半导体三极管及放大电路.ppt

5分压式偏置放大电路 静态工作点的稳定 对于右图所示放大电路 为了保证放大电路有较好的放大效果 并且不引起非线性失真 就必须选择合适的静态工作点Q Q点是由直流负载线与三极管输出特性的交点所决定的 当UCC RC RB确定之后 Q点也就确定 所以这里的放大电路称为固定偏置放大电路 固定偏置放大电路虽然简单和容易调整 但当外部因素变化时 比如温度变化 管子老化 电源电压波动等 将引起静态工作点的变动 严重时使放大电路不能正常工作 其中影响最大因素是温度的变化 比如最初的静态工作点为Q 当温度升高后 对于同一个IB IC将增大 整个输出特性向上平移 这时静态工作点将从Q点移到Q 点 这时放大电路有可能进入饱和区 从而影响放大电路的正常工作 为了克服固定偏置放大电路的缺点 可以对其改进 常采用的共发射极接法的单管放大电路是分压式偏置放大电路 分压式偏置放大电路可以使静态工作点基本稳定 其中RB1 RB2称为偏置电阻 RE称为发射极电阻 CE称为发射极交流旁路电容 由上分析可知 只要满足以上两个假设条件 VB IC IE都与晶体管的参数无关 不受外界因素变化的影响 所以静态工作点基本稳定 温度 IC VE REIE REIC UBE VB VE IB IC 分压式偏置放大电路稳定静态工作点的过程 以上稳定静态工作点的实质是 IC的变化引起RE上电压降的变化 而后引回到输入端和VB比较 使UBE变化 再牵制IC的变化 在分压式偏置放大电路中 RE的接入 使iE的直流分量通过它 起自动稳定静态工作点的作用 CE的接入 使iE的交流分量通过它 不影响放大电路的电压放大倍数 例 已知UCC 12V RC 2k RE 2k RB1 20k RB2 10k 37 5 求 1 静态值 2 Au ri ro 解 1 由直流通路求静态值 2 由微变等效电路求Au ri ro 2 由微变等效电路求Au ri ro 6射极输出器 分压式偏置放大电路属共射极接法 从集电极输出 射极输出器属共集电极接法 从发射极输出 1 静态分析 2 动态分析 2 1电压放大倍数 结论 1 Au接近于1 但恒小于1 所以射极输出器没有电压放大作用 但具有一定的电流放大作用和功率放大作用 2 输出电压和输入电压不仅大小近似相等 且同相位 所以输出电压跟随输入电压的变化而变化 射极输出器又称射极跟随器 2 2输入电阻 ri的两部分都比较大 所以ri是很大的 可达几十千欧至几百千欧 2 3输出电阻 通常rbe RS 都较小 所以ro是很低的 由此说明射极输出器具有恒压输出的特性 结论 1 因为射极输出器的输入电阻高 所以常用作多级放大电路的输入级 这对高内阻的信号源更有意义 2 因为射极输出器的输出电阻低 所以也常用作多级放大电路的输出级 总之 射极输出器的特点是 电压放大倍数接近于1 但恒小于1 输入电阻高 输出电阻低 射极输出器虽没有电压放大作用 但接在多级放大电路中 可以改善放大电路的工作性能 3 有时还将射极输出器接在两极共发射极放大电路之间 对前级而言 它的高输入电阻对前级影响甚小 对后级而言 它的低输出电阻对后级影响甚小 这就是射极输出器的阻抗变换作用 这一级射极输出器也称缓冲级或中间隔离级 7放大电路中的负反馈 1 什么是放大电路中的负反馈 放大电路中反馈即将输出信号 电压或电流 的一部分或全部通过反馈回路引回到输入端 若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低 则称这种反馈为负反馈 若引回的反馈信号增强输入信号而使放大电路的放大倍数升高 则称这种反馈为正反馈 无负反馈的放大电路 仅包含基本放大电路A A可以是单级的或多级的 带负反馈的放大电路 不仅包含基本放大电路A 还包含反馈电路F F多数由电阻元件组成 输入信号 输出信号 反馈信号 差值信号或净输入信号 三者同相位 反馈信号削弱了净输入信号 所以为负反馈 注意 这里的各信号可以是电压也可以是电流 2 反馈类型 正反馈 负反馈 直流负反馈 稳定静态工作点 交流负反馈 串联反馈 反馈信号在输入端总是以电压形式出现 并联反馈 反馈信号在输入端总是以电流形式出现 电压反馈 反馈信号与输出电压成正比 有稳定输出电压的作用 电流反馈 反馈信号与输出电流成正比 有稳定输出电流的作用 3 负反馈对放大电路工作性能的影响 3 1降低放大倍数 基本放大电路A的放大倍数 即开环放大倍数为 反馈系数为 整个放大电路的放大倍数 即闭环放大倍数为 3 2提高放大倍数的稳定性 当外界因素变化 如温度变化 管子老化 电源电压波动等 时 即使输入信号一定 仍将引起输出信号的变化 也就是引起放大倍数的变化 如果这种变化较小 说明放大倍数的稳定性好 根据 AF是正实数 引入负反馈后 放大倍数的相对变化变小 所以其稳定性提高了 根据 反馈深度越深 放大倍数越稳定 若 则 在深度负反馈的情况下 Af仅与反馈电路的参数有关 基本不受外界因素变化的影响 这时放大倍数非常稳定 3 3改善波形失真 以串联电流负反馈为例 负反馈是利用失真的波形去改善波形的失真 因此只能减小失真 但不能完全消除失真 3 4对放大电路输入电阻的影响 串联反馈将使输入电阻增大 放大电路引入负反馈后将使输入电阻增大或减小 与是串联反馈还是并联反馈有关 并联反馈将使输入电阻减小 电压反馈具有稳定输出电压的作用 即有恒压输出的特性 而恒压源的内阻很小 所以电压反馈将使输出电阻减小 电流反馈具有稳定输出电流的作用 即有恒流输出的特性 而恒流源的内阻很大 所以电流反馈将使输出电阻增大 3 5对放大电路输出电阻的影响 放大电路引入负反馈后将使输出电阻增大或减小 与是电压反馈还是电流反馈有关 8阻容耦合多级放大电路 只由一只三极管组成的单级放大电路 它难以获得足够大的电压放大倍数 而实际待放大的信号往往又非常微弱 一般为毫伏级或微伏级 为推动负载工作 必须由多级放大电路对微弱的输入信号进行连续放大 方可在输出端获得足够大的电压或功率 在多级放大电路中 前面若干级主要用作电压放大 以将微弱的输入信号放大到足够大的电压 后面的若干级主要用作功率放大 以输出负载所需的功率 从而推动负载工作 前置级 电压放大 末前级 末级 功率放大 前置级 电压放大 末前级 末级 功率放大 在多级放大电路中 级与级之间的联结方式称为耦合 阻容耦合一般用于分立元件的交流放大电路中 1 阻容耦合只能用于放大交流信号 不能用于放大直流信号 2 在集成电路中 还难于制造容量较大的电容 因此这种耦合方式一般不用于集成电路中 直接耦合多用于集成电路中 它不仅可以放大交流信号 还可以放大直流信号 典型电路 1 放大电路由两级分压式偏置放大电路组成 2 前后级之间通过C2和后级的输入电阻进行耦合 所以是阻容耦合 3 由于C2的隔直作用 所以前后级之间没有直流通路 各自的静态工作点可以单独考虑 4 由于C2的通交作用 若C2值足够大 可以使前级的输出信号差不多毫无损耗地传送到后级的输入端 5 C1 C3也都起隔直通交的作用 6 整个放大电路的电压放大倍数为 推而广之 对多级阻容耦合放大电路有 典型电路 例 已知 RB11 100k RB12 24k RC1 15k RE1 5 1k RB21 33k RB22 6 8k RC2 7 5k RE2 2k 1 60 2 80 RL 5k UCC 20V 求 1 两级各自的静态值 2 两级各自的Au ri ro 3 若已知RS 1k US 1 5V 求Uo 解 静态分析 第一级 第二级 解 静态分析 解 动态分析 9直接耦合放大电路 直接耦合放大电路即多级放大电路的级与级之间采用直接耦合的方式 即把前级的输出端直接接到后级的输入端 对于直接耦合放大电路存在两个比较突出的问题 1 前后级静态工作点相互影响的问题 2 零点漂移问题 直接耦合放大电路主要用于放大缓慢变化的信号或直流信号 对于这些信号 由于耦合电容的隔直作用 所以不能采用阻容耦合方式 另外 直接耦合放大电路主要用于集成电路中 这是因为在集成电路中还难于制造容量较大的电容 所以不便采用阻容耦合方式 1 前后级静态工作点相互影响的问题 如图电路 前级的集电极电位恒等于后级的基极电位 前级的集电极电阻RC1同时是后级的偏流电阻 所以前后级的静态工作点相互影响 互相牵制 为了使每一级放大电路都有放大能力 就要使各自都有合适的静态工作点 图中接入RE2 一方面能提高T1的集电极电位 增大其输出电压的幅度 另一方面又能使T2获得合适的静态工作点 2 零点漂移的问题 一个理想的直接耦合放大电路 当输入信号为0时 虽然输出电压不一定为0 但应稳定在某一数值上 由于受温度或电源电压变化等因素的影响 前级工作状态的任何不稳定 都会传送到后级 而且会象信号一样被逐级放大 这样 即使输入信号为0 输出电压也会偏离原来的起始数值而上下波动 这种现象称为零点漂移 由于零点漂移的影响 当输入信号不为0时 在输出端就难以分辨出输出电压的变化究竟是输入信号引起的 还是零点漂移引起的 尤其当输入信号很微弱时 它甚至会被零点漂移所 淹没 所以必须采取一定的措施 抑制零点漂移 只有当输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时 放大后的有用信号才能被很好地区分出来 通常定义 uid 输入端等效漂移电压uod 输出端漂移电压Au 电压放大倍数 作为评价直接耦合放大电路零点漂移的指标 仅看输出端漂移电压电压的大小是不充分的 必须同时考虑放大电路的电压放大倍数 就是说 只有将输出端漂移电压折合到输入端才能真正说明问题 10差动放大电路 在直接耦合放大电路中 抑制零点漂移的最有效措施是采用差动放大电路 另外直接耦合放大电路 尤以第一级零点漂移的影响最为严重 所以直接耦合放大电路的前置级广泛采用差动放大电路 1 基本差动放大电路 差动放大电路是由两个完全对称的共发射极接法的单管放大电路组成 输入信号由两管的基极输入 输出电压取自两管的集电极之间 1 1静态分析 静态时 ui1 ui2 0 由于电路结构对称 两管的静态工作点必然相同 VC1 VC2 uo VC1 VC2 0 IC1 IC2 当外界因素变化 比如温度升高时 两管的集电极电流都增大 集电极电位都下降 并且对应的变化量都相等 所以 虽然每个管都产生了零点漂移 但由于两管集电极电位的变化相同 所以输出电压依然为0 零点漂移被完全抑制了 1 2动态分析 1 共模输入 若ui1 ui2 这样的输入称为共模输入 可见差动放大电路对共模输入信号没有放大作用 实际上 该电路对零点漂移的抑制就是对共模输入信号的抑制 因为折合到两个输入端的等效漂移电压如果相同 就相当于给放大电路加了一对共模输入信号 2 差模输入 若ui1 ui2 这样的输入称为差模输入 若在两输入端加一信号ui 可见差动放大电路对差模输入信号的放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数 这里用了一倍的元件 放大倍数并没有提高 但换来了对零点漂移的抑制 3 比较输入 若ui1 ui2 既非共模 又非差模 它们的大小和相对极性是任意的 这样的输入称为比较输入 例如 ui1 10mV ui2 6mV 为了便于分析 可以将比较输入信号分解为一对共模分量和一对差模分量 所以 ui1 8mV 2mV uc1 ud1ui2 8mV 2mV uc2 ud2 令 ui1 uc ud 10mVui2 uc ud 6mV 则 uc 8mV ud 2mV uc1 uc2为一对共模信号ud1 ud2为一对差模信号 对于差动放大电路 差模信号是有用信号 要求对其有较大放大倍数 共模信号反映零点漂移 是需要抑制的 对其放大倍数越小越好 理想情况下为0 为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力 定义 KCMRR 共模抑制比Ad 差模放大倍数Ac 共模放大倍数 用对数表示为 共模抑制比越大 差动放大电路分辩差模信号的能力越强 而受共模信号的影响越小 2 典型差动放大电路 差动放大电路所以能抑制零点漂移 是由于电路结构的对称性 实际上完全对称的理想情况并不存在 所以还需要对每个单管的零点漂移进行抑制 为此实际应用的是典型差动放大电路 RE的作用 稳定电路的工作点 使每个管子的漂移得到抑制 温度 IE URE IC1 IC2 对于共模输入信号 RE使两个信号的放大倍数都下降 即使每个管子的零点漂移都得到了抑制 进一步减小了双端输出的零点漂移 对于差模输入信号 两个信号使RE中的电流产生异向变化 只要电路结构的对称性足够好 通过RE中的电流就近于不变 因此RE基本上不影响差模输入信号的放大效果 RE能够区别对待共模输入信号和差模输入信号 这正是所期望的 EE的作用 RE越大 其抑制零点漂移的作用越强 但是在UCC一定时 过大的RE会使集电极电流过小 要影响静态工作点和电压放大倍数 接入负电源EE用来抵偿RE两端的直流压降 从而获得合适的静态工作点 RP的作用 RP是调零电位器 因为电路结构不可能完全对称 当输入信号为0时 ui1 ui2 0 输出电压uo不一定为0 这时可以通过调节RP来改变两管的初始工作状态 使uo 0 这里RP不宜过大 差动放大电路的输入输出方式 双端输入双端输出 若ui1 ui2是一对差模信号 这时差动放大电路的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同 双端输入单端输出 若ui1 ui2是一对差模信号 这时差动放大电路的差模电压放大倍数是单管放大电路电压放大倍数的一半 uo与ui1极性相反 与ui2极性相同 所以ui1输入端称为反相输入端 ui2输入端称为同相输入端 单端输入双端输出 这时输入信号尽管是单端输入 但由于RE的耦合作用 实际上相当于双端输入 且双端输入信号是一对差模信号 大小各为ui的一半 与双端输入双端输出相同 这时差动放大电路的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同 单端输入单端输出 与双端输入单端输出相同 这时差动放大电路的差模电压放大倍数是单管放大电路电压放大倍数的一半 11功率放大电路 多级放大电路的末级或末前级一般都是功率放大电路 以将前置电压放大级送来的信号进行功率放大 去推动负载工作 电压放大电路和功率放大电路都是利用三极管的电流放大作用将信号放大 所不同的是 前者是输出足够大的电压 而后者是输出足够大的功率 前者工作在小信号状态 而后者工作在大信号状态 两者对放大电路各自考虑的侧重点不同 1 对功率放大电路的基本要求 对功率放大电路的基本要求有两个 1 在不失真的情况下应尽可能输出较大的功率 为了输出较大的功率 往往让功率放大电路工作于极限状态 但不超