第二章放大电路-1..ppt

第二章基本放大电路2.1共射极放大电路2.2共集和共基放大电路2.3场效应管放大电路2.4多级放大电路2.5放大电路的频率响应2.6功率放大电路2.7本章小结,一般得说，信号是信息的载体。例如，声音信号可以传递语言、音乐或其他信息，图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息。声音或图像信号无法直接传递给电子电路系统，需要先用传感器把它转换为电信号，然后送到电子电路系统中去进一步放大处理。,扩音机的原理图,话筒（麦克风）将较小的声音信号转换成微弱的电信号，经放大电路放大后，变成大功率的电信号，推动扬声器（喇叭），还原为强大的声音信号。扬声器所获得的能量远大于话筒送出的能量。可见，放大电路的本质是能量的控制和转换；是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源提供的能量。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。,2.1共射极放大电路一、放大电路的组成和基本概念1.三极管在放大电路中的三种连接方式,图2.1三极管的三种连接方式,2.共射极放大电路的组成,图2.2基本共射极原理性电路,（1）三极管（2）隔直耦合电容C1和C2（3）基极回路电源UBB基极偏置电阻Rb（4）集电极电源UCC（5）集电极负载电阻RC,实际应用中，两个电源不方便、也不经济，通常采用单电源。,图2.3单电源共射极电路,电流的方向：对NPN型三极管基极电流iB、集电极电流iC流入电极为正，发射极电流iE流出电极为正.,电压、电流等符号的规定（1）直流分量：大写字母，大写下标。如IB。（2）交流分量：小写字母，小写下标。如ib（3）瞬时值：小写字母，大写下标。如iB。iBIBib（4）交流有效值：大写字母，小写下标。如Ib（基极交流电流有效值）。（5）交流峰值：有效值符号加小写m下标。如Ibm。,3.放大电路实现信号放大的实质,图2.4放大电路实现信号放大的工作过程,放大器放大的实质是实现小能量对大能量的控制和转换作用。,根据能量守恒定律，在这种能量的控制和转换中，电源UCC为输出信号提供能量。,需要特别注意的是，信号的放大仅对交流量而言。,4.基本放大电路的组成原则实现放大作用，三极管须工作在放大状态。（1）直流偏置正确。外加电源必须保证三极管的发射结正偏，集电结反偏。并提供合适的静态工作点Q（IBQ、ICQ和UCEQ）。（2）交流通路畅通。输入电压ui要能引起三极管的基极电流iB作相应的变化。三极管集电极电流iC的变化要尽可能的转为电压的变化输出。,5.放大电路的主要性能指标（1）放大倍数Au、Ai放大倍数是衡量放大电路对信号放大能力的主要技术参数。电压放大倍数Au放大电路输出电压与输入电压的比值。增益：用分贝（dB）表示电压放大倍数。电压增益=20lg|Au|（dB）电流放大倍数Ai放大电路输出电流与输入电流的比值。,（2）输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻。,图2.5放大电路的输入电阻,对于一定的信号源电路，输入电阻Ri越大，放大电路从信号源得到的输入电压ui就越大，放大电路向信号源索取电流的能力也就越小。,uS：信号源电压RS：信号源内阻,（3）输出电阻Ro从放大电路输出端向左看，相当于存在内阻Ro。,图2.6放大电路的输出电阻,输出电阻Ro的大小决定了放大电路的带负载能力。Ro越小，放大电路的带负载能力越强，即放大电路的输出电压uo受负载的影响越小。,Ro计算方法：,图2.7方法二输出电阻的求解电路,Uo：负载开路时的输出电压,一般用于实验中定量测量Ro。,方法一,方法二,令负载开路（RL），信号源短路（us0），输出端加测试电压UT，产生相应的电流IT。,二、放大电路的分析方法静态：没有输入信号（ui0）时工作状态。静态分析：确定电路的静态工作点Q的值，判定Q点是否处于合适的位置三极管不失真放大的前提条件。动态：有信号输入后的工作状态。动态分析：确定微弱信号经过电路放大了多少倍（Au）。放大器对交流信号所呈现的输入电阻（Ri），输出电阻（Ro）等。,1.静态工作情况分析（1）静态工作点静态时，直流电源Ucc为三极管提供的各电极直流电流和电压在三极管输入、输出特性曲线上确定的一个点。（IBQ，ICQ，UBEQ，UCEQ）,图2.8静态工作点Q,（2）直流通路直流通路：是指静态（ui=0）时，电路中只有直流量流过的通路。画直流通路有两个要点：电容视为开路电感视为短路,图2.9共射电路,图2.10共射电路的直流通路,（3）Q点的估算公式法UBEQNPN型硅管：取0.7V；锗管：取0.2V。,图2.10共射电路的直流通路,图解法a）画直流负载线：b）确定基极电流：UCCUBEQ时c）静态工作点的确定从图中得到：,图2.11图解法确定Q点,当UCE0时，ICUCC/RC当IC0时，UCEUCC,直流负载线斜率1/RC,2.动态工作情况分析（1）交流通路（ui0）耦合电容视为短路。直流电压源（内阻很小，忽略不计）视为短路。,图2.12共射极电路的交流通路,图2.9共射电路,（2）交流负载线uo=uCE=-iC（RC/RL）=-iCRL其中，RL=RC/RL称为交流负载电阻，负号表示电流ic和电压uo的方向相反。,交流负载线由交流通路获得，且过Q点，因此交流负载线是动态工作点移动的轨迹。,图2.16交流负载线,交流变化量在变化过程中一定要经过零点，此时ui=0，与静点Q相符合。所以Q点也是动态过程中的一个点。交流负载线和直流负载线在Q点相交。,（3）放大电路的动态工作范围,图2.17动态工作情况,（4）非线性失真所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形不一致。三极管是一个非线性器件，有截止区、放大区、饱和区三个工作区，如果信号在放大的过程中，放大器的工作范围超出了特性曲线的线性放大区域，进入了截止区或饱和区，集电极电流ic与基极电流ib不再成线性比例的关系，则会导致输出信号出现非线性失真。非线性失真分为截止失真和饱和失真两种。,截止失真当放大电路的静态工作点Q选取比较低时，IBQ较小，输入信号的负半周进入截止区而造成的失真称为截止失真。,图2.18截止失真,消除截止失真办法：增大IBQ值，抬高Q点。（如减小偏置电阻RB值）,饱和失真当放大电路的静态工作点Q选取比较高时，IBQ较大，UCEQ较小，输入信号的正半周进入饱和区而造成的失真称为饱和失真。,图2.19饱和失真,消除饱和失真办法：减小IBQ值，增大UQE值，降低Q点。（如增大偏置电阻RB值）,3.微变等效电路分析法条件：Q点附近，输入为微变信号（小信号）处理：三极管的非线性特性近似看为是线性的，非线性器件三极管转为线性器件进行求解。,（1）三极管的微变等效电路,图2.20三极管的交流输入电阻rbe,输入端：近似满足线性关系,基极与发射极之间用一个交流电阻rbe等效。,输出端：曲线平坦，间隔较均匀。uCE几乎对iC无影响。,图2.21三极管的电流放大系数,集电极与发射极之间用一个受控电流源等效。,结论：当输入为微变信号时，对于交流微变信号，非线性器件三极管可用微变等效电路（线性电路）来代替。这样就把三极管的非线性问题转化为线性问题。,图2.22三极管的微变等效电路模型,交流输入电阻rbe有关微变等效电路的几点说明基极与发射极之间用一个交流电阻rbe等效；集电极与发射极间用一个受控电流源ib代替。等效电路成立前提条件：微变信号（小信号）。受控电流源不能独立存在，方向不能随意假定。电压、电流量都是交流信号，电路中无直流量。不能用等效电路求解静态工作点Q的值。,（2）用微变等效电路分析法分析共射放大电路求解步骤画直流（通路），求Q点。公式法估算Q点值。由Q点，定参量。计算Q点处的参数rbe值。由交流，画微变。由交流通路，画出放大电路的微变等效电路。由微变，求指标。根据等效电路直接列方程求解Au、Ri、Ro。注意：NPN和PNP型三极管的微变等效电路一样。,找Q点定参量画模型求指标,找Q点：定参量：,直流通路,画模型：,交流通路,uS为外接的信号源RS是信号源内阻,图2.23共射放大电路的微变等效电路,求指标：a）电压放大倍数Aub）输入电阻RiRi=Rbrbe一般基极偏置电阻Rbrbe，Rirbe。,负号表示输出电压uo与输入电压ui反相位。,c）输出电阻RoRoRc输出电阻Ro越小，放大电路的带负载能力越强。输出电阻Ro中不应包含负载电阻RL。d）输出电压uo对信号源电压uS的放大倍数AuS由于信号源内阻的存在，AuSAu，电路的输入电阻越大，输入电压ui越接近uS。,实际应用中，常把两种分析方法结合起来使用。,4.两种分析方法特点比较,三、工作点稳定电路1.温度变化对Q点的影响影响Q点的因素：电源波动、偏置电阻的变化、管子的更换、元件的老化等等，最主要的影响是环境温度的变化。三极管是一个对温度非常敏感的器件，随温度的变化，三极管参数会受到影响：1）温度升高，三极管的反向电流增大2）温度升高，三极管的电流放大系数增大3）温度升高，相同基极电流IB下，UBE减小，三极管的输入特性具有负的温度特性。温度每升高1，UBE大约减小2.2mV,2.工作点稳定电路的组成及稳定Q点的原理工作点稳定电路的组成,图2.24分压偏置式的工作点稳定电路,Rb1：上偏置电阻组成分压Rb2：下偏置电阻电路RE：发射极电阻直流电流负反馈CE：射极旁路电容通直流隔交流交流分量时将RE短路,稳定Q点原理一般取IBQ2UCC的管子；（3）通过晶体管的最大集电极电流约为UCC/RL，所选晶体管的ICMUCC/RL。,三、OCL甲乙类互补对称功率放大电路,图2.58互补对称功率放大电路的交越失真,1.在输入电压较小时，存在一小段死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生了失真。由于这种失真出现在通过零值处，故称为交越失真。,2.解决方案为减小交越失真，改善输出波形，通常设法使晶体管在静态时有一个较小的基极电流，以避免当ui幅度较小时两个晶体管同时截止。此时每管的导通时间略大于半个周期，而小于一个周期。为避免降低效率，通常使静态时集电极电流很小，即静态工作点Q的位置很低，与乙类相近，可采用OCL乙类互补对称功放电路计算公式估算。,图2.59典型OCL甲乙类互补对称功放电路,二、OTL甲乙类互补对称功率放大电路OTL功放的工作原理与OCL功放相同。用UCC/2取代OCL功放有关公式中的UCC，就可以估算OTL功放的各类指标。,图2.60典型OTL甲乙类互补对称功率放大电路,2.7本章小结1、放大的本质是能量的控制和转换，即用比较小的输入信号去控制直流电源，使负载从直流电源中获得比信号源能量大得多的能量。负载上信号变化的规律由输入信号决定，负载上得到的能量由直流电源提供。放大电路实质是在放大器件的控制之下把直流电能转换成交流电能输出。2、放大电路组成原则：保证信号能送进来，在电路中能够放大，信号能送出去，且保证信号基本上不失真。故放大电路正常放大的前提条件是：外加电源电压的极性要保证发射极正偏，集电极反偏，且有一个合适的静态工作点Q。,3、正常工作时，放大电路处在交直流共存的状态。三极管各电极的电压和电流瞬时值是在静态值的基础上叠加交流分量，但瞬时值的极性和方向始终不变。分析时可将交流和直流分开讨论。4、基本放大电路的分析方法有两种。一是图解法，可以直观、形象地了解放大电路的工作过程，能分析静态，也能分析动态，主要用来分析Q点位置是否合适；非线性失真（截止或饱和失真）；最大不失真输出电压等。二是微变等效电路法，用以分析求解动态参数电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。5、为了保持静态工作点的稳定，常采用分压偏置式工作点稳定电路。,6、三种基本组态的放大电路：共射放大电路既有电压放大作用又有电流放大作用，适用于一般放大。共集放大电路输入电阻大，输出电阻小，电压放大倍数接近1，带负载能力强，常用作输入级、缓冲级、输出级。共基放大电路频带宽，频率特性好，适用于放大高频信号。7、场效应管放大电路的偏置电路与三极管放大电路不同，主要有自偏压式和分压式两种。其放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅电路，分别对应与晶体管放大电路的共射、共集和共基，与晶体管电路比较，场效应管放大电路，常用共源、共漏极电路，输入电阻高，噪声低，电压放大倍数小，适用于做电压放大的输入级。,8、常见的多级放大电路的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，输出电阻就是最后一级放大电路的输出