第二章 电子技术教案.doc

教 案 纸第一章 基本放大电路引言所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。因此，放大器在电子技术中有着广泛的应用，是现代通信、自动控制、电子测量、生物电子等设备中不可缺少的组成部分。放大的过程是实现能量转换的过程，即利用有源器件的控制作用将直流电源提供的部分转换为与输入信号成比例的输出信号。因此放大电路实际上是一个受输入信号控制的能量转换器。 本章主要介绍放大电路的基本概念及结构组成；低频小信号放大电路的工作原理、静态工作点的估算方法；反馈对放大电路性能的影响。 2.1 基本放大电路的概念及工作原理基本放大电路一般是指有一个三极管或场效应管组成的放大电路。放大电路的功能是利用三极管的控制作用，把输入的微弱电信号不失真地放大到所需的数值，实现将直流电源的能量部分地转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路的实质是用较小的能量去控制较大能量转换的一种能量转换装置。三极管有三个电极,三极管对小信号实现放大作用时在电路中可有三种不同图2.1 放大电路中三极管的三种连接方法(a)共(发)射极电路;(b)共集电极电路;(c)共基极电路的连接方式（或称三种组态）,即共(发)射极接法、共集电极接法和共基极接法。这三种接法分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端,而构成不同的放大电路,如图2.1(以NPN管为例)所示。一、 放大电路的组成原则放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大，单凭晶体管的电流放大作用显然无法完成。必须在放大电路中设置直流电源，使其保证晶体管工作在线性放大区。因此，放大电路的组成原则为：(1) 核心元件晶体管必须发射结正偏，集电结反偏；(2) 输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路，以保证晶体管的以小控大作用；(3) 输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转换成负载需要的电压形式；(4) 不允许被传输小信号放大后出现失真。二、共发射极放大电路1.电路组成共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式，其电路组成的一般形式如图2.2（a）所示图2.2 （a） 双电源的单管共发射极放大电路实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，如图2.2（b）所示图2.2 （b） 单电源的单管共发射极放大电路各部分的作用分别为：（1）三极管T：晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用（2）集电极电源UCC：向放大电路提供能量，并保证晶体管工作在放大区（3）集电极电阻RC：是将放大的集电极电流转换成晶体管的输出电压。（4）固定偏置电阻RB：为放大电路提供合适的静态工作点。（5）耦合电容C1和C2：C1隔离直流和让输入交流信号顺利通过。C2隔离直流和让放大的交流信号顺利输出。2.工作原理以图2.2（b）所示的固定偏置电阻的单管共发射极电压放大器为例来说明放大电路的工作原理。放大电路内部各电压、电流都是交直流共存的。其直流分量及其注脚均采用大写英文字母；交流分量及其注脚均采用小写英文字母；叠加后的总量用英文小写字母，但其注脚采用大写英文字母。例如：基极电流的直流分量用IB表示；交流分量用ib表示；总量用iB表示。需放大的信号电压 ui通过C1转换为放大电路的输入电流，与基极偏流叠加后加到晶体管的基极，基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流 iC变化；iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化，即： uCE=UCC- iCRC 由上式可看出：当 iC增大时，uCE就减小，所以 uCE的变化正好与 iC相反，这就是它们反相的原因。uCE经过C2滤掉了直流成分，耦合到输出端的交流成分即为输出电压 u0。若电路参数选取适当，u0的幅度将比 ui 幅度大很多，亦即输入的微弱小信号 ui 被放大了，这就是放大电路的工作原理。 思考：1. 放大电路的基本概念是什么？放大电路中能量的控制与变换关系如何？ 2. 基本放大电路的组成原则是什么？以共射组态基本放大电路为例加以说明 3.如果共发射极电压放大器中没有集电极电阻RC，能产生电压放大吗？ 图2.3固定偏置电阻的单管共发射极放大电路的直流通路2.2 基本放大电路的静态分析（4课时）输入信号ui=0、只在直流电源UCC作用下电路的状态称“静态”。静态分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。首先，要画出要分析电路的直流通路，以图2.2（b）为例，直流下耦合电容C1、C2相当于开路，其等效的直流通路如图2.3所示.。一、解析法确定静态工作点 由图2 .3所示, 首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ: 根据三极管各极电流关系, 可求出静态工作点的集电极电流ICQ：再根据集电极输出回路可求出UCEQ:思考：不设置静态工作点行吗？分析：假如不设置静态工作点结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。例：已知图示电路中UCC=10V，RB=250K，RC=3K，=50，试求该放大电路的静态工作点Q。二、用图解法求解静态工作点利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法。其分析步骤一般为：1.按已选好的管子型号在手册中查找、或从晶体管图示仪上描绘出管子的输入、输出特性如下图所示： 2.画出直流负载线。此步骤是图解法求静态工作点的关键。由放大电路的直流通道可得：UCE=UCCICRC，令UCE=0， 可得：IC=UCC/RC；令IC=0 可得：UCE=UCC，连接两点作出直流负载线。3确定静态工作点直流负载线上交点有多个，只有IBQ对应的交点才是Q点。思考：上述固定偏置共射放大电路有哪些不足？分析：固定偏置的放大电路存在很大的不足。例如当晶体管所处环境温度升高时，晶体管内部载流子运动加剧，因此将造成放大电路中的各参量将随之发生变化。温度TQ点ICUCEVC如果VCIB的小信号条件。偏置电阻RB1和RB2应选择适当数值，使之符合：I1I2IB 的条件。在小信号条件下，IB可近似视为0值。忽略IB时，RB1和RB2可以对UCC进行分压。即：上述分析步骤，就是分压式偏置的共发射极电压放大电路的估算法。显然，基极电位VB的高低对静态工作点的影响非常大。讨论：基极电位VB的高低对静态工作点Q的影响设置合适的静态工作点是对放大电路的基本要求。基极电位VB选择偏高或偏低时，Q点随之上移或下行。设VB较高时：VB设置的高低，取决于两个基极偏置电阻的数值选择，当RB1太大时， VB值就会较低，引起静态工作点Q下行：结论：VB值小Q点低，截止失真！VB的高低对放大电路的静态工作点影响很大。温度对Q点的影响也不能忽视。分压式偏置的共发射极放大电路由于加设了负反馈环节，因此当温度升高时，具有自调节能力。设放大电路环境温度升高，此时温度变化IC基本不受影响 由于电路具有对温度变化的自调节能力，因此集电极电流通常恒定，即: 通过分析可知，交流放大电路中如果不设置静态工作点，输入的交流信号就无法全部通过放大电路，造成传输过程中信号的严重失真；若静态工作点设置不合适，同样会发生传输过程中的饱和失真和截止失真。设置合适的静态工作点显然是放大电路保证传输质量的必要条件，其设置的原则是：保证正常的输入信号不失真的输出且保证静态工作点的相对稳定。分压式偏置的共射放大电路显然可以实现上述原则。通过选择合适的分压电阻RB1和RB2，可获得一个恰当的基极电位VB值，以确保晶体管的发射结正偏和集电结反偏。这样，在信号传输的过程中晶体管就会始终工作在放大区，使放大电路正常工作。电路中的反馈电阻RE则起到了稳定工作点的作用，从而抑制了由于温度变化对放大电路产生的影响。2.3 基本放大电路的动态分析所谓动态,是指放大电路输入信号不为零时的工作状态。当放大电路加入交流信号ui时,电路中各电极的电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成的。所以，在分析电路时，可以采用交、直流分开的分析方法，即人为地把直流量和交流量分开后分别进行分析，然后再把它们叠加起来。求解放大电路的动态输入电阻r0、输出电阻ri及电压放大倍数Au等参量的过程称为动态分析。一、 共发射极放大电路的动态分析1画交流通路原则：1）固定不变的电压源都视为短路；2） 固定不变的电流源都视为开路；3）视电容对交流信号短路2.微变等效电路法（1）三极管基-(发)射极间的等效 根据三极管的输入特性,当输入信号ui在很小范围内变化时,输入回路的电压uBE、电流iB在uCE为常数时,可认为其随ui的变化作线性变化,即三极管输入回路基极与发射极之间可用等效电阻rbe代替。其等效电路如图2.4（b）所示。 图2.4 三级管的微变等效电路根据三极管输入回路结构分析,rbe的数值可以用下列公式计算:(2)三极管集(电)-(发)射极间的等效 当三极管工作于放大区时,ic的大小只受ib控制,而与uCE无关,即实现了三极管的受控恒流特性,ic=ib。所以,当输入回路的ib给定时,三极管输出回路的集电极与发射极之间,可用一个大小为ib的理想受控电流源来等效,如图2.26 (c)所示。 二、.以分压式偏置共发射极放大电路为例进行分析 分析直流电路，求出“Q”，计算 rbe。 画电路的交流通路 。 在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。若电路接入负载，此时电路放大倍数：交流等效输出电阻：r0=RC共发射极放大电路的主要任务是对输入的小信号进行电压放大，因此电压放大倍数Au是衡量放大电压性能的主要指标之一。 共射放大电路的电压放大倍数随负载增大而下降很多，说明这种放大电路的带负载能力不强。共射放大电路中含有交流反馈电阻的动态分析动态分析： 显然电路中加了交流反馈电阻Re后，电路中的电压放大倍数进一步降低了。思考：输入、输出电阻对放大器有何影响？输入电阻ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流的大小。为减轻信号源负担，总希望Ri大些。另外，较大的输入电阻ri，也可降低信号源内阻RS的影响，使放大电路获得较强的输入电压。在共发射极放大电路中，由于RB比rbe大得多，ri近似等于rbe，一般只有几百欧至几千欧，阻值比较低，即共射放大器输入电阻不理想。对负载而言，总希望放大电路的输出电阻越小越好。因为放大电路输出电阻r0越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，则放大电路的带负载能力就越强。而共射放大电路的输出电阻r0在通常只有几千欧至几十千欧，因此输出电阻也不理想。电压放大倍数与晶体管的电流放大倍数、动态输入电阻rbe及集电极电阻RC、负载电阻RL均有关。由计算式可看出，当rbe 和RL一定时，Au与成正比。共发射极电压放大器由于自身的特点，被广泛应用于放大电路的输入级、中间级和输出级。 例 图示电路，已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。（1）用估算法计算静态工作点 (2)用微变等效电路法计算电压放大倍数Au及输入、输出电阻总结：共发射极电压放大电路的特点1. 电路的输入电阻近似等于三极管的动态等效电阻，数值比较小；2. 输出电阻等于放大电路的集电极电阻，数值较大；3. 共发射极电压放大电路的较大，具有很强的信号放大能力。2.4共集电极放大电路一、电路组成电路如图2.5所示, 图中采用分压式稳定偏置电路使晶体管工作在放大状态。晶体管的集电极直接与直流电源UCC相接，负载接在发射极电阻两端。显然，电路的输入极仍为基极，输出极却是发射极。由于信号从射极输出，所以该电路又称为射极输出器。 图2.5 共集电极放大电路二、静态工作点射极输出器的直流通路如图2.6所示图2.6 共集电极放大电路的直流通路由图可知：三、动态分析射极输出器的微变等效电路分别如图2.7所示图2.7 共集电极放大电路的交流微变等效电路1.电压放大倍数Au由图2.7，可得如下关系式 因而式中，上式表明，Au恒小于1，一般情况下，满足(1+)RLrbe，因而又接近于1，且输出电压与输入电压同相。换句话说，输出电压几乎跟随输入电压变化。因此，共集电极放大器又称为射极跟随器。2.输入电阻Ri 由图2.7可知，从基极看进去的电阻为 所以与共射电路相比，由于显著增大，因而共集电路的输入电阻大大提高了。3.输出电阻ro 显然，射极输出器的r0较小，仅为几十欧至几百欧。四、电路特点和应用特点：电压放大倍数小于1约等于1，即u0跟随ui变化。输入电阻较高。输出电阻较低。应用：射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，这是射极跟随器最突出的优点。射极跟随器常用于多级放大器的第一级或最末级，也可用于中间隔离级。用作输入级时，其高输入电阻可以减轻信号源的负担，提高放大器的输入电压。用作输出级时，其低输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响，并易于与低阻负载相匹配，向负载传送尽可能大的功率。 2.5 功率放大器和差动放大电路简介功率放大电路与电压放大电路没有本质上的区别。它们都是利用放大器件的控制作用，把直流电源的能量转化为按输入信号规律变化的交变能量输出送给负载。所不同的是：电压放大电路的主要任务是不失真地放大信号电压；功率放大电路的主要任务则是使负载得到尽可能不失真的信号功率。功放电路中的晶体管称为功率放大管，简称“功放管”。广泛用于各种电子设备、音响设备、通信及自控系统中。一、功率放大器 1. 功率放大器的分类 (1)功率放大器按工作状态一般可分为：甲类放大器：这种功放的工作原理是输出器件晶体管始终工作在传输特性曲线的线性部分，在输入信号的整个周期内输出器件始终有电流连续流动，这种功放失真小，但效率低，约为50%，功率损耗大，一般应用在家庭的高档机较多。乙类放大器：两只晶体管交替工作，每只晶体管在信号的半个周期内导通，另半个周期内截止。该类功放效率较高，约为78%，但缺点是容易产生交越失真。甲乙类放大器：兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点，被广泛应用于家庭、专业、汽车音响系统中。 (2)按放大器功能一般可分为：前级功放：主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后，再输出到后级放大器。后级功放：对前级放大器送出的信号进行不失真放大，以强劲的功率驱动扬声器系统。除放大电路外，还设计有各种保护电路，如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。前级功放和后级功放一般只在高档机或专业的场合采用。合并式放大器：将前级放大器和后级放大器合并为一台功放，兼有前二者的功能，通常所说的放大器都是合并式的，应用范围较广。 2. 功率放大器的特点及技术指标 (1)功率放大器的特点由于功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率，因而输出电压和电流的幅度足够大；由于要求输出信号幅度大，通常使三极管工作在极限应用状态，即三极管工作在接近饱和区与截止区的工作状态，因此输出信号存在一定程度的失真。功率放大电路在输出功率的同时，三极管消耗的能量也较大，因此三极管的管耗不能忽视。功率放大电路工作在大信号运用状态，因此只能采用图解法进近估算。 (2)功率放大器的技术要求由于功放的上述特点，因此实用中对功率放大器有一定的技术要求。 1）效率尽可能高 功放通常工作在大信号情况下，所以输出功率和功耗都较大，效率问题突显。我们期望在允许的失真范围内尽量减小损耗。（2）具有足够大的输出功率为获得最大的功率输出，要求功放管工作在接近“极限运用”状态。选用时应考虑管子的三个极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO 3）非线性失真尽可能小 处于大信号工况下的管子不可避免地存在非线性失真。但应考虑在获得尽可能大的功率输出下将失真限制在允许范围内。（4）散热条件要好功放管工作在“极限运用”状态，因而造成相当大的结温和管壳温升。散热问题应充分重视，应采取措施使功放管有效地散热。 3. 功放电路中的交越失真左图电路采用了两个导电特性相反的管子，其中T1和T2分别为NPN型管和PNP型管。电路工作时，一个管子在信号的正半周导通，另一管子在信的负半周导通，两个管子在信号周期内交替工作，各自产生半个周期的信号波形，在负载上合成一个完整的信号波形，这种功放电路称作乙类功率放大电路。观察电路，可看出此电路没有基极偏置，所以uBE1=uBE2=ui。当ui=0时， T1管和T2管均处于截止状态。交越失真：两个管子在信号周期内交替工作，由于管子总是存在着死区电压，因此在信号零点附近不会产生基极电流，造成传输信号波形的严重失真，由于这种失真产生在过零值处，所以称为交越失真。功放电路中交越失真说明及消除方法此电路是能消除交越失真的甲乙类互补对称的功放电路。只要R1、R2数值适当，当ui =0时，可使IC3 、VB2和VB1达到所需大小，为T1和T2发射结提供适当电压，以消除过零处的交越失真。二、差动放大电路1、零漂现象 直接耦合的多级放大电路，当输入信号为零时，输出信号电压并不为零，而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则持续变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。差动放大电路就是一种对零漂有很强抑制作用的放大电路。2.差分放大电路的组成及静态分析 基本差分放大器如图2.8所示。它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射极连接并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极耦合差分放大器。图2.8 基本差分放大电路电路特点： a. 两个输入端， 两个输出端；b. 元件参数对称；c. 双电源供电；d. ui1 = ui2 时，uo = 0当输入信号为零时, 放大电路的直流通路如图2.9所示, 由基极回路可得直流电压方程式为VEE = UBEQ + IEEREE IEE = (VEE UBEQ) / REE 图2.9 差分放大电路的直流通路ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REE UCQ1 = VCC ICQ1RCUCQ2 = VCC ICQ2RCUo = UCQ1 UCQ2 = 0 可见，静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。2、差分放大电路的动态分析在放大器两输入端分别输入大小相等、相位相反的信号, 即ui1=-ui2时, 这种输入方式称为差模输入, 所输入的信号称为差模输入信号。差模输入电路如图2.8所示, 由图可知，这时一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。因此流过RE的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。所以对差模输入信号而言，公共射极端可视为差模地端，即RE相当对地短路。通过上述分析，可得出图2.8电路的差模等效通路如图2.9所示。图中还画出了输入为差模正弦信号时，输出端波形的相位关系。图2.9 差分放大电路的交流通路差模输入电压：uid = ui1 ui2= 2ui1 使得： ic1 = ic2 uo1 = uo2uod = uC1 uC= uo1 ( uo2) = 2uo1（1）差模电压放大倍数 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时，输出电压为 （3.3.5）输入差模电压为 （3.3.6） （3.3.7）式中，RL=RCRL。可见，双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。（2） 差模输入电阻 差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比。由图2.9可得 （3） 差模输出电阻 温度变化、电源电压波动等引起的零漂电压，折合到放大电路输入端，相当于在放大电路输入端加了“共模信号”，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了“共模信号”。可见，所谓的共模信号对放大电路是一种干扰信号。因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。温度发生变化时，差动放大电路输入端相当于加了一个共模信号，此时两管对共模信号产生的电流，其变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠电路的完全对称性，使两管的零漂在输出端相抵消。因此，零点漂移被抑制。2.6放大电路中的负反馈一、反馈的基本概念反谓反馈，就是将放大器的输出量(电流或电压)，通过一定的网络（反馈网络），回送到放大器的输入回路，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的某些性能获得有效改善的过程。有反馈的放大电路称为反馈放大电路。在反馈放大电路中,反馈量使放大器净输入量得到增强的反馈称为正反馈,使净输入量减弱的反馈称为负反馈。放大电路普遍采用的是负反馈。1.基本组成框图2、基本关系式开环放大倍数：； 反馈系数：； 闭环放大倍数：因