电工与电子技术射极输出器PPT演示课件

9-5射极输出器,9.5.1电路结构,电路如图9-5-1所示，输入为基极，输出为发射极，故称为射极输出器,其交流通路如图9-5-2所示，,输入回路,输出回路,集电极为公共极，故为共集电极电路,1,9.5.2静态分析,射极输出器的直流通路如图9-5-3所示,2,则射极输出器的静态值为,3,9.5.3动态分析,射极输出器的微变等效电路如图9-5-4所示。,4,1.电压放大倍数,由微变等效电路得,其中,则,由以上分析可知,（1）电压放大倍数小于1但接近于1,UoUi，故没有电压放大作用，但有电流和功率放大作用；,5,2.输入电阻,(2)输出电压和输入电压同相位，且UoUi，输出电压跟随输入电压变化，故具有电压跟随作用，所以称为射极跟随器。,由图9-5-4的微变等效电路得,其中,6,故,一般（1+）RE/RLrbe，而RB又较大，所以射极输出器的输入电阻高，远大于一般共射电路的输入电阻，可达几十千欧甚至几百千欧。,3.输出电阻,利用“加压求流法”，由微变等效电路，将独立电源和负载电阻除去，在负载开路两端加一电压，则产生一电流如图9-5-5所示,7,则放大电路的输出电阻写成,由于,8,则输出电阻为,由于Rs+rbe的值较小，除以（1+）以后会更小，一般为几十欧姆。所以射极输出器的输出电阻很小，故具有较强的带负载能力。,9,由于射极输出器的输入电阻高，故将射极输出器放在电路的输入级，可以提高整个放大电路的输入电阻。2.由于射极输出器的输出电阻低，故将射极输出器放在电路的输出级，可以降低整个放大电路的输出电阻，提高带负载能力。3.将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用，故也叫缓冲级。,9.5.4射极输出器的应用,10,解：由直流通路得,例9.5.1一射极输出器的电路如图9-5-6，试求静态值IC、IB和UCE；、输入电阻ri和输出电阻ro,11,由微变等效电路得,12,输入电阻为,输出电阻为,13,9.6多级放大电路,9.6.1多级放大电路的组成及级间耦合,在大多数情况下，放大电路的输入信号常为毫伏级或微伏级，这样微弱的信号仅经过单级放大，输出电压和功率是不能满足负载要求的。为了得到能推动负载的足够大的电压和电流，常把多个单级放大电路连接起来，构成多级放大电路，以满足负载对放大倍数及其它性能指标的要求。一般多级放大电路的方框图如图9-6-1所示。,14,耦合及耦合方式,在多级放大电路中，每两个单级放大电路之间的联接方式称为耦合。常用的耦合有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。由于变压器耦合在放大电路中应用逐渐减少，本节只讨论前两种耦合方式。,1.阻容耦合,阻容耦合放大电路的级与级之间是通过耦合电容及后级输入电阻连接的。其电路如图9-6-2所示由于电容具有隔直作用，所以前后级的静态工作点各自独立，可单独考虑。,15,2.直接耦合,注：对于缓慢变化的信号及直流信号，由于容抗很大，将大大衰减甚至隔断，故不适宜用这种电路放大。,直接耦合放大电路的级与级之间是不经过任何元件直接相连的，其电路如图9-6-3所示,其主要特点是可以放大直流及缓慢变化的信号，但它的静态工作点前、后级相互影响，要综合考虑，不能单独计算。,16,9.6.2阻容耦合多级放大电路的计算,对于图9-6-1所示的多级放大电路,多级放大电路的输入电阻为第一级输入电阻，输出电阻为最后一级输出电阻。即,17,多级放大电路不论何种耦合方式，前级的输出电压即为后级的输入电压，后级的输入电阻即为前级的负载电阻。即,其总的电压放大倍数为,18,即多级放大电路的电压放大倍数，等于各级电压放大倍数的乘积。但要注意在计算每级电压放大倍数时，应考虑后级的负载效应，即后一级的输入电阻即为前级的负载电阻。,19,例9.6.1在图9-6-4所示的放大电路中，已知1=2=50，每个管子的UBE0.6V。求：计算前、后级放大电路的静态工作点；画出微变等效电路；求放大电路的输入电阻和输出电阻；求各级电压放大倍数和总的电压放大倍数；后级采用射极输出器有何好处？,解：由于阻容耦合放大电路前后级的直流通路互不牵连，可单独计算。,20,其直流通路如图9-6-5所示,第一级：,21,第二级：,22,其微变等效电路如9-6-6图所示。,23,放大电路的输入电阻和输出电阻,24,各级电压放大倍数和总的电压放大倍数,第二级的输入电阻为,25,第一级电压放大倍数为,第二级的电压放大倍数为,26,输出电阻小，带负载能力强。,总的电压放大倍数为,27,9.6.3*单级阻容耦合放大电路的频率特性,我们在讨论放大电路的动态计算时，都是在假定耦合电容、射极旁路电容的容抗均为零，而且电路中不存在其它电抗元件的前提下进行的，因此放大电路的电压放大倍数与频率无关。但实际情况并非如此。在阻容耦合放大电路中除了存在耦合电容和旁路电容外，还存在三极管极间电容（结电容）、电路元件和导线对地的分布电容等。这些电容在高低频时的容抗值不能忽略，且随随频率而变化，导致电压放大倍数也随频率而变化,将放大电路的电压放大倍数随频率而变化的关系称为频率特性。将电压放大倍数的模随频率而变化的关系称为幅频特性，电压放大倍数的辐角随频率而变化的关系称为相频特性，这里讨论的是各频段电压放大倍数的幅频特性,28,对于图9-6-7所示的单级阻容耦合放大电路,其中C1、C2为耦合电容，CE为旁路电容，Ci、Co为三极管的结电容Cbe、Cbc和线路分布电容折算到输入输出端的综合值,其交流通路如图9-6-8所示,29,1.中频段,由于电容C1、C2和CE的容值较大，容抗极小，可视为短路；而Ci、Co的容值极小，容抗很大，可视为开路，其等效电路如图969所示。,30,中频段对应放大电路的频率特性图9-6-10中间平坦部分。前面章节所讨论的微变等效电路及放大倍数的计算，均是指中频段的情况,故可认为电容不影响交流信号的传送，放大倍数与频率无关，即,常数,中频段,31,2.低频段,由于信号频率较低，Ci、Co仍可视为开路，但C1、C2、CE容抗较大，不能再视为短路，其电路如图9611。,故在低频段时在输入输出端由于C1、C2的分压作用，导致实际三极管上的输入电压Ube比输入信号电压Ui要小，输出电压Uo比Uce要小，故使电压放大倍数降低；,32,另外由于CE的容抗增大，使交流负反馈作用增强（参见下节），也使电压放大倍数减小。其频率特性对应图9610所示的0fL段,低频段,33,3.高频段,由于信号频率较高，C1、C2、CE仍可视为短路，但Ci、Co不能再视为开路，需考虑其影响，其等效电路如图9613所示。,34,随着频率的升高，Ci、Co的容抗减小，放大电路的输入阻抗和输出阻抗减小，使电压放大倍数减小。故放大电路在高频段的频率特性下降，即fHf段,高频段,35,4.上限频率、下限频率及通频带,将上、下限频率之间的频率范围称为通频带用BW表示，即,通频带是表明放大电路频率特性的一个重要指标。,在电子技术中规定，在低频段和高频段，将电压放大倍数下降到其中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率fL、fH，分别称为下限频率和上限频率,36,9.7放大电路中的负反馈（化工不讲）,9.7.1反馈的基本概念和分类,1.反馈概念：就是将基本放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的反馈电路返送到输入回路，与输入信号比较，从而用输出信号影响放大电路的净输入信号，可用图9-7-1的框图来表示,其中,输入信号,输出信号,净输入信号,反馈信号,开环放大倍数,反馈系数,37,2.反馈的分类,a.正反馈与负反馈:如果反馈信号使净输入减小，输出减小，则为负反馈；相反，如果反馈信号使净输入增加，输出增加，则为正反馈,负反馈：加入反馈后，净输入信号|Xid|Xi|，输出幅度增加。正反馈易引起电路振荡，使电路性能不稳定，故在放大电路中很少采用，主要用于振荡电路中。,38,对于图9-7-2所示的射极输出器为负反馈,39,对于图9-7-3所示电路为正反馈,40,b.直流反馈、交流反馈和交直流反馈,如果反馈中只包含直流分量，即反馈只存在直流通路中，则为直流反馈；如果反馈中只包含交流分量，反馈只存在交流通路中，则为交流反馈；在许多情况下，反馈中既有直流分量，又有交流分量，也就是反馈即存在于直流通路中，也存在于交流通路中，称其为交、直流反馈。,对于图9-7-4分压偏置式放大电路，RE引入的为直流负反馈，目的是稳定静态工作点,41,对于图9-7-5所示电路，Rf引入的是交流负反馈,交流负反馈可以改善放大电路的性能。如非线性失真、展宽频带、输入电阻和输出电阻等,42,对于图9-7-6的Re引入的是交直流负反馈,43,c.电压反馈和电流反馈,从输出端看，如果反馈信号取自输出电压，则为电压反馈；如果反馈信号取自输出电流，则为电流反馈。,d.串联反馈和并联反馈,从输入端看，反馈信号送回到输入回路，与输入信号比较。如果反馈信号是以电压形式出现，则为串联反馈；如果是以电流形式出现，则为并联反馈。,负反馈可以有四种组态：串联电压、并联电流、串联电流、并联电压。,e.本级反馈和级间反馈,存在于多级放大电路中的某一级反馈，称为本级反馈；而跨接在几级或输入输出之间的反馈称为极间反馈,44,9.7.2负反馈的判定,在判断电路连接成何种反馈形式之前，首先要找出反馈元件(电路)。反馈电路是连接在输出回路和输入回路之间的电路。有时，在同一个放大电路中，同时存在几个反馈，构成不同的反馈类型，再进一步逐一分析,对于图9-7-7所示电路,45,RE1、RF、CF连在输入回路和输出回路之间，故为两级之间的级间反馈,RE1、RE2构成第一级和第二级的本级反馈,1.本级反馈和级间反馈,本级反馈,本级反馈,级间反馈,46,2.直流反馈与交流反馈的判断,对于图9-7-7所示电路,RE2构成后级的直流反馈，RE1构成前级的交、直流反馈，RF构成级间的交流反馈,直流反馈,交流反馈,47,3.正负反馈的判断,通常用瞬时极性法来判断反馈电路是构成正反馈还是负反馈。先假设放大电路的输入端信号在某一瞬时对地的极性为()或()，然后根据各级电路输出端与输入端信号的关系（同相或反相），标出电路各点的瞬时极性，再得到反馈端信号的极性，最后通过比较反馈端和输入端的极性来判断电路的净输入是增加还是削弱。,对基本放大电路，假定信号先从输入到输出单方向传送，为正向传输；然后从反馈电路，信号从放大电路的输出到输入（即从反馈电路的输入到输出）单方向传送，这称为反向传输。若引回的反馈信号使得净输入信号减小，为负反馈。否则使得净输入信号增加，为正反馈,48,对于9-7-7所示电路,且三者同相，有,故为负反馈,由于,49,4.串联反馈和并联反馈的判断,当反馈信号与输入信号在同一个节点比较，称为并联反馈；若反馈信号与输入信号不在同一节点比较，则为串联反馈。对于共射电路和共集电路，其输入端都为基极，当反馈信号引回到基极，则为并联反馈；引到发射极为串联反馈，如图9-7-8所示,50,对于图9-7-7所示电路,RF、RE1构成的为串联反馈。,51,5.电压反馈和电流反馈的判断,只要设输出电压uo0（即将输出短路），如果反馈依然存在，则为电流反馈；如果反馈不存在，则为电压反馈。对于共射电路，若反馈信号是从集电极引回，则为电压反馈；若从发射极引回，则为电流反馈，如图9-7-9所示。电压负反馈可以稳定输出电压，电流负反馈可以稳定输出电流。,52,对于图9-7-7所示电路,RE2直流电流串联负反馈,RF、RE1构成级间交流串联电压负反馈,RE1本级交、直流串联电流负反馈,53,其稳定电压的过程如下：,54,9.7.3负反馈对放大电路性能的影响,直流负反馈的作用是稳定静态工作点。交流负反馈可以改善放大电路的动态性能,1.降低了放大倍数,对于9-7-1所示的带负反馈的放大电路的方框图，其未引入反馈时基本放大电路的放大倍数(即开环放大倍数)为：,将反馈信号与输出信号之比称为反馈系数，即,55,故输出信号为,引入反馈以后的闭环放大倍数为,由于,对于负反馈，、与是同相的，且同是电压或电流，所以是正实数。,56,2.提高放大倍数的稳定性,将称为反馈深度，其值越大，负反馈作用越强，也就越小,当外界条件变化时，即使输入信号不变，仍会引起输出信号的变化，即引起放大倍数的变化,由上式可知，输出信号比未引入负反馈时要小，也就是引入负反馈后放大倍数降低了,引入负反馈后会，会如何呢？,57,故,则放大倍数的相对变化量为,当引入负反馈后，由于,58,即放大电路的闭环放大倍数的相对变化量只有开环放大倍数相对变化量的1/(1+AF)，也就是说，放大倍数的稳定性提高了(1+AF)倍。,闭环放大倍数的相对变化量,闭环放大倍数的相对变化量,其中,59,上式说明深度负反馈的闭环放大倍数只与反馈系数F有关，即只与反馈电路有关，与三极管的特性无关，基本不受外界因素变化的影响。这时放大电路的工作相当稳定。,在深度负反馈即(1+AF)1时，有,60,3.改善波形失真,图9-7-10(a)是无反馈的基本放大电路的方框图。当输入为正弦波时，由于非线性失真，会出现一个上大下小的失真波形。,在电路引入负反馈后(图9-7-3(b)，反馈信号和输入信号成正比，是一个上大下小的波形,61,这个波形与输入信号比较后，得到的净输入为上小下大的波形，再经过基本放大电路，得到上下大小基本相同的波形。故经反馈放大电路后，可在很大程度上减少失真。,62,4.扩展通频带,在阻容耦合放大电路中，当信号频率在低频段和高频段时，放大倍数均要下降。由于负反馈具有稳定放大倍数的作用，迫使放大倍数在低、高频段下降的程度减少，使减小，增大，故使通频带展宽了,如图9-7-11所示。,图9-7-11负反馈对通频带的影响,63,5.对输入电阻的影响,负反馈对放大电路输入电阻的影响与反馈电路在输入回路的连接方式有关，即与串联反馈还是并联反馈有关,(1)串联负反馈使输入电阻增大,对于图9-7-12所示的反馈框图根据输入电阻的定义,即引入负反馈使输入电阻增大（1+AF）倍。,64,(2)并联负反馈使输出电阻降低,从图9-7-13所示的并联负反馈可得,即并联反馈使输出电阻减小(1+AF)倍。,65,放大电路引入负反馈，会使输出电阻改变，这与反馈的取样信号是电压还是电流有关。,6.对输出电阻的影响,电压负反馈可以稳定输出电压，即具有恒压输出的性质。恒压源内阻很小，故电压负反馈使输出电阻减小。,电流负反馈可以稳定输出电流，即具有恒流输出的性质。恒流源内阻很大，故电流负反馈可使输出电阻增大,66,9.8互补对称功率放大电路,a.电压放大电路的主要作用是在不失真的前提下，尽可能地提高输出电压。其工作在小信号状态下，可用微变等效电路的方法计算其动态指标：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等,多级放大电路包括电压放大电路和功率放大电路。它们的区别为：,b.功率放大电路的主要作用是在不失真或轻微失真的前提下，尽可能地对功率进行放大，以推动负载如扬声器发声、电机旋转、继电器动作、指示仪表偏转等。其工作在大信号状态，不能用微变等效电路的方法，一般采用图解法分析主要性能指标如效率、输出功率等,由于功放电路的输入为大信号，故对于功率放大电路的分析包含着一些以前没有出现过的特殊问题。,67,9.8.1对功率放大电路的基本要求,1.在不失真的前提下尽可能地输出较大功率,为了得到较大的输出功率，功率放大管往往工作在极限状态，这时要考虑功率放大管的输出失真问题；同时要考虑功率放大管的安全问题，即极限参数PCM、ICM、U(BR)CEO和散热问题。,2.功放电路要具有较高的效率,由于输出功率较大，效率问题就尤为突出。效率不高，不仅使电源提供的能量浪费，而且在电路内产生热量，使之温度升高，造成电路的不稳定。所以效率问题是功率放大电路的重要问题。,68,9.8.2提高功率放大电路效率的主要途径,a.甲类工作状态：在电压放大电路中，静态工作点设在交流负载线的中点，如图981所示,放大电路根据静态工作点的位置有三种工作状态,其特点是：不论有无输入信号，电源供给的功率总是不变的，PICUCC。当无信号输入时，电源功率全部消耗在管子和电阻上，以管子集电极损耗为主。,当有输入信号时，其中一部分转化为有用的输出功率。信号越大，输出功率越大，管子损耗越小。理想情况下的最大效率为50%。,69,b.乙类状态工作状态：静态工作点在截止区，如图9-82所示，特点是：静态集电极电流为零，无静态功耗，但输出波形严重失真,c.甲乙类状态工作状态：静态工作点在靠近截止区的放大区处，如图983所示,特点是：静态集电极电流很小无静态功耗小，效率比甲类工作状态要高，最高可达78.5%。但输出波形严重失真。,70,9.8.3互补对称功率放大电路,1.无输出电容的双电源互补对称功率放大电路（OCL）,原理电路如图9-8-4所示,a.电路结构和特点,V1为NPN管，为V2为PNP管，要求两个三极管V1、V2的特性对称一致。由于没有设置基极偏置电压，故两管的IB、IC、UBE均为零，三极管工作在乙类工作状态。从电路形式看，每个三极管接成射极输出器，具有uoui，输入电阻高，输出电阻低的特点。,71,b.工作原理,当ui为正半波时，V1导通、V2截止，流过负载RL的电流为ie1，此时uoui，如图9-8-5所示。,当ui为负半波时，V2导通、V1截止，流过负载RL的电流为ie2，由于V1、V2对称，故ie1=ie2,uoui。,72,故在输入信号ui的一个周期内，、V1、V2交替导通，互相补足，故称为互补对称功率放大电路。电流ie1、ie2以正反不同的方向交替流过负载，在上得到一个完整的输出信号uo，其波形基本和ui相似。,73,但乙类OCL有个缺点，即uo波形存在失真。如图9-8-5所示,这是因为三极管的输入特性曲线上有一段死区电压，而该电路工作于乙类状态，基极偏置为零。当输入电压尚小而不足以克服死区电压时，三极管基本截止，在这段区域内，ie=0，uo=0在正负半波相交的地方出现了失真，称其为交越失真,交越失真,为避免交越失真，采用一定的措施，使V1和V2产生一个不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态,74,这种静态工作点设置在甲乙类状态的