第二章(简好用新)-基本放大电路...ppt

第二章基本放大电路 放大的实质 用较小的信号去控制较大的信号 引言 什么是放大电路 放大电路主要用于放大微弱的电信号 把电压或电流在幅度上得到了放大 这里主要讲电压放大电路 第一节共发射极放大电路 一 电路的组成 1 晶体管V 放大元件 用基极电流iB控制集电极电流iC 2 电源UCC 使晶体管的发射结正偏 集电结反偏 晶体管处在放大状态 3 偏置电阻RB 用来调节基极偏置电流IB 4 集电极负载电阻RC 将集电极电流iC的变化转换为电压的变化 5 电容Cl C2 用来传递交流信号 起到耦合的作用 同时 又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离 起隔直作用 隔直通交的作用 基本共发射极放大电路 二 电路的分析放大电路的工作原理 分为静态和动态两种工作情况 静态 仅研究直流信号的工作状态 动态 仅研究交流信号的工作状态 uo比ui幅度放大且相位相反 静态是指仅研究直流信号的工作状态 此时要求三个参量 IB IC和UCE 称为静态工作点 1 估算法 直流通路 耦合电容可视为开路 即去掉输入和输出电路后的部分 一 共发射极基本放大电路的静态分析 图解步骤 1 用估算法求出基极电流IBQ 如40 A 2 根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线 3 作直流负载线 根据集电极电流IC与集 射间电压UCE的关系式UCE UCC ICRC可画出一条直线 该直线在纵轴上的截距为UCC RC 在横轴上的截距为UCC 其斜率为 1 RC 只与集电极负载电阻RC有关 称为直流负载线 4 求静态工作点Q 并确定UCEQ ICQ的值 晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB 40 A的输出特性曲线 又要满足直流负载线 因而晶体管必然工作在它们的交点Q 该点就是静态工作点 由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ 2 图解法 IB 40 A的输出特性曲线 由UCE UCC ICRC所决定的直流负载线 两者的交点Q就是静态工作点 过Q点作水平线 在纵轴上的截距即为ICQ 过Q点作垂线 在横轴上的截距即为ICQ 二 共发射极基本放大电路动态工作情况 动态是指仅研究交流信号的工作状态 此时要求的动态参量有 电压放大倍数Au 电路输入电阻Ri 电路输出电阻Ro 交流通路 ui单独作用下的电路 由于电容C1 C2足够大 容抗近似为零 相当于短路 直流电源UCC内阻很小 相当于对地短接 基本共发射极放大电路 基本共发射极交流通路 1 微变等效电路法 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路 就是放大电路的微变等效电路 然后用线性电路的分析方法来分析 这种方法称为微变等效电路分析法 等效的条件是晶体管在小信号 微变量 情况下工作 这样就能在静态工作点附近的小范围内 用直线段近似地代替晶体管的特性曲线 1 基本思路 2 放大电路微变等效电路 共发射极放大电路的电压放大倍数 式中RL RC RL 当RL 开路 时 共发射极放大电路的输入电阻 Ri 输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流 输入电流 的大小 为了减轻信号源的负担 总希望Ri越大越好 另外 较大的输入电阻Ri 也可以降低信号源内阻Rs的影响 使放大电路获得较高的输入电压 在上式中由于RB比rbe大得多 Ri近似等于rbe 在几百欧到几千欧 一般认为是较低的 并不理想 共发射极放大电路的输出电阻 对于负载而言 放大器的输出电阻Ro越小 负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小 表明放大器带负载能力越强 因此总希望Ro越小越好 上式中Ro在几千欧到几十千欧 一般认为是较大的 也不理想 交流负载线的作法 斜率为 1 R L R L RL Rc 经过Q点 IB 交流负载线 直流负载线 u i u R L 2 图解法进行动态波形分析 1 交流负载线 交流通路输出电压为 其中 图解步骤 1 根据静态分析方法 求出静态工作点Q 2 根据ui在输入特性上求uBE和iB 3 作交流负载线 4 由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE 从图解分析过程 可得出如下几个重要结论 1 放大器中的各个量uBE iB iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成 2 由于C2的隔直作用 uCE中的直流分量UCEQ被隔开 放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce 且与输入电压ui反相 3 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出 负载电阻RL越小 交流负载电阻RL 也越小 交流负载线就越陡 使Uom减小 电压放大倍数下降 4 静态工作点Q设置得不合适 会对放大电路的性能造成影响饱和失真与截止失真 饱和失真和截止失真统称为非线性失真 放大电路的非线性失真问题 1 Q 过低引起截止失真 NPN管 uCE顶部失真为截止失真 PNP管 uCE底部失真为截止失真 不发生截止失真的条件 IBQ Ibm iC 注 Ibm是iB的幅值 2 Q 过高引起饱和失真 NPN管 uCE底部失真为饱和失真 PNP管 uCE顶部失真为饱和失真 IBS 基极临界饱和电流 即集电极临界饱和电流对应的基极电流 不发生饱和失真的条件 IBQ Ibm IBS 注 Ibm是iB的幅值 1 温度对工作点的影响 五 实用共发射极放大电路 分压式偏置放大电路 2 工作点稳定的放大电路 分压式偏置电路与基本发射极放大电路在结构上有什么不同 为使工作点不受温度影响 实际应用中常采用分压式偏置放大电路 该电路具有两个特点 一是利用RBl和RB2分压固定基极电位 二是增加了射极电阻RE和旁路电容CE 注 旁路电容的作用 接人发射极电阻RE 一方面发射极电流的直流分量IE通过它能起到自动稳定静态工作点的作用 另一方面发射极电流的交流分量ie也会产生交流压降 使uBE减小 这样就会降低电压放大倍数 因此增加了旁路电容 使交流信号从电容上流过 条件 I2 IB 则 与温度基本无关 调节过程 分压式偏置放大电路 1 静态分析 2 动态分析 直流通路 交流通路 共集电极放大电路的组成 共集电极放大电路如图所示 图中各元件的功能与共射放大电路相同 但是输出是从发射极引出的 而共射放大电路是从集电极引出的 VCC 共集电极放大电路原理图 思考问题 1 它与共射放大电路有什么不同 2 为什么叫共集电极放大电路 第二节共集电极放大电路 从交流通路可以看到 输入信号加在基极 集电极之间 输出信号从发射极 集电极之间取出 即集电极是输入回路和输出回路的公共端 故称该电路为共集电极电路 由于输出信号是从发射极取出的 又叫做 射极输出器 交流通路 二 共集电极放大电路分析 1 静态工作点的计算 直流通路 静态分析的步骤 1 画出直流通路 2 分析基射回路和集射回路 3 不忘基极电流和集电极电流 倍的关系 2 动态分析与计算 动态分析步骤 1 先画出交流通路 有时为了便于分析 还要把电路变形为我们便于分析的方式 2 根据交流通路画微变等效电路 画微变等效电路时需注意的问题 1 交流通路变化成微变等效电路时 BE间为等效电阻rbe CE间为等效恒流源 2 注意电流的方向 三极管工作在放大区 集电极电位和基极电位都高于发射极 求电压放大倍数 求输入电阻 求输出电阻 3 共集电极放大电路的特点 1 电压放大倍数 表示输出电压与输入电压同相位 并且值近似相等 即输出电压跟随输入电压变化 2 输入电阻很大 同时与负载电阻有关 从共集电极放大电路的输入回路可以看到 由于输入电阻Ri很大 它从信号源所取的电流ii就小 即减轻了信号源的负担 输入回路 4 虽然它没有电压放大 却有电流放大能力 其电流放大倍数 所以有功率放大能力 3 输出电阻很小 与信号源内阻有关 从输出回路来看 由于输出电阻Ro很小 那么负载RL分得的电压ui就大 即提高了电路带负载的能力 输出回路 为什么要多级放大 前几节我们主要研究了由一个晶体管组成基本放大电路 它们的电压放大倍数一般只有几十倍 但是在实际应用中 往往需要放大非常微弱的信号 上述的放大倍数是远远不够的 为了获得更高的电压放大倍数 可以把多个基本放大电路连接起来 组成 多级放大电路 第四节多级放大电路 引言 其中每一个基本放大电路叫做一 级 而级与级之间的连接方式则叫做 耦合方式 实际上 单级放大电路中也存在电路与信号源以及与负载之间的耦合问题 但那属于极内耦合 而多级放大电路指的是极间偶合 多级放大电路框图 输入级 一般为差分放大电路 作用是能很好的解决三极管随温度变化静态工作点不稳定的问题 也就是温度漂移问题 中间级 一般为电压放大电路 主要作用是提高信号电压的幅度 例如共发射极分压式偏置电路 输出级 一般为是功率放大电路 作用是向负载提供足够大的功率 要求输出的信号电压和电流的幅度都尽可能大 一 多级放大电路极间耦合形式 直接耦合 电路简单 能放大交 直流信号 Q 互相影响 零点漂移严重 阻容耦合 各级 Q 独立 只放大交流信号信号频率低时耦合电容大 光电耦合 主要用于耦合开关信号 抗干扰能力强 变压器耦合 用于选频放大器 功率放大器等 阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接 其方框图所示 阻容耦合放大电路的方框图 单级阻容耦合放大电路 两极阻容耦合放大电路 1 阻容耦合 1 各级的直流工作点相互独立 由于电容器隔直流而通交流 所以它们的直流通路相互隔离 相互独立的 这样就给设计 调试和分析带来很大方便 2 在传输过程中 交流信号损失少 只要耦合电容选得足够大 则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级 实现逐级放大 优点 3 电路的温漂小 4 体积小 成本低 缺点 2 低频特性差 1 无法集成 3 只能使信号直接通过 而不能改变其参数 阻容耦合放大电路的优缺点 2 变压器耦合 变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧 因此可以作为耦合元件 变压器耦合 优点 1 变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立 互不影响的 因为变压器不能传送直流信号 2 变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象 3 变压器在传送交流信号的同时 可以实现电流 电压以及阻抗变换 缺点 1 高频和低频性能都很差 2 体积大 成本高 无法集成 变压器耦合放大电路的优缺点 3直接耦合 直接耦合和两级放大电路 1 直接耦合的具体形式 1 电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号 由于级间是直接耦合 所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号 2 便于集成 由于电路中只有晶体管和电阻 没有电容器和电感器 因此便于集成 缺点 优点 1 各级的静态工作点不独立 相互影响 会给设计 计算和调试带来不便 2 引入了零点漂移问题 零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重 直接耦合放大电路的优缺点 4光电耦合 光电耦合是两级之间采用光电耦合器件进行连接的耦合方式 光电耦合放大电路 注 光电耦合原理静态时二极管流过的偏置电流IF 当在音频信号Ui的作用下产生的交变电流 叠加在IF上 这个电流称为调制电流 这种变化的电流所产生的光线变化被光电三级管所接收并转换成光电流输出 其中直流分量被电容C2隔离 只有放大后的交流电信号传输出去 光电耦合的缺点是线性度差 输出信号容易失真 只有使光电二极管流过较大的偏置电流 才能保证输出不失真 信号具有单向传输性 实现两部分电路的电气隔离 因能够有效地抑制电气干扰而得到普通的应用 光电耦合的特点 优点 缺点 二 多级放大电路中需要掌握的知识点 1 多级放大电路的电压放大倍数Au 等于各级放大电路电压放大倍数乘积的形式 2 多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻 3 多级放大电路的输出电阻就是第末级的输出电阻 4 多级放大电路提高了电压放大倍数 但是能够放大的信号的频率变窄了 也就是通频带变窄了 理想状态下 输入信号为零 输出信号也应该为零 但是由于受温度等一些原因的影响 静态工作点发生缓慢的微小的变化 然而经逐级放大以后 在输出端就形成一个较大的偏移电压 我们把这种现象称为零点漂移 简称零漂 由于差分放大电路能够很好的解决零漂问题 所以集成运算放大电路中差分放大电路通常作为第一级 因为第一级的零漂限制最重要 第一级零漂不限制住 那么随着级数的增加就会越放越大 引言 直接耦合放大电路中的零点漂移问题 第五节差分放大电路 注 用差分放大电路作为输入级就是为了解决零漂问题 用途 作为直接耦合多级放大电路的输入级 一 基本差分放大电路 1 电路组成 基本差分放大电路 电路对称 从中间分开看 左右两边都是我们熟悉的基本共射放大电路 而且两边电路的元器件参数都相同 严格对称 有两个输入端 输出端是从两边电路集电极引出的输出信号 可见输出的电压是这两端的电位差 由于电路是直接耦合的 所以既可以放大直流信号也可以放大交流信号 差动放大电路组成的特点 共模输入 如果两输入端的信号大小相等 极性相同 即ui1 ui2 则这两个信号称为共模信号 这样的输入方式叫做共模输入 二 几个需要掌握的概念 差模输入 如果两输入端的信号大小相等 极性相反 即ui1 ui2 则这两个信号称为差模信号 这样的输入方式叫做差模输入 ui1和ui2是输入的两个任意信号 比较输入 两个输入信号是任意的 非差模信号也非共模信号 但是我们可以把它分解成差模信号和共模信号的形式 例如 则 差模信号 共模信号 差模信号与共模信号 差模信号 共模信号 差模电压放大 共模电压放大 总输出电压 4 共模抑制比 大小相等 极性相反 大小相等 极性相同 例题 已知差动放大电路ui1 10 02V ui2 9 98V 试求共模和差模输入电压 解 差动放大电路的几种输入 输出方式中 只有输出方式对差模放大倍数和输出电阻有影响 而输入方式对其没有影响 也就是说 不论何种输入方式 只要是双端输出 其差模放大倍数就等于单管放大倍数 但如果是单端输出 差模放大倍数将减少一半 双入双出 双入单出 单入双出 单入单出 三 差分放大电路的四种输入输出方式 第六节功率放大电路 用途 作为直接耦合多级放大电路的输出级 功率放大电路的三种工作状态 甲类功率放大电路静态工作点设置在交流负载线的中点 在工作过程中 晶体管始终处在导通状态 这种电路功率损耗较大 效率较低 最高只能达到50 乙类功率放大电路静态工作点设置在交流负载线的截止点 晶体管仅在输入信号的半个周期导通 这种电路功率损耗减到最少 使效率大大提高 甲乙