放大电路的概念及性能指标、基本共射放大电路的工作原理、放大电路的分析方法演示幻灯片

1,第二章基本放大器,2.2基本共射放大电路的工作原理,2.3放大电路的分析方法,2.4放大电路静态工作点的稳定,2.5放大电路的三种接法,2.6场效应管放大电路,2.1放大电路的概念及性能指标,继续,2,2.1.1放大的概念,例：扩音系统,放大的作用：,把微弱的电信号放大至负载所需的数值。,放大的实质：,小能量对大能量的控制。,由小能量的输入信号去控制放大电路中的直流电源，使之输出较大的能量，然后推动负载。,放大的对象：,变化量。,放大电路的核心器件：,BJT或FET。,放大的基本特征：功率放大,放大的前提：不失真,3,基本放大电路及其模型,按输入信号与输出信号的不同组合方式，放大电路有四种基本类型：,4,放大把微弱的电信号的幅度放大,5,1、放大倍数（增益）,2、输入电阻,3、输出电阻,4、通频带,5、非线性失真系数,6、动态范围,2.1.2放大电路的主要性能指标,6,1放大倍数（增益）,描述放大电路放大能力的指标。,电压放大器：,电流放大器：,跨阻放大器：,跨导放大器：,电压增益（无量纲）,电流增益（无量纲）,跨阻增益（）,跨导增益（S）,（是复数，反映两者的幅值比和相位差）,放大倍数（增益）的“分贝”表示方法：,放大倍数也常用分贝作单位，其换算关系为：,7,2输入电阻Ri,用来描述放大电路对信号源索取电流的大小，也表示放大器对信号源的影响程度。,输入为电压源：,Ri，ii，ui就越接近uS，输入信号的利用率越高。,（Ri越大越好）,输入为电流源：,Ri，iRS，ii就越接近iS，输入信号的利用率越高。,（Ri越小越好）,从放大电路输入端看进去的等效电阻。,8,3输出电阻Ro,描述放大电路带负载能力的指标。,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,输出电阻的定义式：,以电压作为输出量的放大器：Ro越小越好。,以电流作为输出量的放大器：Ro越大越好。,9,如何通过实验测取电路的输出电阻Ro？,（1）将信号源置零(保留受控源)。,（2）将负载开路，在输出端加一个电压uo，测出输出电流io。,方法1：加压求流法,（3）代入定义式计算。,注意：,计算输出电阻时必须将独立信号源置零并保留内阻。,输出电阻与负载无关。,保留内阻,10,方法2：测量法,（1）将负载开路，测量开路（空载）输出电压UO1。,（2）在输出端接入一个已知负载，测输出电压UO2。,（3）计算。,11,4通频带BW,描述放大电路对不同频率信号的放大能力。,通频带：,BW=fHfL,放大倍数随频率变化的曲线幅频特性曲线,中频增益,中频区,高频区,低频区,3dB带宽,12,5非线性失真系数（D）：由于放大电路存在非线性失真，当输入一定频率的正弦波信号时，放大电路的输出波形中，除了由输入信号频率决定的基波成分外，还可能出现谐波。D的定义是各次谐波总量与基波分量之比，即,继续,6最大输出电压幅度,动态范围UO(P-P),表示非线性失真系数D在允许范围时，放大器能够输出的最大电压的值，用峰峰值表示，或有效值表示(Uom、Iom),13,7最大输出功率与效率,输出信号不产生明显失真的前提下，能够向负载提供的最大输出功率。用符号Pom表示。,：效率PV：直流电源消耗的功率,14,符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流量。,uA,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,2.2,15,2.2基本放大电路的组成和工作原理,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,继续,16,单管共射放大电路的工作原理,一三极管的放大原理三极管工作在放大区：发射结正偏，集电结反偏,UCE,放大原理：,UBE,IB,IC（bIB）,电压放大倍数：,uo,ui,继续,17,当ui0时，,当ui0时，,ui,UBE+ube,IB+ib,IC+ic,uCE=EC-iCRC,UCE+uce,uo,=EC-ICRC-icRC,=UCE-icRC,如果参数选择适当，则uo的幅度将比ui大得多，从而达到放大的目的。,在输入端加入一个正弦电压后，各极电压和电流围绕各自的静态值按正弦规律变化。,18,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,二.共射放大电路各元件作用,继续,19,各元件作用：,使发射结正偏，并提供适当的静态IB和UBE,基极电源与基极电阻,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏,集电极电阻RC，将变化的电流转变为变化的电压,继续,20,耦合电容,作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,+,+,各元件作用：,继续,21,基本放大电路的习惯画法,继续,22,RB,最简单的基本放大器组成,正电源,基极电阻,集电极电阻,输入耦合电容,输出耦合电容,输入电压,输出电压,负载电阻,三极管,+,+,继续,23,2.2.4基本放大电路的组成原则,1、典型放大电路,（1）输入信号源：uS、RS,（2）输出负载：RL,（4）直流电源：EC,为放大电路提供能量；,为放大电路提供合适的静态偏置，使BJT工作在放大状态。,（3）BJT：放大电路的核心器件。,起电流控制和放大的作用。,（5）C1、C2：耦合电容，,起隔直通交的作用。,C1：隔断信号源与放大电路的直流联系，将交流输入信号耦合传送到BJT发射结。,C2：隔断负载与放大电路的直流联系，将交流输出信号耦合传送到负载上。,（6）Ce：旁路电容，,对Re交流旁路，可提高增益。,24,2、放大电路的组成原则,1）要有合适的静态偏置,保证BJT发射结正偏，集电结反偏，BJT工作在放大区，以实现电流的控制作用。,2）要有交流通道,输入回路的接法应使输入电压的变化量能够传送到BJT的发射结，并使基极电流产生相应的变化量。输出回路的接法应能使放大了的信号能从电路中输出。,25,例题判断图中各电路能否实现电压放大？,判断方法：,1.晶体管是否为放大偏置。,2.交流信号能否输入到发射结，能否输出。,（看电源极性，隔直电容位置）,（看旁路电容）,26,1.静态工作点Ui=0时电路的工作状态,三.静态工作点（Q点）,ui=0时,由于电源的存在，电路中存在一组直流量。,IC,+UBE-,+UCE-,继续,27,由于(IB,UBE)和(IC,UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，所以称为静态工作点。,为什么要设置静态工作点？,为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真,2.3,28,2.3放大电路的基本分析方法,方法,图解法,微变等效电路法,2.3.1直流通路与交流通路,任务,静态分析,动态分析,29,电路有两个独立信号源：,uS交流信号源；,VCC直流电源,如果BJT偏置合适工作在放大区，且在交流小信号范围工作，BJT可近似为线性器件，放大电路为线性电路。由线性网络的叠加原理，在两电源的共同作用下，则有：,可将放大器分解成直流通路和交流通路两个部分，进行独立的分析。,放大电路的两大特点：,非线性器件和线性器件共存；,交流和直流共存。,30,1、直流通路,直流电源单独作用时，放大电路的等效电路，反映了放大电路的直流偏置电压和电流。,2、交流通路,交流信号源单独作用时，放大电路的等效电路，反映了放大电路各处交流信号的传输问题。,3、直流通路和交流通路的画法,直流通路：,交流信号源置零（保留内阻）；,电容开路，电感短路。,交流通路：,直流电源置零；,电容短路，电感开路。,电源置零方法：电压源短路；电流源开路。,适用的频率范围：放大器的中频区,31,直流通路的画法,将电容开路,将电容开路,继续,32,【例】图示单管共射放大电路中，VCC=12V，,Rc=3k，Rb=280k，NPN硅管的=50，试估算静态工作点。,解：设UBEQ=0.7V,ICQIBQ=(500.04)mA=2mA,UCEQ=VCCICQRc=(12-23)V=6V,33,估算静态工作点的步骤：,（1）画出直流通路。出IB、IC、UBE、UCE。（2）列输入（出）回路的压方程。（3）解方程组。课堂练习：求p80、p83、p84三个图的静态工作点,图解,34,对交流信号(输入信号ui),放大器的交流通路,交流通路分析动态工作情况交流通路的画法：,将直流电压源短路，将电容短路。,继续,35,将电容短路,将电容短路,将直流电压源置零,继续,36,电源置零方法：电压源短路；电流源开路。,例画出放大电路的直流通路和交流通路。设电容足够大。,（电容开路，电感短路；交流信号源置零）,1、直流通路：,（电容短路，电感开路，恒压源短路，恒流源开路）,2、交流通路：,.3.2,37,2.3.2图解法,在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。,一、图解法的过程,(一)图解分析静态,1.先用估算的方法计算输入回路IBQ、UBEQ。,2.用图解法确定输出回路静态值,方法：根据uCE=VCC-iCRc式确定两个特殊点,（1）确定iB=IBQ的那条输出特性曲线；（2）画出直流负载线,38,输出回路,输出特性,由静态工作点Q确定的ICQ、UCEQ为静态值,uCE=VCC-iCRc,39,【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知Rb=280k，Rc=3k，集电极直流电源VCC=12V，试用图解法确定静态工作点。,解：首先估算IBQ,做直流负载线，确定Q点,根据uCE=VCC-iCRc,iC=0，uCE=12V；,uCE=0，iC=4mA.,40,0,iB=0A,20A,40A,60A,80A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ=40A，ICQ=2mA，UCEQ=6V.,uCE/V,由Q点确定静态值为：,iC/mA,41,(二)图解分析动态,1.交流通路的输出回路,输出通路的外电路是Rc和RL的并联。,2.交流负载线,斜率为：,交流负载线的两个特征,过Q点,42,3.动态工作情况图解分析,43,输出回路工作情况分析,44,4.电压放大倍数,【例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如右图，RL=3k。,uCE=(4.57.5)V=-3V,uBE=(0.720.68)V=0.04V,解：,求确定交流负载线,取iB=(6020)A=40A,则输入、输出特性曲线上有,45,单管共射放大电路的电压电流波形,（1）输入正弦信号时，在线性范围内，三极管各极电压和电流的波形都在静态直流量的基础上，叠加一个正弦交流成分,（2）单管共射放大电路能够实现电压放大作用。,（3）单管共射放大电路具有倒相作用。,46,输出回路,EC,IB,Q,直流负载线,画出直流负载线，确定工作点。,练习（图解法分析静态）IB用近似估算法估算。,UCEIC满足什么关系？,BJT的输出特性;,KVL方程,47,练习（图解法分析动态）,1、画出放大电路的交流通路。,交流负载线,该直线一定经过静态工作点。,对应斜率为-1/(RC/RL)的直线，,3、画交流负载线。,交流负载线是放大器动态点(uCE,iC)的运动轨迹。,过工作点作一条斜率等于-1/(RC/RL)的直线。,2、写输出回路电压方程：,48,4、求电压放大倍数Au。,ube,Q(IB,UBE),ib,ic,uce,输出信号与输入信号同频、反相。,说明：共射放大器的输出与输入反相。,49,二、图解法的应用,(一)用图解法分析非线性失真,1.Q点过低，引起iB、iC、uCE波形失真,ib,ui,结论：iB波形失真,截止失真,50,iC、uCE(uo)波形失真,NPN管截止失真时的输出uo波形。,uo=uce,（顶部失真）,re,51,re,（1）工作点设置适当，没有出现失真。,Q,Q,52,Q,（2）工作点设置过低，出现顶部削波失真，称为截止失真。,（1）工作点设置适当，没有出现失真。,Q,53,（3）工作点设置过高，出现底部削波失真，称为饱和失真。,（2）工作点设置过低，出现顶部削波失真，称为截止失真。,（1）工作点设置适当，没有出现失真。,Q,Q,饱和失真和截止失真是由于BJT进入非线性区域引起的，属于非线性失真。,注意：PNP管的失真表现形式，与NPN管正好相反。,54,(二)用图解法估算最大输出幅度,输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的A、B所限定的范围。,若Q设在线段AB的中点。则AQ=QB，CD=DE，则,若Q设置过高或过低，则动态工作范围不能充分利用，使最大输出幅度减小，此时Uom由CD和DE中的较小者决定,55,re,在基本不失真的情况下，电路能够输出的最大电压。,IBQ,Ucem,IBQ,Ucem,IBQ,Ucem,说明：工作点设置不当，将会减小放大电路的动态范围，工作点设置在交流负载线的中部时，动态范围最大。,在保证输出不失真的条件下，为了降低电路的功耗，工作点应该设置低一些。,56,问1：为使最大不失真输出电压UOM尽可能大，Q点该如何设置？问2：放大电路带负载后，最大不失真输出电压UOM如何变化？,57,(三)用图解法分析电路参数对静态工作点的影响,1.改变Rb，保持VCC，Rc，不变；,Rb增大，,Rb减小，,Q点下移；,Q点上移；,2.改变VCC，保持Rb，Rc，不变；,升高VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的静态功耗也增大。,Q2,58,3.改变Rc，保持Rb，VCC，不变；,4.改变，保持Rb，Rc，VCC不变；,增大Rc，直流负载线斜率改变，则Q点向饱和区移近。,Q2,增大，ICQ增大，UCEQ减小，则Q点移近饱和区。,59,练习（电路参数改变对Q点的影响）,（1）EC的影响：,EC直流负载线右移；,Q2,Q点移向右上方,特性曲线上移；,60,（2）基极偏置电阻的影响：,工作点下移,Q2,Q3,调整工作点一般是通过改变基极偏置电阻来实现。,工作点上移,61,（3）RC的影响：,工作点左移。,直流负载线变平坦，,直流负载线变陡，,工作点右移。,Q2,Q3,（4）的影响：,工作点移向左上方。,特性曲线上移，,工作点移向右下方。,特性曲线下移，,Q2,Q3,62,例题：图中，Rb=300k，RC=2.5k，UBE0.7V，交流通路中电容C1、C2的容抗可以忽略，=100。,1）若将输入信号幅值逐渐增大，用示波器观察输出波形时，将首先出现哪一种形式的失真现象？,说明静态工作点靠近饱和区，,首先出现饱和（底部）失真。,直流负载线,63,说明静态工作点靠近饱和区，,首先出现饱和（底部）失真。,直流负载线,2）应改变哪个电阻值来减小失真？增大还是减小？,要减小工作点偏高引起的失真，应调整电路参数来降低工作点。,增大Rb，使IB减小，工作点下移，可减小失真。（常用的方法）,也可以减小RC，使直流负载线斜率增大，远离饱和区。,64,图解法回顾,估算静态基极电流IB；,画直流负载线，确定Q点；,画出交流负载线，求Au,2、通过图解分析饱和、截止失真,1、图解法的分析步骤：,3、利用图解法估算Uom（最大不失真输出电压幅度）,4、了解电路参数对放大电路Q点的影响,放大电路Q点的设置非常重要，Q点设置适当，可以减小放大器的截止、饱和失真，获得最大的动态范围。在保证不失真的条件下尽量降低Q点以减小电路的静态功耗,65,2.3.3微变等效电路法,晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在工作点附近小范围内用直线段近似代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。,微变等效条件,研究的对象仅仅是变化量,信号的变化范围很小,66,一、BJT交流小信号模型及参数,uS0,相当于在静态工作点上叠加交流信号：,若工作点选择适当，且信号电压较小,可将BJT在小范围内的特性曲线看成直线,BJT可以用一个线性电路来代替,可以将BJT看成一个线性的四端网络，,并用线性元件组成的网络来模拟BJT端口的伏安特性。,IB、UBE、IC、UCE,电路如图所示，静态偏置(uS=0)时，各极电压和电流为：,BJT交流小信号模型,静态工作点Q,67,BJT的H参数模型,1、共射BJT-H参数的引出,自变量取：ib、uce;,应变量取：ube、ic,输入、输出端口的VA关系分别为：,对上两式取全微分，得：,在小信号作用下，可用交流量表示微变量，得:,hie、hre、hfe、hoe称为共射BJT的H参数,68,2、共射H参数的物理意义,输出交流短路时的输入阻抗。,表示输入特性曲线在工作点处切线斜率的倒数。,反映了输出回路对输入回路的影响。,（2）,输入端交流开路时的反向电压传输系数。,69,（3）,输出交流短路时的正向电流放大倍数。,反映了ib对iC的正向控制作用。,（4）,输入端交流开路时的输出导纳。,反映了uCE通过厄利效应对iC的影响。,70,3、H参数等效电路,4、简化的H参数等效电路,H参数数量级：,注意：,（1）hfeib代表BJT的电流控制作用，为受控电流源。,（2）hfeib的方向必须与ib的方向保持一致。,71,5、物理模型与H参数模型,BJT的小信号模型,72,rbe的计算：,由PN结的电流公式：,（常温下）,其中：rbb=200,73,前提：