1共射级单管放大器工作原理

1 共射级单管放大器工作原理 管子工作前题是 BE 结加正向电压 BC 结加反向电压 然后 1 发射区向基区扩 散电子 2 电子在基区边界扩散与复合 空穴由外电源补充 维持电流 3 电 子被集电极收集 改变基极电流就可以改变集电极电流 IC BIB 2 在两个放大管与 VEE 之间接的有一个恒流源 一 微恒流源原理电路 电路如图 1 所示 当 IR 一定时 IC2 可确定为 图 1 可见 利用两管基一射电压差 VBE 可以控制 IO 由于 VBE 的数值小 用 阻值不大的 Re2 即可得微小的工作电流 微电流源 二 恒流源电路的主要应用 有源负载 前面曾提到 增大 Rc 可以提高共射放大电路的电压增益 但是 Rc 不能 很大 因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高 而且 在电源电压不变的情 况下 Rc 越大 导致输出幅度越小 那么 能否找到一种元件代替 RC 其动 态电阻大 使得电压增益增大 但静态电阻较小 因而不致于减小输出幅度呢 自然地 我们可以考虑晶体管恒流源 由于电流源具有直流电阻小 交流电阻 大的特点 在模拟集成电路中广泛地把它作负载使用 有源负载 如图 2 所示 在本图中恒流源由 20K 电阻和 Q7 与 Q8 组成 其他同基本放大电路 Q7 短接基极和集电极的接法在集成电路制作中常用 由于晶体管电流源具有直流电阻小 交流电阻大的特点 在模拟集成电路中广 泛地把它作负载使用 有源负载 而且集成电路中做二极管就是用三极管一个极 短接另一个极 3 三级运放放大电路工作原理 三极管是电流放大器件 有三个极 分别叫做集电极 C 基极 B 发射极 E 分成 NPN 和 PNP 两种 我们仅以 NPN 三极管的共发射极放大电路为例来说 明一下三极管放大电路的基本原理 下面的分析仅对于 NPN 型硅三极管 如上图所示 我们把从基极 B 流至发射 极 E 的电流叫做基极电流 Ib 把从集电极 C 流至发射极 E 的电流叫做集电极 电流 Ic 这两个电流的方向都是流出发射极的 所以发射极 E 上就用了一个箭 头来表示电流的方向 三极管的放大作用就是 集电极电流受基极电流的控制 假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话 并且基极电流很小的变化 会引起集电极电流很大的变化 且变化满足一定的比例关系 集电极电流的变 化量是基极电流变化量的 倍 即电流变化被放大了 倍 所以我们把 叫做 三极管的放大倍数 一般远大于 1 例如几十 几百 如果我们将一个变 化的小信号加到基极跟发射极之间 这就会引起基极电流 Ib 的变化 Ib 的变化 被放大后 导致了 Ic 很大的变化 如果集电极电流 Ic 是流过一个电阻 R 的 那么根据电压计算公式 U R I 可以算得 这电阻上电压就会发生很大的变化 我们将这个电阻上的电压取出来 就得到了放大后的电压信号了 三极管在实际的放大电路中使用时 还需要加合适的偏置电路 这有几个原因 首先是由于三极管 BE 结的非线性 相当于一个二极管 基极电流必须在输 入电压大到一定程度后才能产生 对于硅管 常取 0 7V 当基极与发射极之 间的电压小于 0 7V 时 基极电流就可以认为是 0 但实际中要放大的信号往往 远比 0 7V 要小 如果不加偏置的话 这么小的信号就不足以引起基极电流的改 变 因为小于 0 7V 时 基极电流都是 0 如果我们事先在三极管的基极上加 上一个合适的电流 叫做偏置电流 上图中那个电阻 Rb 就是用来提供这个电 流的 所以它被叫做基极偏置电阻 那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加 在一起时 小信号就会导致基极电流的变化 而基极电流的变化 就会被放大 并在集电极上输出 另一个原因就是输出信号范围的要求 如果没有加偏置 那么只有对那些增加的信号放大 而对减小的信号无效 因为没有偏置时集电 极电流为 0 不能再减小了 而加上偏置 事先让集电极有一定的电流 当 输入的基极电流变小时 集电极电流就可以减小 当输入的基极电流增大时 集电极电流就增大 这样减小的信号和增大的信号都可以被放大 4 集成放大电路工作原理 集成电路是在一小块 P 型硅晶片衬底上 制成多个晶体管 或 FET 电 阻 电容 组合成具有特定功能的电路 集成电路在结构上的特点 1 采用直接耦合方式 2 为克服直接耦合方式带来的温漂现象 采用了温度补偿的手段 输入级是 差放电路 3 大量采用 BJT 或 FET 构成恒流源 代替大阻值 R 或用于设置静态电流 4 采用复合管接法以改进单管性能 集成电路分为数字和模拟两大部分 5 运算放大器工作原理 运算放大器 Operational Amplifier 简称 OP OPA OPAMP 是一种直流耦合 差模 差动模 式 输入 通常为单端输出 Differential in single ended output 的高增益 gain 电压放大器 因为刚开始主要用于加法 乘法等运算电路中 因而得名 一个理想的运算放大器必须具 备下列特性 无限大的 输入阻抗 等于零的输出阻抗 无限大的开回路增益 无限大的共 模排斥比的部分 无限大的频宽 最基本的运算放大器如图 1 1 一个运算放大器模组一 般包括 一个正输入端 OP P 一个负输入端 OP N 和一个输出端 OP O 图 1 1 通常使用运算放大器时 会将其输出端与其反相输入端 inverting input node 连接 形成一负反馈 negative feedback 组态 原因是运算放大器的电压增益非 常大 范围从数百至数万倍不等 使用负反馈方可保证电路的稳定运作 但是 这并不代表运算放大器不能 连接成正回馈 positive feedback 相反地 在很多 需要产生震荡讯号的系统中 正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件 开环回路 图 1 2 开环回路运算放大器 开环回路运算放大器如图 1 2 当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时 其 输出与输入电压的关系式如下 Vout V V Aog 其中 Aog 代表运算放大器的开环回路差动增益 open loop differential gai 由 于运算放大器的开环回路增益非常高 因此就算输入端的差动讯号很小 仍然 会让输出讯号 饱和 saturation 导致非线性的失真出现 因此运算放大器 很少以开 环回路出现在电路系统中 少数的例外是用运算放大器做比较器 comparator 比较器的输出通常为逻辑准位元的 0 与 1 闭 环负反馈 将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来 放大器电路就处在负反馈组态的状况 此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器 闭环放大器 依据输入讯号进入放大器的端点 又可分为反相 inverting 放大器与非反相 non inverting 放大器两种 反相闭环放大器 如图 1 3 假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器 则因为其开 环增益为无限大 所以运算放大器的两输入端为虚接地 virtual ground 其输出与输入电压 的关系式如下 Vout Rf Rin Vin 图 1 3 反相闭环放大器 非反相闭环放大器如图 1 4 假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器 则因为其 开环增益为无限大 所以运算放大器的两输入端电压差几 乎为零 其输出与输入电压的关 系式如下 Vout R2 R1 1 Vin 图 1 4 非反相闭环放大器 集成运算放大器原理 由于运算放大器的增益极高 所以不能在两输入端之间加上输入信号 而一定要用作 反馈放大器 这种运算放大器基本上可分为图 2 9 所示的非倒相放大电路和图 2 10 所 示的倒相放大电路两类 a 非倒相放大电路 首先 我们来讨论非倒相放大电路 设 IN 端和 IN 端的电压分别为和 并认为运算放大器的增益无限大 则为要获得有限的输出电压 则 这点则是运算放大器工作中的一大特征 在此前提下 分析电路工作就能变得十分 简单 根据此特征 输入 与输出的关系为 b 倒相放大电路 下面我们来分析倒相放大电路 这点是与非倒相放大电路情况相同的 所以 0V 这样 尽管有输入信号 然而端处为 0V 恰似接地 所以被叫做假想接地 于是 若讨论流经 Rs Rf 的电流 I 由于运算放大器的输入电流为 0 则 据此 可得出 输入与输出的关系 可见 非倒相放大器和倒相放大电路 是从对应于输入 其输出是否倒向这一事实出 发而得名的 c 差分放大电路 如图 2 11 所示 可将两个这种放大电路组合成差分放大电路 端的电压 由 和 分压而得 流经 Rs2 和 Rf2 的电流 I 为 由上述两式可得 其中 如设 Rs1 Rs2 Rf1 Rf2 则 即差分放大器能够获得 V1 和 V2 之差成正比的输出 实际的运算放大器 以上所述是均是理想的运算放大器的情况 实际上 运算放大器的增益不 可能无限大 有电流向 IN IN 端子流入 或流出 并且其电流不一定相等 即使在无信号时 V V 之间也有一定的电压 a 输入偏置电流 Ib 的影响 如果运算放大器的输入级由晶体管构成 要使电路能正常工作 应有偏置 电流 基极电流 流过 该输入偏置电流流经反馈电阻时 会产生压降 从而造 成输 出误差 在图 2 12 电路中 尽管无输入 但是在输出端也会出