《放大电路基础》PPT课件.ppt

第7章放大电路基础 7 1晶体管 7 2基本放大电路 7 3放大电路的微变等效分析方法 7 4多级电压放大器 7 5功率放大器 7 6放大电路中的负反馈 7 7射极输出器 工作频率的高 低 功率 大 中 小 材料 硅 锗 7 1半导体三极管BJT 半导体三极管 也叫晶体三极管 工作时 多数载流子和少数载流子都参与导电 还被称为双极型晶体管 BipolarJunctionTransistor 简称BJT 一 三极管的分类 特殊用途 光敏 磁敏 结构 NPN型和PNP型 二 三极管的结构 三极管制造工艺特点 发射区掺杂重 杂质浓度高 集电区面积最大 掺杂轻 杂质浓度较低 基区很薄 且杂质浓度低 这种内部结构可以保证晶体管具有电流放大作用 在使用时 发射极和集电极一般不能互换 IB有微小变化时 IC即有较大变化 二 BJT的电流分配与放大作用 以NPN管为例 三极管工作的外部条件 放大工作状态 发射结正偏 集电结反偏 三极管具有电流放大作用 电流控制电流源 电流控制系数 电流放大倍数 用EBW演示 三 BJT的特性曲线 硅 NPN 共发射极接法 一 输入特性曲线 死区电压 硅0 5V 锗0 1V IB与UBE间的关系曲线 为确保三极管工作在放大状态 UCE 1V 导通后特性很陡 硅 0 7V锗 0 3V 必须 UCE 1V 集电结反偏 导通电压基本是定值 共发射极接法 二 输出特性曲线 IB为定值时 UCE和IC间的关系曲线 1 截止区 2 放大区 3 饱和区 IB 0以下区域 截止区 IC 0 特性的 平坦 区域 IC基本与UCE无关 IC只受控于IB UCE 1以左区域 IB失去对IC的控制 IC随UCE增大而增大 放大区 0 5 1000 10 50 饱和区 四 三极管的主要参数及其温度影响 一 三极管的主要参数 电流放大系数 最大允许电流ICM 极间反向电流 ICBO 指发射极开路时 集电极 基极间的反向饱和电流 ICEO 指基极开路时 集电极 发射极之间的穿透电流 开路 开路 IC超过某一数值ICM后 值将明显下降 四 三极管的主要参数及其温度影响 一 三极管的主要参数 反向击穿电压 集电极最大允许耗散功率PCM PCM与三极管的工作温度和散热条件有关 三极管不能超温使用 在使用中集电极的平均功耗不得超过PCM 集电极开路时 发射结的反向击穿电压U BR EBO 发射极开路时 集电结的反向击穿电压U BR CBO 基极开路时 集一射极之间的反向击穿电压U BR CEO PC ICUCE PCM 一 放大电路的概念 放大功能 通过电能转换把微弱的电信号增强到所要求的电压 电流或功率值 放大电路概述 1 放大倍数 增益 表示放大器的放大能力 1 电压放大倍数定义为 AU uo ui 2 电流放大倍数定义为 AI io ii 二 放大电路的主要性能指标 2 输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 Ri ui ii 一般来说 Ri越大越好 1 Ri越大 ii就越小 从信号源索取的电流越小 2 当信号源有内阻时 Ri越大 ui就越接近uS 3 输出电阻Ro 输出电阻是表明放大电路带负载能力的 Ro越小 放大电路带负载的能力越强 反之则差 从放大电路输出端看进去的等效电阻 戴维南定理 5 最大输出幅度UOM 或IOM 输出波形没有明显失真情况下 放大电路能提供给负载的最大输出电压 或电流 4 最大输出功率POM 在输出信号基本不失真的情况下能输出的最大功率 一 电路构成及各元件的作用 8 2基本放大电路的工作原理 一 放大电路的构成 T 放大电路中的核心元件 Ucc 直流电源 提供能源 主要是将集电极电流的变化转换成电压的变化 二 放大电路中各元件的作用 RB 基极偏置电阻 它的作用是向三极管的基极提供合适的偏置电流 并使发射结获得必须的正向偏置电压 Rc 集电极负载电阻 C1和C2 耦合电容 一般用电解电容 连接时电容的正极接高电位 负极接低电位 C1 将交流信号耦合到放大器 C2 放大的交流信号耦合到负载 共射极放大电路 静态 无信号输入时 电路中只存在直流电流和直流电压 二 放大电路中电流 电压的符号及波形 一 电路中电流 电压的符号规定 二 电路中电流 电压的波形 静态工作点 直流负载线 3 若参数选择恰当 将有uo幅值 ui幅值 即放大作用 动画演示 1 放大电路工作在动态时 电流 电压既有直流分量也有交流分量 由以上分析可知 2 在共发射极电路中 输入信号电压ui 基极信号电流ib和集电极信号电流ic相位相同 而输出电压uo与输入信号ui相位相反 这在放大电路中称之为 反相 二 交流通路 放大电路中交流电流通过的路径 容抗小的电容 内阻小的直流电源 视为短路 三 放大电路中的直流通路与交流通路 一 直流通路 放大电路中直流分量通过的路径 画直流通路时 电容视为开路 电感视为短路 其他不变 直流通路 交流通路 IBQ UCC RC 直流通路 UBEQ UCC UCEQ IBQ ICQ 图解分析法 一 静态工作情况分析 Q Q 直流负载线 UBEQ 0 7V Si管 静态工作点的估算 静态工作点 直流负载线 静态工作点 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IBQ和ICQ的数量级 求 IBQ ICQ UCEQ 二 动态工作情况分析 动态 放大电路有输入信号时的工作状态 一 不带负载时的动态分析 IBQ UBEQ IBQ ICQ Q UCEQ 二 带负载时的动态分析 输出端接入负载RL 不影响静态 影响动态 交流负载线 RL RC RL UCEQ ICQRL 交流负载线 比直流负载线 陡 同样的iC uCE减小 直流负载线 斜率为1 RL 演示 三 静态工作点与波形失真的关系 IBQ UBEQ IBQ ICQ UCEQ 饱和失真 饱和失真 静态工作点太高 IBQ ICQ太大 使三极管 进入 饱和区 输出波形失真 饱和失真 饱和区 三 静态工作点与波形失真的关系 IBQ UBEQ IBQ ICQ UCEQ 截止失真 截止失真 静态工作点太高 IBQ ICQ太小 使三极管 进入 截止区 输出波形失真 截止失真 截止区 截止失真 截止失真 不象饱和失真那样明显 这是因为输入特性曲线是 逐渐 弯曲的 截止失真和饱和失真统称 非线性失真 四 电路参数对静态工作点的影响 一 Rb的影响 改变IBQ 二 Rc的影响 改变直流负载线的斜率 UCC RC 四 电路参数对静态工作点的影响 一 Rb的影响 改变IBQ 二 Rc的影响 改变直流负载线的斜率 三 UCC的影响 直流负载线平移 UCC RC UCC IEQ mA rbe 一 静态工作点的估算 二 微变等效电路与动态分析 一 三极管的简化微变等效电路 8 3微变等效电路分析法 1 三极管输入回路等效电路 微变 在工作点附近 信号变化很小 基本上可以看作 是线性的 2 三极管输出回路的等效电路 在工作点附近 IC基本与UCE无关 只受IB控制 电流控制电流源 微变等效模型 二 动态分析 1 共射放大电路的简化微变等效电路 在交流通道的基础上将三极管的符号换成三极管的微变微变等效电路即可 2 电压放大倍数的计算 负载电阻越小 放大倍数越小 RL RC RL 负载电阻开路 放大器空载 时 Ri 3 输入电阻的计算 输入电阻越大 从信号源取的电流越小 一般希望较大的输入电阻 4 输出电阻的计算 Ro 输出电阻的就是 戴维南定理 中的等效电阻 令ui 0 则ib 0 ic 0 注意 输出电阻不包括 Ri Ro 静态工作点 温度 IC 二 静态工作点稳定电路 1 温度变化对静态工作点的影响 输入特性左移 IBQ ICEO 因为 是 固定 的 这个电路称为固定偏置放大电路 2 分压式偏置稳定电路 RC 一 电路的工作原理 因为IBQ很小 所以 当UB UBEQ时 可见IC与三极管的参数 无关 也就与温度无关 稳定了静态工作点 对于硅管 I1 5 10 IBQUBQ 3 5 V 对于锗管 I1 10 20 IBQUBQ 1 3 V 二 静态工作点的近似估算 电容开路 画出直流通道 RC 无意义 它随温度变化而变化 RC 三 电压放大倍数的估算 微变等效电路 由于接入了Re 静态工作点稳定了 但放大倍数 绝对值 减小了 四 输入电阻和输出电阻的估算 输入电阻 输出电阻 输出电阻的就是 戴维南定理 中的等效电阻 令ui 0 则ib 0 ic 0 X RC 电路中接入发射极旁路电容Ce 微变等效电路 输入电阻 输出电阻 电压放大倍数 电路中接入发射极旁路电容Ce 不影响静态工作点的稳定 演示 7 4多级放大电路 一 放大电路的耦合方式1 多级放大电路的组成 前置级 功放级 放大器的输入信号太小 一级放大能力太小 多级放大电路各级间的连接方式称为耦合 耦合方式可分为阻容耦合 直接耦合和变压器耦合等 2 阻容耦合 阻容耦合放大电路 阻容耦合不适合于传递变化缓慢的信号 更不能传递直流信号 直接耦合放大电路 3 直接耦合 可以放大和传递交流信号 也可以放大和传递变化缓慢的信号或者是直流信号 且便于集成 各级静态工作点互相制约 互相影响 零点漂移 输入信号为零时 输出电压偏离零点 零点漂移严重时 有用信号完全被漂移电压淹没 使放大器无法正常工作 产生原因 晶体管参数随温度变化 电源电压波动等 直接耦合放大电路中 抑制零点漂移最有效的方法 采用差动式放大电路 直接耦合放大电路的特殊问题 零点漂移 4 变压器耦合 变压器耦合放大电路 输入电阻 输出电阻 一 输入电阻和输出电阻 二 多级放大电路的分析方法 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗 后级的输入阻抗是前级的负载 注意 在算前级放大倍数时 要把后级的输入阻抗作为前级的负载 比较方便 二 电压放大倍数 增益的单位常用 分贝 dB 功率增益 电压增益 电流增益 增益采用分贝表示的最大优点在于它可以将多级放大电路放大倍数的相乘关系转化为对数的相加关系 这样计算和使用都很方便 例 已知两管的 50 UBE 0 6V 试求输入电阻Ri及输出电阻Ro 试估算电路的静态工作点 画出电路的微变等效电路 试求各级电压放大倍数Au1 Au2及总的电压放大倍数Au 解 UCEQ2 UCC IEQ2Re2 12 2 4 2 4 6 24V IEQ2 1 IBQ2 51 47 2 4mA 微变等效电路 Au1 Au2及Au Ri Ro 7 5 1功率放大电路概述 7 5功率放大电路 能够向负载提供足够大的信号功率的放大电路称为功率放大电路或功率放大器 一 功率放大器的特点 一个放大器常常由电压放大器和功率放大器组成 1 输出功率大在规定的非线性失真范围内 能向负载提供尽可能大的输出信号功率 2 非线性失真小由于功率放大电路工作于大信号状态 其非线性失真要比工作于小信号下的电压放大器严重得多 所以功率放大器要考虑使非线性失真限制在负载所容许的范围内 3 效率高功率转换效率是指负载得到的有用信号功率PO与电源提供的直流电源功率PS之比 4 功放管散热和保护问题 功放效率的高低是功率放大电路中一个不容忽视的问题 效率低 不仅意味着能量的浪费 更为严重的是 将导致器件工作温度的增加 引起电路工作的稳定性变差 2 功率放大器的分类 功率放大器可分为甲类 乙类和互补对称的甲乙类功率放大电路3种 甲类 将静态工作点设在负载线的中点 缺点 静态电流IC大 因而消耗的功率大 效率低 效率最高不超过50 一般为30 乙类 将静态工作点设在IC 0处放大 缺点 静态功耗降止最小值 效率最高达78 5 一般达70 非线性失真严重 甲乙类 使用两个不同类型的晶体管轮流工作 一个工作在信号的正半周 另一个工作在信号的负半周 并在输出端得到一个完整的正弦波输出电压 二 OCL电路 无输出电容直接耦合的功放电路 一 电路组成 二 分析计算 互补输出 NPN PNP VT1 VT2均工作在射极输出器状态 ui正半周 VT1导通 ui负半周 VT2导通 1 输出功率 可获得最大的输出功率 当 3 集电极的耗散功率 管耗 PT 2 电源供给功率 最大平均 PE 设输入信号的为正弦波 角频率为 三极管的集电极平均电流 最大集电极的耗散功率PTM 令PT的一阶导数 0 PT的最大值为 3 集电极的耗散功率 管耗 PT 2 电源供给功率 最大平均 PE 最大集电极的耗散功率PTM 三极管的选择 4 效率 1 输出功率PO 当输入信号ui的绝对值小低于0 7V时 VT1和VT2都截止 iC1和iC2基本为零 负载RL上无电流通过 这种现象称为交越失真 交越失真 单电源供电 容量较大的输出耦合电容C 三 OTL电路 无输出变压器的互补对称功率放大电路 电容上电压 C容量很大 其电压基本保持不变 静态时 电容器C起负电源的作用 R4 VD1 VD2用来使三极管VT2 VT3建立一个偏置电压 以减小交越失真 前置放大级由Rb1 Rb2 VT1和R3等组成 Rb1 稳定静态工作点 OTL电路中每个管子的工作电压不是UCC 而是UCC 2 输出电压最大值只能达到约UCC 2 OCL电路中每个管子的工作电压是UCC 四 BTL电路 优点 用两组对称互补电路组成 H 型电路 或桥式功放 双电源供电时 输出功率是OCL的4倍 OCL的16倍 单电源供电时 输出功率与OCL相同 是OCL的4倍 并避免了电容对信号频率特性的影响 可使用单电源 也可以使用双电源 电源利用率 幅值 时间 高 OCL电路电源利用率 在时间上 只有50 在幅度上是100 OTL电路电源利用率 在时间上 只有50 在幅度上也是50 一 放大电路中的干扰及其抑制方法 二 功率管的并联和散热问题 功率管的并联应用 输出功率加倍 散热 加装铝散热片 3 4放大电路工程应用技术 一 反馈的基本概念 反馈 输出电压或电流 一部分或全部 通过一定的电路 反馈网络 引回到输入 7 6放大电路中的负反馈 Xi Xo Xd Xf 二 反馈的分类 一 正反馈与负反馈 负反馈 反馈信号原输入信号的作用相反 正反馈 反馈信号原输入信号的作用相同 直流反馈 反馈有直流量分量 二 直流反馈与交流反馈 交流反馈 反馈有交流量分量 三 电压反馈和电流反馈 电压反馈 反馈信号取自输出电压 即反馈信号与输出电压成正比 电流反馈 反馈信号取自输出电流 即反馈信号与输出电流成正比 四 串联反馈和并联反馈 并联反馈 反馈信号与原输入信号以电流形式相叠加 即二者并联 串联反馈 反馈信号与原输入信号以电压形式相叠加 即二者串联 负反馈放大器的四种类型 组态 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 一 方框图 开环增益 反馈系数 闭环增益 输出信号 输入信号 反馈信号 净输入信号 三 反馈的一般表示法 二 反馈的基本关系式 负反馈对放大电路性能的影响 一 增益降低 只讨论中频区 物理意义 负反馈并不改变基本放大器的增益 只是减小了净输入 从而使输出减小 最终使闭环增益减小 演示 二 提高增益的稳定性 对变量A求导数 两边同除以Af 负反馈 AF 所以 闭环增益的相对变化量 比开环相对变化量小 即增益的稳定性提高了 三 减小非线性失真 演示 输出信号产生非线性失真 无负反馈 有负反馈时 物理意义 负反馈产生了 予失真 信号 负反馈并不能克服基本放大器的非线性失真 歪打正着 不同点 负反馈只能改善由放大电路本身所引起的非线性失真 对于输入信号中已存在的由其它原因引起的非线性失真 负反馈不能改善 同理 负反馈对于在反馈环内的干扰和噪声有抑制能力 但对输入信号中的干扰和噪声无能为力 只能减小 不能消除 四 展宽频带 有负反馈时放大器的通频带 fbwf fHf