第3章-放大电路基础.ppt

1、第3章 放大电路基础,3.1 单管共发射极放大器,3.1.1 电路的组成,3.1.2 静态分析,3.2 微变等效电路分析法,3.2.1 简化的晶体管共发射H参数,3.2.2 用H参数等效电路分析共发射极放大器,3.3 静态工作点稳定电路,3.3.1 温度影响静态工作点,3.3.2 分压式电流负反馈偏置电路,3.1.3 动态分析,第3章 放大电路基础,3.4 单管共集电极电路,3.4.1 电路的组成,3.4.2 静态分析,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,3.6.1 RC电路的频响,3.6.2 单管共发射极放大器的频率特性,3.4.3 动态分析,3.4.4 射极输出器的应用,3.5 共基极放

2、大电路简介,3.6.3 频率失真,3.6.4 电路元器件参数的选择,第3章 放大电路基础,3.7 多级放大器,3.7.1 四种级间耦合方式,3.7.2 多级放大器的频响,3.9 放大器的调整与调试,3.7.3 放大倍数(增益)的分贝表示法,3.8 放大器的噪声与抗干扰措施,第3章 放大电路基础,【本章难点 】分压式电流负反馈偏置电路与射极输出器的分析 放大器的调整与调试,【本章要点】基本放大器的组成及工作原理 静态工作关系判断与稳定 微变等效电路分析方法 三种放大电路(共射、共集、共基电路) 多级放大电路的四种耦合方式,3.1 单管共发射极放大器,3.1.1 电路的组成,第3章 放大电路基础,

3、输入信号为 输出交流电压为,晶体管T：NPN型硅管，具有电流放大作用 ,是整个电路的核心。Vcc是直流电源，它的作用是使发射结满足正向偏置、集电结满足反向偏置，使晶体管具备放大的外部条件，它同时也是信号放大的能源。,基极电阻Rb： 给基极提供了一个合适 的基极电流，其值通常为几十千欧至几百千欧 。,3-1 单管共射放大电路,3.1 单管共发射极放大器,第3章 放大电路基础,符号“ ” ：电路的参考零电位,耦合电容C1 、 C2：称为耦合电容，也称隔直电容,对直流信号来说，容抗为无穷大，相当于把电容支路断开(隔直);对于交流信号而言，容抗很小，其上的交流压降可以忽略不计，于是交流信号便可无衰减地

4、通过电容传送出去。因此，电容的作用可概括为“隔离直流、传送交流”。,集电极负载电阻Rc：将集电极电流转换成集电极发射极之间的电压，其值通常为几千欧至几十千欧。,图中符号“”表示接机壳或接底板，常称“接地”，必须指出，它并不真正接到大地的地电位，而表示电路的参考零电位，它只是电路中各点电压的公共端点。 为了分析方便，我们规定：电压的正方向是以共同端为负端，其他各点为正端。图3-1中所标出的“”、“”号分别表示各电压的假定正方向；而电流的假定正方向如图中箭头所示，即以流入电极为正，则以流出电极为正。,3.1 单管共发射极放大器,当放大电路没有输入信号(ui=0)时，电路中只有直流电源作用，各处的电

5、压和电流都是直流量，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态工作点Q IBQ、ICQ、UCE,3.1.2 静态分析,第3章 放大电路基础,1. 估算法确定静态工作点,3-2 共射放大电路直流通路,共射放大电路直流通路如图3-2所示,(3-1),3.1 单管共发射极放大器,第3章 放大电路基础,上式中UBE为发射结正向压降，硅管约为0.7V，锗管约为0.2V(绝对值)，通常，所以式(3-1)可近似为,(3-2),上式中若选定 和 后， (偏流)即为固定值，所以图3-1所示电路又称为固定偏流共射放大电路。,(3-3),(3-4),3.1 单管共发射极放大器,2. 图解法确定静态工作点,第3章 放

6、大电路基础,在晶体管的输出特性曲线中可找出对应的一条输出特性曲线。可用截距法作出这条直线，分别在横、纵轴上找出两个特殊点，即M(Vcc，0)和N(0，Vcc/Rc)。直线MN的斜率为1/Rc，是由集电极负载电阻确定的，所以这条直线称为直流负载线。，直流负载线与晶体管某一输出特性曲线的交点即为静态工作点Q，进而求得相应的静态值如图3-3所示。 。,3-3 静态工作点的图解,3.1 单管共发射极放大器,放大电路加上交流输入信号后，电路中同时存在直流量和交流量，电压和电流都在静态值的基础上产生与输入信号相对应的变化，放大电路中晶体管的工作点也将围绕静态工作点上下移动。这就是放大电路的动态(或交流)工

7、作状态。,3.1.3 动态分析,第3章 放大电路基础,在动态时，如果只研究电路中的交流量，则耦合电容器相当于短接，而直流电源在内阻忽略不计时也相当于对地短接。由此可得放大电路的“交流通路”，如图3-4所示。,3.1 单管共发射极放大器,第3章 放大电路基础,图 3-4 共射放大电路,3.1 单管共发射极放大器,交流负载线反映的是动态时电流ic和电压uce的变化关系，其斜率应为 ,( ),交流负载线比直流负载线要陡一些。,1交流负载线,第3章 放大电路基础,动态工作情况下，工作点围绕静态工作点Q在交流负载线上上下移动，从而在放大电路各部分产生不同的信号变化，由此可得出如下结论 :,(1)在适当的

8、静态工作点和输入信号幅值足够小的条件下，晶体管各极电流和各极间的电压都是由两个分量线性叠加而成的，其中一个是由直流电源引起的直流分量，另一个是随输入信号而变化的交流分量。,3.1 单管共发射极放大器,第3章 放大电路基础,(2)当输入信号是正弦波时，电路中各交流分量都是与输入信号同频率的正弦波，其中ib、ic、ube与ui同相，而uce、uo与ui反相。输出电压与输入电压相位相反，这种现象称为放大电路的倒相作用。,(3)输出电压的幅度比输入电压的幅度大得多，说明通过电路输入电压被线性放大了。,3.1 单管共发射极放大器,2. 静态工作点对输出波形的影响,第3章 放大电路基础,(1) 截止失真,

9、静态工作点的位置过低，晶体管工作在截止区，使uo的正半周出现了平顶，如图3-5(a)所示。可以通过减小Rb来加以克服。,(2) 饱和失真 静态工作点设置过高，晶体管工作在饱和区，使uo的负半周出现平顶,如图3-5(b)所示。可以通过增大Rb的方法加以克服。,所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形不再相似，这是放大电路应该尽量避免的现象。,3.1 单管共发射极放大器,第3章 放大电路基础,图 3-5 静态工作点对输出波形的影响,3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,3.2.1 简化的晶体管共发射H参数,晶体管的输入电阻为rbe，结合PN结交流电阻的表达式，可以利用下面的公式估算

10、：,是晶体管的基区体电阻，低频小功率管为几百欧(通常取300为估算值),如果放大电路的输入信号电压很小，就可以把晶体管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把晶体管这个非线性元件所组成的电路当作线性电路来处理，进而建立晶体管的微变等效电路，也称为晶体管的小信号模型。,(3-5),3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,当晶体管工作在输出特性曲线的线性区,其输出回路可用受控电流源ib来代替输出回路的电压电流关系。晶体管对应的H参数等效电路如图3-9所示。该受控电流源ib是受控制，其大小和方向都由ib决定。,图 3-9 晶体管的H参数等效电路,3.2 微变等效电路分析法,第3章

11、放大电路基础,3.2.2 用H参数等效电路分析共发射极放大器,1画出简化的H参数等效电路,图 3-10 共发射极放大器H参数等效电路,3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,2求电压放大倍数,放大电路输出电压 与输入电压 之比，是衡量放大电路电压放大能力的指标。即,为负值，表示输出电压与输入电压的相位相反。共射放大电路的电压放大倍数是较大的，通常为几十倍到几百倍。,由图3-7(b)可得：,(3-6),(3-7),3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,3求输入电阻,输入电阻 是衡量放大电路对输入电压衰减程度的重要指标。通常要设法提高放大电路的输入电阻 ,尤其是当信号源内阻较

12、高的场合更应如此。,图3-11 求放大电路的输入电阻,由图3-11可得：,(3-8),3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,4求输出电阻,对于负载(或后级放大电路)，放大电路可以看成是一个等效电阻为 ，等效电动势为 的电压源，如图3-11所示，这个等效电源的内阻就是放大电路的输出电阻 ，即从放大电路的输出端2-2往左看的等效电阻。,图3-11 放大电路的输出电阻,3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,通常用输出电阻 来衡量放大电路负载能力， 越小，意味着放大电路的负载能力越强。,图3-12 求放大电路的输出电阻,如图3-12所示，将输入端信号源 短接(但保留其内阻)，同

13、时去掉输出端的负载电阻 ，然后在输出端外加电压 ，在 的作用下，输出端将产生一电流 ，在此电路中，由于 ，则 ，相应 和 也为零，输出电阻为：,（3-11）,3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,例3-2 如图3-13(a)所示电路中， ，试用H参数等效电路分析法求解下列问题。 (1) 电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。 (2)信号源内阻 时的电压放大倍数。,图3-13 例3-2的电路图,3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,解 (1)由图3-13(a)可知,则,画出H参数等效电路如图3-13(b)所示。,3.2 微变等效电路分析法,第3章 放大电路基础,(2)考虑信号

14、源内阻时的电压放大倍数又称为源电压放大倍数，用 表示，其定义式为,根据图3-13(b)所示的H参数等效电路可导出,由此可见，由于信号源存在内阻 ，使输入信号在 上损失了部分，从而使放大倍数下降了。,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放大电路基础,3.3.1 温度影响静态工作点,1温度对反向饱和电流 的影响,温度每升高10， 约增加一倍。穿透电流 随温度的变化规律也大致相同，因为 ，所以温度升高时，输出特性曲线将向上移动。,2温度对发射结电压 的影响,在同一 值下，温度升高，对应的发射结正向电压 将减小。在固定偏流式的共射放大电路中， 减小意味着 增大。,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放

15、大电路基础,3温度对电流放大系数的影响,温度每升高1,要增加0.5%1.0%。值增大表现为输出特性各条曲线间隔增大。,综上所述，对于固定偏流放大电路，晶体管的参ICBO、UBE和都随温度变化而变化。当温度升高时，它们变化的总结果是静态电流ICQ增大，使静态工作点沿直流负载线上移，从而破坏了静态工作点的稳定性。,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放大电路基础,1. 稳定静态工作点的原理,(1)利用电阻Rb1和Rb2分压来稳定基极电位UB,(2)利用发射极电阻Re引入电流负反馈,从而实现ICQ的稳定,根据直流通路得：,3.3.2 分压式电流负反馈偏置电路,（3-12）,3.3 静态工作点稳定电路

16、,第3章 放大电路基础,图3-14 分压式偏置稳定电路,电路组成如图3-14所示：,Rb1：上偏流电阻 Rb2：下偏流电阻 这两个电阻决定基极电位 Rc集电极直流负载电阻从其取出集电极输出电压 Re发射极交直流负反馈 电阻稳定静态工作点 C1、C2耦合电容，起通交隔直作用 T晶体管起电流放大作用,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放大电路基础,2. 静态分析,根据直流通路得：,（3-13）,（3-14）,（3-15）,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放大电路基础,3. 动态分析,(1)求电压放大倍数,图3-15 分压式偏置稳定电路的H参数等效电路,分压式偏置稳定电路对应H参数等效电路如图

17、3-15所示：,（3-16）,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放大电路基础,由式(3-16)可知，由于 的接入，虽然稳定了静态工作点，但却使放大倍数下降了，而且 越大，下降就越多。为解决这一问题，通常在上并联一个大电容(一般为几十到几百微法)，此时对于交流信号发射极可以看成直接接地，所以 又称为射极旁路电容。这样就使分压式偏置稳定电路既稳定了静态工作点，又没降低放大倍数。,(2)求输入电阻ri,根据图3-15可得：,（3-17）,3.3 静态工作点稳定电路,第3章 放大电路基础,(3)求输出电阻ro,根据图3-15可得：,（3-18）,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,3.4

18、.1 电路的组成,从交流通路如图3-18(b)可以看出，集电极是输入回路和输出回路的公共端，因此属于共集组态。由于输出信号从发射极引出，故又称为射极输出器。,(a)共集电极电路图 (b)交流通路,图3-18 共集电极电路,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,3.4.2 静态分析,根据直路通路可列出基极回路的表达式：,则,（3-19）,（3-20）,（3-21）,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,3.4.3 动态分析,图3-19 射极输出器的H参数等效电路,共集电路H参数等效电路如图3-19所示：,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,1电压放大倍数,射极输出

19、器的 近似等于1。另外，电压放大倍数为正，说明输出电压与输入电压同相。由于输出电压基本与输入电压相等，并随输入电压的变化而变化，所以共集电极放大电路也可称为射极跟随器。,根据图3-15可得：,（3-22）,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,2. 输入电阻ri,与共射放大电路相比，共集放大电路的输入电阻是比较高的(通常比共射放大电路的输入电阻大几十倍到几百倍)。,（3-23）,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,3输出电阻ro,采用分析法，将信号源us短接，但保留其内阻Rs，去掉RL在输出端外加一个电压U，计算ro的电路如图3-20所示：,图3-20 求共集电极放大电路

20、输出电阻,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,通常 ，所以,共集放大电路的输出电阻很低，一般在几十到几百欧范围内。,根据图3-20可列写：,（3-24）,（3-25）,3.4 单管共集电极电路,第3章 放大电路基础,3.4.4 射极输出器的应用,通过上述分析可知，射极输出器的特点是：电压放大倍数接近于1但恒小于1；输出电压与输入电压同相；输入电阻高；输出电阻低。虽然无电压放大作用，但仍有电流和功率放大作用。,射极输出器的输入电阻高，可使输入信号源提供的电流较小，减小对信号源的衰减。输出电阻低，可使放大电路的带载能力增强。所以，利用这两个特点，射极输出器多用于多级放大电路的输入和输出

21、级。另外，还可将射极输出器作为多级放大电路的中间级，起到缓冲或阻抗变换的作用。,3.5 共基极放大电路简介,第3章 放大电路基础,如图3-21（a）所示电路，信号由发射极输入，由集电极输出，从其交流通路3-21 (b)所示，输入与输出回路的公共端为基极，所以称为“共基极放大电路”。,图3-21共基极放大电路,3.5 共基极放大电路简介,第3章 放大电路基础,对共基极放大电路进行分析，可知共基极放大电路无电流放大作用，但电压放大倍数较大，所以仍有功率放大作用；输出电压和输入电压同相；输入电阻低，输出电阻较高。另外，共基极接法时晶体管输入回路的电容和时间常数都很小，上限截止频率(见3.7.2节)很

22、高，所以共基极放大电路适用于高频和宽频带放大电路。,图3-23 共基极放大电路的H参数等效电路,共基极放大电路的H参数等效电路如图3-23所示,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,放大器对不同频率的正弦信号的稳态响应称为频率特性或频率响应。放大器的频率特性可直接由放大器的放大倍数对频率的关系来描述，即,表示放大倍数的幅值与频率f 的关系,称为幅频特性，而 表示放大器输出电压与输入电压之间的相位差与频率的关系，称为相频特性。,（3-26）,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,3.6.1 RC电路的频响,1RC低通电路的频响,只有直流或频率很低的输入

23、信号才能顺利通过电路传输到输出端，所以这种RC电路称作低通电路。如图3-24所示。,图3-24 RC低通电路,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,令,其幅值和相位差与频率的关系分别为,由图3-24可知,（3-27）,（3-28）,（3-29）,（3-30）,（3-31）,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,2RC高通电路的频响,电路在频率愈高时，输入信号愈能顺利通过电路传输到输出端，因此称为高通电路。如图3-25所示。,图3-25 RC高通电路,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,对应的幅频特性和相频特性分别为,RC高通电

24、路的电压放大倍数为,（3-32）,式中,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,3.6.2 单管共发射极放大器的频率特性,以单管共发射极放大器为例，如图3-26所示，讨论其频率特性。为分析方便，图中用 近似代替由极间电容 和 与电路中分布电容组成的等效输入电容和输出电容。,图3-26 考虑电容影响时的单管共发射极放大器,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,1中频区,电压放大倍数 与频率无关，输出电压 与输入电压 的相位差 (即反相电压放大器)。这一频率范围叫做共发射极放大电路的“中频区”，此区域内的各个量用下标“m”表示。,2低频区,当输入信号的频率

25、很低时，可将输入或输出回路等效为RC高通电路。随着频率的下降，电压放大倍数 减小， 在相位上愈来愈超前于 。,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,3高频区,当输入信号的频率很高时，可将输入或输出回路等效为RC低通电路。随着频率的升高，电压放大倍数 减小，在相位上 愈来愈滞后于 。,4单管共发射极放大器的频率特性曲线,(1)幅频特性曲线,曲线如图3-27(a)所示，特性曲线趋于水平的区域为中频区，其电压放大倍数为 。 将放大倍数 下降到 的两个频率 和 分别称为下限截止频率和上限截止频率，上、下限截止频率之间的频率范围称为通频带或带宽，用 表示，即,3.6 单管共发射极放

26、大器的频率特性,第3章 放大电路基础,图3-27 单管共发射极放大器的频率特性曲线,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,(2)相频特性曲线 中频区相位差 ，附加相移 ， 低频区 超前 于 ，高频区 滞后 于 。而 和 处相应的附加相移 分别为 和 。如图3-27(b)所示。,3.6.3 频率失真,若放大电路的通频带不够宽，则对信号中各种频率的正弦波成分的放大倍数和附加相移会产生影响，使输出信号波形产生失真，这种现象称为频率失真。,由于放大倍数的值随频率变化所产生的波形失真称为幅频失真，如图3-28(b)所示。,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,

27、由于相位差 随频率而变所产生的波形失真称为相频失真。如图3-28(c)所示。,图3-28 频率失真,3.6 单管共发射极放大器的频率特性,第3章 放大电路基础,3.6.4 电路元器件参数的选择,下限频率 由 和 等所在RC回路的时间常数决定，时间常数越小， 越大，低频响应越差 。,设计电路时，上述三个电容可按下式进行选择。,3.7 多级放大器,第3章 放大电路基础,3.7.1 四种级间耦合方式,1直接耦合,如图3-29(a)所示，前、后级之间没有隔离直流电的耦合电容或变压器，因此适用于放大直流信号或变化缓慢的交流信号。直接耦合方式便于集成，因此在集成电路中得到了越来越广泛的应用。,图3-29(

28、a) 直接耦合,3.7 多级放大器,第3章 放大电路基础,2阻容耦合,如图3-29(b)所示，前级通过耦合电容和后级的输入电阻连接起来，故称为阻容耦合方式。由于电容具有“隔直”和“通交”的作用，所以各级的静态工作点互不影响，可以独立调试。,图3-29(b) 阻容耦合,3.7 多级放大器,第3章 放大电路基础,3变压器耦合,如图3-30(a)所示，利用变压器初次级线圈之间具有“隔离直流耦合交流”的作用，使各级放大电路的静态工作点相互独立，从而使交流信号顺利地传输到下一级，故称为变压器耦合方式。这种耦合方式突出的优点就是能够利用变压器的变压比进行阻抗、电压和电流的变换。,图3-30(a) 变压器耦

29、合,3.7 多级放大器,第3章 放大电路基础,4光电耦合,如图3-30(b)所示，前级与后级之间的耦合元件是光电耦合器件，因此称为光电耦合方式。光电耦合方式既可传输交流信号又可传输直流信号，还可实现前、后级之间的电流隔离，抗干扰能力强，另外便于集成。,图3-30(b) 光电耦合,3.7 多级放大器,第3章 放大电路基础,3.7.2 多级放大器的频响,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，即,多级放大电路幅频特性和相频特性的表达式为,总的电压放大倍数的幅值为各级电压放大倍数幅值的乘积，总的相位差为各级相位差的代数和。,（3-34）,（3-35）,（3-36）,3.7 多级放大器,

30、第3章 放大电路基础,多级放大电路的频带宽度小于各单级放大电路的频带宽度。所以多级放大电路虽然放大倍数提高了，但是频带宽度却变窄了，总的相位差是各单级相位差的叠加 。,图3-31 两级放大电路频率特性,以图3-31所示的两级放大电路的频率特性曲线为例，进行讨论：,3.7 多级放大器,第3章 放大电路基础,3.7.3 放大倍数(增益)的分贝表示法,电压放大倍数用分贝表示(即电压增益)为,当输出量大于输入量时，电压放大倍数的分贝值为正；当输出量小于输入量时，电压放大倍数的分贝值为负(称衰减)；当输出量等于输入量时，电压放大倍数的分贝值为0。 电压增益用分贝表示的优点就是可以把多级放大电路中的乘、除

31、运算转变成对数的加减运算，使计算简单化。,（3-38）,3.8 放大器的噪声与抗干扰措施,第3章 放大电路基础,1放大器的噪声,放大器的噪声是放大器中各元件内部载流子的不规则运动所造成的。如果放大器的负载是电声设备，此时就会出现杂音，所以通常叫做“噪声”。按照噪声来源的不同，可大体分为晶体管内部噪声和电阻热噪声两种。,(1) 晶体管内部噪声,当晶体管有电流通过时，就会产生噪声。如果是由于做不规则热运动的载流子通过晶体管内体电阻而产生的，称为热噪声；如由于发射区向基区注入载流子数目发生变化，而使各极电流产生不规则波动，称其为散粒噪声；如由于制造工艺水平或半导体材料本身等原因而产生的载流子不规则运

32、动，称为颤动噪声。,3.8 放大器的噪声与抗干扰措施,第3章 放大电路基础,(2) 电阻热噪声 由于载流子的无规则热运动，使得任意时刻通过导体横截面的电子数目的代数和不为零(即有电流存在)，那么当这个电流流经电路时，就会产生一个正比于电路电阻且随时间变化的电压，称为电阻的热噪声。,2. 放大器的干扰及抗干扰措施,(1)杂散电磁场干扰,当放大器周围存在杂散电磁场时，放大器的输入电路或某些重要元件处于这种变动的电场和磁场中，就会感应出干扰电压。当干扰磁场足够强时，在输入端产生的干扰电压就会妨碍放大器的正常工作。,3.8 放大器的噪声与抗干扰措施,第3章 放大电路基础,(2)直流电源电压波动引起的干扰 通常放大器的直流电源是由交流电经整流滤波后得到的，若滤波效果不好，则直流电源电压就会有交流成分，使放大器中晶体管集电极电流产生波动而形成干扰电压。防止这种干扰现象的发生，可采用稳压电源来代替整流滤波后的直流电源。,(3)交流电