课件模拟电路教学课件PPT2

第二章放大电路分析基础,2.1放大电路工作原理2.2放大电路的直流工作状态2.3放大电路的动态分析2.4静态工作点的稳定及其偏置电路2.5多级放大电路,电子课件二,2.1放大电路工作原理,2.1.1电路的组成原理,图2-1共发射极基本放大电路,(1)为保证三极管V工作在放大区,发射结必须正向运用;集电结必须反向运用。图中Rb,UBB即保证e结正向运用;Rc,UCC保证c结反向运用。（2）图中Rs为信号源内阻；Us为信号源电压；Ui为放大器输入信号。电容C1为耦合电容,其作用是:使交流信号顺利通过加至放大器输入端，同时隔直流,使信号源与放大器无直流联系。C1一般选用容量大的电解电容,它是有极性的,使用时,它的正极与电路的直流正极相连,不能接反。C2的作用与C1相似,使交流信号能顺利传送至负载,同时,使放大器与负载之间无直流联系。,图22单电源共发射极放大电路,2.1.2直流通路和交流通路,图2-2电路的直流通路和交流通路可画成如图2-3(a)、(b)所示。,图23基本共e极电路的交、直流通路,放大电路的分析主要包含两个部分:直流分析,又称为静态分析,用于求出电路的直流工作状态,即基极直流电流IB;集电极直流电流IC;集电极与发射极间直流电压UCE。交流分析,又称动态分析,用来求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻三项性能指标。,2.2放大电路的直流工作状态,2.2.1解析法确定静态工作点由图2-3(a)所示,首先由基极回路求出静态时基极电流IBQ:,硅管,锗管,根据三极管各极电流关系,可求出静态工作点的集电极电流ICQ：,再根据集电极输出回路可求出UCEQ,【例1】估算图2-2放大电路的静态工作点。设UCC=12V,Rc=3k,Rb=280k,。解根据公式(2-1)、(2-3)、(2-4)得,2.2.2图解法确定静态工作点,将图2-3(a)直流通路改画成图2-4(a)。由图a、b两端向左看,其iCuCE关系由三极管的输出特性曲线确定,如图2-4(b)所示。由图a、b两端向右看,其iCuCE关系由回路的电压方程表示:uCE=UCC-iCRcuCE与iC是线性关系,只需确定两点即可:,图24静态工作点的图解法,由上可得出用图解法求Q点的步骤:(1)在输出特性曲线所在坐标中,按直流负载线方程uCE=UCC-iCRc,作出直流负载线。(2)由基极回路求出IBQ。(3)找出iB=IBQ这一条输出特性曲线,与直流负载线的交点即为Q点。读出Q点坐标的电流、电压值即为所求。,【例2】如图2-5(a)所示电路,已知Rb=280k,Rc=3k,UCC=12V,三极管的输出特性曲线如图2-5(b)所示,试用图解法确定静态工作点。,图25例2电路图,解首先写出直流负载方程,并作出直流负载线:,然后,由基极输入回路,计算IBQ,直流负载线与iB=IBQ=40A这一条特性曲线的交点,即为Q点,从图上查出IBQ=40A,ICQ=2mA,UCEQ=6V,与例1结果一致。,2.2.3电路参数对静态工作点的影响,1.Rb对Q点的影响,图26电路参数对Q点的影响,Rb增大，IBQ减小，Q点沿直流负载线下移；,Rb减小，IBQ增大，Q点沿直流负载线上移。,如图2-6(a)所示。,2.Rc对Q点的影响,Rc的变化,仅改变直流负载线的N点,即仅改变直流负载线的斜率。Rc减小,N点上升,直流负载线变陡,工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线右移。Rc增大,N点下降,直流负载线变平坦,工作点沿iB=IBQ这一条特性曲线向左移。如图2-6(b)所示。,3.UCC对Q点的影响UCC的变化不仅影响IBQ,还影响直流负载线,因此,UCC对Q点的影响较复杂。UCC上升,IBQ增大,同时直流负载线M点和N点同时增大,故直流负载线平行上移,所以工作点向右上方移动。UCC下降,IBQ下降,同时直流负载线平行下移。所以工作点向左下方移动。如图2-6(c)所示。实际调试中,主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点,而很少通过改变UCC来改变工作点。,2.3放大电路的动态分析,2.3.1图解法分析动态特性1.交流负载线的作法,图27交流负载线的画法,交流负载线具有如下两个特点:(1)交流负载线必通过静态工作点,因为当输入信号ui的瞬时值为零时,如忽略电容C1和C2的影响,则电路状态和静态时相同。(2)另一特点是交流负载线的斜率由表示。,过Q点,作一条的直线,就是交流负载线。,具体作法如下:首先作一条的辅助线(此线有无数条),然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负载线,如图2-7所示。由于,故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。交流负载线也可以通过求出在uCE坐标的截距,再与Q点相连即可得到。,连接Q点和点即为交流负载线。,【例3】作出图2-5(a)的交流负载线。已知特性曲线如图2-5(b)所示,UCC=12V,Rc=3k,RL=3k,Rb=280k。解首先作出直流负载线,求出Q点,如例2所示。为方便将图2-5(b)重画于图2-8。显然作一条辅助线,使其取U=6V、I=4mA,连接该两点即为交流负载线的辅助线,过Q点作辅助线的平行线,即为交流负载线。可以看出相一致。与按,相一致。,图28例3中交流负载线的画法,2.交流波形的画法,表2-1,仍以例3为例,设输入加交流信号电压为ui=Uimsint,则基极电流将在IBQ上叠加进ib,即iB=IBQ+Ibmsint,如电路使Ibm=20A,则,图2-9基极、集电极电流和电压波形,2.3.2放大电路的非线性失真,1.由三极管特性曲线非线性引起的失真,图210三极管特性的非线性引起的失真,2.工作点不合适引起的失真,图211静态工作点不合适产生的非线性失真,放大电路存在最大不失真输出电压幅值Umax或峰-峰值Up-p。最大不失真输出电压是指:当工作状态已定的前提下,逐渐增大输入信号,三极管尚未进入截止或饱和时,输出所能获得的最大不失真输出电压。如ui增大首先进入饱和区,则最大不失真输出电压受饱和区限制,Ucem=UCEQ-Uces;如首先进入截止区,则最大不失真输出电压受截止区限制,Ucem=ICQR,最大不失真输出电压值,选取其中小的一个。如图2-12所示,所以,3.输入信号幅值过大会引起双向失真,图212最大不失真输出电压,关于图解法分析动态特性的步骤归纳如下:(1)首先作出直流负载线,求出静态工作点Q。(2)作出交流负载线。根据要求从交流负载线可画出输出电流、电压波形,或求出最大不失真输出电压值。,2.3.3微变等效电路法,1.三极管的h参数微变等效电路三极管处于共e极状态时,输入回路和输出回路各变量之间的关系由以下形式表示:输入特性:,输出特性:,式中iB、iC、uBE、uCE代表各电量的总瞬时值,为直流分量和交流瞬时值之和,即,用全微分形式表示uBE和iC，则有,（2-8）,（2-9）,令,则(2-8)、(2-9)式可写成,（2-14）,（2-15）,则式(2-14)、(2-15)可改写成,（2-16）,（2-17）,图213完整的h参数等效电路,2.h参数的意义和求法三极管输出交流短路时的输入电阻(也可写成hie),三极管输入交流开路时的电压反馈系数(也可写成hre）,三极管输出交流短路时的电流放大系数(也可写成hfe）,三极管输入交流开路时的输出导纳(也可写成hoe),图214从特性曲线上求出h参数,由于h12、h22是uCE变化通过基区宽度变化对iC及uBE的影响,一般这个影响很小,所以可忽略不计。这样(2-16)、(2-17)式又可简化为,图215简化等效电路,图216rbe估算等效电路,2.3.4三种基本组态放大电路的分析,放大电路的性能指标(1)电压放大倍数Au。,(2)电流放大倍数Ai。,(3)功率放大倍数Ap。,(4)输入电阻ri。,(5)输出电阻ro。,图217ro测量原理图,实际中,也可通过实验方法测得ro,测量原理图如图2-17所示。第一步令RL时,测出放大器开路电压Uo。第二步接入RL,测得相应电压为Uo。而,2.共e极放大电路,图218共e极放大电路及其微变等效电路,(1)电压放大倍数,(2)电流放大倍数,由等效电路图2-18(b)可得IiIb,IoIc=Ib,则,考虑Rb的作用,电流在输入端存在分流关系。考虑负载Rc、RL的影响,电流在输出端也存在一个分流关系。,(3)输入电阻ri:由图2-18(b)可直接看出ri=Rbri,式中,由于Ui=Ibrbe，所以ri=rbe。当Rbrbe时,则ri=Rbrberbe,(4)输出电阻ro:由于当Us=0时,Ib=0,从而受控源Ib=0,因此可直接得出ro=Rc。注意,因ro常用来考虑带负载RL的能力,所以,求ro时不应含RL,应将其断开。,(5)源电压放大倍数,3.共c极放大电路,图219共c极放大电路及其微变等效电路,(1)电压放大倍数,(2)电流放大倍数,(3)输入电阻ri:,共c极放大电路输入电阻高,这是共c极电路的特点之一。,(4)输出电阻ro:,图220求ro等效电路,则,综上所述,共c极放大电路是一个具有高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1的放大电路。所以共c极放大电路可用来作输入级、输出级,也可作为缓冲级,用来隔离它前后两级之间的相互影响。,4.共b极放大电路,图221共b极放大电路及其微变等效电路,(1)电压放大倍数,：,(2)输入电阻ri:,与共e极放大电路相比,其输入电阻减小到rbe/(1+)。,(3)输出电阻ro:,(4)电流放大倍数,2.4静态工作点的稳定及其偏置电路,(1)温度上升,反向饱和电流ICBO增加,穿透电流ICEO=(1+)ICBO也增加。反映在输出特性曲线上是使其上移。(2)温度上升,发射结电压UBE下降,在外加电压和电阻不变的情况下,使基极电流IB上升。(3)温度上升,使三极管的电流放大倍数增大,使特性曲线间距增大。,图222温度对Q点和输出波形的影响实线:20时的特性曲线虚线:50时的特性曲线,图223电流反馈式偏置电路,(1)要保持基极电位UB恒定,使它与IB无关,由图2-23可得,此式说明UB与晶体管无关,不随温度变化而改变,故UB可认为恒定不变。,(2-40),(2-41),(2)由于IE=UE/Re,所以要稳定工作点,应使UE恒定,不受UBE的影响,因此要求满足条件,稳定工作点的过程可表示如下:,(2-42),(2-43),实际中公式(2-40)、(2-42)满足如下关系:,对硅管,UB=35V;锗管,UB=13V。,对图2-23所示静态工作点,可按下述公式进行估算:,如要精确计算,应按戴维宁定理,将基极回路对直流等效为,如图2-24所示,然后按下式计算直流工作状态:,图224利用戴维宁定理后的等效电路,图225图2-23的微变等效电路,图2-23的动态分析如下所述:,(1)电压放大倍数,(2)输入电阻ri:由图2-25可得,(3)输出电阻ro:,【例4】设图2-23中UCC=24V,Rb1=20k,Rb2=60k,Re=1.8k,Rc=33k,=50,UBE=0.7V，求其静态工作点。,2.5多级放大电路,2.5.1多级放大电路的耦合方式常用的耦合方式有三种,即阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。1.多级放大电路的组成,图229多级放大电路组成的方框图,信号源,中间级,输出级,负载,输入级,多级放大电路,2.阻容耦合,图230阻容耦合放大电路,图231直接耦合放大电路,3.直接耦合,图232直接耦合方式实例,4.变压器耦合,图233变压器耦合放大电路,2.5.2多级放大电路的指标计算1.电压放大倍数,由于,则上式可写成,加以推广到n级放大器,图234三级阻容耦合放大电路,图235考虑前后级相互影响,2.输入电阻和输出电阻一般说来,多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻,而输出电阻就是输出级的输出电阻。由于多级放大电路的放大倍数为各级放大倍数的乘积,所以,在设计多级放大电路的输入级和输出级时,主要考虑输入电阻和输出电阻的要求,而放大倍数的要求由中间级完成。具体计算输入电阻和输出电阻时,可直接利用已有的公式。但要注意,有的电路形式,要考虑后级对输入级电阻的影响和前一级