第15章--基本放大电路解读.ppt

1、15.1 共发射极放大电路的组成,15.2 放大电路的静态分析,15.4 静态工作点的稳定,15.6 射极输出器,15.8 互补对称功率放大电路,15.9 场效晶体管及其放大电路,15.3 放大电路的动态分析,15.5 放大电路的频率特性,15.7 差分放大电路,第15章 基本放大电路,教学内容,理解共发射极单管放大电路的基本结构和工作原理，掌握静态工作点的估算，掌握微变等效电路的分析方法，了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念；理解射极输出器的基本特点和用途；了解放大电路的频率特性；了解多级放大的概念；理解差分放大电路的工作原理及差模信号和共模信号的概念；理解基本的互补对称功率放大电路的工作原

2、理；理解MOS场效晶体管的基本结构、工作原理、主要特性和主要参数的意义，了解共源极放大电路的工作原理。,教学要求,重点,共射极单管放大电路的基本结构和工作原理，静态工作点的估算，微变等效电路的分析法。输入电阻、输出电阻的概念，射极输出器的基本特点，多级放大电路的概念。差模信号和共模信号的概念，基本的互补对称功率放大电路的工作原理。,难点,放大电路的频率特性。,学时数,讲课7学时，习题1学时。,15.1 共发射极放大电路的组成,晶体管T：放大元件（控制元件），即能量较小的输入信号通过晶体管的控制作用，去控制电源EC 所供给的能量，以在输出端获得一个能量较大的信号。,集电极电源EC：为输出信号提供

3、能量，并保证集电结反向偏置。,集电极电阻RC：将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。,耦合电容C1、C2：是极性电容器，起隔直通交作用。,15.1 共发射极放大电路的组成,基极电源EB和基极电阻RB：使发射结处于正向偏置，并提供大小适当的基极电流，以使放大电路获得合适的工作点。,15.1 共发射极放大电路的组成,放大电路的输入端可用一个等效电阻ri 表示，称为放大电路的输入电阻，是信号源的负载，即,放大电路的输出端可用一电压源( ，ro )表示，它是负载电阻RL的电源，其内阻ro称为放大电路的输出电阻。,放大电路的电压放大倍数,15.2 放大电路的静态分析,静态：放大电路无输入信

4、号(ui = 0)时的工作状态。,分析方法：估算法、图解法。,静态分析：确定放大电路的静态值(直流值)，即 IB、IC、UBE、UCE ，设置合适的静态工作点，使放大电路的输出信号不失真。,放大电路中电压和电流的符号,直流分量：IB、IC、IE、UCE、UBE,交流分量：ib、 ic、 ie、 uce、 ube,总量：iB、iC、 iE、 uCE、uBE,15.2.1 用估算法确定静态值,15.2 放大电路的静态分析,15.2.2 用图解法确定静态值, 绘出晶体管的输出特性曲线组。, 作出直流负载线：UCE = UCC ICRC 。, 由直流通路求出偏流IB，确定某条输出特性曲线。, 负载线与

5、确定的那条输出特性曲线的交点即为静态工作点Q，进而确定UCE、IC。,由IB确定的某条输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点,15.2 放大电路的静态分析,用图解法确定放大电路的静态工作点,直流负载线,15.3 放大电路的动态分析,动态：放大电路有输入信号(ui 0)时的工作状态。,分析方法：微变等效电路法、图解法。,动态分析：在静态值确定的基础上分析各极电压和电流的交流分量，计算电压放大倍数Au、输入电阻ri 、输出电阻ro等。,15.3.1 微变等效电路法,微变等效电路：把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，即把晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：晶体管在小信

6、号（微变量）情况下工作，则在静态工作点附近的小范围内可用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,15.3 放大电路的动态分析, 晶体管的微变等效电路,输入特性曲线,晶体管的输入电阻,低频小功率晶体管的输入电阻估算式：,晶体管的输入电路可用rbe等效代替。,输出特性曲线,rce的阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的输出电阻：,晶体管的电流放大系数：,15.3 放大电路的动态分析,15.3 放大电路的动态分析, 放大电路的微变等效电路,电容对交流视作短路。,一般直流电源的内阻很小，可忽略不计，对交流也视作短路。,晶体管用其微变等效电路代替。,15.3 放大电路的动态分析, 电压放大倍数的计算,负载电阻R

7、L愈小，则放大倍数愈低；,负号表示输出电压与输入电压的相位相反。,Au与和rbe均有关。,15.3 放大电路的动态分析,设输入为正弦信号, 放大电路输入电阻的计算,它是对交流信号而言的一个动态电阻。,放大电路对信号源（或对前级放大电路）来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻 ri 。,15.3 放大电路的动态分析,为什么希望放大电路的输入电阻高一些？ 如果放大电路的输入电阻较小，则： 将从信号源取用较大的电流，增加信号源的负担； 减小实际输入电压，从而减小输出电压； 降低前级放大电路的电压放大倍数。,15.3 放大电路的动态分析, 放大电

8、路输出电阻的计算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，其内阻即为放大电路的输出电阻ro ，它也是一个动态电阻。,通常,通常用加压求流的方法求ro ，即,为什么希望放大电路的输出电阻低一些？,15.3 放大电路的动态分析,若放大电路的输出电阻较大，则当负载变化时，输出电压的变化也较大，说明放大电路带负载的能力较差。,放大电路对负载来说是一信号源，可用戴维宁等效电路(等效电动势 和内阻ro)表示，其内阻即为放大电路的输出电阻ro ，等效电动势 即为放大电路的开路输出电压(未接负载电阻)。,输出端接负载电阻时,15.3.2 图解法, 交流负载线,直流负载线其斜率,交流负载线其斜率,

9、交流负载线,交流负载线比直流负载线要陡些。,15.3 放大电路的动态分析,直流负载线, 图解分析,15.3 放大电路的动态分析,(uo),(ui),(ic),(ib),uBE=ube+UBE,uCE=uce+UCE,iB=ib+IB,iC=ic+IC,电压放大倍数等于输出正弦电压的幅值与输入正弦电压的幅值之比。,交流信号传输情况：ui(ube) ibicuo (uce),输出信号uo与输入信号ui相位相反。,15.3 放大电路的动态分析,(uo),(ui),(ic),(ib), 非线性失真,由于Q设置不合适或信号太大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线上的线性范围，造成非线性失真。,若Q

10、设置太低，则造成截止失真。,若Q 设置太高，则造成饱和失真。,15.4 静态工作点的稳定,放大电路应有合适的静态工作点，以保证有较好的放大效果，并且不引起非线性失真。,但由于某些原因，如温度的变化、三极管老化、电源电压波动等因素的影响，将使集电极电流的静态值发生变化，从而影响静态工作点的稳定性。,严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。,15.4.1 固定偏置放大电路,15.4 静态工作点的稳定,RB一经选定，IB也就固定不变。当温度变化时，Q也发生变化。,固定偏置放大电路简单、容易调整，但不能稳定静态工作点Q。, 电路特点,15.4 静态工作点的稳定,15.4.2 分压式

11、偏置放大电路,若 ，则,IC不受温度影响，基本固定。,VB不受温度影响，基本固定。,I2 不能太大，否则RB1和RB2 就要取得较小，这将增加功率损耗及从信号源取用较大的电流，使信号源内阻压降增加，加在放大电路输入端的电压减小。 VB不能太高，否则使VE增高，UCE相对减小，从而减小了放大电路输出电压的变化范围。,则VB和IC与晶体管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，从而静态工作点能得以基本稳定。,只要满足,15.4 静态工作点的稳定,对硅管而言估算可选取,注意, 稳定过程,T,UBE,IB,IC,VE,IC,对直流而言，RE越大，稳定性能越好，但RE不能太大，否则将减小输出电压的幅值。 对

12、交流而言，RE增大，其交流压降使ube减小，从而降低电压放大倍数。 因此，可在RE 两端并联一个电容值较大的旁路电容CE。,15.4 静态工作点的稳定, 静态分析,15.4 静态工作点的稳定, 动态分析,15.4 静态工作点的稳定,例1：如图，已知UCC=12V，RC= 2k，RE1= 1.8k，RE2= 0.2k，RB1= 20k，RB2= 10k，RL= 6k，晶体管的= 37.5，UBE=0.6V。试求静态值；画出微变等效电路；计算该电路的Au，ri和ro 。,15.4 静态工作点的稳定,解：,微变等效电路,15.4 静态工作点的稳定,15.4 静态工作点的稳定,讨论：为什么留有一段发射

13、极电阻而未被CE旁路？,15.5 放大电路的频率特性,由于在放大电路中一般都有电容元件，如耦合电容、发射极电阻交流旁路电容及晶体管的极间电容和联线分布电容等。,实际中，放大电路的输入信号往往是非正弦量，它可分解为基波及各种频率的谐波分量。,这些电容对不同频率的信号所呈现的容抗值是不相同的，故放大电路对不同频率的信号在幅度上和相位上放大的效果不完全一样，从而产生频率失真（含幅度失真和相位失真）。,带宽：BW = f2 - f1,15.5 放大电路的频率特性,频率特性,幅频特性：电压放大倍数的模|Au|与频率 f 的关系。,相频特性：输出电压相对于输入电压的相位移 与频率 f 的关系。,f1,f2

14、,f1：下限频率,f2：上限频率,对放大电路而言，希望通频带宽一些，容纳更多频率的信号，以减小频率失真。,在中频段： 由于耦合电容和发射极旁路电容的容量较大，故对中频段信号来讲容抗很小，可视作短路。 晶体管的极间电容和联线分布电容很小，可认为它们的等效电容C0并联在输出端上。由于C0的容量很小，它对中频段信号的容抗很大，可视作开路。 所以，在中频段可以认为电容不影响交流信号的传送，放大电路的放大倍数与信号频率无关。 前面所讨论的电压放大倍数都是指放大电路工作在中频段的情况。,15.5 放大电路的频率特性,在高频段： 由于信号频率较高，耦合电容和发射极电阻旁路电容的容抗比中频段更小，故可视作短路

15、。 但C0的容抗将减小，它与输出端的电阻并联后，使总阻抗减小，又电流放大系数 下降，因而使输出电压减小，电压放大倍数降低。,在低频段： 由于信号频率较低，耦合电容和发射极电阻旁路电容的容抗较大，其分压作用不能忽略，以至实际送到晶体管输入端的电压ube比输入信号ui要小，故放大倍数要降低。C0的容抗比中频段更大，仍可视作开路。,15.5 放大电路的频率特性,15.6 射极输出器,因为电源UCC对交流信号相当于短路，故集电极成为输入与输出电路的公共端，所以是共集电极电路。,15.6.1 静态分析,15.6 射极输出器,15.6.2 动态分析,15.6 射极输出器, 电压放大倍数,由于 ，电压放大倍

16、数接近且恒小于1。,虽无电压放大作用，但有一定的电流放大和功率放大作用。,15.6 射极输出器,输出电压与输入电压同相，具有跟随作用。,由于 ，因而输出端电位跟随输入端电位的变化而变化，具有跟随作用，故称射极跟随器。, 输入电阻,射极输出器的输入电阻很高，通常作为放大电路的输入级。,15.6 射极输出器, 输出电阻,用加压求流法，即,15.6 射极输出器,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强，可作为放大电路的输出级。,射极输出器的应用,因为输入电阻高，它常被用作多级放大电路的输入级，以减轻信号源负担。,因为输出电阻低，它常被用作多级放大电路的输出级，以提高带负载能力。,可将射极输出器接在两级

17、共发射极放大电路之间，起阻抗变换作用。这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,射极输出器的主要特点：电压放大倍数接近 1 ；输入电阻高；输出电阻低。,15.6 射极输出器,多级放大电路的总电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积； 多级放大电路的总输入电阻为第一级放大电路的输入电阻； 多级放大电路的总输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻； 前级放大电路的输出信号为后级放大电路的输入信号； 后级放大电路的输入电阻为前级放大电路的负载。 耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,多级放大电路及其级间耦合方式,15.6 射极输出器,直接耦合：将前级的输出端直接接到后级的输入端， 可用来放大缓慢变化或

18、直流变化的信号。,直接耦合放大电路,15.7 差分放大电路,发射极电阻 RE2用来确定两级合适的工作点，即,例：,零点漂移,零点漂移：当输入信号为零时，输出信号出现缓慢地、无规则地变化的现象。,产生零漂的原因：晶体管参数随温度的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等。其中温度的影响最严重，因而零漂也称为温漂。,直接耦合存在的两个问题：,前后级静态工作点相互影响,抑制零漂关键在第一级,15.7 差分放大电路,抑制零漂最有效的电路结构是差分放大电路,15.7.1 差分放大电路的工作原理,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等，因而它们的静态工作点必然相同。,15.

19、7 差分放大电路,uo=VC1-VC2 = 0,uo=(VC1 +VC1)-(VC2 +VC2)= 0,静态时，ui1=ui2=0,当T,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移（不管何种原因引起的）具有抑制作用。, 零点漂移的抑制,15.7 差分放大电路,IC1=IC2，VC1=VC2,IC,VC,IC1=IC2，VC1=VC2,对于完全对称的差分放大电路来说，两管的集电极电位变化相同，因而输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。,共模输入 两个输入信号大小相等，极性相同，即 ui1 = ui2,差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。, 信号输入,15.7 差分放大电路

20、,若ui1 0，ui2 0 ，则两管集电极电位一减一增，呈现等量异向变化，其差值即为输出电压,uo=(VC1-VC1)-(VC2 +VC1)= -2VC1,即对差模信号有放大能力，两管集电极之间的输出电压为单管输出电压变化量的两倍。,15.7 差分放大电路,差模输入 两个输入信号大小相等，极性相反，即 ui1 = -ui2,共模信号,两个输入信号的大小和相对极性是任意的。,例：ui1 = 10mV，ui2 = 6mV，则ui1和ui2分别分解为,ui1 = 8mV + 2mV,这种输入常作为比较放大（差分放大）来运用，在自动控制系统中是常见的。,为便于分析和处理，可将它分解为共模分量和差模分量

21、。,比较输入,差模信号,15.7 差分放大电路,ui2 = 8mV - 2mV,RE(共模抑制电阻)：限制每个管子的漂移范围，进一步减小零漂，稳定静态工作点。,UEE：用来抵偿RE两端的压降，从而获得合适的静态工作点。,电位器RP：在静态时将输出电压调为零。,15.7.2 典型差分放大电路,RE能抑制共模信号，不影响差模信号的放大。,15.7 差分放大电路,15.7.3 差分放大电路对差模信号的放大,15.7 差分放大电路, 静态分析,设输入为差模信号，即ui1 = -ui2 。,RP很小，忽略不计。,15.7 差分放大电路,通常,所以,单管基极电流,单管集-射极电压,15.7 差分放大电路,

22、 动态分析,单管差模电压放大倍数,15.7 差分放大电路,双端输入-双端输出差分电路的差模电压放大倍数Aud与其单管放大电路的差模电压放大倍数Aud1相等。,当在两管的集电极之间接入负载电阻RL时,两输入端之间的差模输入电阻,两集电极之间的差模输出电阻,全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,15.7.4 共模抑制比,15.7 差分放大电路,15.8 互补对称功率放大电路,功率放大电路：将前置电压放大级送来的低频信号进行功率放大，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。,电压放大电路,功率放大电路,小信号状态,大信号

23、状态,电压放大倍数 输入电阻 输出电阻,效率 最大功率 失真,微变等效电路法 图解法,图解法,15.8.1 对功率放大电路的基本要求, 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。, 由于功率较大，就要求提高效率。,电路通常工作在极限状态，要考虑晶体管的极限参数；由于信号大，电路工作的动态范围大，要考虑失真的问题。,所谓效率，即负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比值。,15.8 互补对称功率放大电路,效率、失真、输出功率三者之间互有影响,放大电路的工作状态, 甲类工作状态,15.8 互补对称功率放大电路,静态工作点Q大致在交流负载线的中点。不论有无输入信号，电源供给的功率PE=UCCIC总

24、是不变的。,当无信号输入时，电源功率全部消耗在管子和电阻上，以管子的集电极损耗为主。,当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率Po，信号愈大，输出功率也愈大。,理想情况下，最高效率只能达到50%。,15.8 互补对称功率放大电路, 甲乙类工作状态,欲提高效率，需从两方面着手：,晶体管导通时间大于半个周期，小于一个周期，Q点偏向截止区，波形有失真，但管耗小，效率高。,用增加放大电路的动态工作范围来增加输出功率；,减小电源供给的功率。在UCC一定的条件下使静态电流IC减小，即将静态工作点Q沿负载线下移。,15.8 互补对称功率放大电路, 乙类工作状态,晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态

25、工作点下移到IC0处（截止区），波形严重失真，但管耗更小，效率更高。,在甲乙类和乙类工作状态下，电源供给的功率为PE=UCCIC(AV)，式中IC(AV)为集电极电流iC的平均值。,显然，在甲乙类和乙类工作状态下，虽然提高了效率，但产生了严重的失真。,OTL电路：无输出变压器(Output Transformerless)电路。 它通过容量较大的电容与负载耦合，单电源供电。,15.8.2 互补对称放大电路,工作在甲乙类或乙类状态，它既能提高效率，又能减小信号波形的失真。,互补对称电路直接与负载相连，双电源供电。,OCL电路：无输出电容(Output Capacitorless)电路。,15.8

26、 互补对称功率放大电路,特点,T1(NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同，两管均接成射极输出器，输出端有大电容，单电源供电。,静态时(ui= 0),保证两管工作于甲乙类状态。,15.8 互补对称功率放大电路, 无输出变压器(OTL)的互补对称放大电路,调节R3，使,动态时,为了使输出波形对称，在CL放电过程中，其上电压不能下降过多，因此CL的容量必须足够大。,ui的正半周，T1导通，T2截止，电容CL充电；,ui的负半周，T1截止，T2导通，电容CL放电。,静态电流与功率损耗很小，因而提高了效率(78.5%)。,15.8 互补对称功率放大电路,静态时,IC1 = IC2 ，VA=0，uo

27、= 0，两管工作于甲乙类状态。,动态时,ui的负半周，T1截止，T2导通，负载RL上的电流反向。,ui的正半周，T1导通，T2截止，电流流过负载电阻RL。,特点：输出无电容器，双电源供电。,15.8 互补对称功率放大电路, 无输出电容(OCL)的互补对称放大电路,15.9 场效晶体管及其放大电路,场效晶体管是电压控制元件，它的输出电流决定于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻很高。,普通晶体管是电流控制元件，通过控制基极电流达到控制集电极电流或发射极电流的目的，即信号源必须提供一定的电流才能工作，所以它的输入电阻较低。,场效晶体管具有噪声低、制造工艺简单、便于大规模集成等优点，被广泛用于放大电路和数字电路中。,场效晶体管按其结构的不同分为：结型场效晶体管和绝缘栅场效晶体管。,15.9 场效晶体管及其放大电路,15.9.1 绝缘栅场效晶体管（MOS场效应管）, 增强型绝缘栅场效晶体管,绝缘栅场效晶体管按其工作状态可分为增强型与耗尽型两类，每类又分N沟道和P沟道。,N沟道增强型绝缘栅场效晶体管的结构,栅极G和其它电极及硅片之间是绝缘的，因此栅极电流IG几乎为零，栅源电阻(输入电阻)RGS很高。,结构及符号,表示符号,15.9 场效晶体管及其放大电路,当栅-源电压UGS=0时，不管漏极