电子线路第二章放大电路 全套课件150p

2 1放大电路的基本概念 放大电路 亦称放大器 是一种应用极为广泛的电子电路 在电视 广播 通信 测量仪表以及其它各种电子设备中 是必不可少的重要组成部分 它的主要功能是将微弱的电信号 电压 电流 功率 进行放大 以满足人们的实际需要 例如扩音机就是应用放大电路的一个典型例子 其原理框图如图2 1所示 图2 1扩音机原理框图 第2章放大电路基础 当人们对着话筒讲话时 声音信号经过话筒 传感器 被转变成微弱的电信号 经放大电路放大成足够强的电信号后 才能驱动扬声器 使其发出比原来大得多的声音 放大电路放大的实质是能量的控制和转换 在输入信号作用下 放大电路将直流电源所提供的能量转换成负载 例如扬声器 所获得的能量 这个能量大于信号源所提供的能量 因此放大电路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信号 也可能兼而有之 那么 由谁来控制能量转换呢 答案是有源器件 即三极管和场效应管等等 2 1 1基本放大电路的组成和工作原理 1 基本放大电路的组成所谓基本放大电路是指由一个放大器件 例如三极管 所构成的简单放大电路 由前面的分析可知 三极管有三个电极 因此有三种不同的电路组态 下面以应用最广泛的共射电路为例 说明其组成原则和工作原理 图2 2所示电路中 AO为放大电路的输入端 外接需要放大的信号ui BO为放大电路的输出端 外接负载 发射极是放大电路输入和输出的公共端 所以该电路是共射基本放大电路 图2 2单管共射基本放大电路 在放大电路中 常把输入电压 输出电压以及直流电压的公共端称为 地 用符号 表示 实际上该端并不是真正接到地 而是在分析放大电路时 以 地 点作为零电位点 即参考电位点 这样 电路中任一点的电位就是该点与 地 之间的电压 2 工作原理假设电路中的参数和三极管的特性能保证三极管工作在放大区 当输入信号为零时 放大电路中只有直流信号 放大电路的输入端AO等效为短路 这时 C1与发射结并联 C1两端的直流电压UC1 UBE 极性为左负右正 同理 C2两端的电压UC2 UCE 极性为左正右负 当输入信号加入放大电路时 输入的交流电压ui通过电容C1加在三极管的发射结 设交流电压为 ui Uimsin t 那么 此时发射结上的瞬时电压uBE为 uBE UC1 ui UBE Uimsin t上式表明三极管发射结上的电压是直流电压和交流电压的叠加 也就是说在直流信号基础之上叠加了一个交流信号 在uBE的作用下 基极电流iB为 iB IB ib IB Ibmsin t由于三极管集电极电流iC受基极电流iB的控制 根据iC iB 则有iC IB Ibmsin t IC ICmsin t 上式中ICmsin t是被放大了的集电极交流电流ic 从图2 2可以看到集电极和发射极之间的电压uCE为uCE UCC iCRc当输入信号ui增大时 交流电流ic增大 Rc上的电压增大 于是uCE减小 当ui减小时 ic减小 Rc上的电压随之减小 故 uCE增大 可见uCE的变化正好与ic的变化方向相反 因此uCE是在直流电压UCE基础上叠加一个与ui变化相反的交流电压uce 即 uCE UCE uce UCE Ucemsin t 瞬时电压uCE中的交流分量经电容C2耦合到放大电路的输出端 于是在输出端得到一个被放大了的交流电压uo 该电压为 uo uce Ucemsin t 通过上述分析可知 三极管的放大是对输入信号的变化量进行放大 即在输入端加一微小的变化量 通过基极电流对集电极电流的控制作用 在输出端得到一个被放大了的变化量 放大部分的能量由直流电源提供 上述三极管各电极的电压 电流波形 如图2 2所示 图2 2单管共射基本放大电路 2 1 2放大电路的性能指标 任何一个放大电路都可以看成一个二端网络 图2 3为放大电路示意图 左边为输入端口 外接正弦信号源 Rs为信号源的内阻 在外加信号的作用下 放大电路得到输入电压 同时产生输入电流 右边为输出端口 外接负载RL 在输出端可得到输出电压 输出电流 图2 3放大电路示意图 1 放大倍数放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标 电压放大倍数是输出电压的变化量和输入电压的变化量之比 当放大电路的输入为正弦信号时 变化量也可用电压的正弦量来表示 即 2 1 电流放大倍数是输出电流的变化量和输入电流的变化量之比 用正弦量表示为 2 2 2 输入电阻放大电路的输入端外接信号源 对信号源来说放大电路就是它的负载 这个负载的大小就是从放大电路输入端看进去的等效电阻 即放大电路的输入电阻Ri 通常定义输入电阻Ri为输入电压与输入电流的比值 即 2 5 Ri越大 则放大电路输入端从信号源分得的电压越大 输入电压越接近于信号源电压 信号源电压损失小 Ri越小 则放大电路输入端从信号源分得的电压越小 信号源内阻消耗的能量大 信号源电压损失大 所以希望输入电阻越大越好 3 输出电阻放大电路的输出端电压在带负载时和空载时是不同的 带负载时的输出电压比空载时的输出电压有所降低 这是因为从输出端看放大电路 放大电路可等效为一个带有内阻的电压源 在输出端接有负载时 内阻上的分压使输出电压降低 这个内阻称为输出电阻Ro 它是从放大电路输出端看进去的等效电阻 通常定义输出电阻Ro是在信号源短路 即 0 Rs保留 负载开路的条件下 放大电路的输出端外加电压 与相应产生的电流 的比值 即 2 6 在实际工作中 也可根据放大电路空载时测得的输出电压 和带负载时测得的输出电压来得到 即 2 7 输出电阻是衡量放大电路带负载能力的一项指标 输出电阻越小 表明带负载能力越强 4 通频带 图2 4放大电路的频率指标 当放大倍数从下降到 即0 707 时 在高频段和低频段所对应的频率分别称为上限截止频率fH和下限截止频率fL fH和fL之间形成的频带宽度称为通频带 记为fBW 2 8 通频带越宽表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 但是通频带宽度也不是越宽越好 超出信号所需要的宽度 一是增加成本 二是把信号以外的干扰和噪声信号一起放大 显然是无益的 所以应根据信号的频带宽度来要求放大电路应有的通频带 5 非线性失真系数由于放大器件具有非线性特性 因此它们的线性放大范围有一定的限度 超过这个限度 将会产生非线性失真 当输入单一频率的正弦信号时 输出波形中除基波成分外 还含有一定数量的谐波 所有的谐波成分总量与基波成分之比 称为非线性失真系数D 设基波幅值为A1 二次谐波幅值为A2 三次谐波幅值为A3 则 2 9 6 最大不失真输出电压 最大不失真输出电压是指在输出波形不失真的情况下 放大电路可提供给负载的最大输出电压 一般用有效值Uom表示 7 最大输出功率和效率最大输出功率是指在输出信号不失真的情况下 负载上能获得的最大功率 记为Pom 在放大电路中 输入信号的功率通常较小 经放大电路放大器件的控制作用将直流电源的功率转换为交流功率 使负载上得到较大的输出功率 通常将最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PV之比称为效率 即 2 10 它反映了直流电源的利用率 2 1 3直流通路和交流通路 由放大电路的工作原理可知 放大电路工作在放大状态时 电路中交直流信号是并存的 为了便于分析 常将交流信号和直流信号分开研究 这样就需要根据电路的具体情况 正确地画出直流通路和交流通路 所谓直流通路是指在直流电源作用下 直流电流所流经的路径 画直流通路的原则是电容视为开路 电感视为短路 所谓交流通路是指在输入信号作用下 交流电流所流经的路径 画交流通路的原则是容量大的电容视为短路 如耦合电容 直流电压源 忽略其内阻 视为短路 现以单管共射放大电路为例 画出直流通路和交流通路 在图2 2中 由于UBB和UCC的负端连在一起 为了方便起见 只用一个电源即可 方法是省去基极直流电源UBB 适当调整基极电阻Rb数值 将其接到集电极直流电源UCC的正端 同样可保证发射结正偏 直流电源UCC的电池符号可以不画 只标出它对 地 的电压大小和极性 其正端接集电极电阻Rc 以保证集电结反偏 如此按习惯画法画出外接信号源和负载的单管共射放大电路如图2 5 a 所示 根据上述画直流通路和交流通路的原则可得到图2 5 a 的直流通路和交流通路如图2 5 b 和 c 所示 图2 5单管共射放大电路的直流通路和交流通路 a 单管共射放大电路 b 直流通路 c 交流通路 2 1 4静态工作点的设置 当外加输入信号为零时 放大电路处于直流工作状态或静止状态 简称静态 此时 在直流电源UCC的作用下 三极管的各电极都存在直流电流和直流电压 这些直流电流和直流电压在三极管的输入和输出特性曲线上各自对应一点Q 该点称为静态工作点 静态工作点处的基极电流 基极与发射极之间的电压分别用IBQ UBEQ表示 集电极电流 集电极与发射极之间的电压分别用ICQ UCEQ表示 由图2 5 b 的直流通路可求得静态基极电流为 2 11 在近似估算中常认为UBEQ为已知量 可近似认为硅管的UBEQ 0 7V 锗管的UBEQ 0 2V 由图2 5 b 的集电极回路可得 2 13 已知三极管的集电极电流与基极电流之间的关系为 则集电极电流为 假设图2 5 a 是不设静态工作点的放大电路 即将基极电阻Rb去掉 当在输入端加入正弦交流电压信号时 由于三极管的发射结的单向导电作用 在输入信号的负半周发射结反向偏置 三极管截止 基极电流和集电极电流均为零 输出端没有输出 在输入信号的正半周 由于输入特性存在导通电压且在起始处弯曲 使基极电流不能马上按比例地随输入电压的大小而变化 导致输出信号失真 因此放大电路中必须设置静态工作点 即在没有输入信号时 就预先给三极管一个基极直流电流 使三极管发射结有一个正向偏置电压 当加入交流信号后 交流电压叠加在直流电压上 共同作用于发射结 如果基极电流选择适当 可保证加在发射结上的电压始终为正 三极管一直工作在线性放大状态 不会使输出波形失真 此外 静态工作点的设置不仅会影响放大电路是否会产生失真 还会影响放大电路的性能指标 如放大倍数 最大输出电压等 这些将在后面加以说明 2 2放大电路的图解分析法 2 2 1静态工作点的图解分析 采用该方法分析静态工作点 必须已知三极管的输入输出特性曲线 共射极放大电路 1 静态工作点的图解分析 列输入回路方程 列输出回路方程 直流负载线 VCE VCC ICRc 首先 画出直流通路 直流通路 在输出特性曲线上 作出直流负载线VCE VCC ICRc 与IBQ曲线的交点即为Q点 从而得到VCEQ和ICQ 在输入特性曲线上 作出直线 两线的交点即是Q点 得到IBQ 根据vs的波形 在BJT的输入特性曲线图上画出vBE iB的波形 2 动态工作情况的图解分析 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形 共射极放大电路中的电压 电流波形 2 2 2静态工作点对波形失真的影响 截止失真的波形 饱和失真的波形 图解分析法的适用范围 幅度较大而工作频率不太高的情况 优点 直观 形象 有助于建立和理解交 直流共存 静态和动态等重要概念 有助于理解正确选择电路参数 合理设置静态工作点的重要性 能全面地分析放大电路的静态 动态工作情况 缺点 不能分析工作频率较高时的电路工作状态 也不能用来分析放大电路的输入电阻 输出电阻等动态性能指标 共射极放大电路 放大电路如图所示 已知BJT的 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k 时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 忽略BJT的饱和压降 解 1 2 当Rb 100k 时 静态工作点为Q 40 A 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 其最小值也只能为0 即IC的最大电流为 所以BJT工作在饱和区 VCE不可能为负值 此时 Q 120uA 6mA 0V 例题 2 3 1BJT的H参数及小信号模型 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 2 3放大电路的等效电路分析法 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 已知输入输出特性曲线如下 iB f vBE vCE const iC f vCE iB const 可以写成 BJT双口网络 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 根据 可得小信号模型 BJT的H参数模型 BJT双口网络 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 受控电流源hfeib 反映了BJT的基极电流对集电极电流的控制作用 电流源的流向由ib的流向决定 hrevce是一个受控电压源 反映了BJT输出回路电压对输入回路的影响 模型的简化 hre和hoe都很小 常忽略它们的影响 BJT在共射极连接时 其H参数的数量级一般为 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 可用图示仪测出 rbe rbb 1 re 其中对于低频小功率管rbb 200 则 晶体管输入电阻的计算 2 3 2用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 1 利用直流通路求Q点 共射极放大电路 一般硅管VBE 0 7V 锗管VBE 0 2V 已知 2 画小信号等效电路 H参数小信号等效电路 3 求放大电路动态指标 根据 则电压增益为 可作为公式 1 电压增益 H参数小信号等效电路 3 求放大电路动态指标 2 输入电阻 3 输出电阻 小信号等效电路 2 3 3带RE的共射极放大电路分析 1 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 确定模型参数 已知 求rbe 求增益 放大电路指标分析 可作为公式用 2 输入电阻 则输入电阻 放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻 3 输出电阻 输出电阻 求输出电阻的等效电路 其中 3 小信号模型分析法的适用范围 放大电路的输入信号幅度较小 BJT工作在其V T特性曲线的线性范围 即放大区 内 H参数的值是在静态工作点上求得的 所以 放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关 优点 分析放大电路的动态性能指标 Av Ri和Ro等 非常方便 且适用于频率较高时的分析 缺点 在BJT与放大电路的小信号等效电路中 电压 电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量 交流量 而言的 不能用来分析计算静态工作点 2 4 1温度对静态工作点的影响 1 3 5节讨论过 温度上升时 BJT的反向电流ICBO ICEO及电流放大系数 或 都会增大 而发射结正向压降VBE会减小 这些参数随温度的变化 都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加 ICQ IBQ ICEO 从而使Q点随温度变化 要想使ICQ基本稳定不变 就要求在温度升高时 电路能自动地适当减小基极电流IBQ 2 4放大电路工作点的稳定 1 稳定工作点原理 目标 温度变化时 使IC维持恒定 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现静态工作点的稳定 T IC IE VE VB不变 VBE IB 反馈控制 2 4 2基极分压式射极偏置电路 a 原理电路 b 直流通路 2 静态工作点的设置 b点电位基本不变的条件 I1 IBQ 此时 VBQ与温度无关 VBQ VBEQ Re取值越大 反馈控制作用越强 一般取I1 5 10 IBQ VBQ 3 5V 2 5共集电极放大电路 1 静态分析 共集电极电路结构如图所示 该电路也称为射极输出器 得 直流通路 小信号等效电路 2 动态分析 交流通路 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 其中 一般 则电压增益接近于1 射级 电压跟随器 输入电阻 时 输入电阻大 输出电阻 由电路列出方程 其中 则输出电阻 时 输出电阻小 2 6共基极放大电路 1 静态工作点 直流通路与射极偏置电路相同 2 动态指标 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 交流通路 小信号等效电路 输入电阻 输出电阻 小信号等效电路 放大电路三种组态的比较 1 三种组态的判别 以输入 输出信号的位置为判断依据 信号由基极输入 集电极输出 共射极放大电路信号由基极输入 发射极输出 共集电极放大电路信号由发射极输入 集电极输出 共基极电路 2 三种组态的比较 3 三种组态的特点及用途 共射极放大电路 电压和电流增益都大于1 输入电阻在三种组态中居中 输出电阻与集电极电阻有很大关系 适用于低频情况下 作多级放大电路的中间级 共集电极放大电路 只有电流放大作用 没有电压放大 有电压跟随作用 在三种组态中 输入电阻最高 输出电阻最小 频率特性好 可用于输入级 输出级或缓冲级 共基极放大电路 只有电压放大作用 没有电流放大 有电流跟随作用 输入电阻小 输出电阻与集电极电阻有关 高频特性较好 常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合 模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能 2 8多级放大电路 2 8 1多级放大电路的耦合方式 1 阻容耦合将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端 称为阻容耦合 阻容耦合方式 2 直接耦合将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端 称为直接耦合 如图 a 所示 直接耦合方式的优点是既能放大交流信号 也能放大变化缓慢的信号 更为重要的是 直接耦合方式电路中没有大容量的电容 因此易于集成 在实际使用的集成放大电路中一般都采用直接耦合方式 由于直接耦合的放大电路前后级之间是直接连接 因此前后级之间存在着直流通路 这就造成了各级静态点相互影响 若处理不当 会使放大电路无法正常工作 对于直接耦合的放大电路 需要解决以下两个问题 直接耦合放大电路 1 级间的匹配问题 在 a 中 V1管的集电极电位被V2管的基极限制在0 7V左右 使V1管的Q点接近于饱和区 因而不能正常放大 为此 可以在V2管的发射极加发射极电阻Re2 如图 b 所示 由于Re2的接入 提高了第二级基极电位UB2 从而保证了V1管的集电极得到较高的静态电位 使V1管不致工作在饱和区 然而 Re2接入后 使后一级的电压放大倍数大大下降 从而影响整个电路的放大能力 为了解决上述问题 在 c 所示电路中用一只稳压管VDZ取代电阻Re2 对于直流量 稳压管相当于一个稳压电源 限流电阻R的作用是保证稳压管工作在稳压状态 对于交流量 稳压管等效成一个动态电阻 由于稳压管的动态电阻很小 一般为十几至几十欧姆 因此几乎不会影响到第二级的放大倍数 为了使各级三极管都工作在放大区 必然要求V2的集电极电位高于基极电位 也就是高于V1管的集电极电位 这样 当放大电路的级数增加时 势必使基极和集电极电位逐级上升 最终接近电源电压 这样会使后级的静态工作点不合适 改进的方法是将NPN管和PNP管组合 构成直接耦合放大电路 如图 d 所示 由于后级采用了PNP管 其集电极电位比基极电位低 即使耦合级数较多 也可以使各级获得合适的静态工作点 2 零点漂移问题 人们在实验中发现 在直接耦合放大电路中 若将输入端短路 用灵敏的直流表测量输出端 有一个相当可观的 随时间缓慢变化的不规则信号输出 即输出电压在静态值上下随机偏离 如图所示 这种输入电压为零 输出电压不为零且缓慢变化的现象称为零点漂移 简称零漂 零点漂移现象 在放大电路中 任何参数的变化 如电源电压的波动 元件的老化 器件参数随温度的变化等 都会产生零点漂移 在阻容耦合的放大电路中 这种缓慢变化的漂移电压被耦合电容阻隔 不会传送到下一级放大电路进一步放大 但是 在直接耦合放大电路中 这种缓慢变化的漂移电压会被毫无阻隔地传输到下一级 并且被逐级放大 以致于有时在输出端很难分辨出哪个是有用信号 哪个是漂移电压 换句话说 有用信号被漂移电压 淹没 了 放大电路不能正常工作 对于电源电压的波动 元件的老化所引起的零漂可采用高质量的稳压电源或经过老化实验的元件来减小 因此温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因 故也将零点漂移称为温度漂移 简称温漂 抑制零点漂移的方法 1 温度补偿 用与放大管温度系数相同的器件去抵消温度变化对放大管的影响 2 在放大电路中引入直流负反馈 3 采用差分放大电路 3 变压器耦合变压器能传递交流信号 因此将放大电路的前后级利用变压器连接起来 称为变压器耦合 如图所示 图中第一级的输出信号经变压器Tr1传送到第二级 第二级的输出信号经变压器Tr2传送给负载并进行阻抗变换 Cb是偏置电阻Rb21 Rb22的旁路电容 主要防止信号被偏置电阻所衰减 变压器耦合放大电路 变压器耦合方式的优点是不但可以传递信号 而且还能实现阻抗变换 利用这一特点 根据所需要的放大倍数 选择适当的匝数比 使负载电阻上获得足够大的电压 并且当匹配得当时 负载还可获得足够大的功率 由于变化缓慢的信号和直流信号也不能通过变压器 因此变压器耦合方式的放大电路 各级静态工作点相互独立 该方式的缺点是体积大 造价高 不易于集成 目前即使是功率放大电路也较少采用变压器耦合方式 2 8 2多级放大电路的动态分析 在多级放大电路中 各级之间是相互串行连接的 前一级的输出信号就是后一级的输入信号 后一级的输入电阻就是前一级的负载 因此多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积 即 多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻 即 Ri Ri1 多级放大电路的输出电阻就是最后一级的输出电阻 即 Ro Ron 需要注意 当共集电极电路作为多级放大电路的输入级时 多级放大电路的输入电阻与其负载 即后一级的输入电阻有关 当共集电极电路作为输出级时 多级放大电路的输出电阻与其信号源内阻 即其前一级的输出电阻有关 例 两级放大电路如图所示 已知 1 2 50 UBE1 UBE2 0 7V rbb 300 电容器对交流可视为短路 1 试估算该电路V1管和V2管的静态工作点 2 估算该电路的电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 1 因为 所以 又因为V1管和V2管之间是直接耦合方式 V1管的集电极电位等于V2管的基极电位 V2管的基极电流相对于V1管的集电极电流较小 因此忽略IB2 可得 列出第二级放大电路输入回路方程 由于 UCQ1 UCC ICQ1Rc1 20 1 10 10V 所以 2 画小信号等效电路 小信号等效电路 由等效电路可知 第二级的输入电阻Ri2为 输出电阻为 两级放大电路的输入电阻为 Ri Rb11 Rb12 rbe1 1 Re1 33 8 2 1 626 1 50 0 28 4 6k 2 9差分放大电路的组成 差分放大电路是由对称的两个基本放大电路 通过射极公共电阻耦合构成的 如图所示 对称的含义是两个三极管的特性一致 电路参数对应相等 基本差分放大电路 即 1 2 VBE1 VBE2 VBErbe1 rbe2 rbeICBO1 ICBO2 ICBORC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 2 9 1基本差分放大电路 差分放大电路一般有两个输入端 同相输入端 反相输入端 差分放大电路可以有两个输出端 一个是集电极C1 另一个是集电极C2 从C1和C2输出称为双端输出 仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出 信号的输入方式 若信号同时加到同相输入端和反相输入端 称为双端输入 若信号仅从一个输入端对地加入 称为单端输入 结构特点 基本差分放大电路 共模信号和差模信号示意图 差模信号和共模信号的概念 差分放大电路仅对差模信号具有放大能力 对共模信号不予放大 温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号 差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式 差模信号共模信号 是指在两个输入端加上幅度相等 极性相反的信号 是指在两个输入端加上幅度相等 极性相同的信号 双电源差分放大电路 1 差分放大电路的静态计算 差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同 为了使差分放大电路在静态时 其输入端基本上是零电位 将Re从接地改为接负电源 VEE 由IB的计算式可知 Re对一半差分电路而言 只有2Re才能获得相同的电压降 如图所示 由于接入负电源 所以偏置电阻Rb可以取消 改为 VEE和Re提供基极偏置电流 基极电流为 1 差模状态动态计算 差分放大电路的差模工作状态分为四种 1 双端输入 双端输出 双 双 2 双端输入 单端输出 双 单 3 单端输入 双端输出 单 双 4 单端输入 单端输出 单 单 主要讨论的问题有 差模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻 2 差分放大电路的动态计算 双端输入双端输出 1 差模电压放大倍数Avd 双端输入差放电路如图所示 负载电阻接在两集电极之间 vi接在两输入端之间 也可看成 vi 2各接在两输入端与地之间 这种方式适用于双端输入和双端输出 输入 输出均不接地的情况 双端输入双端输出差模电压放大倍数 双端输入单端输出差模电压放大倍数 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号 双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量 所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一 双端输入单端输出 单端输入双端输出差模电压放大倍数 单端输入信号可以转换为双端输入 其转换过程见图 右侧的Rs rbe归算到发射极回路的值 Rs rbe 1 Re 故Re对Ie分流极小 可忽略 于是有 这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号 可用于输出负载不接地的情况 单端输入转换为双端输入 vi1 vi2 vi 2 单端输入单端输出 通过从T1或T2的集电极输出 可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系 从T1的基极输入信号 从C1输出 为反相 从C2输出为同相 2 差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入 差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍 3 输出电阻 输出电阻在单端输出时 双端输出时 计算共模放大倍数Avc的微变等效电路 如图所示 其中Re用2Re等效 这与差模时不同 Avc的大小 取决于差分电路的对称性 双端输出时可以认为等于零 单端输出时为 共模微变等效电路 1 共模放大倍数Avc 2 共模状态动态计算 2 共模输入电阻 对于共模信号两输入端是并联的 因此共模输入电阻Ric应为 3 输出电阻 输出电阻在单端输出时 双端输出时 3 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标 定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比 或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大 单端输出时共模抑制比 2 9 2带恒流源差分放大电路 为了提高共模抑制比应加大Re 但Re加大后 为保证工作点不变 必须提高负电源 这是不经济的 为此可用恒流源T3来代替Re 恒流源动态电阻大 可提高共模抑制比 同时恒流源的管压降只有几伏 可不必提高负电源之值 这种电路称为恒流源差分放大电路 恒流源电流数值为IE VZ VBE3 Re 恒流源差分放大电路 2 10电流源电路 1 镜像电流源 T1 T2的参数全同 即 1 2 ICEO1 ICEO2 当BJT的 较大时 基极电流IB可以忽略 Io IC2 IREF 代表符号 2 微电流源 所以IC2也很小 ro rce2 1 参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 由于VBE1 VBE2差值很小 因此用不大的Re 就可获得微弱的电流Io 故称微电流源 根据PN结电压与电流的近似关系 则 设IS1 IS2 IE2 IO IEI IREF可得 当IREF和IO已知时 可求出RE 例如 已知IREF 1mA IO 10 A 在室温下 VT 26mv 可求得RE 12k 具有多路输出的电流源如图所示 V1管称为偏置管 它同时给V2 V3 V4管提供偏置电流 V0为缓冲管 它提高了基准电流IREF的精度 3 多路输出恒流源电路 多路输出恒流源电路 2 11 1功率放大电路的特点和要求功率放大电路 PowerAmplifier 主要有以下三个特点 1 根据负载要求 提供尽可能大的输出功率 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率 当输入正弦信号时 在输出波形不超过规定的非线性失真范围的情况下 放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积称为最大输出功率Pom 即 Pom UoIo 2 11互补对称功率放大电路 2 具有较高的转换效率 从前面的分析可知 所有的放大电路实质上都是能量变换器 负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来的 当供给功率放大电路的直流电源功率一定时 为了向负载提供尽可能大的功率 就必须减小损耗 因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题 功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比 用 表示 即 式中 PV为直流电源所提供的功率 3 尽量减小非线性失真 在功率放大电路中 为了使输出功率尽可能大 三极管一般都工作在极限状态 瞬时工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区 输出信号不可避免地会有非线性失真 而且输出功率越大 非线性失真越严重 因此必须注意功放管的正确选择 要保证管子的最大耗散功率PCM 最大集电极电流ICM 最大管压降U BR CEO不超过限定范围 使管子工作在安全工作区 由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态 因此在进行分析时 一般不采用小信号等效电路法 而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析 功率放大电路提高效率的主要途径 降低静态功耗 即减小静态电流 三种工作状态 根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分 乙类 导通角等于180 甲类 一个周期内均导通 甲乙类 导通角大于180 2 11 2乙类互补功率放大电路 OCL 1 OCL电路的组成及工作原理 基本OCL电路如图所示 电路采用绝对值相等的双电源供电 T1管和T2管特性对称 且一个为NPN型 一个为PNP型 两管发射极连接在一起作为输出端 基极连在一起作为输入端 所以两管都是共集电极接法 故又称互补射极输出器 静态时 ui 0V T1 T2均不工作 uo 0V 动态时 ui 0V T1截止 T2导通 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 注意 T1 T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式 工作原理 设ui为正弦波 2 分析计算由于输出波形是两管共同作用的结果 为了便于分析 将V2管的输出特性曲线倒置在V1管的右下方 并令两者在Q点 即uCE UCC处重合 就得到了如下图所示的两管组合后的特性曲线 交流负载线为过Q点且斜率为 1 RL的直线 根据输入的正弦信号 Q点在交流负载线上移动 信号为正半周时 V1管导通 可得到其集电极电流iC1和集 射之间的电压uCE1的半波波形 信号为负半周时 V2管导通 得到iC2和uCE2的半波波形 这样在负载RL上是完整的正弦电流 电压波形 显然 允许的iC的最大变化范围为2Icm uCE的最大变化范围为2 UCC UCES 2Ucem 用图解法分析OCL电路 1 最大输出功率Pom 由图可得最大输出功率为 在理想情况下UCES 0 所以 2 直流电源提供的功率PV 由于每个直流电源只提供半个周期的电流 iC Icmsin t 因此 两个直流电源所提供的总功率等于其电源电压与平均电流的乘积 即 3 效率 这是理想情况下 忽略UCES 则 4 集电极管耗PT 集电极管耗是指每个三极管集电极上所损耗的功率 用PT表示 通常情况下 功率放大电路中的损耗主要是三极管的集电极管耗 由于上述电源所提供的功率和负载上获得的功率是对两个三极管而言的 因此每个三极管的集电极管耗为 死区电压 2 11 3甲乙类互补对称功率放大电路 1 乙类互补对称电路存在的问题 2 甲乙类互补对称电路 1 静态偏置 可克服交越失真 2 动态工作情况 二极管等效为恒压模型 设T3已有合适的静态工作点 交流相当于短路 1 电路中增加复合管 1 优点 可获得更大的输出功率 可提高放大倍数 1 2 降低驱动电流 可以使两管比较对称 2 结构 复合NPN型 2 11 3准互补对称功率放大电路 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 其他结构 3 复合管的 和rbeiC iC1 iC2 1ib1 2ib2 1ib1 2ie1 1ib1 2 1 1 ib1 1 2 1 2 ib1 1 2ib1 ib iC ib 1 2 2 改进后的OCL准互补输出功放电路 T1 电压推动级 T1 R1 R2 UBE倍增电路 T3 T4 T5 T6 复合管构成的输出级 准互补 输出级中的T4 T6均为NPN型晶体管 两者特性容易对称 集成功放LM384外部电路典型接法 调节音量 电源滤波电容 外接旁路电容 低通滤波 去除高频噪声 输入信号 输出耦合大电容 2 11 3集成功率放大电路 2 11场效应管放大电路 场效应管的特点 场效应管与晶体三极管一样具有放大作用 可以用来组成放大电路 与三极管相比 场效应管有如下特点 1 场效应管是一种电压控制型器件 而晶体三极管是一种电流控制型器件 在场效应管的放大区 恒流区 漏极电流iD的大小受栅源电压uGS的控制 而在三极管的放大区 集电极电流iC的大小受基极电流iB的控制 2 场效应管的栅极几乎不取电流 所以其输入电阻很大 通常结型场效应管在107 以上 MOS场效应管则为108 1010 高的可达1015 而晶体三极管的基极与发射极之间处于正向偏置 因此输入电阻较小 一般为几千欧的数量级 3 由于场效应管靠多数载流子导电 是一种单极型器件 所以具有噪声小 温度稳定性好的特点 而三极管靠两种载流子导电 是一种双极型器件 易受环境温度的影响 场效应管的制造工艺简单 易于大规模集成 特别是MOS场效应管的集成度更高 4 由于场效应管的跨导较小 所以在组成放大电路时 在相同的负载下其电压放大倍数一般比三极管的要低 场效应管放大电路的三种组态 a 共源放大电路 b 共漏放大电路 c 共栅放大电路 2 12 1场效应管的小信号等效电路 如果输入信号很小 场效应管工作在线性放大区 即输出特性中的恒流区 时 与三极管一样 可用小信号模型法进行等效 将场效应管看成一个两端口网络 栅极与源极之间视为输入端口 漏极与源极之间视为输出端口 以N沟道耗尽型MOS管为例 可认为栅极电流为零 栅 源之间只有电压存在 漏极电流iD是栅源电压uGS和漏源电压uDS的函数iD f uGS uDS 对上式求iD的全微分可得 式中 从场效应管的特性曲线可知 当小信号作用时 管子的电