[信息与通信]第2章 放大电路基础.ppt

第二章放大电路基础 概论 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 放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示 如图 A 扩音机是怎样工作的 直流供电电源 前置放大器 功率放大器 放大的概念 放大器的分类 直流放大器 音频放大器 视频放大器 脉冲放大器 信号的特征 宽带放大器 谐振放大器 信号的大小 小信号放大器 大信号放大器 功率放大器 1 放大倍数 放大电路的性能指标 电压放大倍数 电流放大倍数 放大倍数除用信号的有效值定义之外 还可以根据需要用信号的峰值或者峰 峰值来定义 放大器的一般模型 放大电路的性能指标 1 放大倍数 2 输入阻抗Zi 输入电阻ri 放大电路一定要有前级 信号源 为其提供信号 那么就要从信号源取电流 输入阻抗 电阻 是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数 输入阻抗 电阻 越大 从其前级取得的电流越小 对前级的影响越小 放大电路的性能指标 3 输出阻抗 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阻抗 电阻 放大器的指标 3 输出电阻Ro 如何确定电路的输出电阻Ro 3 放大电路的性能指标 放大的性能指标 方法一 计算 步骤 1 所有的电源置零 将独立源置零 保留受控源 2 加压求流法 方法二 测量 1 测量开路电压 2 测量接入负载后的输出电压 步骤 3 计算 3 输出电阻Ro 放大的性能 3 放大电路的性能指标 4 通频带 通频带 fbw fH fL 放大倍数随频率变化曲线 放大器的性能指标 放大器的性能指标 5 最大输出幅值 一般用电压表示 6 最大输出功率与效率最大输出功率 POM 输出波形基本不失真的情况下 能够向负载提供的最大功率 效率 放大电路的最大输出功率与直流电源消耗的功率之比 7 放大器的失真 1 频率失真 对于不同的频率 放大器具有不同的增益 且产生不同的相移 由此产生的失真叫做频率失真 幅度失真 对不同频率的信号增益不同 产生的失真 基波 二次谐波 输入信号 输出信号 基波 二次谐波 放大器的性能 相位失真 对不同频率的信号延迟时间不同 产生的失真 放大器的性能指标 7 放大器的失真 2 瞬变失真放大突变信号时由于电抗元件上的电压和电流不能突变引起的输出波形的失真叫做瞬变失真 衡量标准 上升时间tr 下降时间 特定时间的跌落值 3 非线性失真系数 THD 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 即 THD的定义是各次谐波总量与基波分量之比 7 放大器的失真 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 共射放大电路的基本组成 1 元件的作用 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 参考点 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 共射放大电路的基本组成 1 元件的作用 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点 基极电源与基极电阻 共射放大电路的基本组成 1 元件的作用 耦合电容 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 共射放大电路的基本组成 1 元件的作用 2 单电源放大电路 共射放大电路的基本组成 1 元件的作用 2 单电源放大电路 共射放大电路的基本组成 1 元件的作用 2 单电源放大电路 3 组成一个放大器的基本原则 1 发射结必须正偏 集电结必须反偏 以保证放大器处于放大状态 2 对输入回路 应当使输入的电压信号变成电流信号 因为ic ib 3 对输出回路 应当尽可能将信号送到负载 4 为保证放大器不失真地放大 直流下的电流和电压必须设置得合适 静态工作点 Q点 由于电源的存在IB 0 IC 0 IBQ ICQ 一 静态工作点的设置1 静态工作点的概念 在没有输入信号时 晶体管各电极的直流电流和电压 即IBQ ICQ BEQ CEQ IBQ VBEQ 和 ICQ VCEQ 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 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置1 静态工作点的概念 IBQ VBEQ 和 ICQ VCEQ 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 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置1 静态工作点的概念 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置2 静态工作点的估算 解得IBQ VCC VBEQ RB因为发射结正偏时VBEQ 0 7V或者0 3V 所以IBQ VCC RBICQ IBQVCEQ VCC ICQRC由此得到Q点的四个值 由输入回路VCC VBEQ IBQRB由输出回路VCC ICQRC VCEQ由电流分配的关系ICQ IBQ 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置2 静态工作点的估算 1 画出实际放大电路的直流通路 并在电路上标出IB IC VBE VCE 2 根据直流通路列出输入回路 输出回路的电压方程 3 利用方程IC IB 4 解方程组得到IB IC VCE VBE用估算的方法写出 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置2 静态工作点的估算 如图所示的电路 设 50 VBE ON 0 7V 若要求静态输出电压VOQ 0V 试求RB的值及相应的ICQ VCEQ VEE IBQRB VBE ON 1 IBQREVEE VCEQ 1 IBQREICQ IBQRC 1 IBQ VCC 解得 VCEQ 6VRB 270k 假设有一微小的输入 i 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置3 放大过程 输出的交流电压 o icRC BE BE i iB IB ib CE CC iCRC CC IC ic RC CC ICRC icRC CE icRC iC iB IB ib IC ic 各点波形 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置3 放大过程 i 0 i sin t 各点波形 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置3 放大过程 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置3 放大过程 结论 1 o与 i的相位相反 2 BE iB CE iC都是由直流和交流两个部分组成的 3 我们所说的放大作用是指输出与输入的交流成分的关系 不包括直流成分 静态工作点 Q点 一 静态工作点的设置4 不设静态工作点带来的问题 这种失真称为非线性失真 RB不接入电路 1 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 3 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流 4 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压 经电容滤波只输出交流信号 实现放大的条件 下列a f电路哪些具有放大作用 放大电路的分析方法 放大电路分析 静态分析 确定不加输入信号时放大电路的工作状态 估算静态工作点即IB IC BE CE 动态分析 计算出加上输入信号后放大电路的各项主要技术指标 如电压放大倍数AV 输入电阻Ri 输出电阻Ro等 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 计算机仿真 一 图解法确定Q点由基极回路 VCC IBRB VBE由集电极回路 VCC ICRC VBE由输入特性曲线 IB f1 BE 由输出特性曲线 IC f2 CE 1 基本步骤 1 把放大电路分为线性和非线性两部分 2 作出电路的非线性部分的伏安特性 即三极管的输入和输出特性曲线 3 作出电路的线性部分的伏安特性 即直流负载线 4 电路的线性部分与非线性部分的伏安特性曲线的交点即为Q点 图解法 先估算IB 然后在输出特性曲线上作出直流负载线 与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点 2 直流负载线 图解法 一 图解法确定Q点 直流负载线的特点 1 与横轴的截距为VCC 2 与纵轴的截距为VCC Rb或VCC RC 3 与横轴的锐夹角为 tg 11 RC 3 电路参数的改变时对Q点的影响 图解法 一 图解法确定Q点 1 RB的影响若改变RB 就会改变偏流IBRB VCC RB IB Q 2 RC的影响若改变RC 直流负载线的斜率会发生变化RC VCC RC Q右移 3 电路参数的改变时对Q点的影响 图解法 一 图解法确定Q点 3 电源VCC的影响改变VCC 直流负载线发生平移VCC Q RB RC VCC的改变都对Q点的位置有影响 但RB的影响最大 故为了得到合适的Q点 常常调节RB 1 交流负载线 其中 图解法 二 动态分析 因为iC IC ic CE VCE ce同时 ce o icRL iC IC RL 则VCE CE iC IC RL 或iC 1 RL VCE CE ICRL RL 结论 1 交流负载线的斜率是 1 RL 与横轴的锐夹角为 tg 11 RL 2 iC IC时 CE VCE说明交流负载线通过Q点 交流负载线的作法 IB 方法1 过Q点作一条直线 斜率为 交流负载线 1 交流负载线 图解法 二 动态分析 交流负载线的作法 IB 方法2 过原点作一斜率为 1 RL 的辅助直线 再平行移动通过Q点即为交流负载线 交流负载线 1 交流负载线 图解法 二 动态分析 交流负载线的作法 IB 方法3 选择两个特殊的点 静态工作点 与横轴的交点 与横轴的交点的作法 令iC 0 由交流负载方程得 CE VCE iCRL 1 交流负载线 图解法 二 动态分析 IB 说明 1 当有交流信号输入时 电路的瞬时工作状态将沿着交流负载线移动 2 直流负载线只能用来确定静态工作点 3 当RL 时 直流负载线与交流负载线重合 1 交流负载线 2 3 3图解法 二 动态分析 2 用图解法描绘放大电路各处的电流和电压的波形作图步骤 1 确定放大器的直流工作状态 2 按照输入电压的变化规律 在输入特性上画出iB的波形 3 在输出特性上按iB的波形作出iC和 CE的波形 注意 各级电流和电压的交流分量是总瞬时值的一部分 虽然极性和方向始终不变 但为了分析和计算方便 其中交流分量的极性和方向可以认为是变化的 这样对交流分量的分析就存在一个假定正方向的问题 各级电流和电压的交流成分保持一定的相位关系 输出电压与输入电压相位相反是共射极电路的重要特点之一 图解法 二 动态分析 iB CE怎么变化 图解法 二 动态分析 2 用图解法描绘放大电路各处的电流和电压的波形 动态工作时 iB iC的实际电流方向是否改变 CE的实际电压极性是否改变 iB 图解法 二 动态分析 3 根据图解的结果计算放大器的放大倍数 AV o iAi Io IiAp AV Ai 在放大电路中 输出信号应该成比例地放大输入信号 即线性放大 如果两者不成比例 则输出信号不能反映输入信号的情况 放大电路产生非线性失真 失真产生的原因 晶体管的非线性 解决的办法 选管子 线性区要宽 输入曲线成直线 输出曲线簇接近于平行等距 静态工作点不合适 图解法 二 动态分析 4 失真分析 o 可输出的最大不失真信号 图解法 二 动态分析 4 失真分析 1 Q点合适时 o 2 Q点过低 信号进入截止区 放大电路产生截止失真 图解法 二 动态分析 4 失真分析 3 Q点过高 信号进入饱和区 放大电路产生饱和失真 为了得到尽量大的输出信号 要把Q设置在交流负载线的中间部分 如果Q设置不合适 信号进入截止区或饱和区 造成非线性失真 图解法 二 动态分析 4 失真分析 直流通道和交流通道 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号 但是 电容对交 直流的作用不同 如果电容容量足够大 可以认为它对交流不起作用 即对交流短路 而对直流可以看成开路 这样 交直流所走的通道是不同的 交流通道 只考虑交流信号的分电路 直流通道 只考虑直流信号的分电路 信号的不同分量可以分别在不同的通道分析 1 对直流信号 只有 VCC 直流通道和交流通道 2 对交流信号 输入信号 i 直流通道和交流通道 补1小信号模型分析法 补1 1BJT的小信号建模 补1 2共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出 H参数小信号模型 模型的简化 H参数的确定 意义 思路 利用直流通路求Q点 画小信号等效电路 求放大电路动态指标 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 建立小信号模型 就是将非线性器件做线性化处理 从而简化放大电路的分析和设计 补1 1BJT的小信号建模 1 H参数的引出 在小信号情况下 对上两式取全微分得 用小信号交流分量表示 vbe hieib hrevce ic hfeib hoevce 对于BJT双口网络 我们已经知道输入输出特性曲线如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 可以写成 输出端交流短路时的输入电阻 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数 输入端交流开路时的反向电压传输比 输入端交流开路时的输出电导 其中 四个参数量纲各不相同 故称为混合参数 H参数 1 H参数的引出 2 H参数小信号模型 根据 可得小信号模型 H参数都是小信号参数 即微变参数或交流参数 H参数与工作点有关 在放大区基本不变 H参数都是微变参数 所以只适合对交流信号的分析 3 模型的简化 即rbe hie hfeuT hrerce 1 hoe 一般采用习惯符号 则BJT的H参数模型为 uT很小 一般为10 3 10 4 rce很大 约为100k 故一般可忽略它们的影响 得到简化电路 ib是受控源 且为电流控制电流源 CCCS 电流方向与ib的方向是关联的 4 H参数的确定 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 可用图示仪测出 一般也用公式估算rbe rbe rb 1 re 其中对于低频小功率管rb 200 则 补1 2用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路 共射极放大电路 1 利用直流通路求Q点 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V 已知 2 画出小信号等效电路 共射极放大电路 H参数小信号等效电路 3 求电压增益 根据 则电压增益为 可作为公式 4 求输入电阻 令 微变等效电路分析法 2 输入电阻hie rbe 的近似估算 又因工作在Q点上 故 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 i i o 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 1 求Av 0 i be i ce o于是由输入回路 i rbeIb hre o 1 由输出回路 2 由 2 得 o 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 1 求AV 0 i be i ce o于是由输入回路 i rbeIb hre o 1 由输出回路 由 2 得 代入 1 中得 则得 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 1 求AV 0 i o rbe 103 102gce 10 8 s hre 10 4 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 1 求Av 0 i o rbe 103 102gce 10 8 s hre 10 4 负号说明输出电压与输入电压是反向的Av与Rc有关 适当增加Rc 在一定范围内可以提高A Av与hfe的关系 在hfe较小时 增加hfe A 可以提高 但不是一个正比关系 在hfe较大时 Av与hfe基本无关 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 1 求AV 0 i o 用简化的h参数等效电路计算 o 由输入回路 i rbeib由输出回路 o iCRL ibRL 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 2 求Ai iO ii由输出回路 iO iC ib gce O而 O iORL ib ii iO ii gceiORL 则 o o 通常gce 1 AI 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 3 求Ap PO Pi Ap Av AI i rbe ib ic o RB R L rce hre ce 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 4 求输入电阻与输出电阻 i rbe ib ic o Rb R L rce hre ce 输入电阻的定义 为be支路的电阻 i Ib rbe hre O Ib rbe hre Ib Ib rbe hre 若不考虑hre ce则Ri Rb hie 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的的输入电阻 微变等效电路分析法 3 计算放大器的性能指标 4 求输入电阻与输出电阻 计算输出电阻的方法 所有电源置零 然后计算电阻 对有受控源的电路不适用 所有独立电源置零 保留受控源 加压求流法 ic o 分压偏置电路 1 参数的计算 分压偏置电路 1 参数的计算 问题2 如果电路如图所示 如何分析 静态分析 直流通路 分压偏置电路 1 参数的计算 动态分析 交流通路 分压偏置电路 1 参数的计算 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 共射极放大电路 固定偏流电路与射极偏置电路的比较 固定偏流共射极放大电路 Ro Rc 分压偏置电路 例6 电路的形式及参数如图所示 试 rbb 300 1 确定Q点 2 估算rbe 3 计算AV 4 计算Ri和Ro 1 求Q点 IC IE VB Re 4V 2k 2mAVCE VCC ICRC IERE 3VIB IC 2mA 40 50 A 2 估算rbe rbe 300 1 分压偏置电路 3 计算A Vi 4 求Ri和RoRi Rb1 Rb2 rbe rbe 833 Ro Rc 2 5k RL RC RL 2 5 5 2 5 5 1 66k则 分压偏置电路 Vi 若没有电容Ce 再求解上题 此时 Q点和rbe保持不变 而 11 5k 分压偏置电路 如果有信号源内阻Rs 100 求AVs o s i AVs 79 7 0 89 71 16 Rs导致了电压放大倍数减小 而 则 射极输出器与放大电路三种组态的比较 射极输出器 共集电极电路 一 电路形式 二 电路分析 1 求Q点 射极输出器 二 电路分析 1 求Q点 由基极回路 VCC IBRB VBE IERE IBRB VBE 1 IBRE 射极输出器 二 电路分析 2 求Av o i 射极输出器 二 电路分析 2 求AV o i 由图可见 o io ie 1 ib i ibrbe o ibrbe 1 ib 考虑到 1 rbe 2 求Ai io ii 由于射极输出器的输入电阻Ri较大 RB的分流作用一般不能忽略 当考虑了RB的分流作用后 3 求Ri 射极输出器 二 电路分析 4 求Ro ii 而RE Ro 射极输出器 三 特点 1 AV小于1而接近于1 且 o与 i同相 即输出电压与输入电压差不多 故又称为射极跟随器 2 射极跟随器有电流放大能力 3 输入电阻高 输出电阻低 四 应用射极跟随器通常用作隔离级 以及多级放大器的输入级和输出级 射极输出器 举例分析 电路参数如图 试计算其最大不失真输出电压是多少 1 作直流负载线由输出端 VCC VCE ICRE得IC 0时 VCC VCE 24 VCE 0时 IC VCC RE 30mA作出直流负载线MN 2 Q点 IC IB 50 0 4 20mAVCE VCC ICRE 24 20 0 8 8V 射极输出器 举例分析 电路参数如图 试计算其最大不失真输出电压是多少 3 根据交流负载线作动态范围 可以看到动态范围为 2V0m 10V2Icm 34mA因为两边不一定对称 所以只能是近似值 ICQR L 8V 作交流负载线 RE RL 800 400 266 6 因此输出电压的有效值为 共基极放大器 一 电路形式 二 分析计算 1 Q点 共基极放大器 三 分析计算 2 动态分析 Ib 共基极放大器 三 分析计算 2 动态分析 1 电压放大倍数AV o i o icR L 2 电流放大倍数Ai io ii io ic ibii ie ib ic 1 ib Ai 1 共基极放大器 三 分析计算 2 动态分析 3 求RiR i i ie ibrbe rbe 1 4 求Ro当输入端短路时 电流源 ib不再输出电流 故Ro RC 共基极电路的输入电阻很小 最适合用来放大何种信号源的信号 共基极放大器 三 分析计算 2 动态分析 3 特点 1 o与 i同相 AV的大小与共发射极电路相同 2 输入电阻小 输出电阻大 3 工作频带宽 适用于高频电路 三种组态的比较 静态工作点的稳定 为了保证放大电路的稳定工作 必须有合适的 稳定的静态工作点 但是 温度的变化严重影响静态工作点 对于前面的电路 固定偏置电路 而言 静态工作点由VBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面 T VBE ICEO Q 温度对的静态工作点的影响 一 温度对VBE的影响 T 其效应是使输出特性向左移 载流子的运动加剧 对相同的IB VBE 2mV Q点上移 二 温度对ICBO的影响 温度对的静态工作点的影响 ICBO是基区和集电区的少子形成的 温度每升高10 ICBO大约增大1倍 ICBO T ICBO T0 2 又 ICEO 1 ICBO T ICEO ICBO硅 ICBO锗 硅管工作比锗管稳定 因此 在高温场合 硅管应用广泛 三 温度对 值的影响 温度对的静态工作点的影响 扩散与复合的比例 输出特性的间距 温度每升高1 增大0 5 1 T 0 5 1 小结 固定偏置电路的Q点是不稳定的 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区 从而导致失真 为此 需要改进偏置电路 当温度升高 IC增加时 能够自动减少IB 从而抑制Q点的变化 保持Q点基本稳定 温度对的静态工作点的影响 1 ICBO VBE随温度的升高的结果 都集中表现在Q点的IC增大 2 硅管的ICBO小 因此对硅管来说 温度对VBE和 的影响是主要的 3 锗管的ICBO大 因此对锗管来说 温度对ICBO的影响是主要的 4 除了温度变化引起管子工作不稳定外 通常还需要从管子参数的不一致来考虑问题 分压式偏置电路 Q点稳定的电路 措施 针对ICBO的影响 可以设法使T IB 针对VBE的影响 可以设法使T VE 1 电路形式 即VB由Rb2的分压确定 与管子参数基本无关 从而保证了基极对地有一个稳定的电压 此时要求I2 IB即Rb1 Rb2较小 2 基本特点 利用Rb1和Rb2组成的分压器固定基极电位使I2 IB VB I2Rb2 分压式偏置电路 Q点稳定的电路 利用Re将IE的变化转化为电压的变化 VE IE Re 则 VBE VB VEVE VB