模拟电子线路基础第二章ppt课件

.,第2章,放大器基础,.,126,2.1放大器概述,2.1.1放大器的用途与分类,2.1.2放大器的基本组成,2.1.3放大器类型,2.1.4放大器主要性能指标,2.1.5放大器的传输特性,.,127,2.1.1放大器的用途与分类,放大器：放大电信号的装置，是电子设备中应用最为广泛的一种电路。,1.定义,表面上看，放大器只是放大了信号的幅度，但其实质是一能量转换器。,用小的信号功率（电压、电流）去控制电源供给的直流功率，把它转换成负载所需要的大的信号功率(电压、电流),.,128,按器件分：,按用途分：,双极晶体管放大器、场效应管放大器、集成运算放大器等。,电压放大器、电流放大器和功率放大器等。,2.1.1放大器的用途与分类,2.分类,.,129,按工作频率分：,按工作状态分：,低频放大器、高频放大器和超高频放大器等。,甲(A)类放大器、乙(B)类放大器、甲乙(AB)类放大器、丙类(C)类放大器和丁(D)类放大器等。,2.分类,.,130,由于本章采用的放大器件是晶体三极管和场效应管，它们均为非线性器件，为了满足不失真地放大信号的目的，必须给它们加上正确的偏置电路,即要有直流通路，保证在输入信号的范围内，它们均工作在线性区。,2.1.2放大器的基本组成,.,131,组成放大电路时应遵循的原则：,一、要有直流通路，并保证合适的直流工作状态，确保晶体三极管和场效应管工作在放大区。,二、要有交流通路，对于电压放大器,输入信号电压要能加入，输出信号电压要能取出。,2.1.2放大器的基本组成,.,132,典型的电容耦合共射放大器电路,2.1.2放大器的基本组成,us：信号源电压Rs：信号源内阻C1：输入耦合电容Rb：偏置电阻Rc：集电极电阻C2：输出耦合电容RL：负载电阻UCC：直流电源电压,.,133,直流通路,2.1.2放大器的基本组成,.,134,交流通路,2.1.2放大器的基本组成,.,135,由于放大器电路中既有直流成分又有交流成分，因此晶体管的各极电流、电压瞬时值中包含直流分量和交流分量。,2.1.2放大器的基本组成,.,136,本书采用如下表示法（以基极和发射极之间电压为例）：,(小写字母、大写下标)电压的瞬时值；(大写字母、大写下标)电压的直流成分；(小写字母、小写下标)交流电压的瞬时值；(大写字母、小写下标)交流电压复数量简化表示，表示的有效值；的峰值或振幅。,=+sint=+sint=+,因此信号的瞬时表达式可表示为：,2.1.2放大器的基本组成,.,137,放大器的输入信号可以是电压源也可以是电流源，放大了的输出信号可以是电流也可以是电压，因此从输出、输入信号角度看存在四种类型放大器。,2.1.3放大器类型,.,138,电压放大器,电流放大器,电压,电压,电流,电流,2.1.3放大器类型,.,139,互阻放大器,互导放大器,电流,电流,电压,电压,2.1.3放大器类型,.,140,1输入电阻,从信号源右边向放大器视入的电阻,输入电阻的大小表明了放大器对信号源的影响程度,2.1.4放大器主要性能指标,根据Ri的定义，显然Ri中不包含Rs。,输入电阻越大，放大器对信号源的影响越小，放大器取用信号源的电流越小；反之，则越大。,.,141,2输出电阻,从负载电阻左边向放大器视入的等效电阻,输出电阻大小反映了放大器带负载能力的强弱。输出电阻越大，放大器带负载能力越小；反之，则越大。,2.1.4放大器主要性能指标,根据Ro的定义，显然Ro中不包含RL。,.,142,2.1.4放大器主要性能指标,（1）电压放大器-电压放大倍数,负载开路时的电压放大倍数,3.放大倍数,.,143,考虑信号源内阻时的电压放大倍数,3放大倍数,（1）电压放大器,.,144,3放大倍数,电流放大倍数,功率放大倍数,（1）电压放大器,.,145,放大倍数常用(分贝)来表示，称为增益,3放大倍数,（1）电压放大器,.,146,3放大倍数,（2）电流放大器电流放大倍数,负载短路时的电流放大倍数,.,147,3放大倍数,电流放大器电压放大倍数为,考虑信号源内阻Rs时的电流放大倍数为,（2）电流放大器,.,148,负载RL开路时的互阻放大倍数,（3）互阻放大器-互阻放大倍数,3放大倍数,.,149,3放大倍数,（4）互导放大器互导放大倍数,当考虑信号源内阻时，则,令,于是,.,150,4.通频带,2.1.4放大器主要性能指标,下限频率,上限频率,不失真（或基本不失真）放大信号时，放大器的通频带必须大于或等于信号的带宽。,.,151,最大输出幅度指放大器在线性区能输出的最大电压幅度或最大电流幅度,5最大输出幅度,最大输出幅度与放大器直流工作状态、集电极电阻RC、负载电阻RL和电源电压UCC等密切相关.,2.1.4放大器主要性能指标,.,152,输出功率:是指放大器能够向负载提供的最大交流功率。,6输出功率和效率,效率:,：直流电源供给功率,2.1.4放大器主要性能指标,.,153,7总谐波失真系数THD和噪声系数,非线性失真的产生是由于放大器中存在非线性器件晶体三极管（或场效应管），从而使输出信号与输入信号相比产生了畸变。,非线性失真也称为谐波失真。若放大器输入信号为单一频率f的正弦波，则根据傅氏级数理论，输出应包含频率分量为f、2f、3f等输入信号倍频的分量，但以频率分量为f的幅度最大。,总谐波失真系数,U1基波分量电压有效值，U2、U3等为2次、3次等谐波分量电压有效值,2.1.4放大器主要性能指标,.,154,非线性失真也称为谐波失真,噪声系数定义为,7总谐波失真系数THD和噪声系数,2.1.4放大器主要性能指标,总谐波失真系数,U1基波分量电压有效值，U2、U3等为2次、3次等谐波分量电压有效值,.,155,2.1.5放大器的传输特性,一般形式：,.,156,2.2放大器基本分析方法,2.2.1静态分析,2.2.2动态分析,.,157,静态分析是对直流通路进行分析,动态分析是对交流通路进行分析,放大器的分析分为两部分：静态分析和动态分析。,2.2放大器基本分析方法,.,158,注意：静态分析和动态分析对应的放大器通路不同，分析方法也不同，两类分析不能混淆，不能混用。,一般先作静态分析，知道放大器的直流工作状态后再作动态分析。,2.2放大器基本分析方法,.,159,静态分析要确定静态工作点-,两种方法：解析法和图解法,点,需计算：,2.2.1静态分析,2.2放大器基本分析方法,.,160,工作在放大状态下的晶体三极管，发射结处于正偏，集电结处于反偏。晶体管导通时，有,硅管,锗管,常取,1解析法,2.2.1静态分析,.,161,输入回路,1解析法,.,162,输出回路,1解析法,.,163,例2-1某放大器的直流通路如图（a）所示，试用解析法求、的表达式。,解：将图（a）用戴维南定理化简得图（b），图中,1解析法,.,164,例2-1解:,1解析法,所以,.,165,例2-1解:,1解析法,需要特别注意的是,只有在满足一定条件时，才可以近似相等。,当,时,.,166,还有一点需要说明，上述的分析方法只适用于放大器工作在放大区，也就是说需要事先假设放大器工作在线性状态，然后进行分析，最后再判断分析是否合理，例2-2就说明了这种情况。,1解析法,.,167,电路如图所示，试分析晶体三极管的工作状态。,解：设三极管工作在放大区，则,例2-2,1解析法,.,168,电源电压，,而,显然是不可能的。实际上，此时晶体三极管已不在放大区工作，故不能按放大区进行计算。那晶体三极管工作在何种区域呢？需要根据所加电压极性判断工作三极管的工作状态。,由图可知，为正，为正，此时放大器工作在饱和区。,例2-2解:,1解析法,.,169,因此，在使用解析法时必须注意一前提条件：三极管在放大状态工作。计算时，可以先假设工作在线性放大区，用解析法分析后，再看是否符合放大状态条件，不能计算完后就了事。,1解析法,.,170,2图解法,2.2.1静态分析,通过作图对各极电流、电压进行分析的一种方法,这是一种普遍使用的方法，即无论管子工作在何种状态，均可用图解法分析。,.,171,2图解法,步骤为：,（1）画出直流通路,（2)分别写出输入、输出回路的外部条件方程,(3)在输入、输出特性曲线上作出外部条件方程,找出交点即为静态工作点,.,172,(1)输入回路,输入回路外部条件方程输入特性曲线,2图解法,外部特性,.,173,2图解法,(2)输出回路,输出回路外部条件方程直流负载线,输出特性曲线,.,174,根据已知的输入信号，求出各极电流、电压的波形，进而观察波形失真情况或求出电压放大倍数、电流放大倍数。,分析方法：图解法和微变等效电路法,2.2.2动态分析,.,175,(l)作出输入回路的交流线求波形输入回路直流外条方程，求Q点时用,设输入信号,则,1图解法,如图，根据输入电压信号波形就可以对应画出电流波形,2.2.2动态分析,.,176,(2)输出回路的交流负载线求，波形,式中,于是,过Q点作一斜率为的直线，即为交流负载线,1图解法,.,177,如图，根据输入电流信号波形就可以对应画出输出电流及电压波形,1图解法,交流负载线,直流负载线,.,178,放大器各点波形,1图解法,注意输出电压与输入电压的相位关系,.,179,（3)最大不失真输出电压,截止失真,点位置偏低,输入信号较大,1图解法,.,180,1图解法,（3)最大不失真输出电压,点位置偏高,输入信号较大,饱和失真,.,181,最大不失真输出电压幅度为,（3)最大不失真输出电压,1图解法,.,182,影响因素：,电阻、,输入信号幅度,电源电压,1图解法,.,183,基本思想：,用线性等效电路取代工作在线性放大状态的晶体三极管。,2H参数微变等效电路法,.,184,（1）H参数等效电路,微分,2H参数微变等效电路法,.,185,定义,(单位为),(无量纲),(单位为S),(无量纲),共射接法输入开路时的电压反馈系数,共射接法输出短路时的电流放大系数,共射接法输出短路时的输入阻抗,共射接法输出短路时的输出导纳,（1）H参数等效电路,2H参数微变等效电路法,低频情况下约为0.3-3k,低频情况下约为10-4-10-3,低频情况下约为20-200,低频情况下约为5-100S,.,186,对于交流信号输入,或,（1）H参数等效电路,2H参数微变等效电路法,.,187,H参数等效电路形式,（1）H参数等效电路,2H参数微变等效电路法,.,188,忽略基调效应，即忽略对的影响，有,因此,简化的H参数等效电路,2H参数微变等效电路法,.,189,电路如图所示，已知=1k=0，=50，,=20S，,设、和对交流可以认为短路，,试计算放大器主要性能指标、,和。,例2-3,2H参数微变等效电路法,.,190,解：交流等效电路如图所示，有,例2-3,.,191,由输出电阻的定义，其等效电路如图所示,例2-3,.,192,对于本例，若采用简化的H参数等效电路，即忽略的影响，则,例2-3,由此可见，用简化H参数等效电路计算，误差很小，在工程上是允许的。,.,193,（）、（）,用H参数测试仪或利用晶体管特性曲线图示仪测量,或,发射结电阻,令,基区体电阻,则,（2）H参数的确定,2H参数微变等效电路法,通常不超过200,.,194,（2）H参数的确定,2H参数微变等效电路法,.,195,2.3晶体管偏置电路,2.3.1分压式偏置电路,2.3.2电流源偏置电路,.,196,2.3晶体管偏置电路,2.3.1分压式偏置电路,由例2-1可得,.,197,2.3.1分压式偏置电路,与晶体管参数无关,.,198,由于引入了Re，稳定了工作点。,.,199,2.3.2电流源偏置电路,1基本电流源,图中两只三极管制造工艺和结构完全相同，即任何时候均有UBE1=UBE2,所以,.,200,所以,1基本电流源,由于输出电流IC2与输入电流I相等，即构成一镜像关系，所以也称基本电流源为镜像电流源。,.,201,因此,1基本电流源,由基本电流源特性可知：当两管工作在放大区时，曲线并非水平，IC2随着UCE2的增大而稍有增大，并不是固定的，这说明镜像电流源不是恒流源。,.,202,2威尔逊（Wilson)电流源,VT1和VT2构成了基本电流源，VT3是为了改进其性能而引入的,.,203,2威尔逊（Wilson)电流源,.,204,2威尔逊（Wilson)电流源,当三只晶体管都工作在放大区时，输出电流IC3与U3无关。,.,205,3微电流电流源,要求的输出电流较小时，应采用微电流电流源。,.,206,3微电流电流源,由图又有,则,.,207,只要给定,和,，就可求出,。,3微电流电流源,.,208,解：,例2-4图所示电路中，已知，,，求,(基极电流可忽略不计)。,3微电流电流源,.,209,4比例电流源,两管特性相同时有,由图又有,所以,.,210,2.4晶体管放大器的三种基本组态,2.4.1共射（CE）放大电路,2.4.2共基（CB）放大电路,2.4.3共集（CC）放大电路,2.4.4三种放大电路的性能比较,2.4.5射极带有电阻的共射放大器,.,211,哪个极为输入电路和输出电路的公共端即称为共什么极电路,共射(CommonEmitter简写为CE),共基(CommonBase简写为CB),共集(CommonCol1ector简写为CC),2.4晶体管放大器的三种基本组态,.,212,2.4.1共射（CE）放大电路,2.4晶体管放大器的三种基本组态,.,213,(1)电流放大倍数,2.4.1共射（CE）放大电路,.,214,(2)输入电阻,2.4.1共射（CE）放大电路,.,215,(3)中频电压放大倍数和,2.4.1共射（CE）放大电路,当,则,说明改变IEQ即可改变电压放大倍数。,.,216,(4)输出电阻,顺便指出，如果晶体管hoe不可忽略，则,.,217,2.4.2共基（CB）放大电路,.,218,(1)电流放大倍数,=,2.4.2共基（CB）放大电路,.,219,(2)输入电阻,2.4.2共基（CB）放大电路,.,220,(3)中频电压放大倍数,2.4.2共基（CB）放大电路,.,221,(4)输出电阻,2.4.2共基（CB）放大电路,.,222,(4)输出电阻,考虑时,2.4.2共基（CB）放大电路,.,223,2.4.3共集（CC）放大电路,.,224,(1)电流放大倍数,2.4.3共集（CC）放大电路,.,225,(2)输入电阻,2.4.3共集（CC）放大电路,.,226,(3)中频电压放大倍数、,=,2.4.3共集（CC）放大电路,.,227,则,(4)输出电阻,所以,2.4.3共集（CC）放大电路,.,228,如果电流源不为恒流源，而有一内阻，则,其中,2.4.3共集（CC）放大电路,.,229,大,大,大,大,小,小,三种组态放大器总结,中,小,大,小,.,230,例2-5,发射极带有电阻的共射放大器如图所示。已知:=2mA，=100，=100，C1、C2对交流可以认为短路。试用简化的H参数等效电路计算放大器主要性能指标、和。,.,231,例2-5,解:放大器的简化H参数等效电路，如图所示。,由图可得,.,232,例2-5,所以,.,233,当,则,例2-5,电压放大倍数与晶体管参数基本无关，提高了中频电压放大倍数的稳定性。,.,234,2.5场效应管放大器,2.5.1直流偏置电路与静态分析,2.5.2动态分析,.,235,共源（CS）,共栅（CG）,共漏（CD）,共射（CE）,共基（CB）,共集（CC）,2.5场效应管放大器,两种器件的工作原理不同，不能简单地用场效应管取代晶体三极管，特别应注意偏置电路和微变等效电路的区别。,.,236,1固定偏压电路,静态电压为,2.5.1直流偏置电路与静态分析,解析法求解静态工作点,.,237,静态电压为,直流负载线方程,1固定偏压电路,图解法求解静态工作点,.,238,图解法求解静态工作点,.,239,直流偏置电压线方程为,2自偏压电路,作图即求出UGSQ、IDQ,.,240,若已知：,2自偏压电路,则联立解方程组可以得到UGSQ、IDQ,由图有,.,241,例2-6,一场效应管放大器电路如图所示。已知：,计算：、。,.,242,解：,解得（舍去）,故,例2-6,.,243,增强型场效应管，不能采用自偏压电路,只有栅源电压达到开启电压时才有漏极电流,自偏压电路与固定偏压电路相比有稳定工作点的作用,.,244,3.混合偏置电路,.,245,3.混合偏置电路,混合偏置电路不仅适用于增强型MOSFET,也适用于耗尽型MOSFET及JFET,.,246,4恒流源电路,基本电流源（镜像电流源）,多路输出电流源,威尔逊电流源,.,247,2.5.2动态分析,场效应管放大电路进行动态分析时可以采用两种分析方法：图解法和微变等效电路法。图解法与晶体管放大电路的类似，不再介绍。主要讨论微变等效电路法。,.,248,1FET微变等效电路,(1)JFET等效电路,进行全微分，得,即,2.5.2动态分析,.,249,对正弦信号输入，有,JFET交流小信号等效电路,(1)JFET交流小信号等效电路,.,250,JFET交流小信号等效电路,(1)JFET交流小信号等效电路,rgs是JFET栅源间的交流输入电阻，一般外电路栅源之间的电阻比rgs小得多,故可以不予考虑rgs。,.,251,则,因而,(2)MOSFET等效电路,.,252,对正弦信号输入，有,MOSFET交流小信号等效电路,(2)MOSFET等效电路,.,253,2共源电路,.,254,由图可见,2共源电路,.,255,通常有,于是,2共源电路,.,256,3共漏电路(源极跟随器),.,257,由图可知,3共漏电路(源极跟随器),.,258,3共漏电路(源极跟随器),则,由图有,.,259,而,输出电阻等效电路如图所示,由图可知,因此,3共漏电路(源极跟随器),.,260,4源极接电阻的共源放大器,.,261,4源极接电阻的共源放大器,受控电流源支路改为电压源形式,.,262,设可忽略不计，且有,其中,4源极接电阻的共源放大器,由图可知,.,263,4源极接电阻的共源放大器,所以,而,.,264,输入电阻,4源极接电阻的共源放大器,因此,.,265,4源极接电阻的共源放大器,分析输出电阻的电路如图所示,因此,.,266,2.6有源负载放大器,2.6.1有源负载,2.6.2有源负载双极型晶体管放大器,2.6.3场效应管有源负载放大器,.,267,2.6.1何谓有源负载,晶体三极管（场效应管）或电流源电路,大的交流负载电阻，小的直流电阻。,2.6有源负载放大器,.,268,举例,2.6.1何谓有源负载,.,269,组成共射放大器,、组成偏置电流源,对直流呈现小电阻对交流呈现大电阻,2.6.2有源负载双极型晶体管放大器,大大提高了电压放大倍数，而又不需要选用很高的电源电压,.,270,在放大区小信号工作时,2.6.2有源负载双极型晶体管放大器,.,271,CS,CG,CD,2.6.3场效应管有源负载放大器,.,272,1共源接法有源负载放大器,互补MOS(CMOS)有源负载共源放大器,VT2和VT3构成基本电流源，作为VT1的负载,.,273,2.共栅接法有源负载放大器,CMOS有源负载共栅放大器,VT2和VT3构成基本电流源，作为VT1的负载,.,274,由图可得,2.共栅接法有源负载放大器,.,275,2.共栅接法有源负载放大器,.,276,3共漏接法有源负载放大器,CMOS有源负载共漏放大