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1 第5章基本放大电路 5 1电压放大电路 5 6功率放大电路 5 5差动放大电路 5 4多级放大电路 5 2射级输出器 5 3场效应管放大电路 2 本章要求 1 了解放大电路的基本性能指标 了解多级放大的概念2 掌握共射极 共集电极单管放大电路静态工作点的作用和简化微变等效电路的分析方法3 了解基本的互补对称功率放大电路的工作原理4 了解差分放大电路的工作原理 3 放大电路的目的是将微弱的变化信号不失真的放大成较大的信号 这里所讲的主要是电压放大电路 电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示 Au 5 1电压放大电路 ui uo 4 基本电压放大电路 共射极放大电路 共集电极放大电路 5 1 1电路组成和工作原理 共基极放大电路 5 UA大写字母 大写下标 表示直流量或直流分量 uA小写字母 大写下标 表示全量 ua小写字母 小写下标 表示交流分量 uA ua 全量 交流分量 t UA直流分量 1 符号规定 6 2 共射极放大电路组成 放大元件iC iB 工作在放大区 要保证集电结反偏 发射结正偏 输入 输出 参考点 7 作用 提供适当的静态工作点 基极电阻 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 2 共射极放大电路组成 8 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 2 共射极放大电路组成 9 耦合电容 电解电容 有极性 大小为10 F 50 F 作用 隔离直流 使放大电路与信号源以及负载之间的直流通路隔离 交流耦合 沟通放大电路与信号源以及负载之间的交流通路 2 共射极放大电路组成 10 静态 输入端未加输入信号时 放大电路的工作状态 放大电路为直流电路动态 输入端加上输入信号时 放大电路的工作状态 此时放大电路为交 直流混合电路实际工作在动态情况下 注意分析电路中的各电量 电流 电压 为直流电量 交流电量或交直流混合电量 3 共射极放大电路分析 11 放大电路分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 12 12 由于电源的存在IB 0 IC 0 IB IC IE IB IC 13 13 IB IC IC UCE IB UBE 14 14 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点 15 15 IB uCE怎么变化 假设uBE有一微小的变化 毫伏量级 微安量级 毫安量级 UBE IB UCE IC 16 16 17 17 UBE 无输入信号 ui 0 时 uo 0uBE UBEuCE UCE 有输入信号 ui 0 时 uCE UCC iCRC uo 0uBE UBE uiuCE UCE uo 18 实现放大的条件 1 晶体管必须偏置在放大区 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 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流 4 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压 经电容滤波只输出交流信号 19 如何判断一个电路是否能实现放大 3 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 4 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 如果已给定电路的参数 则计算静态工作点来判断 如果未给定电路的参数 则根据电路结构确定 1 信号能否输入到放大电路中 2 信号能否输出 与实现放大的条件相对应 判断的过程如下 20 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号 但是 电容对交 直流的作用不同 如果电容容量足够大 即对交流短路 而对直流可以看成开路 交直流所走的通道是不同的 交流通路 只考虑交流信号的分电路 除去直流源 电容相当于短路直流通路 只考虑直流信号的分电路 除去交流源 电容相当于开路 4 直流通路和交流通路 21 例 对直流信号 只有 UCC 用于静态分析 22 对交流信号 输入信号ui 用于动态分析 23 由于电源的存在IB 0 IC 0 IB IC IE IB IC 5 1 2放大电路的静态分析 24 IB IC IC UCE IB UBE 25 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点 26 1 根据直流通道估算IB RB称为偏置电阻 IB称为偏置电流 一 估算法 27 2 根据直流通路估算IC UCE IC UCE UCE UCC ICRC 28 直流负载线 IC UCE UCE IC满足什么关系 1 三极管的输出特性 2 UCE UCC ICRC 直流负载线 与输出特性的交点就是Q点 IB 二 图解法 29 先估算IB 然后在输出特性曲线上作出直流负载线 与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点 例 用估算法计算静态工作点 已知 UCC 12V RC 4k RB 300k 37 5 解 请注意电路中IB和IC的数量级 31 5 1 3放大电路的动态分析 主要目的 研究放大电路的放大效果主要指标 电压放大倍数Au输入电阻ri输出电阻ro 输入为正弦交流信号时 32 一 微变等效电路法 把三极管线性化 等效为一个线性元件 此时整个放大电路等效为一个线性电路 对其进行分析计算微变等效电路法的条件 在小信号的条件下 且三极管工作在放大区 33 从输入回路看当信号很小时 将输入特性在小范围内近似线性 uBE 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻rbe rbe的量级从几百欧到几千欧 1 三极管的微变等效电路 34 从输出回路看 所以 输出端相当于一个受ib控制的电流源 35 c b e 三极管的微变等效电路 微变等效电路 36 将交流通路中的三极管用微变等效电路代替 2 放大电路的微变等效电路 动画 放大电路的微变等效电路 37 放大电路电压放大倍数的计算 特点 负载电阻越小 放大倍数越小 38 放大电路输入电阻的计算 放大电路对于信号源而言 相当于一个负载 可用电阻等效代替 这个电阻是信号源的负载电阻 也是放大电路的输入电阻ri 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望输入电阻大一些 39 放大电路输出电阻的计算 对于负载RL而言 放大电路相当于信号源 可以将它进行戴维南等效 戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 计算输出电阻的方法 1 所有电源置零 然后计算电阻 对有受控源的电路不适用 2 所有独立电源置零 保留受控源 加压求流法 40 求输出电阻 一般总是希望输出电阻小一些 41 IB 二 图解法 42 各点波形 uC 动画 放大电路的动态波形 43 在放大电路中 输出信号应该成比例地放大输入信号 即线性放大 如果两者不成比例 则输出信号不能反映输入信号的情况 放大电路产生失真 失真 失真 44 线性失真 输入信号过大引起的失真非线性失真 由特性的非线性引起的失真截止失真 由于晶体管有一段时间进入截止状态引起的失真饱和失真 由于晶体管有一段时间进入饱和状态引起的失真 为了得到尽量大的输出信号 要把静态工作点设置在交流负载线的中间部分 如果静态工作点设置不合适 信号进入截止区或饱和区 则造成非线性失真 45 uo 可输出的最大不失真信号 选择静态工作点 失真原因的分析 46 uo 1 Q点过低 信号进入截止区 放大电路产生截止失真 截止失真 47 2 Q点过高 信号进入饱和区 放大电路产生饱和失真 饱和失真 48 1 晶体管必须偏置在放大区 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 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流 4 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压 经电容滤波只输出交流信号 实现放大的条件 49 为了保证放大电路的稳定工作 必须有合适的 稳定的静态工作点 但是 外界条件 如温度 的变化严重影响静态工作点的位置 对于前面的固定偏置电路而言 静态工作点由UBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面 T UBE ICEO Q 5 1 4静态工作点的稳定 50 一 温度对UBE的影响 51 二 温度对 值及ICEO的影响 52 小结 固定偏置电路的Q点是不稳定的 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区 从而导致失真 为此 需要改进偏置电路 当温度升高 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 常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点 53 分压式偏置电路 RE射极直流负反馈电阻 CE交流旁路电容 一 静态分析 54 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 1 静态工作点稳定的原理 55 2 求静态工作点 56 可以认为与温度无关 似乎I2越大越好 但是RB1 RB2太小 将增加损耗 降低输入电阻 因此一般取几十k VB过高必使VE也增高 在UCC一定时 势必使UCE减小 从而减小放大电路输出电压的动态范围 I2 5 10 IB VB 5 10 UBE 2 求静态工作点 例 已知 50 UCC 12V RB1 7 5k RB2 2 5k RC 2k RE 1k 求该电路的静态工作点 二 动态分析 问题 Au和Aus的关系如何 定义 60 5 2射极输出器 共集电极电路 动画 射极输出器 61 5 2 1静态分析 62 5 2 2动态分析 63 64 1 电压放大倍数 65 1 所以 但是 具有一定电流和功率放大作用 2 输入输出电压同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 结论 66 2 输入电阻 输入电阻较大 作为前一级的负载 对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大 3 输出电阻 用加压求流法求输出电阻 68 一般 所以 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 带负载能力强 是指当负载变化时 放大倍数基本不变 例 已知射极输出器的参数如下 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 UCC 12V 求Au ri和ro设 RS 1k 求 Aus ri和ro3 RL 1k 或 时 求Au RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 UCC 12V RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 UCC 12V 1 求Au ri和ro rbe 2 8k RS 0 2 设 RS 1k 求 Aus ri和ro RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 UCC 12V rbe 2 8k RS 1k RL 1k 时 3 RL 1k 和 时 求Au 比较 空载时 Au 0 995RL 5 6k 时 Au 0 990RL 1k 时 Au 0 967 RL 时 射极输出器带负载能力强 74 1 将射极输出器放在电路的初级 可以提高输入电阻 减轻信号源负担 2 将射极输出器放在电路的末级 可以降低输出电阻 提高带负载能力 3 将射极输出器放在电路的两级之间 称为缓冲级或中间隔离级 可以起到电路的匹配作用 射极输出器的应用 1 75 5 3场效应管放大电路 1 电路结构 分压式偏置电路 偏置电阻RG1 RG2 偏置电阻也称分压电阻 与RS配合为放大电路提供合适的静态工作点 源极电阻RS 稳定静态工作点 其阻值约几千欧 栅极电阻RG 构成栅源极间的直流通路 RG阻值过小 将影响放大电路的输入电阻 其阻值约为200k 10M 漏极电阻RD 使放大电路具有电压放大功能 其阻值约为几十千欧 电源UDD 为放大电路提供能量 耦合电容C1 C2 用以隔直和传递信号 其容量一般为0 01 0 047 F左右 77 2 静态分析 78 微变等电路图 电压放大倍数 式中 输出电压 3 动态分析 79 输入电阻 输出电阻 80 耦合方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 5 4多级放大电路 耦合 即信号的传送 多级放大电路对耦合电路要求 1 静态 保证各级Q点设置 2 动态 传送信号 要求 波形不失真 减少压降损失 81 设 1 2 50 rbe1 2 9k rbe2 1 7k 典型电路 求 A ri ro 关键 考虑级间影响 1 静态 Q点同单级 2 动态性能 方法 ri2 RL1 性能分析 考虑级间影响 1 微变等效电路 1 ri R1 rbe1 1 RL1 其中 RL1 RE1 ri2 RE1 R2 R3 rbe2 RE1 rbe2 27 1 7 1 7k ri 1000 2 9 51 1 7 82k 2 ro RC2 10k 3 电压放大倍数 其中 88 多级阻容耦合放大器的特点 由于电容的隔直作用 各级放大器的静态工作点相互独立 分别估算 2 前一级的输出电压是后一级的输入电压 3 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻 4 总电压放大倍数 各级放大倍数的乘积 5 总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1 6 总输出电阻即为最后一级的输出电阻 由上述特点可知 射极输出器接在多级放大电路的初级可提高输入电阻 接在末级可减小输出电阻 接在中间级可起匹配作用 从而改善放大电路的性能 89 5 5差分放大电路 增加R2 RE2 用于设置合适的Q点 问题1 前后级Q点相互影响 直接耦合电路的特殊问题 90 问题2 零点漂移 前一级的温漂将作为后一级的输入信号 使得当ui等于零时 uo不等于零 有时会将信号淹没 91 结构 特点 结构对称 工作情况 ui1 ui2 92 抑制零漂的原理 uo UC1 UC2 0 uo UC1 uC1 UC2 uC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 UCC 93 为了使左右平衡 可设置调零电位器 典型差分放大电路 特点 加入射极电阻RE 加入负电源 UEE 采用正负双电源供电 94 双电源的作用 1 使信号变化幅度加大 2 IB1 IB2由负电源 UEE提供 一 静态分析 温度T IC IE 2IC UE UBE IB IC RE的作用 设ui1 ui2 0 RE具有强负反馈作用 抑制温度漂移 稳定静态工作点 96 二 动态分析 输入信号分类 1 差模输入 ui1 ui2 ud 2 共模输入 ui1 ui2 uC 97 任意输入的信号 ui1 ui2 都可分解成差模分量和共模分量 即 ui1 uC ud ui2 uC ud 例 ui1 20mV ui2 10mV 则 ud 5mV uc 15mV 差模分量 共模分量 3 任意输入 98 差分电路对共模信号无放大作用 差分电路对差模信号有放大作用 共模抑制比 理想状态 共模抑制比反映了差分放大电路抑制共模干扰的能力 其值越大 电路抑制共模信号 零点漂移 的能力越强 99 实际恒流源一般采用晶体管构成 100 恒流源差动放大电路 101 差放的输入输出接法 1 差动输入 双端输出 102 2 差动输入 单端输出 103 3 单端输入 双端输出 此时输入可当作一对比较信号处理 104 1 功放电路中电流 电压要求都比较大 必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM U BR CEO PCM 5 6功率放大电路 5 6 1要求和特点 105 2 电流 电压信号比较大 必须注意防止波形失真 3 电源提供的能量尽可能地转换给负载 以减少晶体管及线路上的损失 即注意提高电路的效率 Pom 负载上得到的交流信号功率 PE 直流电源提供的直流功率 若忽略晶体管的饱和压降和截止区 输出信号uo的峰值最大只能为 uo的取值范围 直流负载线 交流负载线 UCE 0 5USC 静态工作点 放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大 107 如何解决效率低的问题 办法 降低Q点 既降低Q点又不会引起截止失真的办法 采用互补对称射极输出电路 缺点 引起截止失真 动画 放大电路的工作状态 108 OTL OutputTransformerLess OCL OutputCapacitorLes