模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行__第二章.ppt

第二章放大电路的基本原理 2 1放大的概念 2 2单管共发射极放大电路 2 3放大电路的主要技术指标 2 4放大电路的基本分析方法 2 5工作点的稳定问题 2 6放大电路的三种基本组态 2 7场效应管放大电路 2 8多级放大电路 2 1放大的概念 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 2 2放大电路的主要技术指标 图2 2 1放大电路技术指标测试示意图 1 放大倍数 2 最大输出幅度 在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压 或最大输出电流 可用峰 峰值表示 或有效值表示 Uom Iom 3 非线性失真系数D 4 输入电阻Ri 所有谐波总量与基波成分之比 即 从放大电路输入端看进去的等效电阻 5 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效电阻 测量Ro 输入端正弦电压 分别测量空载和输出端接负载RL的输出电压 输出电阻愈小 带载能力愈强 6 通频带 7 最大输出功率与效率 输出不产生明显失真的最大输出功率 用符号Pom表示 效率PV 直流电源消耗的功率 fLfH fL 下限频率fH 上限频率 图2 2 2 2 3单管共发射极放大电路 2 3 1单管共发射极放大电路的组成 图2 3 1单管共射放大电路的原理电路 VT NPN型三极管 为放大元件 VCC 为输出信号提供能量 RC 当iC通过Rc 将电流的变化转化为集电极电压的变化 传送到电路的输出端 VBB Rb 为发射结提供正向偏置电压 提供静态基极电流 静态基流 2 3 2单管共发射极放大电路的工作原理 1 放大作用 图2 3 1单管共射放大电路的原理电路 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 3 原理电路的缺点 1 双电源供电 2 uI uO不共地 4 单管共射放大电路 图2 3 2单管共射放大电路 C1 C2 为隔直电容或耦合电容 RL 为负载电阻 该电路也称阻容耦合单管共射放大电路 图2 4 1 b 2 4放大电路的基本分析方法 基本分析方法两种 图解法 微变等效电路法 2 4 1直流通路与交流通路 图2 3 2 b 图2 4 1 a 2 4 2静态工作点的近似计算 硅管UBEQ 0 6 0 8 V锗管UBEQ 0 1 0 2 V ICQ IBQ UCEQ VCC ICQRC 例 图示单管共射放大电路中 VCC 12V Rc 3k Rb 280k NPN硅管的 50 试估算静态工作点 图2 4 3 a 解 设UBEQ 0 7V ICQ IBQ 50 0 04 mA 2mA UCEQ VCC ICQRc 12 2 3 V 6V 12 4 3图解法 在三极管的输入 输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况 1 图解的基本方法 1 图解分析静态 先用估算的方法计算输入回路IBQ UBEQ 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 输出回路 输出特性 图2 4 3 由静态工作点Q确定的ICQ UCEQ为静态值 图2 4 3 a 例 图示单管共射放大电路及特性曲线中 已知Rb 280k Rc 3k 集电极直流电源VCC 12V 试用图解法确定静态工作点 解 首先估算IBQ 做直流负载线 确定Q点 根据UCEQ VCC ICQRc iC 0 uCE 12V uCE 0 iC 4mA 0 iB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 3 4 2 2 4 6 8 10 12 M IBQ 40 A ICQ 2mA UCEQ 6V uCE V 由Q点确定静态值为 iC mA 图2 4 3 b 二 图解分析动态 1 交流通路 图2 4 4 交流通路的外电路是Rc和RL的并联 电容 电抗 电流源 电压源 2 交流负载线 交流负载线斜率为 3 电压放大倍数 图2 4 3 a 2 例 用图解法求图示电路电压放大倍数 输入 输出特性曲线如下页图 RL 3k uCE 4 5 7 5 V 3V uBE 0 72 0 68 V 0 04V 解 求确定交流负载线 取 iB 60 20 A 40 A 则输入 输出特性曲线上有 动态工作情况图解分析 图2 4 5 a 输入回路工作情况 图2 4 5 b 输出回路工作情况分析 单管共射放大电路当输入正弦波uI时 放大电路中相应的uBE iB iC uCE uO波形 图2 4 6单管共射放大电路的电压电流波形 二 图解法的应用 一 用图解法分析非线性失真 1 静态工作点过低 引起iB iC uCE的波形失真 ib ui 结论 iB波形失真 截止失真 iC uCE uo 波形失真 NPN管截止失真时的输出uo波形 uo uce 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 二 用图解法估算最大输出幅度 输出波形没有明显失真时能够输出最大电压 即输出特性的A B所限定的范围 Q尽量设在线段AB的中点 则AQ QB CD DE 三 用图解法分析电路参数对静态工作点的影响 1 改变Rb 保持VCC Rc 不变 Rb增大 Rb减小 Q点下移 Q点上移 2 改变VCC 保持Rb Rc 不变 升高VCC 直流负载线平行右移 动态工作范围增大 但管子的动态功耗也增大 Q2 图2 4 9 a 图2 4 9 b 3 改变Rc 保持Rb VCC 不变 4 改变 保持Rb Rc VCC不变 增大Rc 直流负载线斜率改变 则Q点向饱和区移近 Q2 增大 ICQ增大 UCEQ减小 则Q点移近饱和区 图2 4 9 c 图2 4 9 d 图解法小结 1 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系 2 方便估算最大输出幅值的数值 3 可直观表示电路参数对静态工作点的影响 4 有利于对静态工作点Q的检测等 2 4 4微变等效电路法 晶体管在小信号 微变量 情况下工作时 可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线 三极管就可以等效为一个线性元件 这样就可以将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 微变等效条件 研究的对象仅仅是变化量 信号的变化范围很小 一 简化的h参数微变等效电路 一 三极管的微变等效电路 晶体管的输入特性曲线 rbe 晶体管的输入电阻 在小信号的条件下 rbe是一常数 晶体管的输入电路可用rbe等效代替 1 输入电路 Q点附近的工作段 近似地看成直线 可认为 uBE与 iB成正比 图2 4 10 a 2 输出电路 假设在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比 iB大 倍 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 图2 4 10 b 3 三极管的简化参数等效电路 注意 这里忽略了uCE对iC与输出特性的影响 在大多数情况下 简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小 图2 4 11三极管的简化h参数等效电路 4 电压放大倍数Au 输入电阻Ri 输出电阻RO Ri rbe Rb Ro Rc 图2 4 12单管共射放大电路的等效电路 二 rbe的近似估算公式 rbb 基区体电阻 re b 基射之间结电阻 低频 小功率管rbb 约为300 UT 温度电压当量 图2 4 13 电流放大倍数与电压放大倍数之间关系 1 当IEQ一定时 愈大则rbe也愈大 选用 值较大的三极管其Au并不能按比例地提高 因 2 当 值一定时 IEQ愈大则rbe愈小 可以得到较大的Au 这种方法比较有效 三 等效电路法的步骤 归纳 1 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q 2 求出静态工作点处的微变等效电路参数 和rbe 3 画出放大电路的微变等效电路 可先画出三极管的等效电路 然后画出放大电路其余部分的交流通路 4 列出电路方程并求解 二 微变等效电路法的应用 例 接有发射极电阻的单管放大电路 计算电压放大倍数和输入 输出电阻 图2 4 14接有发射极电阻的放大电路 根据微变等效电路列方程 引入发射极电阻后 降低了 若满足 1 Re rbe 与三极管的参数 rbe无关 2 放大电路的输入电阻 引入Re后 输入电阻增大了 3 放大电路的输出电阻 将放大电路的输入端短路 负载电阻RL开路 忽略c e之间的内电阻rce 图2 4 14 b 引入Re后对输出电阻的影响 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 5工作点的稳定问题 2 5 1温度对静态工作点的影响 三极管是一种对温度十分敏感的元件 温度变化对管子参数的影响主要表现有 1 UBE改变 UBE的温度系数约为 2mV C 即温度每升高1 C UBE约下降2mV 2 改变 温度每升高1 C 值约增加0 5 1 温度系数分散性较大 3 ICBO改变 温度每升高10 C ICBQ大致将增加一倍 说明ICBQ将随温度按指数规律上升 温度升高将导致IC增大 Q上移 波形容易失真 T 20 C T 50 C 图2 5 1温度对Q点和输出波形的影响 2 5 2静态工作点稳定电路 一 电路组成 分压式偏置电路 由于UBQ不随温度变化 电流负反馈式工作点稳定电路 T ICQ IEQ UEQ UBEQ UBQ UEQ IBQ ICQ 说明 1 Re愈大 同样的 IEQ产生的 UEQ愈大 则温度稳定性愈好 但Re增大 UEQ增大 要保持输出量不变 必须增大VCC 2 接入Re 电压放大倍数将大大降低 在Re两端并联大电容Ce 交流电压降可以忽略 则Au基本无影响 Ce称旁路电容3 要保证UBQ基本稳定 IR IBQ 则需要Rb1 Rb2小一些 但这会使电阻消耗功率增大 且电路的输入电阻降低 实际选用Rb1 Rb2值 取IR 5 10 IBQ UBQ 5 10 UBEQ 二 静态与动态分析 静态分析 由于IR IBQ 可得 估算 静态基极电流 动态分析 2 6放大电路的三种基本组态 三种基本接法 共射组态 共集组态 共基组态 2 6 1共集电极放大电路 b 等效电路 为射极输出器 图2 6 1共集电极放大电路 a 电路图 一 静态工作点 由基极回路求得静态基极电流 则 a 电路图图2 6 1共集电极放大电路 二 电流放大倍数 所以 三 电压放大倍数 结论 电压放大倍数恒小于1 而接近1 且输出电压与输入电压同相 又称射极跟随器 四 输入电阻 输入电阻较大 Ri 五 输出电阻 输出电阻低 故带载能力比较强 Ro 图2 6 2求射极输出器Ro的等效电路 2 6 2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 一 静态工作点 IBQ ICQ UCEQ 图2 6 3 b 实际电路 二 电流放大倍数 微变等效电路 由图可得 所以 由于 小于1而近似等于1 所以共基极放电电路没有电流放大作用 图2 6 4共基极放大电路的等效电路 三 电压放大倍数 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 四 输入电阻 暂不考虑电阻Re的作用 五 输出电阻 暂不考虑电阻Re的作用Ro rcb 已知共射输出电阻rce 而rcb比rce大得多 可认为 rcb 1 rce 如果考虑集电极负载电阻 则共基极放大电路的输出电阻为 Ro Rc rcb Rc 2 6 3三种基本组态的比较 2 6 3三种基本组态的比较 2 7场效应管放大电路 2 7 1场效应管的特点 1 场效应管是电压控制元件 2 栅极几乎不取用电流 输入电阻非常高 3 一种极性的载流子导电 噪声小 受外界温度及辐射影响小 4 制造工艺简单 有利于大规模集成 5 存放管子应将栅源极短路 焊接时烙铁外壳应接地良好 防止漏电击穿管子 6 跨导较小 电压放大倍数一般比三极管低 2 7 2共源极放大电路 图2 7 3共源极放大电路原理电路 与双极型三极管对应关系 b G e S c D 为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用 应满足 图示电路为N沟道增强型MOS场效应管组成的放大电路 UT 开启电压 一 静态分析 两种方法 近似估算法 图解法 一 近似估算法 MOS管栅极电流为零 当uI 0时 UGSQ VGG 而iD与uGS之间近似满足 当uGS UT 式中IDO为uGS 2UT时的值 则静态漏极电流为 二 图解法 图2 7 4用图解法分析共源极放大电路的Q点 VDD IDQ UDSQ Q 利用式uDS VDD iDRD画出直流负载线 图中IDQ UDSQ即为静态值 二 动态分析 iD的全微分为 上式中定义 场效应管的跨导 毫西门子mS 场效应管漏源之间等效电阻 1 微变等效电路 二 动态分析 如果输入正弦信号 则可用相量代替上式中的变量 成为 根据上式做等效电路如图所示 图2 7 5场效应管的微变等效电路 由于没有栅极电流 所以栅源是悬空的 微变参数gm和rDS 1 根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得 2 用求导的方法计算gm 在Q点附近 可用IDQ表示上式中iD 则 一般gm约为0 1至20mS rDS为几百千欧的数量级 当RD比rDS小得多时 可认为等效电路的rDS开路 2 共源极放大电路的动态性能 图2 7 6共源极放大电路的微变等效电路 将rDS开路 而 所以 输出电阻 Ro RD MOS管输入电阻高达109 2 7 3分压 自偏压式共源放大电路 一 静态分析 一 近似估算法 根据输入回路列方程 图2 7 7分压 自偏式共源放大电路 解联立方程求出UGSQ和IDQ 列输出回路方程求UDSQ UDSQ VDD IDQ RD RS 二 图解法 由式 可做出一条直线 另外 iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律 二者之间交点为静态工作点 确定UGSQ IDQ 根据漏极回路方程 在漏极特性曲线上做直流负载线 与uGS UGSQ的交点确定Q 由Q确定UDSQ和IDQ值 UDSQ uDS VDD iD RD RS VDD Q IDQ Q IDQ UGSQ UGQ 图2 7 8用图解法分析图2 7 7电路的Q点 二 动态分析 微变等效电路入右图所示 图2 7 9图2 7 7电路的微变等效电路 由图可知 电压放大倍数 输入 输出电阻分别为 2 7 4共漏极放大电路 源极输出器或源极跟随器 图2 7 10源极输出器 典型电路如右图所示 静态分析如下 分析方法与 分压 自偏压式共源电路 类似 可采用估算法和图解法 动态分析 1 电压放大倍数 图2 7 11微变等效电路 而 所以 2 输入电阻 Ri RG R1 R2 3 输出电阻 图2 7 11微变等效电路 在电路中 外加 令 并使RL开路 因输入端短路 故 则 所以 实际工作中经常使用的是共源 共漏组态 2 8多级放大电路 2 8 1多级放大电路的耦合方式 三种耦合方式 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合 一 阻容耦合 图2 8 1阻容耦合放大电路 第一级 第二级 优点 1 前 后级直流电路互不相通 静态工作点相互独立 2 选择足够大电容 可以做到前一级输出信号几乎不衰减地加到后一级输入端 使信号得到充分利用 不足 1 不适合传送缓慢变化的信号 2 无法实现线性集成电路 二 直接耦合 图2 8 2两个单管放大电路简单的直接耦合 特点 1 可以放大交流和缓慢变化及直流信号 2 便于集成化 3 各级静态工作点互相影响 基极和集电极电位会随着级数增加而上升 4 零点漂移 1 解决合适静态工作点的几种办法 改进电路 a 电路中接入Re2 保证第一级集电极有较高的静态电位 但第二级放大倍数严重下降 改进电路 b 稳压管动态电阻很小 可以使第二级的放大倍数损失小 但集电极电压变化范围减小 改进电路 c VCC 改进电路 d 可降低第二级的集电极电位 又不损失放大倍数 但稳压管噪声较大 可获得合适的工作点 为经常采用的方式 c 图2 8 3直接耦合方式实例 例 图示两级直接耦合放大电路中 已知 Rb1 240k Rc1 3 9k Rc2 500 稳压管VDz的工作电压UZ 4V 三极管VT1的 1 45 VT2的 2 40 VCC 24V 试计算各级静态工作点 图2 8 4例题的电路 解 设UBEQ1 UBEQ2 0 7V 则UCQ1 UBEQ2 Uz 4 7V 如ICQ1由于温度的升高而增加1 计算静态输出电压的变化 ICQ1 1IBQ1 4 5mA IBQ2 IRc1 ICQ1 4 95 4 5 mA 0 45mA ICQ2 2IBQ2 40 0 45 mA 18mA UO UCQ2 VCC ICQ2RC2 24 18 0 5 V 1