电工技术下册(第七版)第二章B.ppt

1 2 10互补对称功率放大电路 2 11场效应管及其放大电路 2 8放大电路中的频率特性 2 9差分放大电路 2 2 8放大电路的频率特性 3 2 8放大电路的频率特性 由于放大电路中一般都有电容元件 如耦合电容 发射极旁路电容及晶体管级间电容等 它们的容抗随频率变化 故当信号频率不同时 放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化 会产生幅度和相位失真 通称为频率失真 因此我们要研究放大电路的频率特性 频率特性 幅频特性 电压放大倍数的模 Au 与频率f的关系 相频特性 输出电压相对于输入电压的相位移 与频率f的关系 在实际应用中 放大电路的输入信号一般不是单一频率的 比如电视图像 伴音信号等都含有各种频率的谐波分量 4 一 简单RC电路的频率特性 RC低通电路 RC高通电路 5 通频带 f Au fL fH Auo 幅频特性 下限截止频率 上限截止频率 耦合 旁路电容造成 三极管结电容 造成 O 通频带的宽度称为带宽 它也是放大电路的重要性能指标 为了减小频率失真 希望通频带宽些好 共发射极单级放大电路的频率特性 6 在工业电子技术中 最常用的就是低频电路 其频率范围约为20 10000Hz 为了定性的分析放大电路的频率特性 将低频段范围又分为低 中 高三个频段 下面分别分析高 中 低三个频段的频率特性 7 在中频段 所以 在中频段可认为电容不影响交流信号的传送 放大电路的放大倍数与信号频率无关 考虑PN结的电容效应 把输入端的等效为Ci 把输出端等效CO 可认为它们的等效电容与负载并联 由于Ci CO的电容量很小 它对中频段信号的容抗很大 可视作开路 由于耦合电容C1 C2和发射极旁路电容CE的容量较大 故对中频段信号的容抗很小 可视作短路 前面所讨论的放大电路 都工作在中频段 Ci Co 8 由于信号的频率较低 耦合电容和发射极旁路电容的容抗较大 其分压作用不能忽略 以至实际送到三极管输入端的电压比输入信号要小 故放大倍数降低 并使产生相位移在中频段的基础上超前 在低频段 所以 在低频段放大倍数降低和相位移越前的主要原因是耦合电容和发射极旁路电容的影响 Ci CO的容抗比中频段还大 仍可视作开路 9 通频带 f Au fL fH Auo 幅频特性 下限截止频率 上限截止频率 耦合 旁路电容造成 三极管结电容 造成 O 共发射极放大电路的频率特性 10 由于信号的频率较高 耦合电容和发射极旁路电容的容抗比中频段还小 仍可视作短路 在高频段 Ci CO的容抗将减小 它与负载并联 其分流作用不可忽略 在输入端Ci会使Ib减小 从而使Ic和输出电压Uo减小 在输出端 Co使输出端等效负载阻抗减小 也会使输出电压Uo减小 同样在高频时三极管的电流放大系数 也随频率的升高而下降 所以电压放大倍数降低 并使产生滞后于中频段的相位移 11 通频带 f Au fL fH Auo 幅频特性 下限截止频率 上限截止频率 耦合 旁路电容造成 三极管结电容 造成 O 所以 在高频段放大倍数降低和相位移滞后的主要原因是三极管电流放大系数 极间电容的影响 12 多级放大电路的频率响应 由于多级电路的放大倍数是单级放大电路放大倍数的乘积 即总幅频特性也是单级的乘积 与单级幅频特性相比 在总的幅频特性上 对应的上限频率fH降低了 下限频率fL升高了 所以总的通频带变窄了 所以 多级放大电路的放大倍数虽然提高了 但是以牺牲通频带作为代价 13 2 9差分放大电路 2 9 1差分放大电路的工作原理2 9 2典型差分放大电路2 9 3差放对差模信号的放大2 9 4共模抑制比 14 2 9差分放大电路 在直接耦合的多级放大电路中 存在着零点漂移的问题 以第一极的漂移最严重 而差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构 质量较高的多级直接耦合的第一极多采用这种电路 15 2 9差分放大电路 2 9 1差分放大电路的工作原理 差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构 差动放大原理电路 信号从两个基极输入 从两个集电极输出 两管静态工作点Q相同 特点 a 两个输入端 两个输出端 b 两只完全相同的管子 c 元件参数对称 16 1 零点漂移的抑制 静态 uo VC1 VC2 0 uo VC1 VC1 VC2 VC2 0 静态时 ui1 ui2 0 当温度升高时 IC VC 两管变化量相等 优点 零点漂移被完全抑制 对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用 17 2 有信号输入时的工作情况 动态 两管集电极电位呈等量同向变化 所以输出电压为零 即对共模信号没有放大能力 1 共模输入ui1 ui2大小相等 相位相同 差分电路抑制共模信号能力的大小 反映了它对零点漂移的抑制水平 共模信号需要抑制 18 2 有信号输入时的工作情况 两管集电极电位一减一增 呈等量异向变化 2 差模输入ui1 ui2大小相等 极性相反 uo VC1 VC2 2 VC1 即对差模信号有放大能力 由于差模信号又称差分信号 所以这种电路称为差分 差动 放大电路 差模信号是有用信号 19 3 比较输入 既不是共模 也不是差模 ui1 ui2大小和极性任意的信号 称为比较信号 例1 ui1 10mV ui2 6mV ui2 8mV 2mV 例2 ui1 20mV ui2 16mV 可分解成 ui1 18mV 2mV ui2 18mV 2mV 可分解成 ui1 8mV 2mV 共模信号 差模信号 放大器只放大差模信号 抑制共模信号 这种输入常作为比较放大来应用 在自动控制系统中是常见的 把比较信号分解为差模信号和共模信号 20 若电路完全对称 理想情况下共模放大倍数Ac 0输出电压uo Ad ui1 ui2 Aduid 由于电路不可能完全对称 则Ac 0 实际输出电压uo Acuic Aduid即共模信号对输出有影响 实际上 上面的差分放大电路能抑制零点漂移 是由于电路的对称性 21 实际上两部分电路不会完全对称 就不可能完全抑制零漂 另外 如果从一管输出 则与单管放大电路一样 对零漂毫无抑制能力 而这种 单端输出 方式的形式又是经常采用的 所以 不能单靠提高电路的对称性来抑制零点漂移 还需通过减少两个单管放大电路本身的零漂来抑制整个差放的零漂 而抑制零点漂移就是减小ICQ的变化 稳定静态工作点 也是减小ICQ的变化 即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事 因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法 在管子的射极上接一电阻 这样 基本的差动放大电路就改进为另外一种电路 22 2 9 2典型差分放大电路 RE的作用 RE称为共模抑制电阻 它基本上不影响差模的放大 稳定静态工作点 限制每个管子的漂移 它越大 抑制共模的作用越显著 但会使Ic过小 影响Q和电压放大倍数 UEE 用于补偿RE上的直流压降 以获得合适的工作点 Rp称为调零电位器 保证输入电压为零时 输出电压也为零 较小 双电源长尾式差放 特点 加入射极电阻RE 采用正负双电源供电 加入负电源 UEE 23 射极电阻RE的作用 T C 1 直流负反馈 稳定单管的静态工作点 无输入信号时 静态 24 射极电阻RE的作用 2 RE对共模信号有抑制作用 原因 输入共模信号时 抑制过程与上述类似 3 RE对差模信号不影响 相当于开路 ui1 ui2 设ui1 ui2 ib1 ib2 ie1 ie2 ie1 ie2 IE不变 RE能区别对待共模信号和差模信号 25 图3 20无调零电位器的差放电路 2 9 3差放对差模信号的放大 ui1 ui2 1 静态分析当输入信号为零时 画出放大电路的直流通路 由基极回路可得直流电压方程式为 因为RP很小 可以忽略掉 26 27 差模输入时的交流通路 2 动态分析 RE对差模信号不起作用 可以去掉 28 单管差模交流通路 RE对差模信号不起作用 省略去 单管放大倍数 同理可得 双端输出电压为 双端输入 双端输出差分电路的差模电压放大倍数为 差放的与单管的电压放大倍数相同 所以 接成差放电路是为了抑制零点漂移 29 两输入端之间的差模输入电阻为 两集电极之间的差模输出电阻为 当在两管的集电极之间接入负载RL时 因为当输入差模信号时 一个管子的集电极电位降低 另一管增高 这样在RL的中点就相当于交流接 地 所以每管各带一半负载电阻 这时 差放电压放大倍数变为 30 3 差分放大电路的输入输出方式 差动放大电路有两个输入端和两个输出端 所以在信号源与两个输入端的连接方式及负载从输出端取出电压的方式上可以根据需要灵活选择 1 双端输入 单端输出 输出信号只从一管的集电极对地输出 这种输出方式叫单端输出 此时由于只取出一管的集电极电压变化量 只有双端输出电压的一半 因而差模电压放大倍数也只有双端输出时的一半 31 双端输入 单端输出差放电路 32 信号也可以从V2的集电极输出 此时式中无负号 表示同相输出 如果信号从V1的集电极输出 此时式中有负号 表示反相输出 单端输出差放的电压放大倍数只有双端输出差放的一半 33 单端输入 双端输出差动放大电路 2 单端输入 双端输出 将差放电路的另一个输入端接地 信号只从一个输入端输入 这种连接方式称为单端输入 3 单端输入 单端输出 由于单端输入与双端输入情况相同 因而单端输入 单端输出电路计算与双端输入 单端输出电路计算相同 34 对差放来说 差模信号是需要放大的有用信号 希望它有较大的放大倍数 而共模信号是需要抑制的无用信号 放大倍数越小越好 它越小 零点漂移就越小 即抗共模干扰能力越强 当用作比较放大时 就越能准确 灵敏的反映出信号的偏差值 为了全面衡量差放放大差模信号和抑制共模信号的能力 引入了共模抑制比作为评价指标 定义为 2 9 4共模抑制比 CommonModeRejectionRatio 35 差模放大倍数 共模放大倍数 KCMRR越大 说明差放分辨差模信号的能力越强 受共模信号的影响越小 共模抑制比 理想情况 对于双端输出差分放大电路 如果电路完全对称 则AC 0 则KCMRR就趋向于无穷大 实际情况 电路完全对称并不存在 所以则KCMRR也不可能趋向于无穷大 36 总结 提高双端输出差放的共模抑制比的方法 1 使电路参数尽可能对称 2 尽可能加大共模抑制电阻RE 对于单端输出的差放 主要是尽可能加大共模抑制电阻RE 37 2 10功率放大电路 2 10 1功率放大电路的功能和特点 2 10 2互补对称放大电路 2 10 3实际功放电路 2 10 4集成功率放大器 38 例 扩音系统 2 10 1功率放大电路的功能和特点 功率放大电路的作用 作为放大电路的末级 末前级 输出足够大的功率 去推动负载 换能器 工作 例如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转 电动机旋转等 前置放大电路 功率放大电路 信号源 39 前置放大电路 工作于小信号状态 主要用于增强信号的幅度 即输出足够大的电压或电流 1 由于信号大 工作点的动态范围大 引起非线性失真大2 输出功率足够大 常在极限状态下工作 3 效率要高 4 小信号模型不适用 需采用图解法分析 功放的特点 功率放大电路 工作在大信号状态 作用是输出足够大的功率 驱动负载工作 两种放大电路的比较 40 对功率放大电路的基本要求 1 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率 2 由于功率较大 就要求提高效率 效率 失真和输出功率相互影响 首先讨论高效率的问题 根据Q在特性曲线上的位置把放大电路分为三种工作状态 41 1 甲类工作状态 优点 是在输入信号的整个周期内 三极管都处于导通状态 输出信号失真较小 缺点 三极管有较大的静态电流ICQ 管耗PT大 无信号输入时 电源提供的功率全部被管子和电阻消耗 有信号输入时 一部分能量转换输出功率 但转换效率低 最高只能达50 在甲类状态 电源提供的功率总是PE UCCICQ 前面讨论的电压放大器都工作在这种状态 要想提高效率 一是增加PO 二是减小损耗PT 必须在保证P0的同时 即减小ICQ 使Q点下移 工作点Q设置在交流负载线的中点 42 2 乙类工作状态 优点 这时 由于三极管的静态电流ICQ 0 静态管耗最小 所以能量转换效率高 缺点 只能对半个周期的输入信号进行放大 非线性失真大 乙类放大器的工作点Q设置在截止区 43 3 甲乙类工作状态 即三极管处于微导通状态 导通的时间大于半个周期 此时 ICQ较小 功耗较小 优点 失真比乙类放大电路的要小 且能量转换效率也较高 目前使用较多 在乙类和甲乙类下工作时 虽提高了效率 但产生失真 为了保证效率 同时减小波形失真 改变电路结构 采用互补对称功率放大电路 可以解决效率和失真的矛盾 在乙类和甲乙类下工作时 电源提供的功率为PE UCCIC AV IC AV 为ic的平均值 工作点设在放大区但接近截止区 44 2 10 2互补对称放大电路 互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式 主要有两种形式的电路 1 OTL电路 由于与负载连接时 省去了变压器 通过容量较大的电容与负载耦合 称为无输出变压器 OutputTransformerless 电路 简称OTL电路 2 OCL电路 互补对称电路直接与负载相连 输出电容也省去 就成为无输出电容 OutputCapacitorless 电路 简称OCL电路 OTL电路采用单电源供电 OCL电路采用双电源供电 45 增加对称的负电源 USC 使静态时的A点电位为0 OTL电路 OCL电路 46 1 OTL电路 1 特点 T1 T2的特性一致 一个NPN型 一个PNP型两管均接成射极输出器 输出端有大电容 单电源供电 2 静态时 ui 0 IC1 0 IC2 0 OTL原理电路 Q1 Q2处在截止区 电路工作在乙类状态 47 3 动态时 T1导通 T2截止 T1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载 同时对电容C充电 T2导通 T1截止 电容C通过T2 RL放电 T2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载 电容C在这时起到负电源的作用 为了使输出波形对称 必须保持电容C上的电压基本维持不变 因此C的容量必须足够大 ic 输入交流信号ui的正半周 输入交流信号ui的负半周 48 4 交越失真 当输入信号ui为正弦波时 输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真 交越失真产生的原因由于晶体管输入特性存在死区 ui 死区电压时 电流接近于0 必须外加偏置电压 以产生不大的偏流 使静态工作点稍高于截止点 避开输入特性的死区 使其工作于甲乙类状态 克服交越失真的措施 49 R1 RL uI T1 T2 UCC C A uo R2 D1 D2 静态时T1 T2两管发射结电压分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 消除交越失真 5 克服交越失真的电路 50 2 OCL电路 静态时 由于电路对称 两管的电流相等 负载中没电流通过 VA 0 动态时 ui 0V V1导通 V2截止 有正向电流流过负载 ui 0 V2导通 V1截止 有反向电流流过负载 双电源供电 输出无电容器 优点 不影响低频信号传输 便于集成化 1 每管导通时间为半个周期 2 克服了交越失真 因为静态时 有偏置路提供偏流 Q点不在截止区 所以电路工作于甲乙类状态 51 电路中增加复合管 复合管是由两个或两个以上三极管按一定的方式连接而成的 复合管又称为达林顿管 互补对称放大电路要求有一对特性相同的功率管 当输出功率较小时 可以选配 但在输出功率较大时 功率管就难以选配 所以需要选用复合管 增加复合管的目的 扩大电流 52 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 复合NPN型 复合PNP型 53 2 10 3实际功放电路 这里介绍一个实用的OCL准互补功放电路 其中主要环节有 1 恒流源式差动放大输入级 T1 T2 T3 2 偏置电路 克服就交越失真 R1 D1 D2 3 OCL准互补功放输出级 T7 T8 T9 T10 4 负反馈电路 Rf C1 Rb2构成交流电压串联负反馈 5 共射放大级 T4 6 UBE倍增电路 T6 R2 R3 7 调整输出级工作点元件 Re7 Rc8 Re9 Re10 54 差动放大级 反馈级 偏置电路 共射放大级 UBE倍增电路 准互补功放级 保险管 负载 实用的OCL准互补功放电路 55 2 10 4集成功率放大器 特点 工作可靠 使用方便 只需在器件外部适当连线 即可向负载提供一定的功率 输入级是差分放大电路 来抑制电路的零点漂移 中间级是共射级放大电路 用来放大电压 输出级是OTL互补对称功率放大电路 单电源供电 用来放大功率 驱动负载 集成功放LM386的结构和应用 56 调节音量 电源滤波电容 外接旁路电容 消除自激振荡 输入信号 输出耦合大电容 4 57 2 11场效应管及其放大电路 2 11 1绝缘栅场效应管 2 11 2场效应管放大电路 58 2 11场效应管及其放大电路 场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种新型半导体器件 即是电压控制元件 它的输入电压决定输出电流的大小 基本上不需要信号源提供电流 它的输入电阻高 可达109 1014 双极性晶体管是电流控制元件 通过控制基极电流达到控制集电极电流或射极电流的目的 即信号源必须提供一定的电流才能工作 它的输入电阻较低 有102 104 FET与BJT相比 具有输入电阻大 耗电少 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强等优点 而且制造工艺简单 体积小 适用于大规模集成电路 不仅用于放大 也可作为开关元件 59 结型场效应管 按结构不同场效应管有两种 绝缘栅型场效应 本节仅介绍绝缘栅型场效应管 按工作状态可分为 增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分 绝缘栅型场效应管 60 2 11 1绝缘栅场效应管 漏极D 栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的 称绝缘栅型场效应管 1 N沟道增强型管的结构 栅极G 源极S 1 增强型绝缘栅场效应管 浓度较低 61 符号 由于栅极与其他电极及硅片之间是绝缘的 栅极电流IG几乎为零 栅源电阻 输入电阻 RGS很高 最高可达1014 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅 故又称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOS场效应管 62 2 N沟道增强型管的工作原理 由结构图可见 N 型漏区和N 型源区之间被P型衬底隔开 漏极和源极之间是两个背靠背的PN结 当栅源电压UGS 0时 不管漏极D和源极S之间所加电压的极性如何 其中总有一个PN结是反向偏置的 反向电阻很高 漏极电流ID近似为零 在制造时 D S之间没有形成原始导电沟道 而是利用外加栅 源电压形成电场产生的 称为增强型场效应管 63 当UGS 0时 因为SiO2很薄 产生了垂直于衬低表面的强电场 P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层 填补P型衬低中 因为扩散而失去空穴形成负离子的耗尽层 当UGS大于一定值时 还在表面形成了一个N型薄层 称为反型层 这就是沟通源区和漏区的N型导电沟道 N型导电沟道 2 N沟道增强型管的工作原理 当UGS UGS th 时 将出现N型导电沟道 将D S连接起来 在漏极电源UDS的作用下将产生漏极电流ID 管子导通 UGS愈高 导电沟道愈宽 ID越大 而0 UGS UGS th 时 漏源极间沟道未联通 ID 0 在一定的漏 源电压UDS下 使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS th 64 N型导电沟道 即当UGS UGS th 后 导电沟道才形成 开始导通 若此时 漏 源之间加上一定的电压UDS 则有漏极电流ID产生 此时 漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关 UGS愈高 导电沟道愈宽 ID越大 2 N沟道增强型管的工作原理 所以 场效应管是利用电场效应改变导电沟道宽度来控制ID的 或者说是利用UGS来控制ID的 即它是一种电压控制电流的器件 65 3 特性曲线 有导电沟道 转移特性曲线 无导电沟道 开启电压UGS th UDS UGS 输出特性曲线 线性放大区 恒流区 可变电阻区 截止区 栅源电压UGS对漏极电流ID的控制特性 UDS BR 击穿区 转移特性曲线 输出特性曲线 66 符号 结构 4 P沟道增强型 SiO2绝缘层 加电压才形成P型导电沟道 P沟道增强型场效应管漏极和源极间 栅极和源极间应加反向电压时 形成导电沟道 67 2 耗尽型绝缘栅场效应管 符号 如果MOS管在制造时已经有一个原始导电沟道 称为耗尽型场效应管 1 N沟道耗尽型管结构 SiO2绝缘层中掺有正离子 原始N型导电沟道 虽然结构变化不大 但控制特性却有明显改善 68 2 耗尽型绝缘栅场效应管工作原理 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道 所以在UGS 0时 若漏 源之间加上一定的电压UDS 也会有漏极电流ID产生 当UGS 0时 使导电沟道变宽 ID增大 当UGS 0时 使导电沟道变窄 ID减小 UGS负值愈高 沟道愈窄 ID就愈小 当UGS达到一定负值时 N型导电沟道消失 ID 0 称为场效应管处于夹断状态 即截止 这时的UGS称为夹断电压 用UGS off 表示 这时的漏极电流用IDSS表示 称为饱和漏极电流 69 3 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线 夹断电压 耗尽型的MOS管UGS 0时就有导电沟道 加反向电压到一定值时才能夹断 UGS off IDSS 70 可见 耗尽型MOSFET不论UGS是正是负还是零 都能控制漏极电流ID 这个特点使其应用具有更大的灵活性 增强型和耗尽型MOSFET的主要区别是是否有原始导电沟道 所以要判别一个没有型号的MOSFET的类型 就是要检查它在UGS 0时 在漏 源极间加电压时 是否导通 来做出判别 实验表明 在UGS OFF UGS 0范围内 耗尽型场效应晶体管的转移特性可近似用下式表示 71 2 耗尽型绝缘栅场效应管 4 P沟道耗尽型管 预埋了P型导电沟道 SiO2绝缘层中掺有负离子 72 耗尽型 G S之间加一定电压才形成导电沟道 在制造时就具有原始导电沟道 总结 73 3 场效应管的主要参数 1 开启电压UGS th 是增强型MOS管的参数 栅源电压小于开启电压 场效应管不能导通 2 夹断电压UGS off 当UGS UGS off 时 漏极电流为零 3 饱和漏电流IDSS 当UGS 0时所对应的漏极电流 4 低频跨导gm 表示栅源电压对漏极电流的控制作用的大小 是衡量放大能力的参数 5 输入电阻RGS 很大 74 6 漏极最大允许耗散功耗PDM最大漏极功耗是PD UDSID的最大值 与双极型三极管的PCM相当 7 栅源击穿电压UGS BR 是在增大UGS的过程中 绝缘层击穿使IG迅速增大的UGS值 极限参数 耗散功率 击穿电压 使用场效应晶体管时 要注意 1 因为RGS很大 为了避免可能出现栅极感应电压过高而造成绝缘层的击穿问题 在保存时 应该将三个电极短接2 焊接时 电烙铁应断电或具有良好的接地线 75 场效应管与晶体管的比较 类型NPN和PNPN沟道和P沟道 放大参数 76 2 11 2场效应管放大电路 场效应晶体管具有输入电阻高 噪声低等优点 常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路 特别是对于高内阻信号源 采用场效应晶体管才能有效放大 场效应管的源极S 漏极D 栅极G相当于双极型晶体管的发射极E 集电极C 基极B 场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似 BJT是电流控制元件 依靠调整IB来获得合适的静态工作点 而FET是电压控制元件 Q由UGS决定 77 电路的组成原则及分析方法 1 静态 要求有合适的静态工作点Q 使场效应管工作在恒流区 2 动态 能为交流信号