放大电路学生版.ppt

第2章放大电路 2 2基本放大电路的图解分析法 2 3微变等效电路分析法 2 4静态工作点稳定电路 2 5共集电极放大电路 2 1基本放大电路 2 6放大电路的通频带及多级放大器 2 8差动放大电路 2 9功率放大电路 1 放大的概念 电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号 放大电路又称为放大器 它是把小的输入电压或电流放大的装置 从放大器的功能来看 它又可分为电压放大器和功率放大器 我们主要讲电压放大器 Au 2 放大电路的性能指标 1 电压放大倍数Au Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值 2 输入电阻ri 输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻 加压求流法 一般来说 ri越大越好 ri越大 ii就越小 ui就越接近uS 3 输出电阻ro 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 这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 如何确定电路的输出电阻 在电路的计算中求ro有两个方法 1 所有的电源 包括信号源 置零 保留受控源 然后采用加压求流法 ro u i 测量开路电压uo uso 2 开路电压除以短路电流法 测量短路电流io uso ro 输出电阻 ro uo io 4 通频带 通频带 fbw fH fL 放大倍数随频率变化曲线 幅频特性曲线 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力 2 1基本放大电路 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 1 共发射极基本放大电路的组成 基本放大电路又称作单管放大电路 它是构成复杂放大电路的基本单元 基本放大电路的一般形式 RB 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 基本放大电路的组成 1 三极管T是放大电路核心元件 起电流放大作用 2 基极电阻RB 使三极管发射结正向偏置 并为三极管提供合适的基极电流IB 3 电源UCC 为电路提供能量 4 集电极负载电阻RC 与RB阻值配合 保证三极管集电结反向偏置 即UCE UBE 将变化的集电极电流变换成变化的输出电压 各元件的作用 uo比ui幅度放大且相位相反 2 信号放大过程 放大的实质 用较小的信号去控制较大的信号 放大电路的分析方法 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 2 2基本放大电路的图解分析 一 共发射极基本放大电路的静态分析 静态工作点 静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q 主要指IBQ ICQ和UCEQ 静态分析 主要是确定放大电路中的静态值IBQ ICQ和UCEQ 直流通路 对直流信号的等效电路 耦合电容可视为开路 共发射极基本放大电路 静态 指无交流信号输入时 电路中的电流 电压都不变的状态 1 估算法 直流通路 耦合电容可视为开路 RB称为偏置电阻IB称为偏置电流 2 静态图解法 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点 1 用估算法求出基极电流IBQ 图解步骤 IB 40 A的输出特性曲线 2 作出由UCE UCC ICRC所决定的直流负载线 3 两者的交点Q就是静态工作点 过Q点作水平线 在纵轴上的截距即为ICQ 过Q点作垂线 在横轴上的截距即为UCEQ 二 共发射极基本放大电路的动态分析 动态是指有交流信号输入时 电路中的电流 电压随输入信号作相应变化的状态 由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作 电路中的电压uCE 电流iB和iC均包含两个分量 交流通路 ui单独作用下的电路 由于电容C1 C2足够大 容抗近似为零 相当于短路 直流电源UCC去掉 短接 如何画交流通路 放大器的交流通路 uCE怎么变化 假设uBE静态工作点的基础上有一微小的变化ui Q 动态图解分析 iC uCE的变化沿一条线 交流负载线 当无负载电阻RL时 交流负载线就是直流负载线 Q t 交流负载线 ic 1 RL uce 这就是说 交流信号的变化沿着斜率为 的直线 这条直线通过Q点 称为交流负载线 交流负载线的作法 1 IB 过Q点作一条直线 斜率为 交流负载线 直流负载线 交流负载线的作法 2 动态图解分析小结 图解步骤 1 根据静态分析方法 求出静态工作点Q 2 根据ui在输入特性上求uBE和iB 3 作交流负载线 4 由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE 1 放大器中的各个量uBE iB iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成 2 由于C2的隔直作用 放大器的输出电压uo等于uCE的交流分量uce 且输出电压uo与输入电压ui反相 3 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出 负载电阻RL越小 交流负载电阻RL 也越小 交流负载线就越陡 使Uom减小 电压放大倍数下降 图解分析结论 本课应重点掌握的内容 1 了解放大器的性能指标 2 掌握共发射极基本放大电路的构成 理解各元件的作用 3 掌握共发射极基本放大电路静态工作点的估算方法 两种方法 4 理解放大电路的动态图解分析方法 三 静态工作点的设置及信号失真分析 为保证放大电路能正常工作 放大输入信号 必须设置合适的静态工作点 若信号进入截止区或饱和区 会造成非线性失真 1 饱和失真 Q点过高 在信号的正半周 三极管有一段时间工作在饱和区 失去电流放大作用 2 截止失真 Q点过低 在信号的负半周 三极管有一段时间工作在截止区 0 20 A 40 A 80 A 1 2 3 IB 0 Q t 0 0 uce uo 1 静态工作点偏高引起饱和失真 Q2 Q1 uCE V IB 60 A t 饱和失真 uCE V iC mA iC mA 不产生饱和失真的条件 uBE V 0 Q 5 ib ube 0 t t 0 iB A a 工作点偏低引起ib失真 iB A uBE V 2 工作点偏低引起截止失真 t1 t2 在ube负半周t1 t2时间内 uBE小于死区电压 iB 0 设静态值IB 5 A 0 IB 5 A 20 60 80 3 1 5 6 12 t 0 0 Q 2 25 0 75 2 25 1 5 0 75 ic uce uo 3 9 40 0 b 工作点偏低引起ic uce uo 失真 0 25 0 25 uCE V uCE V t 截止失真 iC mA iC mA 克服截止失真的条件 结论 静态工作点Q设置得不合适 会对放大电路的性能造成影响 若Q点偏高 称为饱和失真 若Q点偏低 称为截止失真 饱和失真和截止失真统称为非线性失真 注 以上波形以NPN三极管为例 小信号条件下把放大电路中的非线性元件 三极管或场效应管线性化 然后应用分析线性电路的方法来分析和计算放大电路的性能和参数 2 3微变等效电路分析法 小功率三极管输入电阻 1 输入特性曲线 一 三极管的微变等效电路 输出端相当于一个受ib控制的电流源 2 输出特性曲线 注意 微变等效电路只是用于分析和计算放大电路的动态性能指标 不能用来分析放大电路的静态工作情况 一 三极管的微变等效电路 二 放大电路的微变等效电路 将交流通路中的三极管用微变等效电路代替 a 先画出交流通路 b 用三极管的微变等效电路代替交流通路中的三极管 c 在等效电路图中标出电流和电压的参考方向 然后应用线性电路的理论分析计算 小结 放大电路的微变等效电路画法 1 电压放大倍数的计算 a 设RS 0 三 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 若 b 若 若 2 放大电路输入电阻的计算 放大电路对信号源来说 是一个负载 可用一个电阻等效代替 这个电阻是信号源的负载电阻 就是放大电路的输入电阻ri 通常约为1k左右 因此共发射极放大电路的输入电阻都比较小 对负载来讲 放大电路相当于信号源 可将它进行戴维南定理等效 等效的内阻就是输出电阻 用ro表示 它也是动态电阻 输出电阻ro RC 输出电阻比较大 3 放大电路输出电阻的计算 所有独立电源置零 保留受控源 加压求流法 ri和ro对放大电路性能的影响 从放大电路的输入端看 ri相当于信号源的负载 所以ri越大越好 从输出端看 放大器相当于一个信号源 其内阻就是放大电路的输出电阻 希望ro越小越好 静态工作点稳定电路 分压式偏置电路 1 实现条件 2 4静态工作点稳定电路 2 静态工作点计算 分压式偏置电路 3 稳定静态工作点原理 5 静态工作点分析 电路如图所示 容量足够大 1 计算静态工作点 2 求大小 例 解 1 求静态工作点 2 求 画出微变等效电路如图所示 已知 则 电压放大倍数为 输入电阻 输出电阻 电路如图 试分析 1 静态工作 点与上例相比有无变化 2 有无变化 例 解 1 静态时射极电阻 因此静态工作点无变化 2 先求 输入电压 输出电压 本课应重点掌握的内容 理解静态工作点设置的意义 掌握共发射极基本放大电路的微变等效分析方法 理解分压式放大电路稳定静态工作点的原理 掌握此电路的静 动态分析方法 2 5共集电极放大电路 电源UCC对交流相当于短路 集电极是输入输出回路的公共端 因此该电路有共集电极放大电路之称 共集电极放大电路又称为射极输出器 也称为射极跟随器 一 静态分析 二 动态分析 1 电压放大倍数 3 输出电阻 利用加压求流法求出电阻ro 将信号源置0 求各支路电流 2 输入电阻 若RS 0 三 射极输出器的应用 射极输出器的特点 a 电压放大倍数接近1 但略小于1 b 输出电压跟随输入信号变化而变化 c 输入电阻高输出电阻低 具有恒压输出特性 1 用在多级放大电路的输入级 可提高放大器的输入电阻 减少对前级的影响 2 用在放大电路的输出级 可以降低放大器的输出电阻 提高带负载能力 3 用在多级放大器的两级共发射极电路之间 起到阻抗变换的作用 这一级称为缓冲级或中间隔离级 0 Q t 0 0 Q1 uCE t uCE iC iC uBE 0 ube 0 t t 0 iB iB uBE IBQ UBEQ ICQ UCEQ 直流负载线 交流负载线 0 1 Q t 0 0 Q1 uCE t uCE iC iC uBE 0 ube 0 t t 0 iB iB uBE IBQ UBEQ ICQ UCEQ 饱和失真 uce负半周变平 ic正半周变平 0 Q t 0 0 Q1 uCE t uCE iC iC uBE 0 ube 0 t t 0 iB iB uBE IBQ UBEQ ICQ UCEQ 0 ic 截止失真 uce负半周变平 静态工作点的设置及信号失真分析 为保证放大电路能正常工作 放大输入信号 必须设置合适的静态工作点 若信号进入截止区或饱和区 会造成非线性失真 1 饱和失真 Q点过高 在信号的正半周 三极管有一段时间工作在饱和区 失去电流放大作用 2 截止失真 Q点过低 在信号的负半周 三极管有一段时间工作在截止区 工作点不稳定 电压放大倍数高 工作点稳定 改善增加导致的电路动态性能不稳定 工作点不稳定 电压放大倍数高 工作点稳定 电压放大倍数接近1 输入电阻高 输出电阻低 具有恒压输出特性 2 6放大电路的通频带及多级放大电路 一 放大电路的通频带 1 放大电路的电压放大倍数 包括输出与输入之间的相位差 是频率的函数 单管放大电路考虑各电容影响时的微变等效电路 幅频特性 相频特性 2 通频带 f fH fL 多级放大电路中前后级的关系是 前级是后级的信号源 后级是前级的负载 二 多级放大电路的耦合方式 耦合 A总 A1 A2 A3 An 耦合方式 1 直接耦合 2 阻容耦合 3 变压器耦合 4 光电耦合 1 变压器耦合多级放大电路 2 阻容耦合多级放大电路 特点 1 电路简单 前后级静态工作点各自独立 2 不能放大变化缓慢的信号即低频响应差 3 由于耦合电容体积较大 因而不易集成 1 静态分析 由于各级静态工作是独立互不影响的 因此静态工作点可分级独立分析计算 2 动态分析 两级阻容耦合电路微变等效电路 输入电阻 输出电阻 3 直接耦合放大电路 1 前后级静态工作点相互牵制 影响 由图 b 可得如下关系式 2 零点漂移 当ui 0时 输出端电压缓慢而无规则变化的现象 就称为零点漂移 衡量放大电路的零漂 通常用等效输入漂移电压作为放大电路的温度漂移指标 本课应重点掌握的内容 理解射极输出器的特点及电路的分析方法 了解多级放大电路的耦合方式及特点 通过阻容耦合方式 理解多级放大电路性能指标的分析方法 2 8差动放大电路 一 差动放大电路的工作原理 抑制零点漂移 当ui1 ui2 0时 差动放大电路是一种直接耦合放大电路 特点是能有效抑制零漂 当温度变化时 电路的对称性越好 抑制零漂的作用越强 2 信号输入 1 共模输入 ui1 ui2 2 差模输入 ui1 ui2 差模电压放大倍数 3 任意输入方式 两个输入信号既非共模 又非差模 它们的数值和极性都是任意的 这种信号称为任意信号 这种信号输入方式就是任意输入方式 输入电阻 输出电阻 共模抑制比 或 差模放大倍数 共模放大倍数 二 典型的差动放大电路及输入输出方式 当电路并不完全对称时 或采用单端输出时 零漂还是存在的 RW 调零电位器 用于调平衡 加入公共发射级电阻RE RE 稳定静态工作点 利用很强的负反馈作用抑制零漂 抑制共模 对差模信号不产生反馈 零点漂移抑制过程 1 静态分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 2 动态分析 本课应重点掌握的内容 理解差放的基本概念 了解差放抑制零漂的原理及电路的动态性能指标 1 双端输入 双端 单端输出 差模信号 单端输出 双端输出 当RE足够大时 RE支路相当于开路 单端输入相当于双端输入 即 对称理想的单端输入的等效输入电路 应用在信号源或前级放大电路必须有一端接地的情况 2 单端输入 双端 单端输出 电压放大倍数 单端输出 同相输出 反相输出 双端输出 输入电阻 单端输出与双端输出相同 输出电阻 单端输出 双端输出 输入电阻 输出电阻 双入 双出 双入 单出 单入 双出 单入 单出 信号输入 1 共模输入 ui1 ui2 2 差模输入 ui1 ui2 3 任意输入方式 两个输入信号既非共模 又非差模 它们的数值和极性都是任意的 这种信号称为任意信号 共模分量 差模分量 每个输入信号表示为 如 则 电路如图所示 已知 1 确定电路的静态工作点 2 当在两输入端A B加入10mV的输入电压 计算输出电压值 3 计算输入电阻和输出电阻 例 解 1 求静态工作点 画出输入电路的直流通路如图所示 列KVL方程 2 先求Ad 输出电压 若忽略RW 2的负反馈作用 则 3 输入电阻 输出电阻 例 扩音系统 功率放大器的作用 做放大电路的输出级 以驱动执行机构 如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转等 在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级 2 9功率放大电路 1 在不失真的条件下输出最大的功率 2 有较高的效率 3 功率管要散热并保护电路 效率定义为 一 对功率放大器的基本要求 Pomax 三极管交流输出最大功率 PE 电源供给的直流功率 功率放大电路的三种工作状态 2 乙类工作状态 3 甲乙类工作状态 1 甲类工作状态 OTL OutputTransformerLess OCL OutputCapacitorLess 二 无输出变压器的互补对称功放电路 OTL 1 特点 单电源供电 输出加有大电容 2 静态时 V1 V2特性对称 UCC 2 RL V1 V2 UCC C A UL UC 没加信号时 B 在输出信号的一个周期内 两个管子交替导通而互相补足 因此称为互补对称放大电路 NPN型 PNP型 3 动态时 设输入端在UCC 2直流电平基础上加入正弦信号 正弦信号被驼载在直流上 时 V1导通 V2截止 若输出电容足够大 其上电压基本保持不变 则负载上得到的交流信号正负半周对称 ui RL ui V1 V2 UCC A UL 实际此处存在交越失真 B 4 输出功率及效率 若忽略交越失真的影响 且ui幅度足够大 则 实用OTL互补输出功放电路 调节R 使静态UA 1 2UCC D1 D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降 克服交越失真 Re1 Re2 电阻值1 2 射极负反馈电阻 也起限流保护作用 互补对称 采用两个晶体管 NPN PNP 两管特性一致 对称电源 USC USC 组成互补对称式射极输出器 NPN型 PNP型 三 无输出电容的互补对称功放电路 OCL 1 工作原理 设ui为正弦波 静态时 ui 0V T1 T2均不工作 uo 0V 动态时 ui 0V T1截止 T2导通 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 注意 T1 T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式 输入输出波形图 死区电压 1 静态电流ICQ IBQ等于零 2 每管导通时间于半个周期 3 存在交越失真 特点 2 最大输出功率及效率的计算 假设ui为正弦波且幅度足够大 T1 T2导通时均能饱和 此时输出达到最大值 负载上得到的最大功率为 若忽略晶体管的饱和压降 则负载 RL 上的电压和电流分别为 效率计算 每个电源中的电流为半个正弦波 其平均值为 两个电源提供的总功率为 UCC1 UCC2 UCC 效率 增加对称的负电源 UCC 使静态时的A点电位为0 OTL电路 OCL电路 OTL与OCL比较 最大不失真功率 交越失真 OCL电路 克服交越失真的措施 静态时 T1 T2两管发射结电位分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 动态时 设ui加入正弦信号 正半周T2截止 T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 负半周T1截止 T2基极电位进一步降低 进入良好的导通状态