3.电子技术第1章1.2(放大器).ppt

1 2 3放大器的一般概念 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 1 放大的基本概念 放大实际上就是将 幅度 进行增大的电子处理过程 幅度 这一名词在电学中可以理解为信号的大小 在电子技术中 信号一般指加在电路中的交流信号或直流信号 因此 在电子技术中 放大可以被理解为 通过输入信号对输出信号进行控制 从而使输出信号具有输入信号的特点 同时输出信号的电压 电流或功率大于输入信号 2 放大器的应用 多数电子设备利用放大器对信号进行放大 由于原始信号的幅值太小 以至于不能控制和驱动受控设备 所以需要放大 几乎在所有的电子设备中都有放大器 可见 放大器的应用是相当广泛的 电压放大器 将输入信号的电压进行放大 也就是说输出信号的电压大于输入信号 功率放大器 将输入信号的功率进行放大 一般功率放大器作为末级放大器 它控制和驱动输出设备 输出设备可能是扬声器 显示器或天线等 3 放大器的分类 图1 2 15电压和功率放大器框图 4 放大器的工作类型 1 甲类放大器甲类放大器的输出信号对全部输入信号波形进行放大 如输入信号是一个正弦波 那么输出信号也是一个正弦波 即输出回路电流的变化由全部的按正弦规律变化的输入电流控制 特点 保真度高和效率低 最大效率也只能达到50 小信号放大器属于甲类放大器 保真度 输出信号除幅度增大以外 其它方面都与输入信号相同 即 输出信号与输入信号具有波形相同 频率相同的特点 2 乙类放大器乙类放大器的输出信号仅对输入信号波形的50 进行放大 而输入信号的另一个半周使三极管截止 即放大器只导通半个周期 特点 由于在静态时 晶体管中没有电流 因此它的效率高于甲类放大器 但输出信号严重失真 功率放大器一般采用乙类放大器 乙类放大器不仅有输出半周输入信号的作用 而且对该半周信号进行了放大 3 甲乙类放大器甲乙类放大器的输出信号对输入信号的半个周期以上的波形进行放大 它的输出波形与输入波形不同 甲乙类放大器工作于甲类和乙类放大器之间 因此其特点也介于上述两种放大器之间 它的效率高于甲类放大器 而低于乙类放大器 它的保真度比甲类放大器差 但比乙类放大器好 甲乙类放大器更接近于乙类放大器的特点 实际的功率放大器都工作于甲乙类 因为它可以消除信号的交越失真 4 丙类放大器丙类放大器的输出信号仅对输入信号波形的少一半部分 50 进行放大 这种放大器的效率最高 它一般用于对已调波的信号进行放大 1 2 4低频小信号放大器1 概述低频小信号放大电路属于甲类放大器 组成 三极管 电阻器 电容器及电源等 工作原理 利用三极管的电流放大原理 把微弱的电信号转变为较强的电信号 信号源 向放大器提供输入信号的电路或设备 负载 接收放大器输出电信号的元器件或电路 放大电路的工作条件和技术要求 发射结正向偏置 集电结反向偏置 对于放大电路 要保证输入 输出电信号的传输畅通无阻 对放大电路还应满足若干基本技术要求 主要反映在以下几方面 1 放大电路的放大倍数要大 2 放大电路的非线性失真要小 3 放大电路要有合适的输入电阻和输出电阻 4 放大电路的工作要稳定 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 共发射极基本放大电路 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 放大电路要加上适当的直流偏置电路 3 静态工作点的设置 在无交流信号输入时 放大电路的状态称为静态 UBB通过RB给三极管加了直流偏置电流 相应的基极电压UBE 集电极电流IC 集电极电压UCE在静态时也都是不变的直流电量 这些直流电量对应着三极管输入特性曲线和输出特性曲线上的某一个点 这个点称为放大电路的静态工作点Q 当有交流信号输入时 放大电路的状态称为动态 4 共射放大电路的组成 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 输入 输出 参考点 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点IB和UBE 基极电源与基极电阻 共射放大电路各元件作用 共射放大电路各元件作用 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 共射放大电路各元件作用 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 耦合电容 电解电容 有极性 大小为10 F 50 F 作用 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 共射放大电路各元件作用 单电源供电 可以省去 RB 单电源供电 由于电源的存在IB 0 IC 0 IC IE IB IC 无信号输入时 静态工作点 5 共发射极放大电路的工作原理 在共发射极电路中 输入信号电压ui 基极信号电流ib和集电极信号电流ic是同相位的 输出电压uo的波形与输入信号ui的频率相同 但相位相反 这也叫放大电路的 反相 作用 放大电路工作在动态时 uBE iB uCE和iC都是由直流分量和交流分量组成 因而三极管在整个信号周期内都是导通的 结论 6 共发射极放大电路的分析 IC IC UCE IB UBE 静态工作点 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 放大电路的直流通道 直流通道 1 估算IB UBE 0 7V RB称为偏置电阻 IB称为偏置电流 1 用估算法分析放大器的静态工作点 IB UBE IC UCE 2 估算UCE Ic IC UCE Ic IB 例 用估算法计算静态工作点 已知 UCC 6V RC 2K RB 200K 50 解 请注意电路中IB和IC的数量级 2 近似估算放大电路的输入电阻 输出电阻和放大倍数 三极管的输入电阻rbe是指从三极管的输入端看进去有一个交流等效阻抗存在 忽略其电抗 低频时 而只计算其电阻时 这个电阻称为三极管输入电阻 rbe的大小可以用公式表示为 对于小功率三极管在共发射极接法且工作在低频小信号时 常用下面的近似公式估算 放大电路的输入电阻Ri是指从放大电路输入端看进去的交流等效电阻 它定义为交流输入电压ui与交流输入电流ii的比值 即 输入电阻 Ri RB rbe由于一般RB rbe 上式可以近似为 Ri rbe 放大器的输出电阻Ro是指从放大器的输出端 不包括负载电阻RL 看进去 放大电路相当于一个具有内阻Ro和电动势uo的等效电路 这个内阻Ro就是放大电路的输出电阻 输出电阻等于三极管集电极 发射极间等效电阻rce与RC的并联值 即 Ro RC rce由于三极管在放大区rce很大 即rce RC 故上式可以近似为 Ro RC 放大电路的放大倍数A 表示电路放大能力的指标 分别有下列三种 电压放大倍数Au 是放大电路输出电压变化量 交流分量 uo与输入电压变化量 交流分量 ui的比值 即 电流放大倍数Ai 是放大电路输出电流变化量 交流分量 io与输入电流变化量 交流分量 ii的比值 即 功率放大倍数AP 是放大电路输出功率Po与输入功率Pi的比值 即 电压放大倍数Au 输出端不带负载时 输入电压ui iiRi 由于Ri rbe ii ib 因此 ui ibrbe 由于放大后的集电极电流ic通过RC以电压的形式输送出去 即 uo icRC 电压放大倍数Au 输出端带负载时 当输出端外接负载电阻RL时 再从图1 2 28 b 所示交流通路来看 输出端电阻为RC RL 集电极电流ic通过交流等效负载电阻RL RC RL以电压的形式输出 因此uL uo icRL 所以 结论 放大电路不带负载时输出电压最高 电压放大倍数也最大 带负载后 电压放大倍数下降 而且负载电阻越小 电压放大倍数下降也越多 2 图解法分析法 近似估算法较为简单 并能很快计算出具体数值 可以据此来分析放大电路的一些性能 这种方法局限 难以判断所设置的静态工作点是否适当 放大电路在工作过程中是否会出现非线性失真 动态工作范围是多少 而采用图解分析法就可以解决这些问题 图解法分析法 运用三极管的特性曲线簇 通过作图的方法 直观地分析放大电路性能的方法 称为图解分析法 简称图解法 2 用图解法分析放大器的静态工作点 1 直流负载线 UCE UCC ICRC 图1 2 29放大电路输出回路的直流通路图1 2 30直流负载线 2 用图解法分析放大器的静态工作点 2 图解分析静态工作点 当电源电压UCC一定时 静态工作点Q在直流负载线上的位置取决于静态基极电流IBQ 当其他条件不变时 集电极负载电阻RC减小 直流负载线的斜率增大 与纵坐标轴的交点向上移动 静态工作点从原来的Q点移到QL点 反之 RC增大 则直流负载线斜率变小 与纵坐标的交点向下移 此外 当其他条件不变时 仅改变电源电压UCC的大小 则负载线将向右 或向左 平移 但斜率不会改变 2 用图解法分析放大器的静态工作点 2 图解法分析动态工作情况 图1 2 32图解法分析动态工作情况 根据图1 2 32所示的波形 可以计算出放大器的电压放大倍数 电流放大倍数和功率放大倍数 其计算公式为 各点波形 uo比ui幅度放大且相位相反 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 4 图解分析静态工作点与波形失真的关系失真分析 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 失真 输出波形较输入波形发生畸变 称为失真 uo 可输出的最大不失真信号 合适的静态工作点 uo Q点过低 信号进入截止区 称为截止失真 信号波形 uo Q点过高 信号进入饱和区 称为饱和失真 信号波形 7 工作点稳定的偏置电路 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UBE 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 温度对UBE的影响 温度对 值及ICEO的影响 总的效果是 常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点 电路见下页 静态工作点稳定的放大器 UBE UB UE UB IERE I2 5 10 IBI1 I2 IB I2 IE IC IB IC 分压式偏置电路 RE射极直流负反馈电阻 CE交流旁路电容 静态工作点稳定过程 UB UBE UB UE UB IERE UB被认为较稳定 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 E C B 直流通道及静态工作点估算 IB IC UCE EC ICRC IERE IC IE UE RE UB UBE RE UBE 0 7V 电容开路 画出直流通道 3 具有温度补偿的偏置电路分压式偏置电路 利用集电极电流ICQ的变化反映到输入电路的方法来稳定静态工作点的 它们并不能完全消除温度对静态工作点的影响 对于稳定性要求较高的放大电路 常常利用热敏电阻 面结合型二极管等对温度敏感的元器件 来补偿三极管参数随温度变化而带来的影响 从而使静态工作点稳定 带有这种元器件的偏置电路称为温度补偿偏置电路 图1 2 36热敏电阻的温度变化曲线图1 2 37用热敏电阻稳定静态工作点 该电路的特点 在射极偏置电路的基础上 增加一个和RB2并联的热敏电阻Rt 2 用二极管作温度补偿的偏置电路原理 二极管的正向压降和正向电阻随温度升高而减小 反向电流随温度升高而增大 图1 2 38用二极管作温度补偿的偏置电路 为什么要研究放大器的频率特性 放大器放大倍数与信号频率的关系称为频率响应 或频率特性 放大器放大的信号往往不是单一的正弦波 非正弦波是由许多不同频率 不同相位的正弦波迭加而成的 为了不失真地放大非正弦信号 就必须将输入信号中各频率成分的幅值放大相同倍数 而它们之间的相对相位关系保持不变 8 放大器的频率特性 任何放大器的放大倍数都是频率的函数 这种放大倍数与信号频率的函数关系 就是放大器的频率特性 放大器的频率特性 就是要了解放大器的放大性能与频率的关系 以及影响这种关系的因素 从而能够根据信号的频率范围 选择和设计放大电路 以满足不失真地放大信号的要求 关于频率失真非正弦信号中的各频率成分不能获得同等放大 产生的波形失真 即因放大器对不同频率信号的放大倍数不等而引起的失真 称为频率失真 频率失真包含两个方面的意思 因信号中各频率成分的幅值被放大的倍数不同而造成的失真称为幅频失真 因通过放大器时 各频率成分产生的相移不与频率成正比 以至输出电压中各频率成分之间的相位关系不能保持原输入信号中各频率成分之间的相位关系 从而使输出波形失真 称为相频失真 放大器在放大含有多种频率成分的复杂信号 如声音信号 时 如果各频率分量都在通频带之内 则各种频率成分的信号幅值被放大相同的倍数 而且具有相同的相移 在输出端就能得到不失真的输出信号 如果复杂信号中有的频率成分是在通频带之外的低频区或高频区 那么放大器对各频率成分放大倍数不同 而且产生不同的相移 在输出端得到的输出信号就会产生失真 这种因放大电路不能同等地放大不同频率信号而引起的失真 称为频率失真 FrequencyDistortion 频率特性分为幅频特性和相频特性 幅频特性 表示电压放大倍数的绝对值 Au 与频率f的关系 相频特性表示输出电压相对于输入电压的相位移 与频率f的关系 图1 2 39是射极偏置电路 图1 2 35 的频率特性 曲线表明