第十五章-基本放大电路...ppt

第15章基本放大电路 15 1共发射极放大电路的组成 15 2放大电路的静态分析 15 3放大电路的动态分析 15 4静态工作点的稳定 15 6射极输出器 15 7差分放大电路 15 8互补对称功率放大电路 15 1共发射极放大电路的组成 三极管放大电路形式 共发射极放大电路 共基极放大电路 共集电极放大电路 放大电路的目的是将微弱的变化电信号转换为较强的电信号 放大电路实现放大的条件 1 晶体管必须偏置在放大区 即发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 3 输出回路将变化的电流转化成变化的电压 经电容滤波只输出交流信号 一 基本交流放大电路 二 元件作用 1 交流信号源 电动势es与电阻Rs串联的电压源 2 输入电压 ui 交流 3 输出电压 uO 交流 4 晶体管T 放大元件 工作在放大区 利用其电流放大作用 在集电极电路获得放大的电流 该电流受输入信号的控制 5 集电极电源EC 不仅为输出信号提供能量 并保证集电结加反向偏置 使晶体管起到放大作用 6 集电极负载电阻RC 将集电极电流的变化变换成电压的变化 以实现电压放大 7 基极电源EB和基极电阻RB 使发射结处于正偏 并提供合适的基极电流IB 使放大电路获得合适的工作点 8 耦合电容C1和C2 隔离输入输出与电路直流的联系 同时能使交流信号顺利输入输出 C1和C2电容值比较大 为几十 F 有极性 对交流信号而言其容抗近似为零 可视为短路 注意 三 电路改进 采用单电源供电 返回 15 2放大电路的静态分析 静态 放大电路ui 0时的工作状态 也称直流工作状态 分析方法 估算法 图解法 分析对象 各极电压电流的直流分量 所用电路 放大电路的直流通路 设置Q点的目的 1 使放大电路的放大信号不失真 2 使放大电路工作在较佳的工作状态 静态是动态的基础 静态工作点Q IB IC UCE 静态分析 确定放大电路的静态值 放大电路中电压和电流的符号 15 2 1用放大电路的直流通路确定静态值 直流通路的画法 电容C看作开路 即将电容断开 一 直流通路 注意电压 电流符号的变化 1 基极电流IB 2 集电极电流IC 3 集 射极电压UCE 二 电路分析 由KVL UCC IBRB UBE 由KVL UCC ICRC UCE UCE UCC ICRC 解 根据直流通道可得出 注意 电路中IB和IC的数量级不同 例2用估算法计算图示电路的静态工作点 由例1 例2可知 当电路不同时 计算静态值的公式也不同 由KVL可得 由KVL可得 解 15 2 2用图解法确定静态值 步骤 1 用估算法确定IB2 由输出特性确定IC和UCE 优点 能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响 UCE IC满足 1 三极管的输出特性 2 直流负载线UCE UCC ICRC 图解法确定静态工作点 静态工作点与IB的大小有关 所以IB称为偏置电流 改变RB的大小可调整IB的大小 所以RB称为偏置电阻 ICQ UCEQ 直流负载线斜率 直流负载线 由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点 1 作直流负载线 解 IC 0时 可在图上作直流负载线 UCE 0时 根据直流通路UCE UCC RCIC 例15 2 2已知UCC 12V RC 4k RB 300k 37 5 1 作直流负载线 2 求静态值 UCE UCC 2 求静态值 IB 40 AIC 1 5mAUCE 6V 由此得到静态工作点Q 返回 由图可知 15 3放大电路的动态分析 动态 放大电路ui 0时的工作状态 也称交流工作状态 动态分析 计算电压放大倍数Au 输入电阻ri 输出电阻ro等 分析对象 各极电压和电流的交流分量 分析方法 微变等效电路法 图解法 所用电路 放大电路的交流通路 目的 找出Au ri ro与电路参数的关系 为设计打基础 1 晶体管的微变等效电路 1 输入特性曲线 15 3 1微变等效电路法 所谓微变等效电路 就是把非线性元件晶体管线性化 将放大电路等效成一个线性电路 线性化的条件 晶体管在小信号 微变量 情况下工作 因此 在静态工作点Q附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替 UBE Q 对于低频小功率晶体管的输入电阻估算为 式中 IE 发射极电流的静态值 晶体管的放大倍数 rbe 输入电阻 其值一般为几百欧到几千欧 动态电阻 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻rbe 表示输入特性 因此 晶体管的输出回路 C E之间 可用一受控电流源ic ib等效代替 即由 来确定ic和ib之间的关系 一般在20 200之间 在手册中常用hfe表示 2 输出特性曲线 当UCE 常数时 晶体管的电流放大系数 rce愈大 恒流特性愈好 在小信号的条件下 rce也是一个常数 约为几十到几百k 因rce阻值很高 一般忽略不计 晶体管的输出电阻 晶体管的微变等效电路 2 放大电路的微变等效电路 放大电路的交流通路 电容和直流电源对交流短路 放大电路的微变等效电路 注意电压 电流符号的变化 3 电压放大倍数的计算 式中 输出电压与输入电压反相 电压放大倍数 输出端开路时 显然负载电阻RL越小 放大倍数越低 Au还与 和rbe有关 例15 3 1已知UCC 12V RC 4k RB 300k 37 5 RL 4k 试求电压放大倍数 例16 2 1已求得IC 1 5mA IE RL RC RL 2k 解 4 放大电路输入电阻的计算 放大电路对信号源来说 是一个负载 可用一个电阻等效代替 这个电阻是信号源的负载电阻 也就是放大电路的输入电阻ri 即 对交流而言是动态电阻 实际上RB的阻值比rbe大得多 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的输入电阻 5 放大电路输出电阻的计算 放大电路对于负载 或后级放大电路 而言 相当于信号源 可以将它进行戴维宁定理等效 等效电路的内阻就是输出电阻 它也是动态电阻 1 将信号源短路且输出端开路 从输出端看进去的电阻 2 加压求流法 r0 RC 将信号源短路 保留受控源 在输出端将负载断开 并外加电压uo 求出流入输出端的电流io 解 输出端开路时 输出端接上负载电阻时 例15 3 2有一放大电路 测得其输出端开路电压Uo0 4V 当接上负载电阻RL 6k 时 输出电压下降为UoL 3V 求放大电路的输出电阻 放大电路对负载来说 是一信号源 可用等效电动势E0和内阻r0表示 等效电源的内阻即为输出电阻 直流负载线反映静态时电流IC和UCE的变化关系 由于C2的隔直作用 不考虑负载电阻RL 15 3 2图解法 1 交流负载线 交流负载线反映动态时电流iC和uCE的变化关系 视C2为短路 RL与RC并联 负载电阻为 1 交流负载 交流通路 其中 UCC IB 交流负载线比直流负载线要陡 斜率为 交流负载线 2 交流负载线的作法 直流负载线 2 图解分析 由图可见 1 电压和电流都含有直流分量和交流分量 2 uo与ui相位相反 3 由uo和ui的峰值之比可得放大电路的电压放大倍数Au RL愈小 交流负载线愈陡 Au下降愈多 3 非线性失真 由于静态工作点不合适或者信号太大 使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围 截止失真 放大电路要不产生非线性失真 必须要有一个合适的静态工作点 应大致选在交流负载线的中点 此外 输入信号ui的幅值不能太大 避免超过特性曲线的线性范围 饱和失真 返回 15 4静态工作点的稳定 在固定偏置放大电路中 温度升高时 UBE ICBO 表明 当UCC和RB一定时 IC与UBE 以及ICEO有关 而这三个参数随温度而变化 温度升高时 IC将增加 使Q点沿负载线上移 温度上升时 输出特性曲线上移 造成Q点上移 固定偏置电路的Q点是不稳定的 为此需要改进偏置电路 当温度升高使IC增加时 能够自动减少IB 从而抑制Q点的变化 保持Q点基本稳定 结论 当温度升高时 IC将增加 使Q点沿负载线上移 容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真 甚至引起过热烧坏三极管 分压式偏置放大电路 固定偏置放大电路 改进 VB 1 RB2的作用 VB不受温度变化的影响 若满足I2 IB 1 稳定Q点的原理 直流通路 这一物理过程的实质是一种负反馈 RE愈大稳定性愈好 但太大将使VE增高 输出电压降低 一般取几百欧 几千欧 2 RE的作用 VB VE 若满足VB UBE 电路的静态工作点基本稳定 3 CE的作用 CE将RE短路 RE对交流不起作用 Au ri ro与固定偏置电路相同 2 静态分析 3 动态分析 微变等效电路 无电容CE的微变等效电路 如果去掉CE Au ri ro 分析计算 无旁路电容CE 有旁路电容CE Au减小 ri提高 ro不变 分压式偏置电路 解 直流通路 例15 4 1分压式偏置放大电路中 已知UCC 12V RC 2k RE 2k RB1 20k RB2 10k RL 6k 37 5 1 试求静态值 2 画出微变等效电路 3 计算该电路的Au ri和ro 1 计算静态值 2 画微变等效电路 返回 3 计算Au ri和ro 15 6射极输出器 因对交流信号而言 集电极是输入与输出回路的公共端 所以是共集电极放大电路 因从发射极输出 所以称射极输出器 15 6 1静态分析 1 直流通路 直流通路 2 确定静态值 15 6 2动态分析 微变等效电路 1 电压放大倍数 2 输出电压与输入电压同相 具有电压跟随作用 故称射极跟随器 讨论 输出电压与输入电压近似相等 电压未被放大 但是电流放大了 即输出功率被放大了 1 电压放大倍数接近于1 且恒小于1 2 输入电阻 输入电阻高 3 输出电阻 用加压求流法求输出电阻ro 将信号源置0 求各支路电流 其中 通常 通常为几十欧姆 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 1 电压放大倍数小于1 约等于1 2 输入电阻高 3 输出电阻低 4 输出与输入同相 射极输出器的特点 射极输出器的应用 主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点 1 因输入电阻高 它常被用在多级放大电路的第一级 可以提高输入电阻 减轻信号源负担 2 因输出电阻低 它常被用在多级放大电路的末级 可以降低输出电阻 提高带负载能力 3 利用ri大 ro小以及Au 1的特点 也可将射极输出器放在放大电路的两级之间 起到阻抗匹配作用 这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级 在实际工作中 输入信号一般为毫伏或微伏级 为了放大非常微弱的信号 需要把若干个基本放大电路连接起来 以获得更高的放大倍数和功率输出 15 6 3多级放大电路及其级间耦合 多级放大电路的框图 1 耦合方式 多级放大电路中 前后两级之间的联接方式 常用的耦合方式 阻容耦合 直接耦合 变压器耦合 对耦合电路的要求 1 静态 2 动态 要求 波形不失真 减少压降损失 保证各级Q点设置 有效地传递信号 2 阻容耦合 第一级的输出信号由C2耦合到第二级的输入电阻上 故称为阻容耦合 1 静态分析 由于电容有隔直作用 所以每级放大电路的直流通路互不相通 每级的静态工作点互相独立 互不影响 可以各级单独计算 微变等效电路 交流通路 电容和直流电源对交流短路 2 动态分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 在算前级放大倍数时 要把后级的输入电阻作为前级的负载 注意 例1在图示两级组容耦合放大电路中 已知RB1 30k RB2 15k R B1 20k R B2 10k RC1 3k RC2 2 5k RE1 3k RE2 2k RL 5k C1 C2 C3 50 F 晶体管放大倍数 1 2 40 集电极电源电压UCC 12V 试求 1 各级的静态值 2 两级放大电路的电压放大倍数 解 1 各级静态值的估算 第一级 第二级 2 电压放大倍数 微变等效电路图 三极管T1的输入电阻为 三极管T2的输入电阻为 第二级输入电阻为 第一级等效负载电阻为 第二级等效负载电阻为 第一级电压放大倍数为 第二级电压放大倍数为 两级总电压放大倍数为 输出电压与输入电压同相 返回 15 8差分放大电路 直接耦合 能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号 且由于没有耦合电容 故非常适宜于大规模集成 优点 将前级的输出端直接接后级的输入端 1 前后级静态工作点相互影响 直接耦合存在的两个问题 2 零点漂移 假 信号 零点漂移 输入信号电压为零时 输出电压发生缓慢地 无规则地变化的现象 1 产生原因 晶体管参数随温度的变化 电源电压的波动 电路元件参数的变化 温度的影响是最主要的 2 危害 影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力 严重时 可能淹没有效信号电压 无法分辨是有效信号电压还是漂移电压 3 抑制零点漂移的方法 使用温度稳定性好的硅管 稳压电源以及精选电路元件 最有效且广泛的方法是采用输入级采用差分放大电路 级数越多 放大倍数越大 温度漂移越大 所以特别要注重对第一级零点漂移的抑制 为了表示温度变化引起的漂移 常把温度升高10C时 输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电压作为温漂指标 输入端等效漂移电压 输出端漂移电压 电压放大倍数 一 结构 对称放大电路 15 7 1差分放大电路的工作原理 抑制零点漂移最有效的电路结构是直接耦合差分放大电路 许多直接耦合放大电路的第一级都采用差分放大电路 特点 结构对称 元器件对称 二 抑制零漂的原理 静态 ui1 ui2 0 当温度变化时 IC1 IC2 VC1 VC2 uo VC1 VC2 0 IC1 IC2 VC1 VC2 uo VC1 VC1 VC2 VC2 0 零点漂移被完全抑制 三 有信号输入时的工作情况 1 共模输入 两输入端加的信号大小相等 极性相同 共模电压放大倍数 完全抑制了共模信号 差动放大电路对共模信号抑制能力的大小是零点漂移抑制能力的标志 2 差模输入 设ui1 0 ui2 0 IC1 0 IC2 0 VC10 ui1 ui2 VC1 VC2 uo VC1 VC2 VC1 VC2 2 VC1 差模电压放大倍数 ui1 ui2 uid 大小相等极性相反 3 比较输入 两个输入信号电压既非共模 又非差模 即它们的大小和相对极性任意的 称为比较输入 比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合 即 式中uic为共模信号 uid为差模信号 由以上两式可解得 例如ui1 10mV ui2 6mV如何分解 可分解成共模信号为uic 8mV 差模信号uid 2mV 表明 输出电压的大小仅与输入电压的差值有关 而与信号本身的大小无关 这就是差分放大电路的差值特性 对于线性差分放大电路 可用叠加定理求得输出电压 比较输入常作为比较放大来应用 在自动控制系统中是常见的 共模抑制比全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力 差模放大倍数 共模放大倍数 KCMR越大 说明差放分辨差模信号的能力越强 而抑制共模信号的能力越强 四 共模抑制比 共模抑制比 1 若电路完全对称 则理想情况下共模放大倍数Ac 0 KCMRR 实际输出电压uo Ad ui1 ui2 Aduid 2 若电路不完全对称 则Ac 0 实际输出电压uo Acuic Aduid 表明共模信号对输出有影响 讨论 15 7 2典型差分放大电路 一 改进后的典型电路 对称差分放大电路是依靠对称性来抑制零点漂移的 但实际上的对称性是不存在的 因而零点漂移并不能完全被抑制 二 零点漂移的抑制 RE的主要作用是抑制温度漂移 稳定静态工作点 1 RE的作用 RE的电流负反馈作用使每个管子的温度漂移得到了一定程度的抑制 输出端的漂移进一步减小 RE愈大抑制零点漂移的作用愈显著 但UCC一定时 RE过大将使集电极电流过小而影响电压放大倍数 负电源EE用来抵偿RE两端的直流压降 以获得合适的静态工作点 2 EE的作用 电位器Rp是调平衡用的 称为调零电位器 因实际电路的不完全对称 可以用Rp进行静态时输出电压的调节 由于Rp对差模信号有反馈作用 阻值不宜过大 一般在几十 几百欧姆 3 Rp的作用 1 双端输入 双端输出 差模信号 由于R的分压 各晶体管的输入为总信号ui的一半 但极性相反 即 三 两种输入 输出方式 1 静态分析 RP的阻值很小 可以省去 设IB1 IB2 IB IC1 IC2 IC 每管的基极电流 每管的集 射极电压 2 动态分析 由于电路对称 在差模信号作用下 ie1 ie2 uo1 uo2 RE中电流变化量为 ie ie1 ie2 0 所以三极管发射极E的电位变化量为ve REie 0 即发射极相当于交流接地 由此可以看出RE对差模信号不起作用 单管差模电压放大倍数为 双端输出电压 单管差模信号通路 单管差模信号微变等效电路 双端输入 双端输出差动电路的差模电压放大倍数 2 两输入端之间的差模输入电阻为 3 两集电极之间的差模输出电阻为 结论 1 两管集电极之间接入负载电阻RL时 差模电压放大倍数 式中 2 单端输入 单端输出 若RE足够大 IE1 IE2 0 则RE可以认为是开路的 这样每只晶体管各得到一半输入信号 由于RE的耦合作用 使两管同时取得信号 单端输入信号为 即RE足够大时 两管取得的信号认为是一对差模信号 反相输出 单端输出的电压放大倍数为双端输出的一半 同相输出 直接耦合放大电路中以差动放大器的性能为最好 尽量选择对称的电路参数 更好地抑制零点漂移 RE的存在对提高共模抑制比具有很好的效果 双端输入 双端输出的电压放大倍数与单管放大电路的放大倍数相同 单端输出的电压放大倍数又减小为一半 返回 结论 15 8互补对称功率放大电路 多级放大电路的输出级一般都是功率放大级 将前置电压放大电路送来的低频电压信号进行功率放大 去推动负载工作 15 8 1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 晶体管往往工作在极限状态 PCM ICM U BR CEO 2 由于功率较大 则必须考虑效率问题 效率即负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比 3 由于功率较大 在电路设计中要考虑散热问题 如加散热片 放大电路的三种工作状态 甲类工作状态 乙类工作状态 甲乙类工作状态 甲类工作状态 静态工作点Q大致设在交流负载线的中点 Q 晶体管在输入信号的整个周期都导通 静态IC较大 波形好 管耗大效率低 静态工作点下移到IC 0处 则称为乙类工作状态 Q Q 静态工作点介于甲类工作状态与乙类工作状态之间称为甲乙类工作状态 晶体管只在输入信号的半个周期内导通 波形严重失真 管耗小效率高 晶体管导通的时间大于半个周期 IC 0 一般功放常采用 OTL OutputTransformerLess OCL OutputCapacitorLess 互补对称 电路中采用两支晶体