《电子技术基础》第2章.ppt

第2章信号放大电路 一般来说 信号是信息的载体 声音信号可以传递语言 音乐或其他信息 图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息 声音或图像信号无法直接传递给电子电路系统 需要先用传感器把它转换为电信号 然后送到电子电路系统中去进一步放大处理 本章介绍信号的放大原理 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标 放大的概念放大电路的主要性能指标 图2 1扩音机的示意图 2 1 1放大的基本概念 话筒 麦克风 将较小的声音信号转换成微弱的电信号 经放大电路放大后 变成大功率的电信号 推动扬声器 喇叭 还原为强大的声音信号 扬声器所获得的能量远大于话筒送出的能量 可见 放大电路的本质是能量的控制和转换 是在输入信号作用下 通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量 使负载从电源获得的能量大于信号源提供的能量 2 1 1放大的基本概念 因此 电子电路放大的基本特征是功率放大 即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流 有时兼而有之 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标 其值为输出量 或 与输入量 或 之比 它实际反映了电路在输入信号控制下 将直流电源能量转换为交流输出信号能量的能力 2 1 2放大电路的主要性能指标 1 放大倍数 电压放大倍数是输出电压与输入电压之比 即 放大电路与信号源相连接就称为信号源的负载 必然从信号源索取电流 电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度 输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻 如图2 2所示 其定义为输入电压有效值和输入电流有效值之比 即 2 输入电阻 图2 2放大电路的示意图 3 输出电阻 图2 3求放大电路的输出电阻 任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源 从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻RO 放大电路的输出电阻RO的大小决定它带负载的能力 如图2 3所示 4 通频带 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力 由于放大电路中存在电容 电感及半导体器件结电容等电抗器件 所以 在输入信号频率较低或较高时 放大倍数的数值会下降并产生相移 一般情况 放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号 这一特定的频率范围就称为通频带 5 非线性失真系数 由于放大器件 三极管 场效应管或集成电路 均具有非线性的特性 它们的线性放大范围有一定的限制 当输入信号幅度超过一定数值后 输出电压将会产生非线性失真 对放大电路输入标准的正弦波信号 可以测出输入信号的非线性失真 并用下面定义的非线性失真系数来衡量 2 单级放大电路 P19 2 2 1晶体管放大电路 在图2 4所示共发射极基本放大电路中 采用NPN型硅晶体管 VCC是集电极回路的直流电源 它的负端接发射极 地 正端通过电阻RC接集电极 以保证集电结为反向偏置 Rc是集电极电阻 它的作用是将晶体管的集电极电流的变化转变为集电极电压的变化 VBB是基极回路的直流电源 它的负端接发射极 正端通过基极偏置电阻Rb接基极 以保证发射结为正向偏置 VBB通过Rb供给基极一个合适的静态基极电流IBQ 常称为偏流 VBB和Rb一经确定后 偏流IBQ就是固定的 所以这种电路通常称为固定偏置放大电路 图2 4共发射极基本放大电路 2 2 1晶体管放大电路 图2 5共发射极基本放大电路的习惯画法及其直流通路 1 静态工作点 Q点 在放大电路中 当有信号输入时 交流量与直流量共存 当放大电路没有输入信号 0 时 电路中各处的电压 电流都是不变的直流 称为直流工作状态或静止状态 简称静态 此时 晶体管的基极电流IB 集电极电流IC b e间电压UBE 管压降UCE称为放大电路的静态工作点 简称Q点 常将这四个物理量记作IBQ ICQ UBEQ UCEQ 1 静态工作的设置 2 确定Q点 根据图2 5 b 所示直流通路图中电流 电压关系可得 在近似估算中常常认为UBEQ为已知量 对于硅管 取UBEQ 0 6 0 8V 通常取0 7V 对于锗管 取UBEQ 0 1 0 3V 通常取0 2V 3 为什么要设置Q点 图2 7没有设置合适Q点的共发射极基本放大电路 应当指出 当Q点合适 其输入正弦信号ui幅值较小时 则uo与ui反相且波形不产生失真 当Q点过低时 在ui负半周靠近峰值的某段时间uBE小于开启电压Uon 晶体管截止 从而使uo波形产生顶部的截止失真 当Q点过高时 在ui正半周靠近峰值的某段时间内晶体管进入了饱和区 使uo波形产生底部的饱和失真 对于放大电路的最基本要求 一是不失真 二是能够放大 如果输出波形产生严重失真 放大就毫无意义了 只有输入信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态 输出信号才不会产生失真 因此 设置合适的静态工作点 就是保证放大电路在不产生失真的情况下进行放大 同时它还会对放大电路的动态参数产生影响 对于放大电路的要求 举例1 例2 1 计算图2 5共发射极放大电路的静态工作点 已知VCC 6V Rb 530k RC 2 7k 晶体三极管为硅管 100 UBEQ 0 7V 解首先画出直流通路图如图2 5 b 所示 根据图有 图2 8 a 为分压偏置Q点稳定电路 它是交流放大电路中最常用的一种工作点稳定的基本电路 它较好的解决了温度变化对管子参数的影响最终导致Q点电流IC的变化 为便于讨论Q点的稳定问题 设 0 画出其直流通路如图2 8 b 所示 4 放大电路Q的稳定 图2 8分压偏置工作点稳定电路 在图 b 示电路中 B点的电流方程为 I2 I1 IBQ为了稳定Q点 通常情况下 参数的选取应满足I1 IBQ因此 I2 I1 因而B点电位 上式表明基极电位几乎决定于Rb1与Rb2对VCC的分压 而与温度无关 即当温度变化时 UBQ基本不变 Rb1 Rb2与VCC受温度的影响很小 在此条件下 当温度上升时 IC IE 增加 在Re上的压降IERe也要增加 UE增加 IERe的增加部分会送回基极 发射极回路去控制UBE 使外加于管子的UBE减小 UBE UBQ IERe 由于UBEQ减小使IBQ自动减小 结果牵制了ICQ的增加 从而使ICQ基本稳定 这就是反馈控制的原理 可将上述过程简写为 T oC IC IE UEUBEIBIC 反馈控制的原理 2 是在I1 IBQ UBQ UBE的情况下 在温度变化时UBQ基本不变 对于硅管 一般选取I1 5 10 IBQ UBQ 3 5V所以这种电路也称为分压偏置电流负反馈Q点稳定电路 图2 8 b 所示电路稳定Q点的原因1 是Re的直流负反馈作用 从理论上讲 Re越大 反馈越强 Q点越稳定 但实际上 对一定的IC 由于VCC的限制 Re太大会使晶体管进入饱和区 电路将不能正常工作 根据图 b 可近似估算Q点 2 放大电路动态参数的估算 图2 9共射接法的晶体三极管 1 晶体管共发射极H参数微变等效电路共发射极H参数微变等效电路如图2 9 b 所示 式中为基区体电阻 对于低频小功率管 约为200 左右 UT为温度的电压当量 在室温 300k 时 其值为26mV Q点越高 即IEQ ICQ 越大 rbe越小 图中 或者 画出微变等效电路 图2 10固定偏置共发射极放大电路 2 共发射极放大电路动态参数的估算 微变等效电路的画法 2 共发射极放大电路动态参数的估算 1 画出交流通路画法 电容 电源短路2 更换三极管符号3 标出交流的电压电流符号 求电压放大倍数 式中负号表示输出电压与输入电压相位相反 注意 计算时使用的小信号参数 和都应是在Q点上的参数 R L ib ube ib ic 计算输入电阻 通常有Rb 所以在数值上接近 但二者的概念是不同的 代表晶体管的输入电阻 而代表放大电路的输入电阻 图2 11求放大电路的输入电阻 计算输出电阻 求放大电路输出电阻时 令其信号源电压us 0 但保留内阻RS 断开负载电阻RL 然后 在输出端加一个正弦波测试信号UT必然产生动态电流IT 如图2 12所示 图2 12求固定偏置共发射极放大电路的输出电阻 则输出电阻为 Ro Rc 例2 2 固定偏置共发射极基本放大电路如图2 10所示 已知VCC 12V Rb 300k Rc 4k RL 4k 晶体管为3DG6 它在Q点上的 40 试求 1 估算Q点 2 电压放大倍数 3 输入电阻 4 输入电阻 5 如果 60再算Q点解 1 估算Q点 3 输入电阻 4 输出电阻 2 电压放大倍数 R L ib ube ib ic 5 再算Q点 例2 3 分压偏置基本放大电路如图2 13所示 已知VCC 12V Rb1 15k Rb2 5k Re 2 3k RC 5 1k 晶体管的 50 UBEQ 0 7V 试求 1 估算Q点 2 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 3 若换用 100的三极管 重新估算Q点和上述参数 图2 13分压偏置基本放大电路 解 1 估算Q点 2 求Au Ri和Ro 与 50时的放大倍数相差不大 3 当改用 100的三极管后 其Q点为 3 射极输出器的分析 1 电路的组成 图2 14共集电极放大电路 2 静态分析 求Q点 在图 b 所示直流通路中 列出基极回路方程 便可得到静态基极电流IBQ 集电极电流ICQ和管压降UCEQ 3 动态分析 电压放大倍数根据图2 14 d 可列出回路的方程 一般 1 故射极输出器的Au值接近而略小于1 由于输入回路中有ui ube uo的关系 因此它的输出电压uo总是略小于输入电压 由于射极输出器的Au值接近1 同时由式还可看出uo和ui的相位是相同的 因此射极输出器通常又称为电压跟随器 输入电阻 从图2 14 d 能够得到的表达式 与共发射极放大电路相比 电压跟随器的输入电阻Ri高的多 它比共发射极放大电路要高几十倍到几百倍 输出电阻 图2 15计算输出电阻的微变等效电路 通常情况下 也多在几百欧姆 到几千欧姆 也不大 而 至少几十倍 所以有很小 可小到几十欧姆 综上分析说明 共集电极放大电路 电压跟随器 的特点是 电压放大倍数小于1而近似等于1 输出电压与输入电压同相 输入电阻高 输出电阻低 它的输入电阻高 可减小放大电路对信号源 或前级 索取的信号电流 它们输出电阻低 可减小负载变动对电压放大倍数的影响 提高带负载能力 所以常用于多级放大电路的输入级和输出级 也可用它连接两电路 减小电路间直接相连所带来的影响 起缓冲作用 4 单管放大电路的频率特性 在放大电路输入信号的频率下降到一定程度时 因耦合 旁路电容的影响 电压放大倍数的数值Au明显下降 当Au 0 707Aum时所对应的频率称为下限截止频率fL 在信号频率上升到一定程度时 因极间电容的影响 电压放大倍数的数值Au开始减小 当Au 0 707Aum时所对应的频率称为上限截止频率fL 频率小于fH的部分称为放大电路的低频区 频率大于fH的部分称为高频区 而fH与fL之间形成的频段称为中频区 也称为放大电路的通频带BW fH fL 由于通常有 fH fL的关系 故有 BW fH放大电路的幅频特性曲线如图2 16所示 图2 16放大电路的频率特性曲线 2 2 2场效应管放大电路 1 场效应管放大电路的三种接法 a 为共源电路 b 为共漏电路 c 为共栅电路 图2 17场效管放大电路的三种接法 2 场效应管放大电路估算 1 静态工作点 Q点 的估算 自给偏压电路 图2 18自给偏压共源放大电路 分压式自偏压电路 图2 19分压式自偏压电路 分压式自偏压电路如图2 19所示 静态时 由于栅极电流为零 所以通过电阻Rg3的电流为零 栅极电位 2 动态指标的估算 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路如图2 20 b 所示 图2 20共源接法时的场效应管 动态指标的估算分压式自偏压电路的微变等效电路如图2 21所示 图2 21分压式自偏压电路的微变等效电路 解 1 估算Q点 例2 4 电路如图2 19所示 已知Rg1 2M Rg2 47k Rg3 10M Rd 30k Rs 2k VDD 18V 场效应管的Up 1V IDSS 0 5mA gm 1mS 试估算 1 电路Q点 2 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 上面两式可写成 解出 另有 2 3多级放大电路的组成 2 3 1多级放大电路的组成 图2 24多级放大电路的组成方框图 多级放大电路的组成方框图如图2 24所示 根据信号源和负载性质的不同 对各级电路有不同的要求 多级放大电路的第一级称为输入级 或前置级 一般要求有1 尽可能高的输入电阻和低的静态工作电流 后者以减小输入级的噪声 2 中间级主要提高电压放大倍数 但级数过多易产生自激振荡 3 推动级 或称激励级 输出一定的信号幅度推动功率放大电路工作 功放级则以一定功率驱动负载工作 组成多级放大电路的每一个单级电路称为一级 级与级之间为传递信号而产生的连接方式称为级间耦合方式 多级放大电路有四种常见的耦合方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合和光耦合 2 3 2多级放大电路的计算 图2 26阻容耦合两级放大电路 多级放大电路的计算以阻容耦合为例阻容耦合两级放大电路如图2 26所示 图2 26所示阻容耦合两级放大电路中 由于电容的隔直流作用 各级的直流工作状态是