第五章--基本放大电路资料.ppt

第五章基本放大电路,5.1放大器的组成原理和直流偏置电路5.2放大器图解分析方法5.3放大器的交流等效电路分析方法5.4共集电极放大器和共基极放大器5.5场效应管放大器5.6放大器的级联,主要介绍以下内容：,5.1组成原理和直流偏置电路,基本放大器是指由一个晶体管构成的单级放大电路。,晶体管的一个基本应用就是构成放大器。所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。其实质是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。,根据输入、输出回路公共端所接的电极不同，分为共射极、共集电极和共基极放大电路。,一、基本放大器的组成原理,共射极放大器的原理电路,电容：隔直流通交流，使放大器的直流偏置与信号源和负载相互隔离。,放大器的组成三原则:,1、合适的静态工作点：减小直流功耗，ICQ应较小。2、输入信号必须加在be回路：uBE对iC灵敏控制作用，只有将信号加在发射结，才能得到有效放大。3、合理通畅的直流和交流信号通路：一是保证稳定Q点，二是尽可能减少信号损耗。,二、直流偏置电路,作用：在信号的变化范围内，晶体管处于正常放大状态。偏置电路提供一个适合的静态工作点Q。,1、偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定，集电极位于输出回路，故要求ICQ和UCEQ稳定。2、对直流和信号的传输损耗应尽可能小。3、电路形式要简单。如采用单电源，尽可能少用电阻等。,对偏置电路的要求是：,1、固定偏流电路,合理选择RB，RC的阻值，获得适当的Q点。,UCC通过RB使e结正偏。,特点：电路简单，点的稳定性差。当温度变化或更换管子时，外电路固定IBQ，、ICBO的变化集中到ICQ和UCEQ上，Q点产生较大漂移，甚至进入饱和或截止区。,调节原理,2、电流负反馈型偏置电路,IB的相反变化自动抑制IC的变化。,工作点的计算：,RE越大，调节作用越强，Q点越稳定。RE过大时，因UCEQ过小会使Q点靠近饱和区。,3、分压式偏置电路：电流负反馈型偏置电路的改进电路,RB1、RB2固定UB。,特点：I1IBQ，即RB1、RB2的取值愈小愈好。RB1、RB2过小，增大电源UCC的损耗。,兼顾RE和UCEQ有：,I1,一般：,ICQUEUBEIBQICQ,电路分析：,UCC,RB=RB1RB2UBB=UCCRB2/(RB1+RB2),工作点的计算：,RB1、RB2取值不大时，ICQ：,在基极端用戴维南定理等效电路,例5.1.1电路如图所示。已知=100，UCC=12V，RB1=39k，RB2=25k，RC=RE=2k，计算工作点ICQ和UCEQ。,UCC,解：,若按估算法直接求ICQ，有：,两者方法误差很小。故在分析中可按估算法来求工作点。,在集成电路中广泛采用电流源作偏置，直接设定ICQ。,单电源下共射极放大电路如图：,射极为电路参考点。,三、直流通路和交流通路,基本放大电路为交直流混合电路，故定量分析有二：,1、直流(静态)工作点：各极直流电流和极间直流电压。2、交流(动态)性能：在输入信号作用下，确定工作点处各极电流和极间电压的变化量，放大器的交流指标。,对应放大电路的两种通路：直流通路和交流通路。,直流通路：电容开路，电感短路，保留直流电源。,交流通路：根据信号频率不同，电抗极小的大电容、小电感短路，电抗极大的小电容、大电感开路，电抗不容忽略的电容、电感保留，直流电源对地短路(其内阻很小)。,直流通路：耦合电容C1,C2开路,图示共射放大器,交流通路：耦合电容C1,C2短路UCC对地短路,5.2放大器图解分析法,图解法：在晶体管特性曲线上，用作图的方法确定及其信号作用下的相对变化量。,形象直观粗略。,等效电路法：利用器件模型进行电路分析的方法。,运算简便误差小,本节以共射极放大电路为例，介绍图解法。,一、直流图解法,直流图解：在晶体管特性曲线上，用作图方法确定直流工作点，求出IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。,直流负载线与晶体管输出特性曲线相交于Q点(UCEQ,ICQ),IBQ、UBEQ在输入特性曲线上求解，一般取UBEQ=0.7V（Si管）或0.3V（Ge管）。,信号输入端：IBQ、UBEQ信号输出端：ICQ、UCEQ,共射极放大电路的交流直流通路如图：,Q点满足：,特性曲线方程,直流负载线方程,二、交流图解分析,交流图解：确定放大管各级电流和极间电压的变化量。,输入双极性信号引起iB在IBQ周围的波动变化，在一个周期内Q点沿交流负载线围绕静态工作点波动，引起iC和uCE分别围绕ICQ和UCEQ作相应的波动。,根据输入特性曲线，可以绘出iB和uBE的变化。,根据交流负载线和输出特性曲线，绘出iC和uCE的变化。,输出集电极回路交流负载特性：,(2)各极电流、电压的瞬时波形中，只有交流分量才能反映输入信号的变化，因此，需要放大器输出的是交流量。,(3)输出与输入的变化规律正好相反，称这种波形关系为反相。,观察波形，有以下几点结论：,(1)输入交变电压时，各极电流方向和极间电压极性始终不变，围绕各自的静态值，按输入信号规律近似呈线性变化。,截止失真Q点设置过低，集电极电流过小，引起iB,iC和uCE的失真。,饱和失真Q点设置过高，集电极电流过大，引起iC和uCE的波形失真。,三、放大器非线性失真,放大器输出动态范围：不失真输出电压的最大值Uom,二者取小为Uom,输出动态范围Uopp：Uopp=2Uom。Q点位于交流负载线中心，Uopp最大。,5.3放大器的交流等效电路分析法,交流(或动态)分析：,确定Q点处由输入信号的变化引起各极电压和电流的偏移量，并分析变化量间的大小及相互关系。,小信号下，在不大的变化范围内，Q点处可用直流关系来近似伏安特性曲线，从而将晶体管简化为线性有源器件，得到Q点处的交流小信号等效线性电路。,一、晶体管交流小信号电路模型,共发射极晶体管,rbe：ube对ib的控制,gmube：ube对ic控制作用,交流结电阻rbe：ube控制iB的作用，为Q点处uBE对iB的导数。,发射结交流电阻,ube对ic的控制：c，e极间的电压控制电流源来等效，即：,ic=gmube,gm称为正向传输电导，简称跨导，表征ube对ic的控制能力。,共射极交流电流放大系数,根据以上分析，可得晶体管的共射极交流等效电路模型为,rce：集电极输出电阻rbc：集电极反向传输电阻,uce的变化引起iC的相应变化，用交流电阻rce等效。即：,特性曲线在工作点处切线斜率的倒数,uce引起的ib变化用交流电阻rbc等效，其值为,厄尔利UA：特性曲线左延长相交于一点A，A相对原点的折合电压，表示基区调宽效应的强弱。UA越大，调宽效应越弱。,其值很大一般忽略,晶体管的寄生效应分析,晶体管体电阻：,rbb、rcc、ree,基区很薄，rbb阻值较大，高频管为几十欧姆，低频管为几百欧姆,rcc和ree很小，可以忽略不计,Cbc为集电结电容，由于反偏，故主要为势垒电容。,Cbe为发射结电容，由于正偏，故主要为扩散电容。,二、共射极放大器的交流等效电路,交流模型分析放大器的步骤：,第一步，根据直流通路估算直流工作点；,第二步，确定放大器交流通路，用晶体管交流模型替换晶体管得出放大器的交流等效电路；,第三步，交流等效电路计算放大器的各项交流指标。,射极电容CE的作用，使得在交流下，射极接地。,分析电路的性能指标有：,电压放大倍数Au=Uo/Ui,电流放大倍数Ai=Io/Ii,输入电阻Ri=Ui/Ii,输出电阻Ro=Uo/Io,源电压放大倍数Aus=Uo/Us,CE交流等效电路,1、电压放大倍数Au,讨论：,1）Aurbe,RLrbe时，则有,射极电阻RE折合到基极支路应扩大(1+)倍。,输入电阻：Ri=RB1RB2RI明显增加,输出电阻：Ro=RC,例5.3.1图中RB1=75k，RB2=25k，RC=RL=2k，RE=1k，UCC=12V，晶体管采用3DG6管，=80，rbb=100，Rs=0.6k，求Q点ICQ、UCEQ及Au、Ri、Ro和Aus等指标。,解：按估算法计算Q点,计算交流指标：,例5.3.2上例中，将RE变为两个电阻RE1和RE2串联，且RE1=100,RE2=900，CE接在RE2两端，求交流指标。,解交流等效电路如图：,RE=RE1+RE2，直流通路未变，因而Q点不变。,由于RE1的接入，电压放大倍数Au：808.8，但输入电阻增大，使得Aus（-8.8）与Au（-8）的差异明显减小。,5.4共集电极放大器和共基极放大器,一、共集电极放大器CC,共集电极放大器的性能指标：,电压放大倍数Au电流放大倍数Ai输入电阻Ri输出电阻Ro,1、电压放大倍数Au,b、Au0，Uo与Ui同相，UoUi，故又称为射极跟随器。,讨论：,a、Au恒小于1，但接近1。(1+)RLrbe，Au接近于1，共集电极电路没有电压放大能力。,2、电流放大倍数Ai,忽略RB1、RB2的分流作用，Ib=Ii，则输出电流Io：,CC：有电流放大能力，故有功率放大能力。,3、输入电阻Ri,与CE相比，CC电路的输入电阻更大。,4、输出电阻Ro,当输出端外加电压Uo，而将Us短路并保留内阻Rs有下图：,由于基极电阻的等效使得共集电极输出电阻很小。,结论：共集电极放大器输入电阻大而输出电阻小。,二、共基极放大器CB,1、电压放大倍数Au,与CE的电压放大倍数相同，但为正。Ui与Uo同相。,2、电流放大倍数Ai,由于输入电流IiIe，而输出电流,3、输入电阻Ri,若Ui=0，则Ib=0，Ib=0，显然有,共基极放大器的输入电阻很小。,4、输出电阻Ro,共基极电路具有电压放大能力，故有功率放大能力。,三、三种基本放大器性能比较,CE：具有电压和电流增益，作放大器的主放大级。电压放大时，Ri不够大，Ro不够小；电流放大时，Ri不够小，Ro不够大。,CC：Ri大而Ro小，接近理想电压放大器，Au1，常用于多级放大器的输入或输出级，实现阻抗变换：高阻电压低阻电压源，或将低阻负载高阻负载。,CB：Ri小而Ro大，接近理想电流放大器，Ai1，低阻的输入电流无衰减的变换为高阻电流源，或将高阻负载变换为低阻负载，实现电流的传输和放大。,例5.4.1电路如图，晶体管参数=100,rbe=2k。为满足一下要求，电路接成什么组态？三个端点、如何连接。,1)要求源电压的放大倍数最大，并求AUS=？,2)要求Uo-US？,3)要求UoUS？,4)要求接上RL=1k负载，UoUS，并求输出电阻Ro。,5)要求同时获得一对大小相等极性相反的输出信号。,解：,1）共射组态：接信号，接输出，接地。,共基组态的输入电阻远小于共射组态，因而选择共射组态。,2）射极接电阻的共射组态：接信号，接输出，开路。,射极接电阻，使得共射组态AUS显著减小，Ri增大，AUS-1。,3）共集电极组态：接信号，接地或开路，接负载。,若为共基极组态：接地，接输出，接信号源。,两种接法，均满足UoUS。但共基极接法中，输入电阻为0.02K，实际中必须考虑信号源能否承受如此小的负载。,4）共集电极组态：接信号，接地或开路，接负载。,对开路的射极组态，AUS=1，但Ro很大，RC=2k，接1k负载后其增益仅为（2|1）/2=0.33。,5）应分别接成共集电极和共射极组态：接信号，为反相输出端，为同相输出端。该电路通常称为分离倒相器。,5.5场效应管放大器,一、场效应管偏置电路,JFET与耗尽型MOS管的UGS与UDS的极性必相反，采用自偏压电路。增强型MOSFET，UGS和UDS极性相同且大于开启电压，应采用分压式偏置电路以提高栅极电位。,分压式偏置电路适用于所有的场效应管偏置,场效应管偏置电路的要求：结型场效应管：N-JFET：uGS0P-JFET：uGS0,uDS0,uDS0N沟道耗尽型MOSFET：uGS可正可负且uGSUGSOFF,uDS0P沟道增强型MOSFET：uGS0,uDS0P沟道耗尽型MOSFET：uGS可正可负且uGSUGSOFF,uDS0,1、图解法,栅源回路直流负载线方程为,2、解析法,工作点：电流方程及栅源直流负载线方程组的合理解,JFET场效应管,N沟道增强型,N沟道耗尽型,自偏压栅源负载线,分压式栅源负载线,二、场效应管的低频小信号电路模型,偏置在恒流状态下的共源场效应管如图：,Ugs为交变电压时，栅极电流为零，漏极端产生受控电流gmUgs，故有等效电路,其中gm，为场效应管Q点处的跨导，rds为模拟沟道长度调制效应等效的输出电阻。,rds一般在几十k以上，可忽略。,三、场效应管放大器,1、共源放大器,场效应管放大器有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。,共源放大器电路及其低频小信号等效电路如图,例5.5.1电路如图，已知工作点处的gm=5mA/V，试画出交流等效图，若Rs=1k，计算Au、Ri和Ro，并说明RG3的作用。,解：源极接有电阻RS，交流等效电路如图：,忽略rds的影响，输入电压为：,IG=0，隔离电阻RG3的接入不影响分压式电路所设定的Q工作点。从输出电阻的计算可知，RG3使分压式偏置电路的Ri大为提高，利于电压放大器。,共漏放大器的电路及其相应的等效电路如图：,2、共漏放大器,戴维南定理，可得输出电阻的等效电路如图：,共栅放大器的电路及交流等效电路如图：,3、共栅放大器,5.6放大器的级联,获得较高的放大倍数及合适的输入、输出电阻，将多个基本放大电路级联，组成“多级放大电路”。,一、级间耦合方式,耦合方式：多级放大器各级之间的连接方式,级间耦合的要求：1各级放大器有合适的直流工作点；2前级输出信号尽可能不衰减地加到后级输入。,单级放大电路中存在电路与信号源以及负载之间的耦合。,耦合方式：阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。,阻容耦合：通过电容器将后级电路与前级相连接，如图：,阻容耦合特点：1、各级的Q点相互独立2、电容适当大，低频信号可以实现无衰减的传递，但不宜集成化。3、电路的温漂小,阻容耦合举例：,变压器耦合：变压器通过磁耦合将原边的交流信号传送到副边，可作耦合元件，实现级联。,特点：1、各级Q点相互独立，基本上没有温漂现象。2、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。3、低频应用时变压器体积大，笨重，不利于小型化。但在高频电路中应用广泛。,直接耦合：,前级的输出端直接或通过恒压器件连接到下级的输入端。,特点：可使缓变信号获得逐级的放大，利于集成。特点是电路简单，能放大交、直流信号。,存在问题：1、Q点互相影响，须考虑各级间直流电平的配置问题。2、零点漂移严重。前级电路的温漂会逐级放大，输出端的温漂电压很大，因此采用同种类型的管子，放大器的级数不能太多。,直接耦合中的电平配置实例：,垫高后级的发射极电位,稳压管电平移位,电阻和恒流源电平移位,NPN、PNP级联,二、级联放大器的性能指标计算,分析方法：通过计算每一单级指标来分析多级指标。,在级联放大器中，计算前级输出时，其负载为后级的输入电阻，则该级的输出信号就是后级的输入信号。,一个n级放大器的总电压放大倍数Au为,级联放大器的输入电阻就是第一级的输入电阻Ri1：,级联放大器的输出电阻就是最末级的输出电阻Ron：,例5.6.1图（a）为NPN和PNP管构成的两极直接耦合共射极放大器，其交流通路见图（b）。分析其交流性能指标。,解：,三、组合放大器,根据放大倍数、Ri、Ro及其它性能的要求，三种基本放大电路组合，获得各具特点的组合放大器。,1、共集共射(CCCE)和共射共集(CECC)组合放大器,CC：Ri大，Ro小，作输入级构成CCCE组合，电路的Ri很高，源电压增益近似为后级CE