2章基本放大电路.ppt

第2章基本放大电路 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标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晶体管单管放大电路的三种基本接法2 6场效应管放大电路 重点 工作点及其稳定 图解法 微变等效电路分析法掌握基本概念 基本电路 基本原理 基本分析方法 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 电子电路中的放大要有有源器件 能控制能量的元件 电子电路放大的基本特征是功率放大 即负载从有源器件获得比输入大的多的电流或电压 将电源能量转换为负载所获得的能量 放大的对象是变化量 本质是能量的控制和转换 放大的前提是不失真 晶体管工作在放大区 场效应管工作在恒流区 2 1 1放大的概念 2 1 2放大电路的性能指标 由于任何稳态信号都可分解为若干频率正弦信号的叠加 所以放大电路通常以正弦波信号作为实验和测试信号 它有幅度和频率两个主要参数 第一类性能指标 输入信号幅值 频率都确定 1放大倍数 增益 A 电压放大倍数Auu电流放大倍数Aii 2输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 反映放大电路向信号源取多大电流的指标 Ri Ui Ii 3输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 反映了放大电路带负载能力的大小 Ro越小 RL变化时 Uo变化越小 带负载能力越强 1 输入端加正弦波实验信号 测出负载开路 空载 时的输出电压Uo 再测出接入负载RL时的输出电压Uo 2 负载开路 测试信号电压Us 0时的电阻 两个放大电路相连的示意图 Ri Ri1Ro Ro2 第二类性能指标 输入信号幅值不变 频率改变 4通频带fbw 放大电路的增益A f 是频率的函数 在低频段和高频段放大倍数都要下降 当A f 下降到中频电压放大倍数Am的1 时所对应的频率为下限和上限频率fL fHfbw fH fL通频带表明放大电路对信号频率的适应能力 fbw越宽 适应能力越强 第三类性能指标 输入信号频率不变 幅值改变 5非线性失真系数D 输出波形中谐波成分总量与基波成分之比 2 2 1基本共射放大电路的组成及各元件的作用 2 2基本共射放大电路的工作原理 静态 当放大电路的输入信号为零 ui 0 时 放大电路的工作状态 也称为直流工作状态 电路处于静态时 三极管各电极的电流 电压在特性曲线上所确定的一点 称为静态工作点 常称为Q点 一般由IBQ ICQ和UCEQ确定 静态工作点设置的是否合理 对电路来说很重要 它不仅影响放大电路是否会失真 而且会影响所有的动态参数 可以说静态工作点是放大电路的基础 由回路方程得 动态 ui 0时 交直流并存iB IBQ ibiC ICQ icuo UCEQ uce 对基本放大电路 只有设置合适的静态工作点 使交流信号叠加在直流信号之上 保证晶体管在输入信号的整个周期内都工作在放大状态 输出电压波形才不会失真 基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用 并依靠Rc将电流的变化转化成电压的变化来实现的 基本共射放大电路的波形分析 没有设置合适的静态工作点 2 2 4放大电路的组成原则 简单的说 静态时要保证晶体管有合适的工作点动态时使信号能通过晶体管实现不失真的放大1通过设置直流电源的极性和大小 保证晶体管工作在放大区 场效应管工作在恒流区2取适当的电阻值 使放大管有合适的静态直流电流 设置合理的静态工作点 3输入信号必须能作用于放大管的输入回路 产生变化量 输入信号能有效的加到发射结 4放大管输出回路的动态电流作用于负载 输出信号作用于负载 一组成原则 二常见的两种共射放大电路 直接耦合放大电路 信号源与放大电路 放大电路与负载电阻均直接相连 直接耦合放大电路 阻容耦合放大电路 阻容耦合放大电路 信号源与放大电路 放大电路与负载电阻均通过电容相连 2 3放大电路的分析方法 图解法 等效电路法 2 3 1直流通路与交流通路电路中的总电量可看成由直流量和交流量的线性叠加 把直流量和交流量分开来考虑它们对电路的作用 直流通路 ui 0 只有直流电源作用 用于研究Q点 交流 信号源视为短路 有内阻的要保留内阻 电容视为开路 电感视为短路 交流通路 只考虑交流信号ui作用 用于研究动态参数AuRoRi恒定电压源 恒定电流源视为短路 耦合电容视为短路 基本共射放大电路的直流通路和交流通路 直接耦合共射放大电路及其直流通路和交流通路 阻容耦合共射放大电路的直流通路和交流通路 2 3 2图解法 用图解法定量分析时误差较大 且晶体管在高频时受极间电容的影响 特性曲线不再适合 所以多用于分析输出幅值大且工作频率不太高的情况 一般用于分析Q点位置 最大不失真输出电压和失真情况 1确定静态工作点 电压放大倍数2用图解法分析非线性失真3直流负载线和交流负载线 静态工作点和电压放大倍数的分析 基本共射放大电路 1输入回路 1 uI 0时时时输入回路负载线 横坐标 0 纵坐标 0VBB Rb 输入回路负载线斜率 2 时横坐标 0 纵坐标 0 时 Q点沿曲线向上移时 Q点沿曲线向下移 2输出回路 1 时 时时负载线斜率 2 时 电路工作点以Q为起点沿负载线运动 时 Q点向上移动时 Q点向下移动 确定静态工作点 静态工作点的选择与的性质和幅度有关 若幅度很小 可选Q点处于静态电流较小处 以节约能量若希望放大倍数较大 则Q应处于静态电流较大处 若幅度较大 要保证信号不失真 Q应在放大区的中间 电压放大倍数分析 1由输入曲线得 uI iB2在输出特性曲线找到IB IBQ iB曲线 得到 iC uCE 静态工作点对Au的影响 Rb不变VBB IBQUBEQ Q越高 uI不变 iB Au VBB不变Rb Q越高 uI不变 Au VCC不变Rc uCE iC不变 Au 波形非线性失真的分析 从图中可以看出交流成分是以静态值为中心变化的 同时输出信号中的交流变化量与输入变化量反相 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 1 基本共射放大电路的截止失真 NPN uo顶部失真 Q点过低 晶体管部分时间截止 ib底部失真 uo与变化反相 所以uo顶部失真 称为截止失真 措施 增大VBB Q提高 消除截止失真 基本共射放大电路的饱和失真 uo底部失真 Q点过高 ib不失真 由于输入信号正半周靠近峰值的某段时间晶体管进入饱和区 ic产生顶部失真 所以uo产生底部失真 称为饱和失真 措施 降低Q点Rb增大 iBQ减小 iCQ减小Rc减小 UCEQ增大 减小 ICQ减小 iC减小 Q点过低 顶部失真 称为截止失真 措施 增大 Q提高 消除截止失真Q点过高 uo底部失真 称为饱和失真 措施 降低Q点增大Rc减小 减小 PNP Q设置过高 饱和失真 顶部失真 Q设置过低 截止失真 底部失真 电路参数对Q点的影响 Rb IBQ Q 截止失真 Rc ICQ Q进入饱和区 饱和失真 IC uCE VCC icRc Q趋向饱和区 饱和失真 3直流负载线和交流负载线 直流负载线是ui 0时的负载线 交流负载线是交流信号遵循的负载线 对直接耦合放大电路 输出端等效电阻不发生变化 所以交直流负载线为相同的一条直线 对阻容耦合放大电路 直流和交流通路输出端电阻会发生变化 直流时为RC 交流时为RC RL 所以直流负载线和交流负载线是不同的直线 交流负载线在ui 0时 工作点为静态工作点 所以交流负载线必过Q点 阻容耦合共射放大电路的直流通路和交流通路 直流负载线 动态 V CC 是共射电路集电极c处的开路电压 是C处对地的等效电阻 直流负载线和交流负载线 最大不失真幅值Uom 以为中心 取VCC UCEQ和UCEQ UCES这两段距离中较小的数值 为使Uom尽可能大 Q应设在放大区内负载线的中点 横坐标 UCES晶体管的饱和管压降 例2 3 1 P93 2 3 3等效电路法 用等效电路法在一定条件下将晶体管的特性线性化 建立线性模型 就可以很方便的分析晶体管电路 对同一只晶体管 在不同的应用场合有不同的等效模型 晶体管的等效 直流模型 估算静态工作点 晶体管共射h参数等效模型 求动态参数 对放大电路的分析应遵循 先静态 后动态 的原则 只有Q点合适 动态分析才有意义 一晶体管的直流模型 晶体管在静态时工作在放大状态的模型即 UBE UonUCE UBE 二晶体管的共射h参数等效模型 共射接法的放大电路 将晶体管看成一个线性双口网络 用网络的h参数表示输入输出电压电流关系 便可得出等效电路 称为共射h参数等效模型H参数等效模型的四个参数都是在Q点求偏导得到的 所以只在信号较小且线性度较好的区域工作时分析误差才较小 而且此模型没有考虑结电容作用 因此只适于低频 故也称为晶体管的低频小信号模型 以b e作为输入端口 以c e作为输出端口 则网络外部的端电压和电流关系就是晶体管的输入和输出特性 晶体管输入输出特性 全微分 简化的h参数等效模型 在输入回路 内反馈系数h12e很小 即内反馈很弱 近似分析中可忽略不计 输出回路 h22e很小 即rce很大 近似分析该支路电流可忽略不计 所以得到简化的h参数等效模型 的近似表达式 PN结电流方程 基区很薄且载流子浓度很低 所以数值较大 发射区是高浓度掺杂区 载流子浓度很大 所以很小可以忽略 一般单位mA 一般取300欧姆 u为发射结所加电压 三共射放大电路的动态参数分析 直流等效 晶体管工作在放大区 交流等效 动态参数 1无内阻时 有内阻时 放大电路的输入电阻与信号源内阻无关 信号源内阻不算在输入电阻内 输出电阻与负载无关 但放大倍数与负载有关 图解法和等效电路法的比较 1图解法反映晶体管的非线性特性 在输入大信号 低频信号及分析输出幅值和波形失真时比较合适 2等效电路法将晶体管用电路元件代替 利用电路计算的方法 对分析各项指标 如Q点 Au Ri Ro 较方便 尤其是高频信号仍适用 3用晶体管模型时 注意各自的适用范围 直流模型只用于计算静态工作点 h参数模型只适用于低频小信号情况 不能用来计算静态值 晶体管在不同环境温度下的输出特性曲线 2 4放大电路静态工作点的稳定 采取的措施是使温度上升时适当减小基极电流IB 使静态工作点位置基本不变 即保持稳定的Q点 常引入直流负反馈或温度补偿的方法使IB在温度变化时产生与IC相反的变化 静态工作点稳定电路 图b中 Rb1和Rb2为偏置电阻 C1是耦合电容 输入信号Ui耦合到三极管的基极 Rc是集电极负载电阻 Re是发射极电阻 Ce是Re的旁路电容 C2是耦合电容 将集电极的信号耦合到负载电阻RL上 Rb1 Rb2 Rc和Re处于直流通道中 Rc RL相并联 处于输出回路的交流通道之中 稳定原理 当输出回路中IC变化时 通过Re上产生电压的变化使b e间电压变化 引起IB向相反方向变化 达到稳定静态工作点的目的 稳定静态工作点 1Re直流负反馈2I1 IBQ UBQ在温度变化时基本不变 称为分压式电流负反馈Q点稳定电路 静态工作点的计算 交流参数计算 1有旁路电容Ce时 2没有旁路电容Ce时 比较两种情况下的Au 在没有旁路电容时 电路放大能力比有旁路电容时差很多 但若时 不受温度影响 仅取决于电阻 所以实际电路中常将Re分为两部分 只将其中一部分接旁路电容 2 4 3稳定静态工作点的措施 1利用负反馈2采用温度补偿的方法 用温度补偿方法来稳定静态工作点 IRb IR IBQIR为二极管的反向电流 T IC IR IB IC T IC UE UD UB UBE IC 共射接法 e为公共极 iB控制iC 既实现电流放大又实现电压放大共集接法 c为公共极 iB控制iE 无电压放大共基接法 b为公共极 iE控制iC或iC控制iE 无电流放大 2 5晶体管单管放大电路的三种基本接法 2 5 1基本共集放大电路 在直流通路求静态工作点 基本共集放大电路的交流等效电路 求共集放大电路的输出电阻 将输入信号短路 负载开路 由所加的等效输出信号可以求出输出电流可得输出电阻 共集放大电路也称为射极跟随器 无电压放大能力 但输出电流远大于输入电流 所以仍可实现功率放大 由于共集放大电路的输入电阻大 输出电阻小 所以常用来实现阻抗转换 输入电阻大 可使流过信号源的电流减小 输出电阻小 即带负载能力强 故常用于多级放大电路的输入级和输出级 2 5 2基本共基放大电路 共基放大电路输入电流iE 或iC 输出电流iC 或iE 所以无电流放大能力 但有电压放大能力 可实现功率放大 最大的优点是频带宽常用于无线电通讯等方面 2 5 3三种接法的比较 1共射电路既能放大电流又能放大电压 输出电阻较大 频带较窄 常用于低频电压放大电路的单元电路 2共集电路只能放大电流 不能放大电压 电压放大倍数近似为1 具有电压跟随性质 输入电阻最大 输出电阻最小 常用于多级放大电路输入级和输出级 3共基电路只能放大电压 不能放大电流 输入电阻小 AuRo与共射电路差不多 高频特性好 常用于宽频带放大电路 Ri共集 共射 共基Ro共射 共基 共集Au共射共基 共集 2 6 1场效应管放大电路的三种接法 2 6场效应管放大电路 共源放大电路 共漏放大电路 共栅放大电路 MOS管的低频小信号等效模型 通常rds在几千欧到几百千欧 如外电路电阻较小时 可忽略rds 对结型N沟道场效应管 对增强型N沟道MOS管 IDSS 饱和漏极电流 IDO uGS 2UGS th 时的iD 一基本共源放大电路 N沟道增强型MOS管 2 6 2场效应管放大电路静态工作点的设置方法及其分析 求解基本共源放大电路的静态工作点 在漏极特性中作负载线的交点即为Q 由于栅源G S间是绝缘的 1图解法 2公式法 由 基本共源放大电路的交流等效电路 三基本共漏放大电路 求解基本共漏放大电路的输出电阻 单管放大电路 晶体管组成共射 共集 共基放大电路 共射电路具有较大电压放大倍数 适中的输入输出电阻 适用于一般放大 共集电路输入电阻大 输出电阻小 Au近似为1 适用于信号跟随 共基电路的输入电阻小 适用于高频放大 场效应管组成共源 共漏 放大电路与晶体管的共射 共集电路对应 它们的输入电阻高 噪声系数低 输入方式灵活 而且便于集成 但电压放