第02章.基本放大电路.ppt

,第二章基本放大电路,2.1放大的概念和放大电路的主要性能指标,2.4放大电路静态工作点的稳定,2.5晶体管单管放大电路的三种基本接法,2.6晶体管基本放大电路的派生电路,2.7场效应管放大电路,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,作业：3、4、10、11、13、18、21自己在书上作的題：2、8、9、12、20,2.1.2放大电路的性能指标,放大电路,图2.1.2放大电路示意图,Rs,Ro,RL,Us,Uo,Uo,Ui,+,_,+,+,_,_,_,+,一.放大倍数（增益）,衡量电路放大能力的指标,电压放大倍数,电流放大倍数,电压对电流放大倍数,电流对电压放大倍数,输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比,Ii,Io,放大电路,图2.1.2放大电路示意图,Rs,Ro,RL,Us,Uo,Uo,Ui,+,_,+,+,_,_,_,+,二.输入电阻,表明放大电路从信号源索取电流大小,三.输出电阻,Ii,Io,表明放大电路的带负载能力,Uo为空载时输出电压,Uo为带载后的输出电压,图2.1.4放大电路的频率指标,四.通频带,反映放大电路对不同频率信号的放大能力,五.非线性失真系数,输出波形中谐波成分总量与基波成分之比,下限截止频率,上限截止频率,fbw=fH-fL,六.最大不失真输出电压Uom（有效值）,七.最大输出功率Pom与效率,f,或用峰峰值Uopp表示，,输出信号不失真的情况下负载上获得的最大功率,Pv是电源消耗功率,图2.2.1基本共射放大电路,2.2基本共射放大电路的工作原理,2.2.1基本共射放大电路的组成及各元件的作用,T:NPN三极管；起放大作用，是放大电路的核心关键。,Vcc:提供能源；使集电结反偏。,Rc：将集电极电流变化量转换为电压变化量。,VBB:使发射结正偏。Rb:限流作用。,提供IB，使其有合适的工作点。,2.2.2设置静态工作点的必要性,一、静态工作点,二、为什么要设置静态工作点,图2.2.2基本共射放大电路,当Ui=0时，电路的直流IB、UBE、IC、UCE,保证放大电路不产生失真,UBEQ：硅管0.7V,锗管0.2V,2.2.3基本共射放大电路的工作原理及波形分析,一、直流通路和交流通路,Rc,Rb,T,+Vbb,+Vcc,Rc,Rb,T,+,-,+,-,（b）交流通路,(a)直流通路,2交流通路：Ui(Us)作用下的通路。,1直流通路：Ui=0，Vcc、VBB作用下的通路。,C开路，L短路，Us短路，保留Rs。,C短路，固定的直流电源，VCC、VBB短路。,图2.3.1,二、波形分析,在直流的基础上叠加交流，要有合适的Q点及工作区域，才能不失真放大。,t,t,t,t,o,o,o,o,ui,uo,UCEQ,uCE,IBQ(ICQ),iB(iC),(a),(c),(b),(d),图2.2.3基本共射放大电路的波形分析,(a)ui的波形(b)iB(iC)的波形(c)uUCE的波形(d)uo的波形,2.2.4放大电路的组成原则,一、组成原则,二、基本共射放大电路的实际电路,1.直接耦合方式,RC,Rb2,T,-,+,+Vcc,Rb1,RL,uo,-,+,Rs,us,1、有直路电源，保证e结正偏，c结反偏；2、有合适的Q点及工作区域，保证不失真；3、输入信号加得上，即产生iB、uBE；4、输出信号取得出，即产生iC、uCE。,图2.2.4.直接耦合共射放大电路,图2.3.2(a).直接耦合共射放大电路,图2.3.2(b)直流通路,RC,Rb2,T,+Vcc,Rb1,RL,IBQ,Rs,RC,Rb2,T,-,+,Rb1,RL,-,+,Rs,图2.3.2(c)交流通路,2.阻容耦合方式,C1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路；C2用来隔断放大电路与负载之间的直流通路。同时又起到耦合交流的作用，其电容值应足够大，以保证在一定的频率范围内，耦合电容上的交流压降小到可以忽略不计，即对交流信号可视为短路。,图2.2.5.阻容耦合共射放大电路,(a)直流通路,RC,Rb,T,+Vcc,IBQ,RC,Rb,T,-,+,RL,uo,-,+,Rs,us,.,.,(b)交流通路,-,+,ui,.,图2.3.3,2.3放大电路的分析方法,2.3.2图解法,一、静态工作点的分析(静态分析）,uBE/V,Q,iB,线性：UBE=VBB-iBRb,输入回路负载特性,1、输入回路,IBQ,VBB,uI,uBE,iB,VBB/Rb,(VBB+uI)/Rb,UBEQ,图2.3.5(a)输入回路的图解分析,非线性：iB=f(uBE),输入回路直流负载线（VBB,0),(0,VBB/Rb),斜率-1/Rb。,交点即Q(UBEQ,IBQ),2.3.1直流通路与交流通路(见上节),0,UCEQ,uCE,非线性：iC=f(uCE)线性：UCE=VCC-iCRC,ICQ,IB=IBQ+iB,IB=IBQ,uCE,iC,2、输出回路,VCC,VCC/R,图2.3.5(b)输出回路的图解分析,交点即Q(UCEQ,ICQ),iC,输出回路直流负载线（VCC,0),(0,VCC/RC),斜率-1/RC。,二、电压放大倍数的分析（交流信号）,图2.3.6基本共射放大电路的波形分析,uO与uI反相,图2.3.7基本共射放大电路的截止失真,t,三、波形非线性失真的分析,1Q点偏低，易产生截止失真；,ic,uo,iC,Q2,t,uCE,克服方法:加大VBB,减小Rb,(a),(b),NPN，上截止,Q,uo,Q2,Q1,uCE/V,图2.3.8基本共射电路的饱和失真,iC/mA,t,t,UCEQ,ICQ,2Q点偏高，易产生饱和失真。,克服方法:增大Rb(减小IBQ)减小RC(增大负载线斜率)减小,ic,ib,0,NPN，下饱和,总之：,为了保证输出幅度大且波形不失真，动态时:Q点应选在交流负载线的中点，一般UCEQ选为(VCC-UCES)/2。,四、直流负载线和交流负载线,Q,UCE,VCC,交流负载线（-1/（RC/RL),直流负载线（-1/Rc),五、图解法适用范围,不饱和输出幅:UCEQ-UCES不截止输出幅度:ICQRL取二者较小的一个。,对阻容耦合电路来说，交直流通路不一样，因此负载线不一样。交流负载线过Q点，斜率为-1/RL，更陡，动态范围更小。,幅度较大，f不高；分析Q点位置，不失真Uom情况。,t,A,UCEQ,B,ICQRL,图2.3.9直流负载线和交流负载线,例2.3.1在图2.2.1所示电路中，由于电路参数的改变使静态工作点产生如图2.3.10所示的变化。试问：（1）当静态工作点从Q1移到Q2、Q2移到Q3、Q3移到Q4分别是因为电路的哪个参数变化造成的？这些参数是如何变化的？（2）当电路的静态工作点分别是Q1Q4时，哪种情况下最容易产生截止失真？那种情况下最容易产生饱和失真？那种情况下最大不失真输出电压Uom最大？其值约为多少？（3）电路的静态工作点为Q4时，集电极电源VCC的值为多少？集电极电阻RC为多少千欧？,图2.2.1,0,IB=10A,20A,30A,40A,4,2,6,12,uCE/V,Q2,3,1,2,4,Q1,iC/mA,8,10,Q3,Q4,解：,(1)Q1Q2：RC减少；Q2Q3：Rb减少或VBB增大；Q3Q4：VCC增大；,(2)Q1、Q2最容易截止失真；Q3最容易饱和失真；Q4的最大不失真电压Uom最大。,(3)由图可得，VCC=12V,RC=VCC/IC=3k。,图2.3.10例2.3.1图,2.3.3等效电路法线性化-直流模型、交流模型,一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算法,e,b,c,ICQ,UCEQ,Uon,+,+,-,-,UBEQ,IBQ,图2.3.11晶体管的直流模型,uBE,Uon,iB,uCE,IB1,IB3,IB2,IB1,IB2,IB3,(a),(b),(c),(a)输入特性曲线折线化(b)输出特性曲线理想化直流模型,iC,例电路如图2.2.5(a)所示，其中Rb=510k,Rc=3k,VCC=12V,=100。求其静态工作点Q。（模型未必画出）,RC,Rb,T,-,+,+Vcc,uo,-,+,ui,C1,C2,图2.2.5(a),二、晶体管共射h参数等效模型交流模型,原则：三极管在小信号(微变量)情况下工作时,可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线,三极管就可以用线性双口网络来等效代替.,1、h参数等效模型,uBE,iB,UCE1,UCEQ,UCE2,UCE!,UBEQ,IBQ,Q,uCE,IBQ,ICQ,UCEQ,o,iC,(a)输入特性曲线,(b)输出特性曲线,将晶体管看成一个双口网络，由输入输出曲线可得,图2.3.12晶体管共射h参数等效模型,对上式两边求全微分，得,令,将各式dx以有效值代替，于是可得:,Ic,Uce,Ube,h11,Ib,h12,Uce,.,.,.,(c)共射h参数等效模型,图2.3.12晶体管共射h参数等效模型,.,.,.,（注意关联参考方向）,2、h参数的物理意义,图2.3.13h参数的物理意义及求解方法(a)h11e(b)h12e：(c)h21e(d)h22e,(a)h11e：输入动态电阻(b)h12e：内反馈系数Uce对Ube的影响,(c)h21e：Q点处(d)h22e：输出导纳,Uce,Ube,rbe,+,-,+,-,图2.3.14简化的h参数等效模型,3、简化的h参数等效模型,低频小功率管的rbb100-300，常温下UT26mV.,Ib,Ic,.,.,.,.,.,4、h11e(rbe)的近似表达式,三、共射放大电路动态参数的分析（交流性能计算）画出交流等效电路,Ic,rbe,Ib,+,-,+,-,Rb,Rc,图2.3.16基本共射放大电路交流等效电路,1.电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,例2.3.2见书,.,.,.,例2.3.3在图示电路中，已知Vcc=12V，Rb=510k，Rc=3k;晶体管的rbb=150,=80,导通时的UBEQ=0.7V；RL=3k。(1)求出电路的、Ri和Ro;(2)若所加信号源内阻RS为2k,求出,T,+,+,C1,RC,RB,VCC,C2,us,uo,RS,RL,1,根据直流模型求静态工作点,（1)电压放大倍数,(2)输入电阻,(3)输出电阻,图2.3.17微变等效电路,rbe,E,B,C,Ri,RS,(4)源电压放大倍数,2求电路的Au、Ri、Ro、Aus；,2.4放大电路静态工作点的稳定,2.4.1静态工作点稳定的必要性,一、必要性Q变，产生失真；影响动态参数rbe，从而影响Au、Ri。二、影响因素温度升高：增大，ICEo增加，UBE减小，使ICQ增大；温度降低：减小，ICEo减小，UBE增大，使ICQ减小。,稳定Q点，是指在环境温度变化时静态集电极电流ICQ和管压降UCEQ基本不变。,图2.4.1晶体管在不同环境温度下的输出特性曲线,+VCC,RC,C1,C2,T,RL,Re,2.4.2典型的静态工作点稳定电路,+,+,一.电路组成及工作原理,对于设计好的电路均能满足I1IB,I2IB,可以,认为I1I2,则,Rb2,uo,RS,us,图2.4.2静态工作点稳定电路,+,+,-,-,IB,温度升高ICIEUEUBE,IC,二.静态工作点的估算,UCE,（UBUBE）,三、动态参数的估算,1有旁路电容时,+,-,-,+,图2.4.4阻容耦合Q点稳定电路的交流等效电路(a),rbe,Re使Au减小，Ri增加。,Ib,RC,RL,Rb2,Rb1,Re,Ri,Ie,2无旁路电容时,图2.4.4阻容耦合Q点稳定电路的交流等效电路(b),+,+,-,-,由Ui=Ibrbe+(1+)IbReUo=RLIC,得：,例2.4.1在图示电路中，已知：VCC=12V，Rb1=5K,Rb2=15K,RC=5.1K,Re=2.3K,RL=5.1K,三极管的=100,rbe=1.5K,UBEQ=0.7V。,(1)估算静态工作点Q;(2)分别求出有、无Ce两种情况下的Au和Ri。,RC,C1,C2,T,RL,Re,+,+,Rb2,RS,us,+,-,uO,uI,+,-,图2.4.2(b),解：（1）求解Q点，因为(1+)ReRb1/Rb2，,IEQ,UCEQ=VCCICQ(RC+Re),=121(5.1+2.3)=4.6V,直流通路,所以,（2）求解Au和Ri。,(i)有Ce时：,(ii)没有Ce时，由于(1+)Rerbe,且1，所以,+,-,+,-,2.4.3稳定静态工作点的措施,RC,C1,C2,T,RL,Re,+,+,Rb2,Rb1,D,RC,C1,T,+,Rb,D,+,-,+,-,+,-,+,-,Uo,Uo,Ui,Ui,采用温度补偿方法稳定Q点,图2.4.5静态工作点稳定电路,(a)利用二极管的反向特性进行温度补偿(b)利用二极管的正向特性进行温度补偿,(a)T(),Ic,IR,IB,Ic,(b)T(),Ic,Ic,UE,UBE,UB,UD,(a),(b),2.5晶体管单管放大电路的三种基本接法,2.5.1基本共集放大电路(射极输出器）,ui,T,uo,Rb,Re,VCC,VBB,+,-,(a),Rb,Re,T,+VBB,+VCC,IBQ,IEQ,(b),T,Uo,Re,Rb,(c),图2.5.1基本共集放大电路,(a)电路(b)直流通路(c)交流通路,一、电路的组成,+,-,+,-,Ui,.,.,+,-,二、静态分析,列方程求静态工作点Q。,由直流通路列出输入回路的方程,得静态工作点Q:,Rb,Re,T,+VBB,+VCC,IBQ,IEQ,三、动态分析,T,uo,Rb,+,-,Ui,.,.,由交流通路可以看出，对交流信号而言，集电极C接地，集电极是输入、输出电路的公共端，所以射极输出器是共集电极放大电路。,交流通路,1.电压放大倍数,(1+)Re,Rb+rbe+(1+)Re,2.输入电阻,Ri=Rb+rbe+(1+)Re,Rb,rbe,Ib,b,c,e,Re,+,+,_,_,Ic,.,.,.,.,图2.5.2基本共集放大电路的交流等效电路,.,3.输出电阻Ro,图2.5.3共集放大电路的输出电阻,结论：,例2.5.1在下图中，已知VBB=6V,VCC=12V,Rb=15k,Re=5k;晶体管的UBEQ=0.7V,rbb=100,=50.试估算Q点、Au、Ri和Ro.,ui,T,uo,Rb,Re,VCC,VBB,+,-,1、,2、,四、实用电路,T,+,+,us,uo,RS,C1,Rb,C2,Re,RL,VCC,+,_,+,_,1、求静态工作点,Rb,Re,T,+VCC,IBQ,IEQ,rbe,Ib,RL,Rb,Rs,Re,+,_,+,_,Ri,b,c,e,2、,（1）电压放大倍数,（2）输入电阻,（3）输出电阻,+,-,Us,Ui,2.5.2基本共基放大电路,UCEQ=UCQUEQ=VCCICQRc+UBEQ,ui,uo,Rc,Re,Vcc,Vbb,一、电路组成,+,-,+,-,IBQ=,IEQ,1+,二、直流计算,图2.5.4基本共基放大电路,(a),Uo,1.电压放大倍数,2.输入电阻,Re,RC,rbe,3.输出电阻,Ro=Rc,三、交流计算,+,-,+,-,Ie,e,b,c,.,.,.,.,.,Ro,基本共基放大电路交流等效电路,图2.5.4(c),例2.5.2自看,=,四、实用电路,us,uo,+Vcc,+,-,+,-,Rs,Re,Rb1,RL,Rb2,Rc,C1,Cb,C2,1、直流,2、交流计算,Us,+,-,+,-,Rs,Re,RL,Rc,.,.,Uo,Re,RC,rbe,+,-,+,-,Ie,e,b,c,.,.,.,Ro,Us,+,-,Rs,.,.,.,.,Ii,Uo,Ri,Ri,(a)交流通路,(b)交流等效电路,(1),(2),(3),2.5.3三种接法的比较,共射可放大电流及电压，输入电阻适中，输出电阻较大，用于低频电压放大电路。共集电路只能放大电流，输入电阻大，输出电阻小，用于放大电路的输入和输出级。共基只能放大电压，输入电阻小，频率特性好，用于宽频带放大电路。,2.6晶体管基本放大电路的派生电路,2.6.1复合管放大电路,复合管的组成原则：每个管子的各极电流均有合适的通路，且工作在放大区第一只管的集电极或发射极电流作为第二只管的基极电流。复合管的类型与第一只管相同。,一、复合管的组成及其电流放大系数,NPN+NPN=NPNPNP+PNP=PNPPNP+NPN=PNPNPN+PNP=NPN,c接一起作c,e作下一级b,下级e作e。,前级e连后级c作e,前级c作下一级b。,T1,T2,ic1,ie=ie2,ic2,ib=ib1,ie1=ib2,ic,(a),复合管的等效电流放大系数为,(a)T1为NPN型,T2为NPN型,复合管为NPN型,(d)T1为NPN型,T2为PNP型,(d),(c)T1为PNP型,T2为NPN型,复合管为PNP型,复合管的等效电流放大系数仍为,(b),(b)T1为PNP型,T2为PNP型,T1,T2,ic=ie2,ic2,ib=ib1,ic1=ib2,ie,(c),ie1,2.7场效应管放大电路,2.7.1场效应管放大电路与晶体管电路的比较,一、相同之处,二、不同之处,1、能实现对信号的控制；2、三个电极相对应；3、三种组态相对应；4、分析方法相同。,1、MOSFET是电压控制元件；BJT是电流控制元件；2、FET输入阻抗很高；BJT输入阻抗较小；3、为实现放大，对FET，在栅极回路加偏压；而对BJT则加以适当的偏流。,2.7.2静态工作点的设置与分析估算,+VDD,Rd,uo,+,ui,Rg,s,g,d,N沟道增强型场效应管,一、基本共源放大电路,+,-,-,图2.7.2基本共源放大电路,1电路的组成,VDD应使UDS预夹断电压,Vgg,VGG应UGS(th),（1）图解法,因为UGS=VGG,UDSQ=VDD-IDQRd,所以IDQ,2Q点的计算,Q,UGS=VGG,UDQ,IDQ,VDD/Rd,iD,VDD,uDS,图2.7.3图解法求基本共源放大电路的静态工作点,（2）估算法,找出曲线UGSQ=VGG,作直流负载线UDSQ=VDD-IDQRd,二者交点Q坐标值:IDQ、UDSQ,iD=,IDO(,uGS,UGS(th),1)2,二、自给偏压电路,+VDD,Rd,C1,C2,RL,Rg,+,+,ui,+,+,-,-,uo,Rs,+,CS,图2.7.4(a)结型场效应管放大电路,图2.7.4(a)中：,联立求解IDQ、UGSQ,+VDD,RD,C1,C2,RL,RG,+,+,ui,+,+,-,-,uo,图2.7.4(b)耗尽型MOS管放大电路,图2.7.4(b)中，当UGSQ=0时,+VDD,Rd,C1,C2,RL,Rg1,RS,+,CS,+,+,Ui,Rg2,Rg3,g,+,+,-,-,U0,A,.,.,三、分压式偏置电路,图2.7.5分压式偏置电路,静态时栅极电流为0，所以栅-源