[工学]第2章 放大电路.ppt

第二章放大电路基础 2 2 共射放大电路 2 1 放大器的概念与技术指标 2 3 共基和共集放大电路 2 4 场效应管放大电路 2 5 多级放大电路 2 6 放大电路的频率响应 2 1放大器的概念与技术指标 2 1 1放大器的概念 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 这里所讲的主要是电压放大电路 电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示 如图 Au 放大电路 又称放大器 是基本的电子电路 放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号 放大的实质是实现能量的控制 放大的元器件 晶体三极管 放大的前提 不失真 1 放大器的基本组成 待放大的输入信号 将输入信号耦合到放大器上 将放大后的信号耦合到负载 为晶体三极管提供静态工作点 以保证晶体三极管工作在放大区 2 电路组成 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结 于是有下列过程 三极管放大作用 变化的ic通过RC转变为变化的uCE 放大的条件 1 静态下 合适的静态工作点使Je正偏 Jc反偏 2 有信号输入时 应保证交流信号顺利进入三极管的输入回路 在输出端应能得到不失真的信号 思考题 1 下列电路哪些能够实现放大作用 3 简化电路及习惯画法 2 1 2放大器的主要技术指标 一 电压放大倍数 和分别是输入端和输出端正弦电压相量 其他放大倍数 二 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 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数 输入电阻越大 从其前级取得的电流越小 对前级的影响越小 电压源 电流源 Rs信号源内阻 三 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 分析法 将输入信号源Us短路 保留内阻Rs 输出端负载RL去掉 加上电压源U 从而产生电流I 则 符号规定 UA 大写字母 大写下标 表示直流量 uA 小写字母 大写下标 表示全量 ua 小写字母 小写下标 表示交流分量 uA ua 全量 交流分量 t UA直流分量 2 2共射放大电路 一 直流通路与交流通路 交直共存 通路有别 直流通路是在直流电源作用下 直流电流流经的通路 用于研究静态工作点 当输入信号为0时 IBQ ICQ UBEQ UCEQ称为放大电路的静态工作点Q QuiescentPoint IBQ UBEQ 和 ICQ UCEQ 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 交流通路是在输入信号作用下 交流信号流经的通路 也就是动态电流流经的通路 用于研究动态参数 交流通路 ICQ UCEQ 1 ui 0 us 0 放大电路处于静态 ib ic uce ICQ UCEQ 2 ui 0 us 0 放大电路处于动态 uce 二 设计静态工作点的必要性 将RB与电源VCC断开 静态时 ui 0 IBQ 0 UCEQ VCC ICQ 0 动态时 ui 0 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 因此必须设置Q点 使T在整个信号周期工作于放大状态 以保证电路不失真 Q点不仅影响电路是否会产生失真 还影响电路的动态参数Au Ri等 实现放大的条件 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 三 图解法 图解法是指在已知放大管的输入 输出特性以及放大电路中其它各元件参数的情况下 用作图的方法来分析放大电路的工作状态 原则 先静态 后动态 1 静态分析首先画出直流通路 1 由输入回路计算基极电流IBQ 40 A 2 在三极管输出特性曲线上作直流负载线 1 5 40 A IC mA UCE V 0 A 20 A 60 A 80 A 100 A 0 12 3 直线MN的斜率为 1 RC 由RC决定 且所讨论的是静态工作情况 所以称直线MN为放大器的直流负载线 N 0 VCC RC 2 动态分析 1 首先画出交流通路 2 根据ui在输入特性曲线上求iB ib 3 在输出特性曲线上过Q点作交流负载线 输出回路电压电流的关系 过Q点作斜率为 1 RL 直线AB称为交流负载线 4 由iB的变化在输出特性曲线上求iC和uCE Uo 1 5V ui 0 02V 所以Au uo ui 75 iC t t ic uCE Q 6 M 0 12 N 1 5 40 A 0 A 20 A 60 A 80 A 100 A 3 Q B Q ICQ UCEQ uce 结论 1 交直流并存2 ui uo电压放大 形状没改变 幅值 3 ui uo相位差180 倒相作用 图解法的步骤 1 静态分析1 画出直流通路 由输入回路计算IBQ 2 在输出特性曲线上作直流负载线 与横轴交点M VCC 0 纵轴交点 0 VCC RC 直线MN与IBQ交点即为静态工作点Q 由图可得ICQ UCEQ 2 动态分析1 画出交流通路 2 根据ui在输入特性上求iB 3 在输出特性曲线上过Q点作交流负载线 斜率为 1 RL 与横轴交点为 UCEQ ICQRL 0 4 由iB的变化在输出特性曲线上求iC和uCE 动态范围Q Q 由图读出uO 则可求得Au uO ui 3 静态工作点的选择与波形失真 A 工作点Q偏低时 截止失真 顶部失真 B 工作点Q偏高时 饱和失真 底部失真 C 最大不失真输出电压Uom 所以 为使Uom尽可能大 应将Q点设置在放大区内交流负载线的中点 不饱和 不截止 D 电路参数对Q点的影响 1 改变RB RB2 RB1 Q沿直流负载线上下移动 2 改变VCC VCC2 VCC1 直流负载线平行移动 3 改变RC RC2 RC1 直流负载线斜率发生改变 N M VCC 0 IC mA UCE V 0 Q1 4 改变 2 1 Q沿直流负载线上下移动 N M VCC 0 IC mA UCE V 0 Q1 例 单管放大电路与三极管特性曲线如图 1 用图解法确定静态工作点 2 当Rc由4k增大到6k时 Q将怎样移动 3 当RB由200k变为100k时 Q将怎样移动 4 当 Vcc由 12V变为 6V时 Q将怎样移动 求解下列问题 解 1 确定Q点 2 RC由4k增大到6k直流负载线斜率变化改善饱和失真较好 3 RB由200k变为100k Q点沿直流负载线上移改善饱和 截至失真均可 4 VCC由 12V变为 6V直流负载线平行移动VCC减小Q向下向左移动改善截至失真 四 微变等效电路法 适于低频 小信号电路 一 H参数微变等效电路 特性曲线的局部线性化 近似不变 ic与 uCE无关 与 iB成 倍关系 可用大小为 iB的受控恒流源代替 体现 iB对 ic的控制作用 三极管简化H参数模型 二 静态分析 估算法 1 画直流通路 4 由输出回路求UCEQ 3 求ICQ 2 由输入回路估算IBQ 三 动态分析 1 画出交流通路 画法 电容短路 直流电压源短路接地 直流电流源开路 2 画微变等效电路 将交流通道中的三极管用微变等效电路代替 3 计算动态指标 1 电压放大倍数Au 特点 负载电阻越小 放大倍数越小 2 输入电阻Ri 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输入电阻 3 输出电阻Ro 令 所以 2 输入电阻Ri 3 输出电阻Ro 1 电压放大倍数Au 微变等效电路法的步骤 估算法求Q 计算rbe 画出微变等效电路 求Au Ri Ro等 例 如图所示共射放大电路中的锗三极管的 150 Uce sat 0 2V 试用微变等效电路法求 1 电压放大倍数 2 输入电阻和输出电阻 3 最大不失真输出电压幅值Uomax 4 最大的输入电压幅值Uimax和此时的基极电流交流分量幅值Ibmax 解 1 求Q 2 画微变等效电路 两种分析方法的比较 当输入电压幅度较小 BJT基本工作在线性区 或放大电路比较复杂时 适合用小信号模型来分析 当输入电压幅度较大 BJT的工作点延伸到非线性区 时 需采用图解法 分析放大电路的输出电压最大幅值 合理选择Q及参数 采用图解法比较方便 一 温度对UBE的影响 五 温度对工作点的影响 二 温度对 值及ICEO的影响 总的效果是 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 三 分压式偏置电路 1 静态分析 可以认为与温度无关 似乎I2越大越好 但是RB1 RB2太小 将增加损耗 降低输入电阻 因此一般取几十k 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 2 动态分析 VCC uo 1 交流通路 微变等效电路 3 动态指标 2 微变等效电路 问题1 如果去掉CE 放大倍数怎样 去掉CE后的交流通路和微变等效电路 问题2 如果电路如下图所示 如何分析 静态分析 直流通路 动态分析 交流通路 交流通路 微变等效电路 2 3共基和共集放大电路 2 3 2共集放大器 2 3 3三种组态放大器的比较 2 3 1共基放大器 2 3 1共基放大器 一 静态分析 直流通路 二 动态分析 1 交流通路 2 微变等效电路 电压增益Au 输入电阻Ri 输出电阻Ro Ri比共射接法小 3 求动态指标 适合放大何种信号源的信号 又Ri较小 Ro较大 电流接续器 2 3 2共集放大器 射极输出器 一 静态分析 直流通路 二 动态分析 1 画交流通路 2 画H参数微变等效电路 3 计算动态参数 1 电压增益Au Au 1 射极跟随器 有电流放大作用 2 输入电阻Ri Ri比共射接法大 3 输出电阻Ro Ro 3 输出电阻Ro Ro比较小 小结 1 Au 1 1 且uo和ui同相 射极跟随器 2 输入电阻大 向信号源 前级 索取的电流小 3 输出电阻小 带负载能力强 2 3 3三种组态的比较 结论 CC为电压跟随器 Ri大 Ro小 CB为电流接续器 Ri小 Ro大 CE的uo与ui反相 Ri与Ro中等 CE 中间级 电压放大 CC 输入级 隔离级或输出级 CB 宽频带 高频 放大器 例 在图示共集电路中 输出电压通过耦合电容C3加到RB3的下端 已知 100 rbe 1k RB1 RB2 20k RB3 100k RE RL 1k 所有电容可视为短路 求输入电阻Ri 若不接RB3和C3 电路如图 微变等效电路 若接入RB3 无C3 电路如图 微变等效电路 进一步接入C3 则RB1 RB2被接入发射极 电路如图 微变等效电路 2 4场效应管放大电路 1 静态 适当的静态工作点 使场效应管工作在恒流区 场效应管的偏置电路相对简单 2 动态 能为交流信号提供通路 组成原则 分析方法 2 4 1自偏压共源放大电路 UGS是由电阻R上压降提供的 称为自偏压偏置电路 1 2 3 分压式自偏压共源放大电路 一 静态分析 场效应管的微变等效电路 gm的求法 由特性方程推得 二 动态分析 Ro RD 2 4 2三种组态场效应管放大器的比较 1 共栅放大器 1 静态分析 2 动态分析 微变等效电路 忽略rds 则 2 共漏放大器 1 静态分析 UDSQ VDD IDQRS 2 动态分析 源极跟随器 输入电阻Ri 输出电阻Ro 场效应管放大电路小结 1 场效应管放大器输入电阻很大 2 场效应管共源极放大器 漏极输出 输入输出反相 电压放大倍数大于1 输出电阻 RD 3 场效应管源极跟随器输入输出同相 电压放大倍数小于1且约等于1 输出电阻小 2 5多级放大电路 2 5 2多级放大电路的分析 单级放大器增益 输入电阻和输出电阻往往不能满足特殊要求 放大器由多级构成 级间如何连接 如何分析 2 5 1级间耦合方式 2 5 1级间耦合方式 耦合 即信号的传送 多级放大电路对耦合电路要求 1 静态 保证各级Q点设置 2 动态 传送信号 要求 波形不失真 减少压降损失 耦合方式 阻容耦合 变压器耦合 直接耦合 1 阻容耦合 优点 1 Q独立 2 若耦合电容足够大 则放大倍数较高 缺点 1 不能放大直流 信号频率较低时 Au下降 2 不易集成 2 变压器耦合 优点 1 Q独立 2 阻抗变换 缺点 1 不利于集成 2 低频和高频信号的放大效果不理想 3 直接耦合 优点 1 易于集成 2 能放大交流 直流和缓变信号 缺点 1 Q相互影响 2 零点漂移 零点漂移 1 现象 理想 调零后ui 0 uo 0实际 uo随时间缓慢偏离零点 2 原因 器件参数随温度变化 Q不稳定 第一级影响最大 级数越多 漂移越严重 3 解决措施 引入直流负反馈 热敏元件补偿 采用差分结构 2 5 2多级放大电路的分析 前后级关系示意图 计算每一级电压放大倍数时 要考虑前 后级之间的影响 将前级的输出电阻视作后级的信号源内阻 第1级第2级第n级 将后级的输入电阻视作前级的负载 第1级第2级第n级 分析方法 1 逐级求Q2 求各级rbe gm3 求动态参数 Au Ri Ro 1 求输入电阻 后 前 2 求放大倍数 3 求输出电阻 前 后 射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻 接在末级可减