基本放大电路培训课件

第2章基本放大电路 2 1基本放大电路的概念及工作原理 2 2基本放大电路的静态分析 2 3基本放大电路的动态分析 2 4共集电极放大电路 2 5功率放大器和差动放大电路简介 2 6放大电路中的负反馈 了解放大电路的基本概念及结构组成 熟悉低频小信号放大电路 功率放大器的工作原理 掌握静态工作点的估算法 理解反馈对放大电路性能的影响 学习目的与要求 2 1基本放大电路的概念及工作原理 放大电路是电子技术中应用十分广泛的一种单元电路 所谓 放大 是指将一个微弱的电信号 通过某种装置 得到一个波形与该微弱信号相同 但幅值却大很多的信号输出 这个装置就是晶体管放大电路 放大 作用的实质是电路对电流 电压或能量的控制作用 扬声器负载 输入信号源 扩音器中放大电路的组成 为放大器提供能量的直流电源 话筒送来的微弱音频信号 ui 放大电路 微弱输入小信号ui u0 幅度大大增强的输出信号u0 放大电路的放大作用 实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号 输入信号的作用则是控制这种转移 使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化 放大电路的核心元件是晶体管 因此 放大电路若要实现对输入小信号的放大作用 必须首先保证晶体管工作在放大区 晶体管工作在放大区的外部偏置条件是 其发射结正向偏置 集电结反向偏置 此条件是通过外接直流电源 并配以合适的偏置电路来实现的 三种基本组态的晶体管放大电路 晶体管放大电路一般有三种组态 共发射极放大电路 共集电极放大电路 共基极放大电路 无论放大电路的组态如何 其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后 输出时其信号幅度显著增强 必须清楚 幅度得到增强的输出信号 其能量并非来自于晶体管 而是由放大电路中的直流电源提供的 晶体管只是实现了对能量的控制 使之转换成信号能量 并传递给负载 1 放大电路的组成原则 放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大 单凭晶体管的电流放大作用显然无法完成 必须在放大电路中设置直流电源 使其保证晶体管工作在线性放大区 因此 放大电路的组成原则为 1 核心元件晶体管必须发射结正偏 集电结反偏 2 输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路 以保证晶体管的以小控大作用 3 输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转换成负载需要的电压形式 4 不允许被传输小信号放大后出现失真 2 共射放大电路的组成及各部分作用 共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式 其电路组成的一般形式为 放大电路的核心元件 三极管 耦合电容 基极电阻 基极电源 集电极电阻 集电极电源 耦合电容 上图所示为双电源组成的共发射极基本放大电路 实际应用中 共射放大电路通常采用单电源供电 各部分的作用分别如下 晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用 向放大电路提供能量 并保证晶体管工作在放大区 基极偏置电阻的作用是为放大电路提供合适的静态工作点 有极性电解电容的作用是隔离直流和让输入交流信号顺利通过 电解电容C2的作用是隔离直流和让放大的交流信号顺利输出 RC的作用是将放大的集电极电流转换成负载需要的电压形式 3 共射放大电路的工作原理 基极固定偏置电流 放大后的集电极电流 iC通过RC将放大的电流转换为放大的晶体管电压输出 uCE经C2滤掉了直流成分后的输出电压 信号电流和基极固定偏流的叠加 可见 放大电路的输入是交流小信号 输出是幅度大大增强的被放大交流信号 而内部各量则是交直流共存 输入交流信号电流 反相 输入信号电压 需放大的信号电压ui通过C1转换为放大电路的输入电流 与基极偏流叠加后加到晶体管的基极 基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流iC变化 iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化 即 uCE UCC iCRC 放大电路内部各电压 电流都是交直流共存的 其直流分量及其注脚要求用大写英文字母 交流分量及其注脚要求用小写英文字母 叠加后的总量要求用英文小写字母表示 其注脚要求用大写英文字母表示 例如 基极电流的直流分量用IB表示 交流分量用ib表示 总量用iB表示 由上式可看出 当iC增大时 uCE就减小 显然uCE的变化正好与iC相反 即uCE与iC为反相关系 uCE经过C2滤掉了直流成分 耦合到输出端的交流成分即为输出电压u0 若电路参数选取适当 u0的幅度将比ui幅度大很多 亦即输入的微弱小信号ui被放大了 这就是放大电路的工作原理 共射放大电路工作原理 放大电路中各电压 电流的符号有何规定 你会做吗 放大电路的基本概念是什么 放大电路中能量的控制与变换关系如何 检验学习结果 基本放大电路的组成原则是什么 以共射组态基本放大电路为例加以说明 2 2基本放大电路的静态分析 输入信号ui 0 只在直流电源UCC作用下电路的状态称 静态 静态分析就是要求出此时的IB IC和UCE三数值 UBE 放大电路的直流通道 UCE IC IB UCE UCC ICRC 直流下耦合电容C1 C2相当于开路 由直流通道求工作点上的IB 由图可得 由晶体管放大原理可求得IC 由图又可求得工作点上UCE 式中ICRC前面的负号表示输出电压与集电极电流IC反相 即与输入电压反相 1 放大电路静态分析的估算法 分析 t1 t1 t2 t3 t4 t3 t2 t4 此时ui小于死区的部分将无法得到传输 只有大于死区的部分才能转换成电流ib通过晶体管 由于输入信号大部分无法通过晶体管 ib电流波形与ui波形完全不一样了 造成输入信号输入时的 截止失真 输入信号电压波形 假如不设置静态工作点 不设置静态工作点行吗 结论 为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大 必须在放大电路中设置静态工作点 已知图示电路中UCC 10V RB 250K RC 3K 50 试求该放大电路的静态工作点Q 解 IB 37 2 A 所以静态工作点Q IC 1 86mA UCE 4 42V 例 注意 计算时一定要弄明白各量的单位 不允许写错 利用晶体管的输入 输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法 其分析步骤一般为 2 用图解法求解静态工作点 1 按已选好的管子型号在手册中查找 或从晶体管图示仪上描绘出管子的输入 输出特性如下图所示 晶体管输入特性 晶体管输出特性 2 画出直流负载线 此步骤是图解法求静态工作点的关键 由放大电路的直流通道可得 UCE UCC ICRC 令 UCE 0 可得 IC UCC RC 令 IC 0可得 UCE UCC UCC 连接两点作出直流负载线 3 确定静态工作点 只有IBQ对应的交点才是Q点 IBQ 直流负载线上交点有多个 固定偏置的放大电路存在很 温度T Q点 IC UCE VC 若温度上升 将造成输出特性曲线上移 静态工作点Q随之上移 如果VC VB 则集电结就会由反偏变为正偏 当两个PN结均正偏时 电路出现 饱和失真 分析 上述固定偏置共射放大电路有哪些不足 大的不足 例如当晶体管所处环境温 度升高时 晶体管内部载流子运动加剧 由此造 成放大电路内部各参量随之发生变化 为不失真地传输信号 实用中需对 上述电路进行改造 分压式偏置的共 发射极放大电路可通过反馈环节有效 地抑制温度对静态工作点的影响 分压式偏置的共射放大电路由于设置了负反馈环节 因此当温度升高而造成IC增大时 可自动减小IB 从而抑制了静态工作点由于温度而发生的变化 保持Q点稳定 对固定偏置的放大电路进行改造 RB RB1 分压电阻 射极反馈电阻 射极旁路滤波电容 为稳定工作点Q而添加的负反馈环节 分压电阻 上图所示分压式偏置的共发射极电压放大电路能够有效地抑制由温度升高而引起的电路失真 分压式偏置共射放大电路的静态分析 静态分析时 此电路需满足I1 I2 IB的小信号条件 VB 显然 VB的大小与温度无关 分压式偏置共射放大电路的直流通道 偏置电阻RB1和RB2应选择适当数值 使之符合 I1 I2 IB的条件 在小信号条件下 IB可近似视为0值 忽略IB时 RB1和RB2可以对UCC进行分压 即 分压式偏置共射放大电路的静态分析 上述分析步骤 就是分压式偏置的共发射极电压放大电路的估算法 显然 基极电位VB的高低对静态工作点的影响非常大 UBE UCE 基极电位VB的高低对静态工作点Q的影响 设置合适的静态工作点是对放大电路的基本要求 基极电位VB选择偏高或偏低时 Q点随之上移或下行 设VB较高时 Q u0 Q点的上移造成放大过程中信号的一部分进入饱和区 发生饱和失真 集电极电流上削波 放大电路输出电压同样产生饱和失真 由于共射电路输入 输出反相 因此输出电压呈下削波 结论 输入信号波形 iC VB值大Q点高 饱和失真 基极电位VB设置较低时对Q点的影响 VB设置的高低 取决于两个基极偏置电阻的数值选择 当RB1太大时 VB值就会较低 引起静态工作点Q下行 Q 输入信号波形 Q点下行造成放大过程中信号的一部分进入截止区 发生截止失真 集电极电流呈下削波 iC u0 放大电路输出电压同样产生截止失真 由于共射电路输入 输出反相 因此输出电压呈现上削波 结论 VB值小Q点低 截止失真 VB的高低对放大电路的静态工作点影响很大 温度对Q点的影响也不能忽视 分压式偏置的共发射极放大电路由于加设了负反馈环节 因此当温度升高时 具有自调节能力 设放大电路环境温度升高 此时 由于电路具有对温度变化的自调节能力 因此集电极电流通常恒定 即 温度变化IC基本不受影响 T IB IC IE VE VBE IC 只要基极电位和射极反馈电阻不变 集电极电流始终维持不变 通过分析可知 交流放大电路中如果不设置静态工作点 输入的交流信号就无法全部通过放大电路 造成传输过程中信号的严重失真 若静态工作点设置不合适 同样会发生传输过程中的饱和失真和截止失真 设置合适的静态工作点显然是放大电路保证传输质量的必要条件 其设置的原则是 保证正常的输入信号不失真的输出且保证静态工作点的相对稳定 分压式偏置的共射放大电路显然可以实现上述原则 通过选择合适的分压电阻RB1和RB2 可获得一个恰当的基极电位VB值 以确保晶体管的发射结正偏和集电结反偏 这样 在信号传输的过程中晶体管就会始终工作在放大区 使放大电路正常工作 电路中的反馈电阻RE则起到了稳定工作点的作用 从而抑制了由于温度变化对放大电路产生的影响 学习与归纳 放大电路中为什么要设置静态工作点 静态工作点不稳定对放大电路有何影响 你会做吗 放大电路的失真包括哪些 如何消除失真 两种失真下集电极电流的波形和输出电压的波形有何不同 检验学习结果 能否说出RE和CE在放大电路中所起的作用 3 3基本放大电路的动态分析 放大电路加入交流输入信号的工作状态称为动态 动态时 放大电路输入的是交流微弱小信号 电路内部各电压 电流都是交直流共存的叠加量 放大电路输出的则是被放大的输入信号 求解放大电路的动态输入电阻ri 输出电阻r0及电压放大倍数Au等参量的过程称为动态分析 1 共射放大电路的动态分析 分压式偏置共发射极放大电路 输入信号源 放大电路负载 电源为0时可视为 地 电容相当于 交流短路 RB1相当于接于基极与 地 之间 RC相当于接于集电极与 地 之间 分压式偏置共发射极放大电路的交流通道 由于发射极为输入 输出回路的公共支路 因之而称为共发射极组态的放大电路 电容CE在电路中起何作用 电容CE的作用 交流通路中 射极电容将反馈电阻短路 则Au不受影响 如果把射极电容去掉 对电路会产生何影响 如果把射极电容CE去掉 交流通道反馈电阻RE仍起作用 则IE减小 rbe增大 负载不变情况下 电压放大倍数Au降低 2 微变等效电路法 微变等效电路法就是在满足小信号条件下 将晶体管线性化 把放大电路等效为一个近似的线性电路 然后应用线性电路的求解方法求出ri r0 Au的方法 一般情况下 由高 低频小功率管构成的放大电路都符合小信号条件 因此其输入 输出特性在小范围内均可视为线性 晶体管的微变等效电路 其中rbe是晶体管输入端的等效电阻 受控电流源相当晶体管的集电极电流 显然微变等效电路反映了晶体管电流的以小控大作用 图中 晶体管交流输入等效电阻 共射电压放大器的微变等效电路法 晶体管的微变等效电路 基极电流 集电极电流 放大电路的输入电压和电流 放大电路的输出电压和电流 电路交流等效输入电阻 ri rbe RB1 RB2 由于小信号电路有RB1和RB2 rbe 所以ri rbe 显然交流等效输出电阻 r0 RC 电路中电压放大倍数 若电路接入负载 此时电路放大倍数 共发射极放大电路微变等效电路法的动态分析结果为 式中负号反映了输出电压与输入电压的反相关系 显然 放大电路带上负载后 其电压放大倍数将降低 负载越大 RL 等效电阻越小 放大倍数下降越多 共发射极放大电路的主要任务是对输入的小信号进行电压放大 因此电压放大倍数Au是衡量放大电压性能的主要指标之一 共射放大电路的电压放大倍数随负载增大而下降很多 说明这种放大电路的带负载能力不强 微变等效电路 动态分析 显然电路中加了交流反馈电阻Re后 电路中的电压放大倍数将进一步大大降低 共射放大电路中含有交流反馈电阻的动态分析 输入电阻ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流的大小 为减轻信号源负担 总希望Ri大些 另外 较大的输入电阻ri 也可降低信号源内阻RS的影响 使放大电路获得较强的输入电压 在共发射极放大电路中 由于RB比rbe大得多 ri近似等于rbe 一般只有几百欧至几千欧 阻值比较低 即共射放大器输入电阻不理想 对负载而言 总希望放大电路的输出电阻越小越好 因为放大电路输出电阻r0越小 负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小 则放大电路的带负载能力就越强 而共射放大电路的输出电阻r0在通常只有几千欧至几十千欧 因此输出电阻也不理想 电压放大倍数与晶体管的电流放大倍数 动态输入电阻rbe及集电极电阻RC 负载电阻RL均有关 由计算式可看出 当rbe和RL一定时 Au与 成正比 共发射极电压放大器由于自身的特点 被广泛应用于放大电路的中间级 想想练练 1 下图中设UCC和RC为定值 当基极电流增加时 IC能否成正比地增加 最后接近何值 此时UCE 当基极电流减小时 IC又如何变化 最后达到何值 这时的UCE约等于多少 说一说下图所示各电路能否放大交流信号 为什么 不能 不能 不能 不能 VB UCC 饱和失真 VB UBE 截止失真 NPN管的电路 电容极性接反且无反馈环节 PNP管的电路 电源 电容极性均接反 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 1 用估算法计算静态工作点 例 解 2 用微变等效电路法计算电压放大倍数Au及输入 输出电阻 试述放大电路输出电阻的概念 为什么总希望放大电路的输出电阻r0尽量小一些呢 你会做吗 电压放大倍数的概念是什么 电压放大倍数是如何定义的 共发射极放大电路的电压放大倍数与哪些参数有关 检验学习结果 何谓放大电路的动态分析 动态分析分析步骤 你能否说出微变等效电路法的思想 2 4共集电极放大电路 1 电路的组成 观察左图 可见共集电极放大电路的特点是 晶体管的集电极直接与直流电源UCC相接 负载接在发射极电阻两端 显然 电路的输入极仍为基极 输出极却是发射极 直流通道 IB IC IE 静态分析 UBE 动态分析 显然 集电极为输入 输出回路共同的交流 地 端 因此称之为共集电极放大电路 RE 交流情况下UCC 0 相当于 地 电位 RB相当于接在基极与 地 之间 耦合电容C1 C2相当于短路 微变等效电路 求电路的电压放大倍数Au 通常 1 RL rbe 故式中分子小于约等于分母 即共集电极放大电路的Au小于和约等于1 因Au为正值 说明ui与u0相位相同 又因ui u0 说明电路中的电压并没有被放大 但电路中ie 1 ib 说明电路仍有电流放大和功率放大作用 此外 u0是由射极输出的 因之共集电极放大电路又称为 射极输出器 求电路的输入电阻ri 求电路的输出电阻r0 可见 射极输出器的Ri较大 可达几十千欧至几百千欧 显然 射极输出器的r0较小 仅为几十欧至几百欧 射极输出器的用途 电压放大倍数小于1约等于1 即u0跟随ui变化 输入电阻较高 输出电阻较低 归纳射极输出器电路特点 射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻 这是射极跟随器最突出的优点 共集电极放大电路常用于多级放大器的第一级或末级 有时也可用于中间隔离级 用作输入级时 其高输入电阻可以减轻信号源的负担 提高放大器的输入电压 用作输出级时 其低输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响 并易于与低阻负载相匹配 向负载传送尽可能大的功率 检验学习结果 2 5功率放大器和差动放大电路简介 1 功率放大器的分类 功率放大电路与电压放大电路没有本质上的区别 它们都是利用晶体管的以小控大作用 把直流电源的能量转化为按输入信号规律变化的交变能量输出送给负载 所不同的是 电压放大电路的主要任务是不失真地放大信号电压 功率放大电路的主要任务则是让负载上得到尽可能不失真的信号功率 功放电路中的晶体管称为 功放管 广泛应用于各种电子设备 音响设备 通信及自控系统中 1 功率放大器按工作状态一般可分为 甲类放大器 这种功放的工作原理是输出器件晶体管始终工作在传输特性曲线的线性部分 在输入信号的整个周期内输出器件始终有电流连续流动 这种功放失真小 但效率低 约为50 功率损耗大 一般应用在家庭的高档机较多 乙类放大器 两只晶体管交替工作 每只晶体管在信号的半个周期内导通 另半个周期内截止 该类功放效率较高 约为78 但缺点是容易产生交越失真 甲乙类放大器 兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点 被广泛应用于家庭 专业 汽车音响系统中 2 按放大器功能一般可分为 前级功放 主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后 再输出到后级放大器 后级功放 对前级放大器送出的信号进行不失真放大 以强劲的功率驱动扬声器系统 除放大电路外 还设计有各种保护电路 如短路保护 过压保护 过热保护 过流保护等 前级功放和后级功放一般只在高档机或专业的场合采用 合并式放大器 将前级放大器和后级放大器合并为一台功放 兼有前二者的功能 通常所说的放大器都是合并式的 应用范围较广 2 功率放大器的特点及技术指标 1 功率放大器的特点 由于功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率 因而输出电压和电流的幅度足够大 由于要求输出信号幅度大 通常使三极管工作在极限应用状态 即三极管工作在接近饱和区与截止区的工作状态 因此输出信号存在一定程度的失真 功率放大电路在输出功率的同时 三极管消耗的能量也较大 因此三极管的管耗不能忽视 功率放大电路工作在大信号运用状态 因此只能采用图解法进行估算 2 功率放大器的技术要求 由于功放的上述特点 因此实用中对功率放大器有一定的技术要求 1 效率尽可能高 2 具有足够大的输出功率 3 非线性失真尽可能小 4 散热条件要好 功放通常工作在大信号情况下 所以输出功率和功耗都较大 效率问题突显 我们期望在允许的失真范围内尽量减小损耗 为获得最大的功率输出 要求功放管工作在接近 极限运用 状态 选用时应考虑管子的三个极限参数ICM PCM和U BR CEO 处于大信号工况下的管子不可避免地存在非线性失真 但应考虑在获得尽可能大的功率输出下将失真限制在允许范围内 功放管工作在 极限运用 状态 因而造成相当大的结温和管壳温升 散热问题应充分重视 应采取措施使功放管有效地散热 3 功放电路中的交越失真 左图电路采用了两个导电特性相反的管子 其中T1和T2分别为NPN型管和PNP型管 电路工作时 一个管子在信号的正半周导通 另一管子在信的负半周导通 两个管子在信号周期内交替工作 各自产生半个周期的信号波形 在负载上合成一个完整的信号波形 这种功放电路称作乙类功率放大电路 交越失真 两个管子在信号周期内交替工作 由于管子总是存在着死区电压 因此在信号零点附近不会产生基极电流 造成传输信号波形的严重失真 由于这种失真产生在过零值处 所以称为交越失真 观察电路 可看出此电路没有基极偏置 所以uBE1 uBE2 ui 当ui 0时 T1管和T2管均处于截止状态 功放电路中交越失真说明及消除方法 过零处的交越失真 此电路是能消除交越失真的甲乙类互补对称的功放电路 只要R1 R2数值适当 当ui 0时 可使IC3 VB2和VB1达到所需大小 为T1和T2发射结提供适当电压 以消除过零处的交越失真 4 差动放大电路 1 零漂现象 直接耦合的多级放大电路 当输入信号为零时 输出信号电压并不为零 而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的 无规则持续变动 这种现象称为零点漂移 简称零漂 差动放大电路就是一种对零漂有很强抑制作用的放大电路 2 差动放大电路 差动放大电路由两个对称的共射基本放大电路组成 其中T1 T2是两个特性完全相同的晶体管 两管基极信号电压ui1 ui2大小相等 相位相反 差动放大电路这种双端输入方式称为差模输入方式 所加信号称为差模信号 差模信号是放大电路中需要传输和放大的有用信号 用uid表示 数值上等于两管输入信号的差值 uid ui1 ui2 温度变化 电源电压波动等引起的零漂电压 折合到放大电路输入端 相当于在放大电路输入端加了 共模信号 外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了 共模信号 可见 所谓的共模信号对放大电路是一种干扰信号 因此 放大电路对共模信号不仅不应放大 反而应当具有较强的抑制能力 温度发生变化时 差动放大电路输入端相当于加了一个共模信号 此时两管对共模信号产生的电流 其变化规律相同 两管集电极电压漂移量也完全相同 从而使双端输出电压始终为零 也就是说 依靠电路的完全对称性 使两管的零漂在输出端相抵消 因此 零点漂移被抑制 差动放大电路的公共发射极电阻Re是保证静态工作点稳定的关键元件 当温度T 两管的发射极电流IE1和IE2 集电极电流IC1和IC2均增大 由于两管基极电位VB1和VB2均保持不变 两管的发射极电位VE升高 引起两管的发射结电压UBE1和UBE2降低 两管的基极电流IB1和IB2随之减小 IC2下降 此过程类似分压式偏置的共射放大电路中RE的作用 双端输出情况下 差动放大电路两管的输出稳定在静态值 从而有效地抑制了零点漂移 Re数值越大 抑制零漂的作用越强 即使电路处于单端输出方式 电路仍有较强的抑制零漂能力 由于Re上流过两倍的集电极变化电流 其稳定能力比射极偏置电路更强 此外 采用双电源供电 可以使UB1 UB2 0 从而使电路可适应正 负两种极性的输入信号 扩大了应用范围 什么是零漂现象 零漂是如何产生的 采用什么方法可以抑制零漂 上述问题希望课后认真归纳总结