DZXL04多级放大器及负反馈放大器

第4章多级放大器和反馈放大器 本章学习目标 4 1多级放大器 4 2负反馈放大器 4 3三种组态电路性能比较 本章小结 本章学习目标 清楚多级放大器间耦合方式 理解阻容放大器的频率特性 理解通频带的概念 理解反馈的概念 清楚反馈的分类 掌握判别反馈的方法 理解负反馈对放大器性能的影响 清楚射极输出器的电路组成 掌握该电路输入电阻 输出电阻的工作特点 了解三种组态的电路性能 4 1多级放大器 4 1 1放大器的级间耦合方式 4 1 2阻容耦合多级放大器 4 1多级放大器 多级放大器 把多个单级放大电路串接起来 使输入信号vi经过多次放大的电路 特点 电压放大倍数高 通频带窄 4 1 1放大器的级间耦合方式 级间耦合 放大器级与级之间的连接 其方式有三种 阻容耦合 变压器耦合 直接耦合 1 阻容耦合 级间通过电容C2和基极电阻Rb Rb12 Rb22 连接 由于电容C2的 隔直通交 作用 使各级静态工作点独立 交流信号顺利通过C2输送到下一级 2 变压器耦合 级间通过变压器T1连接 由于T1一 二次线圈之间具有 隔直通交 的性能 使各级静态工作点独立 而交流信号通过T1互感耦合顺利输送到下一级 3 直接耦合 级间通过导线 或电阻 直接连接 前级输出信号直接输送到下一级 但各级静态工作点相互影响 对耦合方式的基本要求 1 信号传输无损失 2 静态工作正常 3 信号失真小 传输效率高 4 1 2阻容耦合多级放大器 一 阻容耦合多级放大器的放大倍数 电路 交流通路 一 阻容耦合多级放大器的放大倍数 第一级的输入电阻为 第二级的输入电阻为 第一级交流负载为 第二级交流负载为 一 阻容耦合多级放大器的放大倍数 由放大倍数的定义得 第一级电压放大倍数 第二级电压放大倍数 两级电压放大倍数应为 因Vi2 Vo1 所以 得Av Av1 Av2 结论 两级放大器的电压放大倍数Av等于单级电压放大倍数Av1与Av2的乘积 同理 n级放大器的放大倍数为 注意 分析多级放大器的放大倍数时要考虑后级对前级的影响 即把后级的输入电阻作为前级负载来考虑 例4 1 1 两级阻容耦合放大器中 按给定的参数 并设两管的 1 2 40 rbe1 1 3k rbe2 1k 试估算 1 各级的电压放大倍数 2 总的电压放大倍数 解 1 先估算有关参数 2 估算各级电压放大倍数 3 总的电压放大倍数 例4 1 2 某多级放大器其各级电压增益为 第一级是20dB 第二级是30dB 第三级为35dB 求该放大器总的电压增益是多少分贝 解该多级放大器总电压增益应为各级电压增益之和 例4 1 3 有一收音机 其各级功率增益为 天线输入级 3dB 变频级20dB 第一中放级30dB 第二中放级35dB 检波级 10dB 末前级40dB 功放级20dB 求收音机的总功率增益 解总功率增益为各级功率增益之和 二 阻容耦合放大器的频率特性 1 放大器的频率特性 理想放大器 对于不同频率的信号具有相同的放大倍数 实际放大器 对不同频率的信号 放大倍数不一样 频率特性 放大器的放大倍数与频率之间的关系 又称为频率响应 单级放大器频响曲线 1 中频段信号频率在fL和fH之间 放大倍数基本不随信号频率而变化 中频放大倍数 Avo 中频段的放大倍数 上限频率fH和下限频率fL Av 下降到0 707 Av 时所对应的两个频率 通频带BW 可分为三个频段 2 低频段信号频率小于fL 放大倍数随频率下降而减小 在低频段 放大倍数下降的主要原因是耦合电容和射极旁路电容的容抗增大 分压作用增大 3 高频段信号频率大于fH 放大倍数随频率升高而减小 在高频段 放大倍数下降的主要原因是晶体管结电容的容抗减小 分流作用增大 另外 频率升高 值降低 2 多级放大器的频率特性 两级放大器的通频带 在fL和fH处总电压放大倍数为 可见 两级放大器的f L和f H两点间的频率范围比fL和fH的范围减小了 结论 多级放大器的放大倍数提高了 但通频带比每个单级放大器的通频带窄 级数越多 通频带越窄 两级放大器中频段的电压放大倍数为 两级放大器的通频带 4 2负反馈放大器 4 2 1反馈及其分类 4 2 2负反馈对放大器性能的改善 4 2 3射极输出器 4 2 1反馈及其分类 反馈 从放大器的输出端把输出信号的一部或全部通过一定方式送回到放大器输入端的过程 反馈电路 由电阻或电容等元件组成的反馈信号传送电路 反馈放大器框图 图中vi为输入信号 vo为输出信号 vf为反馈信号 反馈的分类及判别方法 一 正反馈和负反馈 正反馈 反馈信号起到增强输入信号的作用 负反馈 反馈信号起到削弱输入信号的作用 判断方法 若反馈信号与输入信号同相 则为正反馈 若反馈信号与输入信号反相 则为负反馈 二 电压反馈和电流反馈 电压反馈 反馈信号取自输出电压并与输出电压成正比 电流反馈 反馈信号取自输出电流并与输出电流成正比 判断方法 把输出端短路 如果反馈信号为零 则为电压反馈 如果反馈信号不为零 则为电流反馈 三 串联反馈和并联反馈 串联反馈 净输入电压由输入信号和反馈信号串联而成 判断方法 把输入端短路 如果反馈信号不为零 则为串联反馈 如果反馈信号为零 则为并联反馈 并联反馈 净输入电流由反馈电流与输入电流并联而成 例4 2 1 判别电路中反馈元件引进的是何种反馈类型 例4 2 1 判别电路中反馈元件引进的是何种反馈类型 解 1 电压反馈和电流反馈的判别 当输出端分别短路后 图 a 中vf消失 而图 b 中 管子V2的iE2不消失 即vf不等于零 所以图 a 是电压反馈 图 b 是电流反馈 2 串联反馈和并联反馈的判别 当输入端分别短路后 图 a 中vf不消失 图 b 中的vf消失 所以图 a 是串联反馈 图 b 是并联反馈 例4 2 1 判别电路中反馈元件引进的是何种反馈类型 3 正反馈和负反馈的判别 采用信号瞬时极性法判别 设某一瞬时 输入信号vi极性为正 并标注在输入端晶体管基极上 然后根据放大器的信号正向传输方向和反馈电路的信号反向传输方向 在晶体管的发射极 基极和集电极各点标注同一瞬时的信号的极性 3 正反馈和负反馈的判别 可见 图 a 中反馈到输入回路的vf的极性是 与输入电压vi反相 削弱了vf的作用 所以是负反馈 而图 b 中 反馈到输入端的vf极性是 它削弱了vi的作用 所以也是负反馈 综合 a 电压串联负反馈 b 电流并联负反馈 作业 P68 4 74 8 4 2 2负反馈对放大器性能的改善 一 放大倍数下降 但放大倍数的稳定性提高 由图可知 反馈电压 反馈系数 设Av 放大器无反馈时的放大倍数 v i 净输入电压 Avf 加入负反馈后的放大倍数 则 因 故 所以 即Avf Av 电压串联负反馈的电路框图 可见 Avf是Av的 1 FAv 倍 1 FAv 愈大 Avf比Av就愈小 1 FAv 放大器的反馈深度 如果负反馈很深 即 1 FAv 1时 则 可见 在深度负反馈条件下 反馈放大器的放大倍数Avf仅取决于反馈系数F 而与Av无关 当晶体管参数 电源电压 环境温度及元件参数发生变化时 负反馈放大器的放大倍数受其影响很小 基本不变 从而使放大倍数稳定性获得了提高 结论 负反馈使放大器放大倍数减小 1 FAv 倍 在深度负反馈条件下负反馈放大器的放大倍数很稳定 二 改善了放大器的频率特性 展宽了通频带 无反馈时 中频段的电压放大倍数为 Avo 其上 下限频率分别为fH和fL 加入负反馈后 中频段的电压放大倍数下降到 A vo 负反馈对频响的改善 而高频段和低频段由于原放大倍数较小其反馈量相对于中频段要小 因此放大倍数的下降量相对中频段要少 使放大器的频率特性变得平坦 即通频带展宽了 使放大器的频率特性得到改善 三 减小了放大器的波形失真 在图中 设无反馈时 输入信号vi为正弦波 A半周与B半周一样大 由于晶体管特性曲线的非线性 放大器输出信号vo发生了失真 出现了A半周大 B半周小的波形 加入负反馈后 反馈信号vf与输入信号vi进行叠加 产生一个A 半周小 B 半周大的预失真信号vi 再经放大器放大 由于放大器对A半周放大能力较大 从而使输出信号vo中A半周与B半周的差异缩小了 因此放大器的输出波形得到了改善 四 改变了放大器的输入电阻 输出电阻 串大压小 放大器引入负反馈后 输入电阻的改变取决于反馈电路与输入端的联接方式 输出电阻的改变取决于反馈量的性质 1 输入电阻的改变 对于串联负反馈 在输入电压vi不变时 反馈电压vf削减了输入电压vi对输入回路的作用 使净输入电压vi减小 致使输入电流ii减小 相当于输入电阻增大 即串联负反馈增大输入电阻 对于并联负反馈 在输入电压vi不变时 反馈电流if的分流作用致使输入电流ii增加 相当于输入电阻减小 即并联负反馈减小输入电阻 2 输出电阻的改变 电压负反馈维持输出电压不受负载电阻变动的影响而趋于恒定 说明输出电阻比无反馈时输出电阻要小 而电流负反馈维持输出电流不受负载电阻变动的影响而趋于恒定 说明输出电阻比无反馈时输出电阻要大 即电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈使输出电阻增大 结论 放大器引入负反馈后 使放大倍数下降 但提高了放大倍数的稳定性 扩展了通频带 减小了非线性失真 改变了输入 输出电阻 4 2 3射极输出器 一 反馈类型 电路如图所示 其反馈信号vf取自发射极 若输出端短路 则vf 0 所以是电压反馈 用瞬时极性法判别 可得vb和ve 即vf 极性相同 反馈信号削弱了输入信号的作用 所以是负反馈 在输入回路vi vbe vf 所以是串联反馈 综合看来 电路的反馈类型为电压串联负反馈放大器 由于信号是从晶体管基极输入 发射极输出 集电极作为输入 输出公共端 故为共集电极电路 又称为 射极输出器 二 性能分析 交流通路 1 电压放大倍数 vbe一般很小 则vo vi 于是电压放大倍数为 可见 射极输出器的输出电压近似等于输入电压 电压放大倍数约等于1 而且输出电压的相位与输入电压相同 故又称射极跟随器 射极输出器是一种电压串联负反馈放大器 交流通路 2 输入电阻和输出电阻 1 输入电阻 设 忽略Rb的分流作用 则输入电阻为 由于 于是 如果考虑Rb的分流作用 则实际的输入电阻为 由此可见 与共射极放大电路相比 射极输出器的输入电阻高得多 为了充分利用输入电阻高的特点 射极输出器一般不采用分压式偏置电路 交流通路 2 输出电阻 分析ro示意图 设vs 0 令Rs Rs Rb 不记Re 则输出端外加交流电压vo产生的电流ie为 于是得该支路的输出电阻为 考虑Re时 射极输出器的输出电阻为 如果信号源内阻很小Rs 0 则 若 则射极输出器的输出电阻近似为 所以射极输出器的输出电阻是很小的 三 结论 射极输出器具有输入电阻大 输出电阻小 电压放大倍数略小于且近似等于1 输出电压的相位与输入电压相同的特点 输出电流是输入电流的 1 倍 所以具有电流放大和功率放大能力 四 应用 利用输入电阻大的特点 作为多级放大器的输入级 以减小对信号源的影响 利用输出电阻小的特点 作为多级放大器的输出级 以提高带负载的能力 还可用作阻抗变换器 以实现级间阻抗匹配 作为隔离级 减少后级对前级的影响 工程应用 当放大器与高阻抗的信号源 或高阻输出的放大器 连接时 通常采用射极输出器作为输入极 以提高放大器的输入阻抗 提高信号的有效输入 2 将射极输出器用作输出极 可以提高带负载能力 将射极输出器用作阻抗变换器 当放大器与低阻抗负载 如扬声器 连接时 会出现阻抗不匹配 在放大器与低阻抗负载之间接一阻抗较低的射极输出器 就可解决阻抗匹配的问题 4 射极输出器可以作为隔离极 以减小前后电路的相互影响 4 3电路性能比较 4 3 1共基极电路 4 3 2三种组态电路性能比较 4 3 1共基极电路 信号从发射极输入 放大后从集电极输出 基极交流接地 故称为共基极电路 该电路的直流电路采用分压式偏置电路 因此 静态工作点比较稳定 共基极反大电路 理论和实验证明 共基极电路具有下列特点 1 输入电阻低 输出电阻高 2 电流放大倍数接近于1并小于1 3 输出电压与输入电压同相位 4 较好的高频特性和工作稳定性 根据其特点 共基极电路广泛应用在高频 宽带放大或对稳定性要求较高的电子线路中 4 3 2三种组态电路性能比较 晶体管的三种组态基本放大电路性能特点不同 可根据需要选择采用 性能比较可参考下表 三种组态性能比较表 本章小结 放大器的频率特性反映了放大倍数和频率的关系 低端频率特性由耦合电容和射极旁路电容决定 高端频率特性受晶体管的电流放大系数和结电容的影响 多级放大器级间有三种耦合方式 阻容耦合是利用耦合电容隔直通交作用 较好地解决了前后级直流工作点的相互影响问题 但低频特性差 变压器耦合虽然低频性能差 但能够实现阻抗变换 直接耦合方式低频特性好 但前后级直流工作点相互影响 多级放大器的电压放大倍数是各级电压放大倍数之积 输入电阻是第一级的输入电阻 输出电阻是未级的输出电阻 计算时要考虑后级对前级的影响 反馈分正反馈和负反馈 根据反馈信号的性质有直流反馈和交流反馈 交流负反馈有电压串联 电压并联 电流串联 电流并联四种反馈类型 负反馈是改善放大器