隔离级,减小后一级信号源内阻,提高前一级电压放大倍数,94,例:,.,已知UCC=15V, RE= 2k, RB= 150k， RE= 2k， RL= 2k ，晶体管=80， 信号源内阻RS= 500， UBE=0.6V。 试求:(1) 静态工作点 IB、IE 及 UCE； (2) 画出微变等效电路； (3) Au、ri 和 ro 。,95,解:,(1)计算静态工作点,直流通路,96,微变等效电路,(2)由微变等效电路求Au、 ri 、 ro,97,射极输出器,归纳,（2）无电压放大作用Au1。,（3）输入电阻高。,（4）输出电阻低。,1、特点,（1）做高阻抗输入级。,（2）做低阻抗输出级。,（3）做中间隔离级。,2、用途,第五节 多级放大电路,一、多级放大电路的耦合方式,二、多级放大电路电压放大倍数的计算,三、差动放大电路,99,输入级,输出级,中间级,单级放大电路放大倍数有限，需组成多级放大电路。,耦合级与级之间的连接方式。,100,耦合级与级之间的连接方式。,101,RB1,RB1,RE1,RC1,T1,+Ucc,+,+,RL,优点：各级直流状态独立，设计调试方便。 只要耦合电容足够大，信号几乎不衰 减地传递到下一级。,1、阻容耦合方式,102,缺点：不利于集成化：C容量大,制做困难。 低频特性差：C对变化缓慢的低频信号容抗大，低频信号大部分衰减在C上，不向后级传递。,103,2、直接耦合方式,T2的基极电阻为T1的RC1 ,省去RB2。,T1和T2的直流相互流通。,直接耦合前级输出端直接接到后级输入端。,104,优点：低频特性好：可放大变化缓慢的信号。 利于集成化： 没有大容量C，易于集成。,缺点：各级直流状态相互影响，设计调试不便。 存在温度漂移（零点漂移）现象。,105,3、零点漂移现象,（1）零点漂移现象：输入信号为零时，输出电压不为零,且缓慢变化(偏离初始值)的现象。,对于阻容耦合:电容对漂移信号容抗大，漂移被隔在本级，不被放大。,对于直接耦合:使漂移信号逐级被放大。,106,（3）危害：当漂移电压和信号电压频率相近时（变化缓慢），难以分辨，有用信号被淹没。,（4）抑制方法：,直流反馈：Q点稳定电路,差动放大电路,（2）产生原因：温度影响、管子老化，电源电压波动。,主要是温度变化引起半导体器件参数的变化，导致Q点的变化。,107,、多级放大电路的电压放大倍数,108,微变等效电路,前一级的负载应包含后一级的输入电阻,例：所示电路中，已知 1=50，rbe1= 0.96k，三极管T2的2 =50， rbe2=1k，求总电压放大倍数,110,画出两级放大电路的微变等效电路,111,四、差分放大电路,1. 电路组成,图 2.24 差分放大电路的基本形式,VT1 和 VT2 基极输入电压大小相等，极性相反，称为差模输入电压(uId)。,特点：结构对称,112,2.差分放大电路抑制零点漂移原理,1、当没有交流输入（静态），即ui1=ui2=0时，由于电路结构对称，Uc1=Uc2，即Uo=Uc1-Uc2=0；,2、当温度变化时，集电极的电流、电位都要变化，在电路完全对称的情况下，变化量也相同，即Uc1=Uc2，Uo=（Uc1+Uc1）-（U2+Uc2）=0,因此，差分电路具有抑制零点漂移的作用！,113,3、差分放大电路输入方式,在非静态时，差分电路的信号输入有两种方式： 共模输入 差模输入,114,1）共模输入,两个输入信号的大小相等，极性相同。,+,+,-,-,1）若电路完全对称，对共模信号的输出电压等于零，即共模放大倍数为零。 2）差动电路抑制共模信号的能力大小是零点漂移抑制能力的标志。,特点,3、差分放大电路输入方式,115,2）差模输入,两个输入信号的大小相等，极性相反。,+,+,-,-,设ui10，ui20，IC20 进而输出电压uo= uC1- uC2 为两管各自输出电压变化量的2倍。,特点,116,4、差分放大电路的改进,1、改进1,问题：差分放大电路对于共模输入信号的抑制是基于电路结构的完全对称，但在实际工艺中完全对称是十分困难的； 解决：可在发射极电路中接入一个调零电位器RP,当输入uI=0时，调节RP，使UO=0。,发射极电阻具有电流负反馈作用，故加入RP，将降低差模放大倍数，因而RP的值不能太大，在几十几百欧姆之间。,117,2、改进2,问题：利用电路的对称结构来进行补偿是有限的，特别是在单端输出时，无法用电路对称性来抑制零漂 解决：在发射极接入反馈电阻RE,温度T,IC,IE = 2IC,UE,UBE,IB,IC,4、差分放大电路的改进,118,3、改进3,问题:在Ucc保持不变的情况下，增加RE后，导致集电极电流Ic过小，使三极管的静态工作点过低，不利于信号的放大 解决：在发射极电路中接入负电源UEE，以补偿RE两端的直流压降,UEE,4、差分放大电路的改进,119,5、差分放大电路的几种接法,双端输入-双端输出,双端输入-单端输出,单端输入-双端输出,单端输入-单端输出,120,1）双端输入-双端输出,121,2、双端输入-单端输出,122,3、单端输入-双端输出,123,4、单端输入-单端输出,124,共模抑制比,差模输入电压 uId,共模输入电压 uIc (uIc大小相等，极性相同),共模电压放大倍数：,Ac 愈小愈好，而Ad 愈大愈好,图 7 共模输入电压,125,共模抑制比 KCMR,(1) KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强； (2) 理想情况下，电路参数完全对称，Ac = 0， KCMR = 。 (3) 基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。,126,差分放大电路,（四）应用举例,横风 风速,模拟电信号,消除干扰、噪声、漂移,物理变