电路与电子技术第6章概要.ppt

本章要点,放大电路组成及组态放大电路静态分析放大电路动态分析,章节内容,6.1放大的概念6.2基本共射放大电路的分析6.3放大电路静态工作点的稳定6.4放大电路的三种组态及比较6.5多级放大电路,放大是增大信号（电压、电流或者两者同时）的等级。,6.1放大的概念,图6.1放大概念的示意图,放大的前提是不失真，即输出量与输入量始终保持线性关系。,电压放大电路的等效电路,不论放大电路内部采用何种复杂的结构与元件，放大电路可以被看做是信号源和负载之间的接口。电压放大电路的等效电路如图6.2所示。,图6.2电压放大电路等效模型,1放大倍数与输入、输出电阻输出电压,放大电路的功率增益,放大电路的电流放大倍数,电压对电流的放大倍数,电流对电压的放大倍数,因其量纲为电阻，有些文献也称为互阻放大倍数。,有效值,放大电路电压放大倍数,（6.2）,（6.3）,（6.4）,（6.5）,（6.1）,也称为互导放大倍数,输入电阻,输出电阻Ro是从放大电路的输出端看放大电路时的等效电阻，也就是戴维南等效电阻。,（6.6）,理论计算,测定输出电阻的办法是在输入端加正弦波试验信号，测出负载开路时的空载输出电压和接入负载RL时的输出电压,（6.7）,对信号源的电压放大倍数,（6.8）,（6.9）,由,2通频带,通频带：衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。,图6.3放大电路的幅频响应,（6.12）,3非线性失真系数,D=sqrt(A2/A1)2+(A3/A1)2+)（6.13）,4最大不失真输出电压,5最大输出功率与效率,=,直流电源能量的利用率,直流电源功率,本节将以NPN型晶体三极管组成的基本共射放大电路为例，阐明放大电路的组成原则及其动、静态分析。,6.2基本共射放大电路的分析,6.2.1放大电路的基本组成,图6.4基本共发射极放大电路,信号源,输入回路,输出电压,负载电阻,直流电源,基极电阻,集电极电阻,输出回路,发射极为输入输出的公共端，因此称为共发射极放大电路，简称共射放大电路。,6.2.1放大电路的基本组成,图6.4基本共发射极放大电路,直流电源,基极电阻,集电极电阻,T是NPN型三极管，起放大的作用,14,IB,IC,(IC,UCE),(IB,UBE),+,+,放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用同时存在。要使放大电路正常工作，首先要设置合适的静态工作点，通过适当选取VCC、RB和RC的值，保证三极管T工作在放大区。这样，放大电路既能放大，还能保证不失真。,放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui改变三极管的基极电流iB，即控制三极管的集电极电流iC，并依靠RC将电流变化转变成电压变化。因此三极管的放大实际上是根据输入信号，利用三极管的控制作用，把直流电能转化成输出的交流电能。,图解分析法,动态,分析放大电路常用的方法,静态,微变等效电路分析法,图解分析法,估算法,在分析时，可以把直流电源对电路的作用和输入信号对电路的作用分开考虑，分别画出电路的直流通路和交流通路进行独立地分析，并且遵循“先静态、后动态”的原则，先利用直流通路求解静态工作点，再利用交流通路求解动态参数。,6.2.2静态分析,1直流通路,所谓直流通路，是指在直流电源VCC单独作用下直流电流流经的通路，也就是静态电流流经的通路，用于设计和分析静态工作点。,在直流通路中，电容阻止直流通过，相当于开路；电感线圈相当于短路(忽略线圈电阻)；信号源为零，即为短路，但应保留其内阻。对于左图所示的共射放大电路，耦合电容C1、C2开路，信号源短路，其直流通路如右图所示。可以看出，由于C1、C2的“隔直”作用，静态工作点与信号源内阻RS和负载电阻RL无关。,2画图法解静态工作点,当无输入信号，即ui=0时，放大电路处于静态或叫处于直流工作状态，这时常用IBQ、ICQ、表示基极电流、集电极电流和集电极发射极电压。在三极管特性曲线上所确定的点称为静态工作点，习惯上用Q表示。静态工作点既满足三极管的电压与电流的关系，同时也满足电路中的电压与电流的关系。,输入回路,输出回路,UCE=UCC-ICRC,UBE=UCC-IBRB,静态,21,(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,Vcc/RB,Vcc,Vcc/Rc,Vcc,IBQ,3估算法解静态工作点,一般近似认为：UBEQ=0.7V（硅管）或UBEQ=0.2V（锗管）,回路方程,Q的近似估算表达式为,（6.16）,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,放大电路的动态分析,动态分析的目的：确定放大电路的性能指标。,耦合电容容量很大，信号变化一周期电容两端电压保持恒定：,晶体管的微变等效电路,放大电路的微变等效电路,将放大电路的交流通路中的晶体管用微变等效电路代替，就得到放大电路的微变等效电路。,放大电路的微变等效电路,28,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,29,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,30,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,31,求输出电阻：,一般总是希望输出电阻小一些,32,IB(),二、图解法,33,各点波形,uC,动画：放大电路的动态波形,34,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,35,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。,36,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,37,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,38,2.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,例1电路如图所示，已知VCC=12V，Rb1=68K,Rb2=22K,=60,Re=2K,RL=6K,rbb/=10，信号源内阻为0.（1）计算静态工作点；（2）画微变等效电路，求电压放大倍数，输入电阻，输出电阻。,解,（1）画直流通路,VBQ=Rb2VCC（Rb1+Rb2）=2.93V,IBQ=ICQ=0.0186mA,ICQIEQ=(VBQVBEQ)Re=1.1167mA,VCEQ=VCC-ICQ(RC+Re)=6.42V,电路如图所示，已知VCC=12V，Rb1=68K,Rb2=22K,=60,RC=3K,Re=2K,RL=6K,rbb/=10，信号源内阻为0.（1）计算静态工作点；（2）画微变等效电路，求电压放大倍数，输入电阻，输出电阻。,解,（2）画小信号等效模型,Av=RLrbe-85.2Ri=Rb1Rb2/rbe1.3KRo=Rc=3K,rberbb/+(1+)UT/IEQrbb/+UT/IcQ,续例1：若旁路电容断开，（1）静态值有无改变？（2）画微变等效电路，求电压放大倍数，输入电阻，输出电阻,解,（1）静态值无改变，直流通路不变。,（2）画小信号等效模型,射极电阻减小了电压放大倍数，但增大了输入电阻,6.1直接耦合共射放大电路如图6.14所示，已知VCC=15V，RB1=56k，RB2=1.5k，RC=5.1k，RS=1.5k，三极管的=100，=80，导通时的UBEQ=0.7V。分别求解RL=和RL=5.1k时的静态工作点Q和放大倍数和输入、输出电阻。,图6.14,例,放大电路的直流通路如图6.15所示。,图6.15,当RL=时，静态工作点为,图6.16,交流通路和微变等效电路如图6.16(a)和(b)所示。,解,K,当RL=5.1k时，电路中的静态电流和rbe均不变。,输入电阻和输出电阻不变。,该电路带上负载后，会影响静态工作点，放大倍数也有所减小。还应当指出，对于放大电路，当含有信号源内阻时有可能会影响输出电阻的值，电路带负载有可能会影响输入电阻的值。,46,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,6.3放大电路静态工作点的稳定,47,一、温度对UBE的影响,48,二、温度对值及ICEO的影响,49,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,6.3.2静态工作点稳定电路,典型的Q点稳定电路如图6.18所示,图6.18静态工作点稳定电路图,图6.19分压式偏置电路,使参数的选取满足,IC随温度升高而增大的部分几乎被由于IB减小而减小的部分相抵消，静态工作点基本保持不变。该电路是通过发射极电阻RE的负反馈作用牵制IC的变化，也称为电流负反馈式工作点稳定电路。,VB基本不变,UBE=VB-VE,6.2在图6.18所示电路中，已知VCC=12V，RB1=15k，RB2=5k，RC=5.1k，RE=2.3k，RL=5.1k；三极管的=50，rbe=1.5k，导通时的UBEQ=0.7V。估算静态工作点Q，并分别求出有和无CE两种情况下的放大倍数和输入、输出电阻。,例,解,首先求解Q点,当有旁路电容CE时，电阻RE被交流短路，其微变等效电路如图6.20(a)所示。,图6.20(a),当无旁路电容CE时，微变等效电路如图6.20(b)所示。,图6.20(b),无电容CE时，电路的电压放大能力,但是Ri增大，实际电路中，将发射极电阻分为两部分，只将其中一部分接旁路电容。,很差,6.4放大电路的三种组态及比较,6.4.1基本共集电极放大电路,(c)交流通路,(a)典型电路,(b)直流通路,图6.21共集电极放大电路,1静态工作点,输入回路方程,可得,（6.33）,UCEQ=VCC-ICQRE,2动态分析,图6.22共集放大电路的微变等效电路,可得电压放大倍数的表达式,通常满足,因此常称共集电极放大电路为射极跟随器。,电流放大倍数的表达式,射极输出器具有较大的电流放大作用。无电压放大能力，但电路仍有功率放大作用。,注意,当不考虑RB时，从基极b向里看进去的输入电阻,输入电阻Ri,（6.37）,根据戴维南定理，求解输出电阻Ro,图6.23计算Ro的等效电路,输出电阻Ro,Ro=,（6.39）,输出电压对信号源电压放大倍数,（6.40）,射极输出器的输出电阻Ro的数值很小，一般只有几十欧姆，而输入电阻Ri大，一般在几十千欧以上，Ri越大，越大。,所以,共集放大电路具有的特点：输入电阻大、输出电阻小、源电压放大倍数接近于1。,总结,63,耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,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。,6.5多级放大电路,6.5.1多级放大电路的耦合方式,1阻容耦合,阻容耦合方式是指将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。,图6.29两级阻容耦合放大电路,优点：“隔直流”每一级静态工作点相互独立,缺点：不能放大直流信号不便于集成化,2直接耦合,直接耦合是指前级的输出端和后级的输入端直接连接的方式。,图6.30直接耦合放大电路,优点：低频特性好。便于集成化,缺点：各级的静态工作点相互影响，零点漂移,3变压器耦合,变压器耦合是指通过变压器将前级的输出端与后级的输入端或负载连接起来的方式。,图6.31变压器耦合方式,优点：各级放大电路的静态工作点相互独立能实现阻抗变换,缺点：低频特性差不能实现集成化。,4光电耦合,光电耦合是指以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递。,图6.32光电耦合放大电路,(a)光电耦合器(b)传输特性图6.33光电耦合器及其传输特性,优点：实现了两部分电路的电气隔阂，隔离性能好，有效地抑制电干扰便于集成频率特性好,缺点：受温度影响较大,6.5.2多级放大电路性能指标分析,一个n级放大电路的交流等效电路通用框图可用图6.34表示。,图6.34多级放大电路方框图,（6.46）,Ri=Ri1（6.47）,Ro=Ron（6.48）,6.5.3两级阻容