第2章 基本放大电路.ppt

第2章基本放大电路 本章目录 放大电路的目的是将微弱的变化信号不失真的放大成较大的信号 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 本质 实现能量的控制 在放大电路中提供一个能源 由能量较小的输入信号控制这个能源 使之输出较大的能量 然后推动负载 小能量对大能量的控制作用称为放大作用 放大的对象是变化量 元件 双极型三极管和场效应管 放大的概念 放大电路的组态 共发射极 共基极和共集电极 a 共发射极组态 b 共基极组态 c 共集电极组态 2 1基本放大电路的组成 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 1 共射极放大电路的组成 作用 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点 基极电源与基极电阻 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 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 可以省去 电路改进 采用单电源供电 2 组成放大电路的原则 1 外加直流电源的极性必须使发射结正偏 集电结反偏 则有 2 输入回路的接法应使输入电压 u 能够传送到三极管的基极回路 使基极电流产生相应的变化量 iB 3 输出回路的接法应使变化量 iC能够转化为变化量 uCE 并传送到放大电路的输出端 单电源供电时常用的画法 共发射极基本电路 直流分量 静态值 IB IC UCE交流分量 瞬时值 ib ic uce有效值 Ib Ic Uce正弦相量 总电量 瞬时值 iB iC uCE平均值 IB AV IC AV UCE AV 符号规定 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 表示交直流量 ua 小写字母 小写下标 表示交流分量 uA ua 交直流量 交流分量 t UA直流分量 2 2放大电路的主要技术指标 放大电路对输入信号的放大质量要用一些性能指标来评价 常用的性能指标主要包括 电压放大倍数Au 输入电阻ri 输出电阻ro 通频带BW和最大输出幅度Uom 1 电压放大倍数Au 电压放大倍数表示放大电路的电压放大能力 增益 2 输入电阻ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 一般希望输入电阻能大一些 其值越大 放大电路从信号源获得的电压越大 3 输出电阻 放大电路对负载来说是一个含有内阻的信号源 其内阻即为放大电路的输出电阻ro 输出电阻ro的大小直接影响放大电路的负载能力 ro越小 输出电压随负载的变化就会越小 带负载能力就越强 所以一般希望输入电阻能小一些 4 通频带 在低频段和高频段 当电压放大倍数下降到其中频段的0 707倍时所对应的频率fL fH 称为下限频率和上线频率 上下限频率之间的频率范围称为通频带 放大倍数随频率的变化规律称为频率响应 包括幅频特性和相频特性 BW fH fL 是放大电路频率特性的一重要指标 5 最大不失真输出幅度 当输入信号增大 使输出波形不失真时的最大输出幅度 放大电路的分析方法 放大电路分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 直流通路和交流通路 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号 但是 电容对交 直流的作用不同 如果电容容量足够大 可以认为它对交流不起作用 即对交流短路 而对直流可以看成开路 这样 交直流所走的通道是不同的 交流通路 只考虑交流信号的分电路 直流通路 只考虑直流信号的分电路 信号的不同分量可以分别在不同的通路分析 放大电路未加输入信号时的工作状态称为静态 输入端加上输入信号时的工作状态称为动态 2 3共射极基本放大电路 2 3 1直流通路和交流通路 1 直流通路 直流通路 对直流信号电容C可看作开路 即将电容断开 断开 断开 交流通路 短路 短路 对地短路 2 交流通路 2 3 2静态工作点及其估算 当输入信号ui为0时 电路中的直流电压 电流值称为静态值 即IC IB UCE 对应三极管特性曲线上的一点 这个点称为静态工作点Q 2 3 3放大电路的图解分析法 2 3 3 1静态分析 1 先用估算的方法计算输入回路IBQ UBEQ 2 用图解法确定输出回路静态值 方法 根据uCE VCC iCRc式确定两个特殊点 用作图确定静态工作点 输出回路 输出特性 图2 4 2 由静态工作点Q确定的ICQ UCEQ为静态值 2 3 3 2放大电路的动态分析 图2 4 4 输出通路的外电路是Rc和RL的并联 1 交流负载线 交流负载线斜率为 动态时工作点移动的轨迹 2 图解分析步骤 图2 4 5 a 输入回路工作情况 9 12 0 IB 40 A 20 60 80 4 Q 2 6 0 uCE V iC mA IB 图2 4 5 b 输出回路工作情况分析 步骤 1 根据静态分析方法 求出静态工作点Q 2 根据ui在输入特性上求uBE和iB 3 作交流负载线 4 由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE 通过图解分析 可得如下结论 交流信号的传输情况ui uBE iB iC uCE uo 电压和电流都含有直流分量和交流分量uo与ui相位相反 放大电路具有反相作用从图中可计算出电压放大倍数 但不精确 3 非线性失真 1 截止失真 NPN管顶部失真 PNP管底部失真 Q点过低 引起iB iC uCE的波形失真 O IB 0 Q t O O t iC uCE V uCE V iC mA uo uce ib 不失真 ICQ UCEQ 2 Q点过高 引起iC uCE的波形失真 饱和失真 因此要使放大电路不产生非线性失真 必须有一个合适的静态工作点 一般设置在直流负载线的中点附近 发生失真时可以通过改变RB的大小来调整静态工作点 实际电路中常用一固定电阻和电位器的串联作为偏置电阻 另外 输入信号的幅值不能太大 以免放大电路的工作范围超过特性曲线的线性范围 发生双向失真 微变等效电路 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路 即把非线性的晶体管线性化 等效为一个线性元件 2 3 4放大电路的微变等效电路分析法 线性化的条件 晶体管在小信号 微变量 情况下工作 因此 在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替 微变等效电路法 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au 输入电阻ri 输出电阻ro等 输入为小信号 是常数 Q点附近的工作段近似地 看成直线 可认为 uBE与 iB成正比 1 输入电路 对于小功率三极管 rbe一般为几百欧到几千欧 1 晶体管的微变等效电路 2 输出电路 Q点附近特性曲线基本上是水平的 iC与 uCE无关 数量关系上 iC是 iB的 倍 uCE Q iC O 从三极管输出端看 可以用 iB恒流源代替三极管 该恒流源为受控源 为iB对iC的控制 一般在20 200之间 在手册中常用hfe表示 ib 晶体管 微变等效电路 晶体管的B E之间可用电阻rbe等效代替 晶体管的C E之间可用受控电流源ic ib等效代替 2 放大电路的微变等效电路 交流通路 微变等效电路 相量模型 3 放大电路的性能指标 1 电压放大倍数Au 在上式中由于RB比rbe大得多 ri近似等于rbe 在几百欧到几千欧 一般认为是较低的 并不理想 2 输入电阻 3 输出电阻 ro越小越好 上式中ro在几千欧到几十千欧 一般认为是较大的 也不理想 信号源短路 负载开路 从输出端看进去的等效电阻 2 4射极偏置放大电路 温度对静态工作点的影响 固定偏置放大电路 在固定偏置放大电路中 当温度升高时 UBE ICBO 上式表明 当UCC和RB一定时 IC与UBE 以及ICEO有关 而这三个参数随温度而变化 温度升高时 IC将增加 使Q点沿负载线上移 2 4 1静态工作点的稳定 条件 I2 IB 调节过程 温度对 值及ICEO的影响 总的效果是 2 温度对UBE的影响 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 稳定工作点的措施 1 分压偏置电路 2 负反馈偏置电路 2 4 2静态工作点的估算 UB 一般 I2 5 10 IB UB 5 10 UBE 2 4 3动态分析 2 4 3 1有旁路电容的射极偏置放大电路 对交流 旁路电容CE将RE短路 RE不起作用 Au ri ro与固定偏置电路相同 旁路电容 2 4 3 2没有旁路电容的射极偏置放大电路 去掉CE后的微变等效电路 如果去掉CE Au ri ro 1 求电压放大倍数 2 求输入电阻 3 求输出电阻 引入RE后对输出电阻的影响 忽略RS 式中 图2 4 15求图2 4 14 a 电路输出电阻的等效电路 将代入式 放大电路输出电阻为 上式中 通常 故可简化为 如果Re 0 但考虑rce的作用 则 显然 接入Re后 三极管集电极至公共端之间的等效电阻大大提高了 2 4 3 3部分RE带有旁路电容的射极偏置放大电路 折中电路 无旁路电容CE 有旁路电容CE Au减小 分压式偏置电路 ri提高 ro不变 例 图示电路 已知UCC 12V RB1 20k RB2 10k RC 3k RE 2k RL 3k 50 试估算静态工作点 并求电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 1 用估算法计算静态工作点 UCC 12V RB1 20k RB2 10k RC 3k RE 2k RL 3k 50 2 求电压放大倍数 UCC 12V RB1 20k RB2 10k RC 3k RE 2k RL 3k 50 3 求输入电阻和输出电阻 UCC 12V RB1 20k RB2 10k RC 3k RE 2k RL 3k 50 2 5射极输出器 因对交流信号而言 集电极是输入与输出回路的公共端 所以是共集电极放大电路 因从发射极输出 所以称射极输出器 求Q点 2 5 1静态分析 直流通路 2 5 2动态分析 1 电压放大倍数 电压放大倍数Au 1且输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 微变等效电路 1 2 输入电阻 射极输出器的输入电阻高 对前级有利 ri与负载有关 3 输出电阻 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 加压求流法 加压求流法 去掉负载 信号源短路 外加一电压U 会产生一电流I 射极输出器的输出电阻很低 特点 电压放大倍数小于1 但约等于1 即电压跟随 输入电阻较高 输出电阻较低 输出与输入同相 射极输出器的应用 主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点 1 因输入电阻高 它常被用在多级放大电路的第一级 可以提高输入电阻 减轻信号源负担 2 因输出电阻低 它常被用在多级放大电路的末级 可以降低输出电阻 提高带负载能力 3 利用ri大 ro小以及Au 1的特点 也可将射极输出器放在放大电路的两级之间 起到阻抗匹配作用 这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级 例1 在图示放大电路中 已知UCC 12V RE 2k RB 200k RL 2k 晶体管 60 UBE 0 6V 信号源内阻RS 100 试求 1 静态工作点IB IE及UCE 2 画出微变等效电路 3 Au ri和ro 解 1 由直流通路求静态工作点 直流通路 2 由微变等效电路求Au ri ro 微变等效电路 补 2 6共基极放大电路 图2 6 3共基极放大电路 a 原理电路 VEE保证发射结正偏 VCC保证集电结反偏 三极管工作在放大区 b 实际电路 实际电路采用一个电源VCC 用Rb1 Rb2分压提供基极正偏电压 由微变等效电路可得 共基极放大电路没有电流放大作用 但是具有电压放大作用 电压放大倍数与共射电路相等 但没有负号 说明该电路输入 输出信号同相位 2 6场效应晶体管放大电路 自学 双极性晶体管是电流放大元件 静态工作点主要靠调节偏置电流IB来实现的 场效晶体管是电压控制元件 合适的静态工作点主要靠调节UGS来实现 2 6 1场效应晶体管放大电路的静态偏置 1 自给偏压式 这种偏置电路不能用于增强型的绝缘栅场效应晶体管 只能用于耗尽型场效应晶体管 2 分压式偏置电路 2 6 2场效应晶体管的微变等效电路 场效应管放大电路是用uGS控制iD 2 6 3共源极放大电路 1 静态分析2 动态分析 1 电压放大倍数 2 输入和输出电阻 RG一般取几兆欧 输入电阻很大 RD一般在几千欧到几十千欧 输出电阻较大 2 6 4源极输出器 学习要求 1 理解共射极单管放大电路的基本结构和工作原理 2 掌握放大电路静态工作点的估算和微变等效电路的分析方法 3 了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念 4 理解射极输出器的电路结构 性能特点及应用 5 了解场效应管共源极放大电路的结构和性能特点 解 解此类题要注意以下问题 1 判别三极管是否满足发射结正偏 集电结反偏的条件 具备合适的静态工作点 对NPN型晶体管构成的电路 集电极电源VCC的正极接集电极C 负极接 地 对PNP型晶体管构成的电路 集电极电源VCC的负极接集电极C 正极接 地