放大电路的概念及性能指标、基本共射放大电路的工作原理、放大电路的分析方法.ppt

第二章基本放大器 2 2基本共射放大电路的工作原理 2 3放大电路的分析方法 2 4放大电路静态工作点的稳定 2 5放大电路的三种接法 2 6场效应管放大电路 2 1放大电路的概念及性能指标 继续 2 1 1放大的概念 例 扩音系统 放大的作用 把微弱的电信号放大至负载所需的数值 放大的实质 小能量对大能量的控制 由小能量的输入信号去控制放大电路中的直流电源 使之输出较大的能量 然后推动负载 放大的对象 变化量 放大电路的核心器件 BJT或FET 放大的基本特征 功率放大 放大的前提 不失真 基本放大电路及其模型 按输入信号与输出信号的不同组合方式 放大电路有四种基本类型 放大 把微弱的电信号的幅度放大 1 放大倍数 增益 2 输入电阻 3 输出电阻 4 通频带 5 非线性失真系数 6 动态范围 2 1 2放大电路的主要性能指标 1放大倍数 增益 描述放大电路放大能力的指标 电压放大器 电流放大器 跨阻放大器 跨导放大器 电压增益 无量纲 电流增益 无量纲 跨阻增益 跨导增益 S 是复数 反映两者的幅值比和相位差 放大倍数 增益 的 分贝 表示方法 放大倍数也常用分贝作单位 其换算关系为 2输入电阻Ri 用来描述放大电路对信号源索取电流的大小 也表示放大器对信号源的影响程度 输入为电压源 Ri ii ui就越接近uS 输入信号的利用率越高 Ri越大越好 输入为电流源 Ri iRS ii就越接近iS 输入信号的利用率越高 Ri越小越好 从放大电路输入端看进去的等效电阻 3输出电阻Ro 描述放大电路带负载能力的指标 放大电路对其负载而言 相当于信号源 我们可以将它等效为戴维南等效电路 戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 输出电阻的定义式 以电压作为输出量的放大器 Ro越小越好 以电流作为输出量的放大器 Ro越大越好 如何通过实验测取电路的输出电阻Ro 1 将信号源置零 保留受控源 2 将负载开路 在输出端加一个电压uo 测出输出电流io 方法1 加压求流法 3 代入定义式计算 注意 计算输出电阻时必须将独立信号源置零并保留内阻 输出电阻与负载无关 保留内阻 方法2 测量法 1 将负载开路 测量开路 空载 输出电压UO1 2 在输出端接入一个已知负载 测输出电压UO2 3 计算 4通频带BW 描述放大电路对不同频率信号的放大能力 通频带 BW fH fL 放大倍数随频率变化的曲线 幅频特性曲线 中频增益 中频区 高频区 低频区 3dB带宽 5非线性失真系数 D 由于放大电路存在非线性失真 当输入一定频率的正弦波信号时 放大电路的输出波形中 除了由输入信号频率决定的基波成分外 还可能出现谐波 D的定义是各次谐波总量与基波分量之比 即 继续 6最大输出电压幅度 动态范围UO P P 表示非线性失真系数D在允许范围时 放大器能够输出的最大电压的值 用峰 峰值表示 或有效值表示 Uom Iom 7最大输出功率与效率 输出信号不产生明显失真的前提下 能够向负载提供的最大输出功率 用符号Pom表示 效率PV 直流电源消耗的功率 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 uA ua 全量 交流分量 t UA直流分量 2 2 2 2基本放大电路的组成和工作原理 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 继续 单管共射放大电路的工作原理 一 三极管的放大原理三极管工作在放大区 发射结正偏 集电结反偏 UCE 放大原理 UBE IB IC b IB 电压放大倍数 uo ui 继续 当ui 0时 当ui 0时 ui UBE ube IB ib IC ic uCE EC iCRC UCE uce uo EC ICRC icRC UCE icRC 如果参数选择适当 则uo的幅度将比ui大得多 从而达到放大的目的 在输入端加入一个正弦电压后 各极电压和电流围绕各自的静态值按正弦规律变化 放大元件iC iB 工作在放大区 要保证集电结反偏 发射结正偏 二 共射放大电路各元件作用 继续 各元件作用 使发射结正偏 并提供适当的静态IB和UBE 基极电源与基极电阻 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 集电极电阻RC 将变化的电流转变为变化的电压 继续 耦合电容 作用 隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系 同时能使信号顺利输入输出 各元件作用 继续 基本放大电路的习惯画法 继续 RB 最简单的基本放大器组成 正电源 基极电阻 集电极电阻 输入耦合电容 输出耦合电容 输入电压 输出电压 负载电阻 三极管 继续 2 2 4基本放大电路的组成原则 1 典型放大电路 1 输入信号源 uS RS 2 输出负载 RL 4 直流电源 EC 为放大电路提供能量 为放大电路提供合适的静态偏置 使BJT工作在放大状态 3 BJT 放大电路的核心器件 起电流控制和放大的作用 5 C1 C2 耦合电容 起隔直通交的作用 C1 隔断信号源与放大电路的直流联系 将交流输入信号耦合传送到BJT发射结 C2 隔断负载与放大电路的直流联系 将交流输出信号耦合传送到负载上 6 Ce 旁路电容 对Re交流旁路 可提高增益 2 放大电路的组成原则 1 要有合适的静态偏置 保证BJT发射结正偏 集电结反偏 BJT工作在放大区 以实现电流的控制作用 2 要有交流通道 输入回路的接法应使输入电压的变化量能够传送到BJT的发射结 并使基极电流产生相应的变化量 输出回路的接法应能使放大了的信号能从电路中输出 例题 判断图中各电路能否实现电压放大 判断方法 1 晶体管是否为放大偏置 2 交流信号能否输入到发射结 能否输出 看电源极性 隔直电容位置 看旁路电容 1 静态工作点 Ui 0时电路的工作状态 三 静态工作点 Q点 ui 0时 由于电源的存在 电路中存在一组直流量 IC UBE UCE 继续 由于 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点 所以称为静态工作点 为什么要设置静态工作点 为了使三极管工作在线性区 以保证信号不失真 2 3 2 3放大电路的基本分析方法 方法 图解法 微变等效电路法 2 3 1直流通路与交流通路 任务 静态分析 动态分析 电路有两个独立信号源 uS 交流信号源 VCC 直流电源 如果BJT偏置合适工作在放大区 且在交流小信号范围工作 BJT可近似为线性器件 放大电路为线性电路 由线性网络的叠加原理 在两电源的共同作用下 则有 可将放大器分解成直流通路和交流通路两个部分 进行独立的分析 放大电路的两大特点 非线性器件和线性器件共存 交流和直流共存 1 直流通路 直流电源单独作用时 放大电路的等效电路 反映了放大电路的直流偏置电压和电流 2 交流通路 交流信号源单独作用时 放大电路的等效电路 反映了放大电路各处交流信号的传输问题 3 直流通路和交流通路的画法 直流通路 交流信号源置零 保留内阻 电容开路 电感短路 交流通路 直流电源置零 电容短路 电感开路 电源置零方法 电压源短路 电流源开路 适用的频率范围 放大器的中频区 直流通路的画法 将电容开路 将电容开路 继续 例 图示单管共射放大电路中 VCC 12V Rc 3k Rb 280k NPN硅管的 50 试估算静态工作点 解 设UBEQ 0 7V ICQ IBQ 50 0 04 mA 2mA UCEQ VCC ICQRc 12 2 3 V 6V 估算静态工作点的步骤 1 画出直流通路 出IB IC UBE UCE 2 列输入 出 回路的压方程 3 解方程组 课堂练习 求p80 p83 p84三个图的静态工作点 图解 对交流信号 输入信号ui 放大器的交流通路 交流通路 分析动态工作情况交流通路的画法 将直流电压源短路 将电容短路 继续 将电容短路 将电容短路 将直流电压源置零 继续 电源置零方法 电压源短路 电流源开路 例 画出放大电路的直流通路和交流通路 设电容足够大 电容开路 电感短路 交流信号源置零 1 直流通路 电容短路 电感开路 恒压源短路 恒流源开路 2 交流通路 3 2 2 3 2图解法 在三极管的输入 输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况 一 图解法的过程 一 图解分析静态 1 先用估算的方法计算输入回路IBQ UBEQ 2 用图解法确定输出回路静态值 方法 根据uCE VCC iCRc式确定两个特殊点 1 确定iB IBQ的那条输出特性曲线 2 画出直流负载线 输出回路 输出特性 由静态工作点Q确定的ICQ UCEQ为静态值 uCE VCC iCRc 例 图示单管共射放大电路及特性曲线中 已知Rb 280k Rc 3k 集电极直流电源VCC 12V 试用图解法确定静态工作点 解 首先估算IBQ 做直流负载线 确定Q点 根据uCE VCC iCRc iC 0 uCE 12V uCE 0 iC 4mA 0 iB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 3 4 2 2 4 6 8 10 12 M IBQ 40 A ICQ 2mA UCEQ 6V uCE V 由Q点确定静态值为 iC mA 二 图解分析动态 1 交流通路的输出回路 输出通路的外电路是Rc和RL的并联 2 交流负载线 斜率为 交流负载线的两个特征 过Q点 3 动态工作情况图解分析 输出回路工作情况分析 4 电压放大倍数 例 用图解法求图示电路电压放大倍数 输入 输出特性曲线如右图 RL 3k uCE 4 5 7 5 V 3V uBE 0 72 0 68 V 0 04V 解 求确定交流负载线 取 iB 60 20 A 40 A 则输入 输出特性曲线上有 单管共射放大电路的电压电流波形 1 输入正弦信号时 在线性范围内 三极管各极电压和电流的波形都在静态直流量的基础上 叠加一个正弦交流成分 2 单管共射放大电路能够实现电压放大作用 3 单管共射放大电路具有倒相作用 输出回路 EC IB Q 直流负载线 画出直流负载线 确定工作点 练习 图解法分析静态 IB用近似估算法估算 UCE IC满足什么关系 BJT的输出特性 KVL方程 练习 图解法分析动态 1 画出放大电路的交流通路 交流负载线 该直线一定经过静态工作点 对应斜率为 1 RC RL 的直线 3 画交流负载线 交流负载线是放大器动态点 uCE iC 的运动轨迹 过工作点作一条斜率等于 1 RC RL 的直线 2 写输出回路电压方程 4 求电压放大倍数Au ube Q IB UBE ib ic uce 输出信号与输入信号同频 反相 说明 共射放大器的输出与输入反相 二 图解法的应用 一 用图解法分析非线性失真 1 Q点过低 引起iB iC uCE波形失真 ib ui 结论 iB波形失真 截止失真 iC uCE uo 波形失真 NPN管截止失真时的输出uo波形 uo uce 顶部失真 re re 1 工作点设置适当 没有出现失真 Q Q Q 2 工作点设置过低 出现顶部削波失真 称为截止失真 1 工作点设置适当 没有出现失真 Q 3 工作点设置过高 出现底部削波失真 称为饱和失真 2 工作点设置过低 出现顶部削波失真 称为截止失真 1 工作点设置适当 没有出现失真 Q Q 饱和失真和截止失真是由于BJT进入非线性区域引起的 属于非线性失真 注意 PNP管的失真表现形式 与NPN管正好相反 二 用图解法估算最大输出幅度 输出波形没有明显失真时能够输出最大电压 即输出特性的A B所限定的范围 若Q设在线段AB的中点 则AQ QB CD DE 则 若Q设置过高或过低 则动态工作范围不能充分利用 使最大输出幅度减小 此时Uom由CD和DE中的较小者决定 re 在基本不失真的情况下 电路能够输出的最大电压 IBQ Ucem IBQ Ucem IBQ Ucem 说明 工作点设置不当 将会减小放大电路的动态范围 工作点设置在交流负载线的中部时 动态范围最大 在保证输出不失真的条件下 为了降低电路的功耗 工作点应该设置低一些 问1 为使最大不失真输出电压UOM尽可能大 Q点该如何设置 问2 放大电路带负载后 最大不失真输出电压UOM如何变化 三 用图解法分析电路参数对静态工作点的影响 1 改变Rb 保持VCC Rc 不变 Rb增大 Rb减小 Q点下移 Q点上移 2 改变VCC 保持Rb Rc 不变 升高VCC 直流负载线平行右移 动态工作范围增大 但管子的静态功耗也增大 Q2 3 改变Rc 保持Rb VCC 不变 4 改变 保持Rb Rc VCC不变 增大Rc 直流负载线斜率改变 则Q点向饱和区移近 Q2 增大 ICQ增大 UCEQ减小 则Q点移近饱和区 练习 电路参数改变对Q点的影响 1 EC的影响 EC 直流负载线右移 Q2 Q点移向右上方 特性曲线上移 2 基极偏置电阻的影响 工作点下移 Q2 Q3 调整工作点一般是通过改变基极偏置电阻来实现 工作点上移 3 RC的影响 工作点左移 直流负载线变平坦 直流负载线变陡 工作点右移 Q2 Q3 4 的影响 工作点移向左上方 特性曲线上移 工作点移向右下方 特性曲线下移 Q2 Q3 例题 图中 Rb 300k RC 2 5k UBE 0 7V 交流通路中电容C1 C2的容抗可以忽略 100 1 若将输入信号幅值逐渐增大 用示波器观察输出波形时 将首先出现哪一种形式的失真现象 说明静态工作点靠近饱和区 首先出现饱和 底部 失真 直流负载线 说明静态工作点靠近饱和区 首先出现饱和 底部 失真 直流负载线 2 应改变哪个电阻值来减小失真 增大还是减小 要减小工作点偏高引起的失真 应调整电路参数来降低工作点 增大Rb 使IB减小 工作点下移 可减小失真 常用的方法 也可以减小RC 使直流负载线斜率增大 远离饱和区 图解法回顾 估算静态基极电流IB 画直流负载线 确定Q点 画出交流负载线 求Au 2 通过图解分析饱和 截止失真 1 图解法的分析步骤 3 利用图解法估算Uom 最大不失真输出电压幅度 4 了解电路参数对放大电路Q点的影响 放大电路Q点的设置非常重要 Q点设置适当 可以减小放大器的截止 饱和失真 获得最大的动态范围 在保证不失真的条件下尽量降低Q点以减小电路的静态功耗 2 3 3微变等效电路法 晶体管在小信号 微变量 情况下工作时 可以在工作点附近小范围内用直线段近似代替三极管的特性曲线 三极管就可以等效为一个线性元件 以将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 微变等效条件 研究的对象仅仅是变化量 信号的变化范围很小 一 BJT交流小信号模型及参数 uS 0 相当于在静态工作点上叠加交流信号 ib 若工作点选择适当 且信号电压较小 可将BJT在小范围内的特性曲线看成直线 BJT可以用一个线性电路来代替 可以将BJT看成一个线性的四端网络 并用线性元件组成的网络来模拟BJT端口的伏安特性 IB UBE IC UCE 电路如图所示 静态偏置 uS 0 时 各极电压和电流为 BJT交流小信号模型 静态工作点Q BJT的H参数模型 1 共射BJT H参数的引出 自变量取 ib uce 应变量取 ube ic 输入 输出端口的V A关系分别为 对上两式取全微分 得 在小信号作用下 可用交流量表示微变量 得 hie hre hfe hoe称为共射BJT的H参数 2 共射H参数的物理意义 输出交流短路时的输入阻抗 表示输入特性曲线在工作点处切线斜率的倒数 反映了输出回路对输入回路的影响 2 输入端交流开路时的反向电压传输系数 3 输出交流短路时的正向电流放大倍数 反映了ib对iC的正向控制作用 4 输入端交流开路时的输出导纳 反映了uCE通过厄利效应对iC的影响 3 H参数等效电路 4 简化的H参数等效电路 H参数数量级 注意 1 hfeib代表BJT的电流控制作用 为受控电流源 2 hfeib的方向必须与ib的方向保持一致 5 物理模型与H参数模型 BJT的小信号模型 rbe的计算 由PN结的电流公式 常温下 其中 rbb 200 前提