《放大器基础》PPT课件.ppt

线性电子电路 文凤 书山有路勤为径学海无崖苦作舟 第四章放大器基础 主要内容 4 0概述 4 2放大器的性能指标 4 4差分放大器 4 3基本组态放大器 4 7放大器的频率响应 4 1偏置电路和耦合方式 4 5电流源电路及其应用 4 6集成运算放大器 功率放大器 第四章放大器基础 概述 在广播 通信 自动控制 电子测量等各种电子设备中 放大器是必不可少的组成部分 放大器是应用最广泛的一类电子线路 它的主要功能是将输入信号进行不失真的放大 放大器种类 放大器组成框图 第四章放大器基础 放大器分类 按信号强弱分 小信号放大器 大信号放大器 按电路结构分 直流放大器 交流放大器 线性放大器 非线性放大器 多用于集成电路 多用于分立元件电路 按信号特征分 宽带放大器 音频放大器 视频放大器 脉冲放大器 谐振放大器 放大语音信号 放大图像信号 放大脉冲信号 放大高频载波信号 返回 第四章放大器基础 放大器组成框图 返回 组成原则 放大器的组成原则 直流偏置电路 即直流通路 要保证器件工作在放大模式 交流通路要保证信号能正常传输 即有输入信号vi时 应有vo输出 判断一个电路是否具有放大作用 关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理 若有任何一部分不合理 则该电路就不具有放大作用 元件参数的选择要保证信号能不失真地放大 即电路需提供合适的Q点及足够的放大倍数 返回 第四章放大器基础 4 1偏置电路和耦合方式 4 1 1偏置电路 即直流通路 设置静态工作点的电路称放大器的偏置电路 对偏置电路的要求 提供合适的静态工作点Q 保证器件工作在放大模式 例如 偏置电路须保证三极管JE正偏 JC反偏 当环境温度等因素变化时 能稳定电路的Q点 例如 温度升高 三极管参数 ICBO VBE on 而这些参数的变化将直接引起Q点发生变化 当Q点过高或过低时 输出波形有可能产生饱和或截止失真 第四章放大器基础 Q ICQ VCEQ Q点在中点 动态范围最大 输出波形不易失真 Q点升高 不失真动态范围减小 输出易饱和失真 Q点降低 不失真动态范围减小 输出易截止失真 Q Q 返回失真 第四章放大器基础 三极管偏置电路 1 固定偏流电路 Q点估算 电路优点 Q点设置方便 计算简单 电路缺点 不具有稳定Q点的功能 T 时 ICBO VBE on ICQ Q点升高 第四章放大器基础 2 分压偏置电路 Q点估算 电路优点 T ICQ 固定 具有稳定Q点的功能 结合管子的输入特性进行分析 VEQ ICQRE VBEQ VEQ VEQ IBQ ICQ 假设I1 IBQ RB1 RB2 1 RE就满足该条件 则 第四章放大器基础 存在问题 工程规定 RE越大 VBEQ越大 Q点越稳定 VCEQ越小 输出动态范围越小 VEQ 0 2VCC 或 VEQ 1 3V RB1 RB2过大 不满足I1 IBQ 工程规定 I1 5 10 IBQ 则VBQ不稳定 RB1 RB2过小 放大器Ri减小 第四章放大器基础 场效应管偏置电路 1 分压偏置电路 Q点估算 电路特点 分压偏置电路不仅适用于三极管 同时适用于各种类型的场效应管 N沟道 VDS 0 VGS th VGS th VGS off ID mA VGS V 结型 耗尽型 增强型 P沟道 VDS 0 第四章放大器基础 2 自偏置电路 Q点估算 电路特点 故自偏置电路只适合于耗尽型场效应管 由于VDS与VGS极性始终相反 例如 JFET DMOS管 N沟道 VDS 0 VGS th VGS th VGS off ID mA VGS V 结型 耗尽型 增强型 P沟道 VDS 0 第四章放大器基础 3 零偏置电路 Q点估算 电路特点 由于VGS 0 故零偏置电路只适合耗尽型MOS管 由于RS 0 故该电路不具有稳定Q点的功能 返回框图 返回主要内容 第四章放大器基础 4 1 2耦合方式 放大器与信号源 放大器与负载 以及放大器级与级之间的连接方式称耦合方式 交流信号正常传输 为保证交流信号正常传输 不失真放大 耦合 尽量减小有用信号在传输过程中的损失 实际电路常采用两种耦合方式 集成电路中广泛采用的一种耦合方式 直接耦合 具有隔直流作用的耦合方式 电容耦合 变压器耦合 方式必须保证 返回组成框图 第四章放大器基础 电容耦合 直流工作时 由于CB CC具有隔直流作用 因此信号源不影响放大器Q点正常设置 且各级Q点相互独立 交流工作时 由于CB较大 在信号频率上近似看作短路 因此 CB的接入不会影响信号的正常传输 电路缺点 体积大 不易集成 低频特性差 返回耦合方式 第四章放大器基础 直接耦合 各级之间不经过任何元件直接相连 直接耦合方式 电路优点 频率特性好 便于集成 存在问题 返回耦合方式 第四章放大器基础 级间直流电平配置问题一 结果 T1管Q点靠近饱和区 输出易出现失真 由图 若 则 后级接入RE 扩大前级动态范围 解决方法 第四章放大器基础 级间直流电平配置问题二 工作在放大模式时 加电平位移电路 解决方法 由图 越往后级VBQ3 ICQ3 VCEQ3 输出动态范围 第四章放大器基础 采用PNP管的电平位移电路 利用NPN管与PNP管电位极性相反的特点 将直流电平下移 扩大后级的输出动态范围 VCQ1 VBQ1 放大模式NPN管 放大模式PNP管 VCQ2 VBQ2 VCQ1 返回直接耦合 第四章放大器基础 零点漂移问题 零点漂移 指vi 0时 输出端静态电压的波动 第一级采用低温漂的差分放大器 解决方法 则第一级Q点变 VCEQ1 V 温度漂移 因温度变化引起的漂移 简称温漂 温漂危害 若温度变 淹没有用信号 例如 假设直接耦合放大器原输出端静态电压为VCEQn V经后级逐级放大 输出静态电压变为 VCEQn Avn V 当漂移严重即 V较大时 温漂信号有可能淹没有用信号 使电路丧失对有用信号的放大能力 电容耦合放大器由于电容的隔直作用 温漂很小 可忽略 返回组成框图 返回直接耦合 第四章放大器基础 4 2放大器的性能指标 就信号而言 各种小信号放大器均可统一表示为有源线性四端网络 反映放大器性能的主要指标 即基本性能指标 有 增益A 输入电阻Ri 输出电阻Ro 除此外还有其他的性能指标 失真 带宽 输出功率等 第四章放大器基础 4 2 1输入电阻 输出电阻 增益 输入电阻 对输入信号源而言 放大器相当于它的一个负载 而这个等效负载电阻就是放大器输入电阻Ri 定义 Ri表示本级电路对输入信号源的影响程度 Ri越大说明该电路对信号电压源的影响小 在测量电路中要求Ri越大越好 返回性能指标 第四章放大器基础 输出电阻 对输出负载而言 根据戴维宁定理和诺顿定理 任何放大器均可看作它的信号源 该信号源内阻即放大器输出电阻Ro 输出电阻的测试电路 第四章放大器基础 令负载电阻RL开路 信号源为零 在输出端外加电压v 则产生电流i 定义 Ro与RL无关 它反映放大器受负载电阻RL的影响程度 对电压放大器来说Ro越小 放大器带负载的能力越强 输出电阻Ro计算 返回性能指标 第四章放大器基础 增益 放大倍数 放大器的增益 不同类型放大器输入 输出电量不同 故增益的含义不同 即放大器输出信号变化量与输入信号变化量的比值 A xo xi 电压增益 电流增益 互导增益 互阻增益 源增益 源增益 第四章放大器基础 源电压增益 源电流增益 Ri越大 RS对Avs影响越小 Ri越小 RS对Ais影响越小 开环电压增益等 开路电压增益 短路电流增益 第四章放大器基础 开路电压增益 时的增益 RO越小 RL对Av影响越小 短路电流增益 时的增益 RO越大 RL对Ai影响越小 返回性能指标 第四章放大器基础 4 2 2放大器的失真 放大器的失真是指输出信号不能重现输入信号波形的一种物理现象 失真类型 频率失真 对三极管而言 由线性电抗元件引起 故称线性失真 瞬变失真 指放大脉冲信号时 电抗元件上的电压或电流不能突变而引起的失真 非线性失真 注意 线性失真不产生新的频率成份 进入管子的非线性区域 会产生新的频率分量 返回性能指标 第四章放大器基础 频率失真 一般而言 放大器中含有电抗元件 在正弦信号激励下 不同频率呈现不同电抗 因而放大器增益应为频率的复函数 在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图 通频带 增益下降到时 对应的上 下限频率fH fL之差 即 返回失真 对数刻度 对数刻度 线性刻度 线性刻度 fH fL 幅度 相位失真 第四章放大器基础 幅度失真与相位失真 实际输入信号含有众多频率分量 当通过放大器时 若不同频率信号呈现不同增益 幅度失真 相位失真 幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真 若不同频率信号呈现不同相角 由于频率失真由线性电抗元件引起 故称线性失真 注意 线性失真不产生新的频率成份 一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真 视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真 返回失真 返回频率失真 第四章放大器基础 瞬变失真 指放大脉冲信号时 电抗元件上的电压或电流不能突变而引起的失真 返回失真 第四章放大器基础 4 3基本组态放大器 根据三极管 场效应管 在放大器中的不同接法 放大器分为三种基本组态 无论何种组态放大器 分析方法均相同 1 由直流通路确定电路静态工作点 注意 2 由交流通路画出小信号等效电路 并进行性能分析 第四章放大器基础 4 3 1三种组态放大器的实际电路及其性能分析 共发射极放大器 没旁路电容CE时的共发电路性能分析 性能分析 共发放大电路的性能分析 第四章放大器基础 画微变等效电路 分析电路输入 输出电阻 其中 Ro 外加激励法求输出电阻 令 且令负载电阻RL开路 在原RL处外加一电压V V 则有 其他性能指标 第四章放大器基础 共发电路电流增益 通常RB rbe 短路电流增益 则 ib 说明具有电流放大作用 其他性能指标 第四章放大器基础 共发电路电压增益 开路电压增益 源电压增益 其中 此符号表示输出电压与输入电压反相 说明具有电压放大作用 总结 总结 第四章放大器基础 1 既有电压放大作用 又有电流放大作用 2 输出电压与输入电压反相 共发电路提供的最大电压增益 已知 若采用有源负载作为RC 可使RC rce 因此 由于厄尔利电压 VA VT 因此共发电路提供的Av很大 且其值与静态电流ICQ无关 共发电路特点 返回 第四章放大器基础 共基极放大器 性能分析 第四章放大器基础 共基电路性能分析 画微变等效电路 忽略rce影响 共基电路输入电阻 其中 小 只有几 几十 其他性能指标 第四章放大器基础 共基电路电压增益 共基电路电流增益 由于 因此 短路电流增益 说明无电流放大作用 说明具有电压放大作用 且输出与输入同相 其他性能指标 共基电路输出电阻 第四章放大器基础 用外施激励法 令 且令负载电阻RL开路 在原RL处外加一电压V Ro Ro 故有 其中 与rce几乎无关 V 总结 总结 第四章放大器基础 1 有电压放大作用 但无电流放大作用 2 输出电压与输入电压同相 3 输入电阻低 输出电阻高 共基电路特点 共集电路特点 1 无电压放大作用 但有电流放大作用 2 输出电压与输入电压同相 3 输入电阻高 输出电阻低 带负载能力强 返回共集放大电路 共集放大电路 返回 第四章放大器基础 共集电极放大器 性能分析 第四章放大器基础 共集放大电路的性能分析 画微变等效电路 共集电路输入电阻 忽略rce 其他性能指标 第四章放大器基础 共集电路输出电阻 令vs 0 RL开路 画出求Ro的等效电路 得 其他性能指标 第四章放大器基础 共集电路电流增益 忽略rce 若 短路电流增益 共集电路电压增益 忽略rce 其中 1 说明具有电流放大作用 说明无电压放大作用 且输出与输入同相 总结 第四章放大器基础 三种组态电路性能比较 小 大 小 大 大 小 大 大 1 大 中 中 只有共发放大电路输出电压与输入电压是反相的 而共集和共基放大电路则是同相的 第四章放大器基础 三种组态电路的应用 共发放大器 广泛应用于多级放大器提供增益的增益级中 共基放大器 由于频率特性好 故常与共发电路配合 组成宽带放大器 共集放大器 利用Ri高的特点 常作多级放大器输入级 利用Ro低的特点 常作多级放大器输出级 提高带负载能力 利用Ri高 Ro低的特点 常作缓冲级 隔离级 以提高前级电路的增益 第四章放大器基础 4 3 2改进型放大器 共发 共基组合放大器 三种基本组态放大器的性能特点各不相同 若将它们适当组合 可使放大器的性能更接近理想化 组合放大器 利用共发电路增益高 共基电路Ri低 Ro高的特性 使共发 共基组合电路更接近理想的电流放大器 多级放大器的分析方法 第四章放大器基础 共集 共发组合放大器 利用共发电路增益高 共集电路Ri高 Ro低的特性 使共集 共发组合电路更接近理想的电压放大器 第四章放大器基础 共集 共基组合放大器 由于 则 假设两管参数相同 其中 假设两管参数相同 第四章放大器基础 接RE的共发放大器 其中 有Re后的影响 共发电路射极接电阻RE后 由于RE的负反馈作用 使Ri增大 Ro增大 放大器更接近理想的互导放大器 由于RE的负反馈作用 不仅增益稳定性提高 而且还便于集成化 因此 当RE 时 此时 Avt近似等于两电阻的比值 与三极管参数 无关 存在问题 第四章放大器基础 改进措施 第四章放大器基础 采用有源负载的共发放大器 解决方法 用恒流源 有源负载 取代电阻RC 恒流源特点 直流电阻小 交流电阻大 其中 返回 第四章放大器基础 4 3 3共源 共栅和共漏放大器的性能 共源放大器 场效应管电路性能特点 分析方法与三极管放大器相似 不同之处仅在于 FET管的ig 0 接Rs后 第四章放大器基础 接RS的共源放大器 不变 经推导 则 增大 减小 返回 共栅放大器 第四章放大器基础 因为 所以 而 第四章放大器基础 共漏放大器 经推导 第四章放大器基础 多级放大器的分析方法 多级放大器可拆分成单级电路进行分析 将后级输入电阻作为前级的负载电阻 将前级带负载后的输出电压作为后级输入电压 Ro Ro2 返回 第四章放大器基础 4 4差分放大器 差分放大器具有抑制零点漂移的作用 广泛用于集成电路的输入级 是另一类基本放大器 4 4 1电路结构 由两完全对称的共发电路 经射极电阻REE耦合而成 采用正负双电源供电 VEE VCC 具有两种输出方式 双端输出 单端输出 估算电路Q点 即静态分析 因电路采用正负双电源供电 且两边完全对称则流过电阻RL的电流为0 VBQ1 VBQ2 0 令vi1 vi2 0 画出电路直流通路 因此 第四章放大器基础 4 4 2电路性能特点 差模特性 只有差模信号作用下的性能特点 共模特性 只有共模信号作用下的性能特点 差动特性 两个任意信号作用下的性能分析 差分放大器的交流通路 第四章放大器基础 差模性能分析 即只有差模信号作用时的性能分析 分析步骤 1 画差模交流通路 差模信号 指大小相等 极性相反的信号 表示为vi1 vi2 vid 2 差模输入电压vid vi1 vi2 2 计算Avd Rid Rod 因两信号大小相等 极性相反 则作用在REE上的差模电流为零 则可视为开路 第四章放大器基础 差模性能分析 Rod 差模输入电阻 差模双端输出电阻 双端输出差模电压增益 单端输出的差模电压增益 返回 第四章放大器基础 共模性能分析 即只有共模信号作用时的性能分析 共模信号 指大小相等 极性相同的信号 表示为vi1 vi2 vic 共模输入电压vic vi1 vi2 2 分析步骤 1 画共模交流通路 2 计算Avc Ric Roc 因两信号大小相等 极性相同 则作用在REE上的共模电流为单个电路的两倍 则相当于每管的发射极电阻为2REE 共模性能分析 第四章放大器基础 Roc 共模输入电阻 双端输出共模电压增益 电路特点 双端输出电路利用对称性抑制共模信号 单端输出共模电压增益 双端输出共模输出电阻 返回 总结 总结 第四章放大器基础 无论电路采用何种输出方式 差放都具有放大差模信号 抑制共模信号的能力 为了衡量差分放大器对共模信号抑制能力和对差模信号的发达能力 引入另一个性能指标共模抑制比 KCMR 其值越大越好 定义 双端输出电路 单端输出电路 存在问题及解决方法 第四章放大器基础 普通差放存在的问题 采用恒流源的差分放大器 REE KCMR 抑制零点漂移能力 但IEE Q点降低 输出动态范围 其中 很大 返回 第四章放大器基础 差动特性 两任意输入时 输出信号的计算 任意信号 均可分解为一对差模信号与一对共模信号之代数和 即 大小相等 极性相反 即为差模信号 大小相等 极性相同 即为共模信号 输出只与两输入信号的差值有关 差动特性 返回 例题 第四章放大器基础 例 图示电路 已知 100 vi 20sin t mV 求vo 解 1 分析Q点 2 分析Avd2 Avc2 由于 则 3 计算vo 由于 则 第四章放大器基础 4 4 3差模传输特性 完整描述差模输出电流随任意输入差模电压变化的特性 双极型差放 差模传输特性 假设电路对称 得 第四章放大器基础 差模传输特性曲线 可以证明 当 vID 26mV时 差放线性工作 单管电路vI 2 6mV vID 100mV后 一管截止 另一管导通 差放非线性工作 说明 若在两管发射极上串联电阻RE 则利用RE的负反馈作用 可扩展线性范围 RE 线性范围 但Avd 第四章放大器基础 4 5电流源电路及其应用 直流状态工作时 可提供恒定的输出电流IO 交流工作时 具有很高输出电阻RO 可作有源负载使用 电流源电路特点 对电流源电路要求 直流状态工作时 要求IO精度高 热稳定性好 交流状态工作时 要求RO大 理想情况RO 4 5 1镜像电流源电路 第四章放大器基础 假设T1 T2两管严格配对 基本镜像电流源 根据 得知 因此 称iC2是iC1的镜像 参考电流 由于 因此 2 第四章放大器基础 IO精度及热稳定性 当温度变化时 由于 VBE on 的影响 IO热稳定性降低 当 较小时 IO与IR之间不满足严格的镜像关系 IO精度降低 输出电阻RO 当考虑基宽调制效应时 根据 得 则 VA除了降低IO精度外 还造成RO较小 IO恒流特性变差 RO rce2 第四章放大器基础 减小 影响的镜像电流源 结构特点 T1管c b之间插入一射随器T3 电路优点 减小分流i 提高IO作为IR镜像的精度 由图 整理得 式中 第四章放大器基础 比例式镜像电流源 结构特点 两管射极串接不同阻值的电阻 电路优点 RO增大 IO恒流特性得到改善 得 得 式中 微电流源 根据集成工艺的要求 电阻R不易做太大 故前述电流源的IO只能做到mA量级 令比例镜像电流源中的R1 0 由 式中 得 输出电阻 第四章放大器基础 4 6集成运算放大器 在线性集成电路中发展最早 应用最广的是 集成运算放大器 集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件 集成运放性能特点 Avd很大 104 107或80 140dB Ri很大 几k 105M Ro很小 几十 静态输入 输出电位均为零 集成运放电路符号 第四章放大器基础 集成电路的特点 第四章放大器基础 随着半导体技术的飞速发展 集成电路在电子设备中的应用越来越广 集成电路 就是在一硅单晶片上 采用硅平面技术制造出各种元器件 并将它们连接在一起 并能完成某种完整功能的电路 集成电路在结构上的特点 1 只能采用直接耦合方式 因大电阻 大电容不能集成 3 用恒流源电路代替大阻值的电阻 4 用复合管的接法改进单管的性能 2 为克服直接耦合电路的温漂采用温度补偿的手段 输入级电路采用差动放大器 返回 一 集成运放的简化原理框图 第四章放大器基础 差分输入级 同相输入端 反相输入端 中间电压放大级 输出功放级 输出端 即集成运放由三个放大环节构成 差分输入级 中间电压放大级和输出功放级 另 每一级电路要能正常工作必须给它们加合适的偏置电路及保护电路 电平位移电路等 偏置电路及其辅助电路 第四章放大器基础 集成运放电路组成 由于实际电路较复杂 因此读图时 应根据电路组成 把整个电路划分成若干基本单元进行分析 二 通用集成运放F007内部电路简介 一 F007电路的外表及外接电路 双列直插式封装 圆形外壳封装 外接电路 调零电阻 第四章放大器基础 第四章放大器基础 输入级组成 由T1 T3和T2 T4组成的共集 共基组合电路构成双入单出差放 T5 T6 T7组成的改进型镜像电流源作T4管的有源负载 T8 T9组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻REE 输入级特点 改进型差放具有共模抑制比高 输入电阻大 输入失调小等特点 是集成运放中最关键的一部分电路 F007集成运放内部电路 中间级组成 T17构成共发放大器 T13B T12组成的镜像电流源作有源负载 代替集电极电阻RC 电路特点 中间级是提供增益的主体 采用有源负载后 电压增益很高 隔离级 T16管构成的射随器作为隔离级 利用其高输入阻抗的特点 提高输入级放大倍数 输出级组成 T14与T20组成甲乙类互补对称放大器 该放大器采用两个射随器组合而成 电路特点 输出电压大 输出电阻小 带负载能力强 过载保护电路 T15 R6保护T14管 T21 T22 T24 R7保护T20管 正常情况保护电路不工作 只有过载时 保护电路才启动 隔离级 T23A管构成的有源负载射随器作为隔离级 可提高中间级电压增益 T13A与T12组成的镜像电流源作有源负载 代替T23A的发射极电阻RE 偏置电路 偏置电路一般包含在各级电路中 采用多路偏置的形式 T10 T11构成微电流源 作为整个集成运放的主偏置 电平位移电路 输入级共集 共基组合电路中 采用极性相反的NPN与PNP管进行电平位移 不专门另设电平位移电路 将上述单元电路功能综合起来可见 F007是实现高增益放大功能的一种集成器件 它具有高Ri 低Ro 高Av 高KCMR 低失调 零输入时零输出等特点 是一种较理想的电压放大器件 F007内部电路图 第四章放大器基础 二 识图步骤 第四章放大器基础 前面我们学习了二极管 三极管 场效应管等器件 以及由它们构成的电压电流放大器 功率放大器 差分放大器等单元电路 今天我们通过对F007电路的了解来复习 巩固 深化所学知识 并把认识从孤立的单元上升到实际电路的目的 读图的方法 读图就是看懂电子电路的原理 弄清它的组成及功能 进而进行必要的定量估算 由于电子电路是对信号进行处理的电路 因而读图时应以信号流向为主线 以基本单元电路为依据 沿主要通路 将整个电路划分成具有独立功能的若干部分进行分析 具体步骤 识图的具体步骤 第四章放大器基础 1 了解用途 找出通路 为有助于弄清电路的工作原理 避免走弯路 读图前 应先了解电路用于何处 起什么作用 在此基础上 找出信号的传输通路 由于信号的流通枢纽是有源器件 因此应以它为中心连线查找 2 对照单元 化整为零 通路找出后 电路的主要部分就显露出来了 为此对照所学的基本单元电路 将原理图分成若干个具有单一功能的部分 画出单元框图 并定性分析每个部分的工作原理及功能 3 统观整体 估算性能 沿信号流向 用带箭头的线段把单元框图连接成整体框图 由此可看出各单元怎样配合起来实现电路功能的 最后对各单元电路的性能进行定量的估算 以得到整个电路的性能指标 进而加深对电路的认识 找到影响性能的主要环节 为调试 维修 甚至改进打下基础 1 了解用途 找出通路 第四章放大器基础 为有助于弄清电路的工作原理 避免走弯路 读图前 应先了解电路用于何处 起什么作用 在此基础上 找出信号的传输通路 由于信号的流通枢纽是有源器件 因此应以它为中心连线查找 简化电路 简化电路图 第四章放大器基础 返回 2 对照单元 化整为零 第四章放大器基础 通路找出后 电路的主要部分就显露出来了 为此对照所学的基本单元电路 将原理图分成若干个具有单一功能的部分 画出单元框图 并定性分析每个部分的工作原理及功能 其他单元电路 第四章放大器基础 返回 功率放大电路 3 统观整体 估算性能 第四章放大器基础 沿信号流向 用带箭头的线段把单元框图连接成整体框图 由此可看出各单元怎样配合起来实现电路功能的 最后对各单元电路的性能进行定量的估算 以得到整个电路的性能指标 进而加深对电路的认识 找到影响性能的主要环节 为调试 维修 甚至改进打下基础 返回 功率放大电路 4 6 2功率放大电路 功率放大电路一般接在集成电路的输出级 其主要作用是为负载提供足够大的输出功率 因而我们希望它带负载的能力强些 从性能指标来看 就要求电路的输出电阻小 共集 或共漏 放大电路的输出电阻在几种基本组态电路中是最小的 所以输出级电路多采用共集 或共漏 组态 一 功率放大电路的要求 在管子安全应用前提下 1 尽可能地提高输出功率2 转换效率高3 非线性失真小 第四章放大器基础 二 功率放大电路的种类 甲类 甲类 功率管在一个周期内导通 非线性失真小 但效率低 Q 乙类 乙类 功率管仅在半个周期内导通 非线性失真较大 但效率较高 丙类 Q 丙类 功率管小于半个周期内导通 非线性失真大 但效率高 Q 甲乙类 甲乙类 管子在大于半个周期小于一个周期内导通 非线性失真和效率介于甲类和乙类之间 根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同 功率管运用状态可分为甲类 乙类 甲乙类 丙类等多种 第四章放大器基础 三 乙类互补对称功率放大电路 OCL 1 原理电路及电路特点 T1与T2 功率管互补配对 2 工作原理 忽略发射结压降 vi t 0时 T1管 NPN型 导通 T2管 PNP型 截止 iC1 iE1 得到正半周的半个正弦波 vi t 0时 T2管导通 T1管截止 iC2 iE2 得到负半周的半个正弦波 静态即vi 0时 vO 0 即T1 T2管轮流导通得到完整的输出信号 第四章放大器基础 3 性能分析与计算 当vi不够大时 根据射随特性有 vo t vi t 则Vom Vim 1 RL上的输出功率 2 正负电源总的直流功率PV 3 管子消耗的功率PC 4 效率 当输入信号足够大时 可得到最大不失真输出电压 此时有 Vommax Vcc VCES 设 第四章放大器基础 讨论 当Vom Vommax Vcc VCES时 Po Pom且 当 4 非线性失真及其消除措施 1 交越失真 上节分析乙类对称电路性能时 忽略了晶体管发射结导通电压的影响 实际上 在零偏置情况下 考虑到导通电压的影响 输出电压波形在在衔接处出现严重失真 称交越失真 第四章放大器基础 2 克服交越失真的基本途径 在输入端为两管加合适的正偏电压 使其工作在甲乙类 由传输特性图可见 只要VBB取值合适 上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿 合成传输特性趋近于直线 在输入正弦电压激励下 得到不失真的输出电压 第四章放大器基础 实际电路中 不是直接加电源电压VBB 而是接电阻或二极管 由于二极管的正向交流结电阻很小 可认为交流短路 因此偏置电路不影响输入信号vi t 的传输 在集成电路中偏置二极管会由三极管取代 见图 b c 第四章放大器基础 单电源供电的互补推挽电路 OTL 1 电路特点 1 单电源供电 2 负载串接大容量隔直电容CL VCC与两管串接 若两管特性配对 则VK VCC 2 CL实际上等效为电压等于VCC 2的直流电源 2 工作原理 T1管的直流供电电压 VCC VK VCC 2 T2的供电电压 0 VK VCC 2 单电源供电电路等效为VCC 2和 VCC 2的双电源供电电路 补充作业 第四章放大器基础 作业 电路如图 已知VCES 1V RL 8 VCC 15V 1 当vi t 足够大时的Pomax max 2 D1 D2的作用是什么 3 静态时K点对地电位VK为多少 4 当vi t 0时 是T1管导通还是 T2管导通 5 当vi t 100sin t mV 且AV3 20时 Po PC 返回 第四章放大器基础 4 7放大器的频率响应 一 放大器频率特性的概念 二 放大器频率特性的表示方法 4 7 1放大器频率特性概述 四 系统的频率特性分析方法 三 放大器A的波特图及波特图的画法 4 7 2 共发放大电路的高频特性 第四章放大器基础 4 7 1放大器频率特性概述 一 放大器频率特性的概念 第四章放大器基础 前面我们在介绍放大器的性能时 认为放大器的放大倍数A为一个常数 即不随信号频率的改变而改变 即有 但实际上放大器中含有耦合 旁路电容等大电容 另外三极管 场效应管的极与极之间存在极间电容等小电容 而电容的阻抗与频率密切相关 因而放大器的A与频率f的关系曲线应如左图 由于耦合 旁路等大电容的影响 由于极间电容 分布电容等小电容的影响 放大器的增益A随信号频率的改变而改变的这种特性就是放大器的频率特性 也称放大器的频率响应 放大器的频率特性反映了放大器对不同频率的信号的适应能力 在中频段 A最大 放大器的输出不会产生频率失真 在高 低频段 A随频率改变而下降 产生频率失真 在低频段由于耦合电容等大电容的影响会产生低频失真 在高频段由于极间电容等小电容的影响会产生高频失真 带宽B fH fL 二 放大器频率特性的表示方法 即放大器的频率特性主要表现在两个方面 一 对不同频率信号的幅度有不同的放大倍数 二 对不同频率信号将产生不同的附加相位 其中 是放大器对不同频率 的信号幅度的放大倍数 它是频率的函数 它与频率之间的关系称为幅频特性 是放大器对不同频率 的信号产生的相移 它也是频率的函数 它与频率之间的关系称为相频特性 放大器频率特性的好坏直接影响输出信号的质量 对放大器的稳定性也有影响 因而必须对放大器的频率特性给予足够的重视 不同用途的放大器对频率失真具有不同的要求 对音频放大器 只需较好的幅频特性 因为人耳对相位变化感觉迟钝 对图象放大器 要求幅频特性 相频特性都好 因为人眼对相位变化敏感 各分量间相位关系也重要 一般将放大器增益A表示为 第四章放大器基础 三 波特图及画波特图的方法 第四章放大器基础 放大器的频率特性可用频率特性图来表示 A 都是频率的函数 一个频率f必定对应一个A和 频率的变化范围很宽 几Hz 几MHz 而增益的变化范围为 几 几百甚至几千 若按常规画法 要一一对应画在坐标上是不可能的 为了缩短坐标 拓展视野 幅频特性图和相频特性图可分别画在两张半对数坐标纸上 合称为频率特性图 用半对数坐标画出的频率特性图称为波特图 将增益的dB数作纵坐标 将频率的对数作横坐标 将频率的对数作横坐标 将相位等刻度作纵坐标 作幅频特性波特图 作相频特性波特图 这样处理后 f 1和f 1的频段扩展了 这样就可对中频段附近的频率特性看得较清楚 这正是我们需要的 对频率按上述取法是合理的 除零频外f与A 仍有一一对应关系 对零频信号即直流信号 我们不关心其A 我们关心的是交流增益 从系统的观点看 小信号放大器为线性时不变系统 四 系统频率特性分析 即系统的总相位为各个因子的相位的代数和 即系统的总的dB数为各个因子的dB数的代数和 总结 画系统的幅频 或相频 特性图时 只要将各个因子的幅频 或相频 特性波特图在同一坐标中画出来 然后进行线性叠加即可 说明 例子2 例子1 例子3 第四章放大器基础 说明 在仅含容性电抗元件的实际系统中 比如放大器 系统的传递函数通常由以下因子构成 1 常数因子AI对应幅频特性和相频特性波特图 2 j 因子对应幅频特性和相频特性波特图 3 极点因子 对应幅频特性和相频特性波特图 4 零点因子 对应幅频特性和相频特性波特图 返回 第四章放大器基础 常数因子的波特图 0 0 0 10 20 100 40 20dB 10倍频 零点因子波特图 极点因子波特图 返回说明 j 因子的波特图 极点因子的波特图 返回说明 返回 第四章放大器基础 返回说明 零点因子波特图 极点因子的波特图 0 3 20 40 20dB 10倍频 0o 45o 90o 45o 10倍频 返回 第四章放大器基础 零点因子波特图 返回说明 比较零点因子和极点因子的A 知 它们的表达式只差一个负号 由此知零点因子的波特图与极点因子的波特图相对横坐标对称 则零点因子波特图如下 0 3 20 40 20dB 10倍频 0o 45o 90o 45o 10倍频 返回 第四章放大器基础 例子1 试分析如下电路的频率特性RC 10 3 分析步骤 例题2 解 1 写出电路的传递函数 返回 2 根据传递函数画出其频率特性波特图 0 3 20 40 20dB 10倍频 0o 45o 90o 45o 10倍频 幅频特性波特图 相频特性波特图 第四章放大器基础 例子2 试分析如下电路的频率特性RC 10 3 分析步骤 解 1 写出电路的传递函数 返回 2 根据传递函数画出其频率特性波特图 幅频特性波特图 1 2 3 0 20 40 60 20 1 2 3 20dB 10倍频 相频特性波特