电工学-交流放大电路..ppt

1、第8章 交流放大电路,本章基本要求 深入理解三极管的电流放大作用，输入输出特性曲线。 掌握直流通路、交流通路的画法，熟悉直流分量、交流分量的 表示方法。 3. 深入理解静态工作点的含义，及其与失真的关系。 4. 掌握微变等效电路的画法。 掌握分压式偏置电路、共射极电路、射极输出器的电路分析及特点。 初步掌握多级放大电路的分析方法。 7. 了解放大电路中反馈的概念。,三极管是放大电路的主要元器件，通过放大电路 可以把弱小电流或电压信号加以放大。,交流放大电路,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。,放大的实质: 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流

2、能量输出。,对放大电路的基本要求 ： 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路,放大的概念:,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,基本放大电路的组成,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,RC RB,共射极交流放大电路的基本组成,输入端： 信号源es 内阻RS 输入电压ui,输出端： 负载RL 输出电压uo,三极管：T,UCC,RC,C1,C2,T,RS,RL,uS,_,+,+,_,_,ui,+,+,+,+,_,_,uo,u

3、CE,+,_,uBE,iE,iB,iC,RB,+,集电极电源UCC：使集电结反向偏置, 为放大电路提供能源,集电极负载RC：将集电极电流的变化转换为集-射极电压uCE的变化，以实现电压放大。,基极电阻RB：使基极静态电流IB有一个适应值，以保证三 极管工作在放大区域内,耦合电容C1,C2: 称隔直电容 C1:用于隔断放大电路与信 号源之间的直流通路； C2:用于隔断放大电路与负 载之间的直流通路。 而交流信号不受影响。,电解电容，注意极性， 其（+）对应于直流电源（+）,UCC,RC,C1,C2,RS,RL,uS,_,+,+,_,_,ui,+,+,+,_,uo,RB,+,放大电路中即有直流电源

4、又有交流信号。 直流通过的路径称直流通路。 交流流过的路径称交流通路。,直流通路和交流通路,UCC,RC,C1,C2,RS,RL,_,+,+,_,_,ui,+,+,+,_,uo,RB,+,由于电容的隔直作用，直流通路画为：,直流通路,IB=(UCC-UBE)/RB UCC/RB,IC=IB,UCE=UCC-ICRC,根据KVL：,电压电流波形,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,举例,UCC=12V, RC=3K, RB=300K， = =40,计算静态参数,解：,IB=UCC / RB=40uA,Ic = IB= 400.04=1.6

5、mA,将RC 改为8K，放大器能否正常工作？,UCE=UCC -ICRC= 0.8V,UCE=UCC - ICRC=7.2V,UCE0,三极管已饱和,三极管饱和压降0.3V 饱和时集电极电流: ICES=UCC / RC=12/8103=1.5mA,例 2,分压式偏置电路直流通路求解,例：UCC=12V,RE=2K, RB1=20K, RB2=10K, =100 试求：静态值IB，IC和UCE（ UBE=0.7V）,根据直流通路：,设：,则：,则：,VB=UCCRB2 / (RB1+RB2) =4V,IC IE=(VB-UBE ) / RE=1.65mA,IB=IE / (+1)=1.65 /

6、 (1+100)=16.3uA,UCE=UCC - ICRC -IERE 5.4V,UCC,RC,C1,C2,RL,+,_,_,ui,+,+,+,_,uo,RB,+,RS,uS,_,+,交流通路,C1,C2较大,对交流相 当于短路,2）交流通路只考虑交流分量，直流电源UCC不予考虑，认为UCC =0,交流信号流过的路径 称交流通路,画法如下：,t,O,t,O,t,O,在交流通路中,当 uS 为正弦电源,电压电流都是正弦量,用小写字母 ib ,iC ,uce, ube表示,t,O,ube,ib,ic,uce,eS,电压电流波形,交流放大电路的工作状态,书写规定,静态值：大写字母表示,交流分量：小

7、写字母表示,动态值：小写字母带大写的下标表示,UBE,？,2) 当输入信号电压ui 增大时，iB, iC都随着增大, 而uCE 减小。 iB , iC, uBE 与ui 同相, uCE 与ui 反相, uo 与ui 在相位上相差180,1)电路中电压电流均由直流,交流分量叠加而成，各交流分量为 同频正弦量,iC,uCE,uo,放大电路在没有输入信号时(uS=0)的工作状态称静态。此时,电路中电流电压都是直流量,用IB、IC、UCE 、UBE 表示：,静态工作点与失真,静态时IB，IC，UBE，UCE这一组值，代表输入输出 特性曲线上的一个点，称静态工作点。,UCC,静态工作点Q是直流负载线与晶

8、体管某条输出特性曲线(由IB确定)的交点，基极电流IB不同，静态工作点在负载线上的位置就不同，改变IB可使三极管工作在不同的区。,直流负载线,UBE 0.7V,饱和区,IC(mA ),2,UCE(V),放 大 区,静态工作点选择不当，将引起输出失真。,动态分析图解法,RL=,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。,若Q设置过高，,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,若Q设置过低，,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值

9、过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,当电源电压UCC和集电极电阻RC 确定后,静态工作点的位置取决 与基极电流IB的大小，基极电流 IB称为偏置电流（偏流）,IB=(UCC -UBE ) / RB UCC / RB,当RB确定后，IB也确定,但 IC= IB+ICEO , IB不变，温度上升， ， ICEO，IC ，所以IB不变，不能保证IC不变,电路易进入饱和区,固定偏置电路的静态工作点的漂移问题,分压式偏置电路的静态工作点,与晶体管参数无关,与晶体管参数无关,根据直流通路：,若设计使：,则：,若：,则：,VB，IE，IC不受温度影响, 与晶体管参数无关,静态工作点能得到基本稳定,I

10、2IB， VBUBE,一般取：I2=(510)IB ，UB=(510)UBE,IE,参数的选择,发射极电阻RE的作用是形成压降VE，使UBE=VB-IERE 减小，从而使IB，IC减小，达到稳定静态工作点的目的。,RE越大，稳定效果越好，但RE太大， 会使RE两端的直流压降，交流压降 增大，降低放大电路的放大倍数。,解决办法,在RE两端并联电解电容CE， 使交流旁路，CE称为旁路电容。,IE,射极电阻RE与旁路电容CE,VB 固定,静态分析,动态分析,三极管放大电路的分析方法,放大电路的静态分析,静态：放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。,分析方法：计算法、图解法。 分析对象：各极

11、电压电流的直流分量。 所用电路：放大电路的直流通路。,设置Q点的目的： (1) 使放大电路的放大信号不失真； (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。,静态工作点Q：IB、IC、UCE 。,静态分析：确定放大电路的静态值。,放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态。,分析方法： 微变等效电路法，图解法。 所用电路： 放大电路的交流通路。,动态分析: 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析对象： 各极电压和电流的交流分量。,目的： 找出Au、 ri、 ro与电路参数的关系，为设计 打基础。,微变等效电路： 把非线性元件晶体管所组成

12、的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件： 晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法： 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,微变等效电路法,把非线性元件三极管等效为一个线性元件，这样就可以象处理线性电路那样来处理三极管放大电路。等效(线性化)条件:晶体管在小信号(微变量)情况下工作。,微变等效电路,当输入信号很小时，输入曲线在静态工作点Q附近可看成一段直线。,（对小信号变量: UBE ube，IB ib）,输入特性曲线,

13、三极管的输入电阻,UBE,Q,晶体管的输入电阻,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。小信号情况下，rbe为一常数,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系。,输出特性曲线在Q点附近是 一组等距平行直线,具有恒流特性，且iC 受 ib控制,当小信号时：,为常数，确定ib 受 iC 控制的程度, 三极管的输出端等效为受控恒流源,三极管的恒流特性,晶体管的电 流放大系数,三极管的输出电阻,rce愈大，恒流特性愈好，因rce阻值很高，一般忽略不计。,非理想恒流源具有内阻，与恒流源并联,rce很大，一般忽略。,uce,uce,ic,晶体管的微

14、变等效电路（线性化的电路模型）,ube,rbe,ib,ib,rce,+,+,-,-,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,放大电路的微变等效电路分析,三极管放大电路,动态值,静态值,放大电路,共发射极放大电路,放大电路的交流通路,uo,-,+,ic,B,E,C,B,电压电流均为正弦量，用相量表示，箭标标明正方向,放大电路的动态分析,电压放大倍数,当输出端开路时（RL不接），,(o与i反相),放大电路的输入电阻 ri,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

15、路的输入电阻。, 将从信号源取用较大电流，增加信号源负担 Rs与ri分压，使实际加在放大电路中的输入电压Ui 减小，从而减小输出电压。,当输入电阻较小时：,希望放大电路的输入电阻高些,放大电路的输入电阻对电路的影响,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,定义：,输出电阻是动态电阻， 与负载无关。,放大电路的输出电阻 ro,求ro的步骤： 1) 断开负载RL,3) 外加电压,4) 求,外加,2) 令 或,输出电阻ro的求法：,希望放大电路的输出电阻低些,放大电路的输出电阻对电路的影响,输出电阻是表明放大电路带负载能力

16、的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,例 1,电路参数如图，三极管=50，求: (1)u , ri , ro (2)若Rs=500, 求o,IB=(UCC - UBE ) /RB 0.04mA IC= IB=50mA IE,(1)画直流通路,rbe=300+(1+ ) 26 / IE =963,(2)画微变等效电路,B,C,E,(3) ri ro (用微变等效电路）,ro=RC= 3 K,思考题,放大电路增大RC 对放大倍数有什么影响？ RC 太大或太小对失真有什么影响？,射极输出器,负载电阻接在发射极上，输出电压从三极管发射极取出，这

17、种放大电路称射极输出器。,静态电路分析,画直流通路，作静态分析：,UCC=IBRB+UBE+IERE,UCC=UCE+IERE,找出交流通路， 画微变等效电路， 作动态分析。,动态电路分析,共集电极电路,动态分析,1. 电压放大倍数,微变等效电路,Au=o/i,1、,所以,射极输出器没有电压放大作用，但有电流和功率放大作用,2、,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,(2) 动态分析-输入电阻ri,射极输出器输入电阻由偏置电阻RB和rbe+(1+ )RL 并联而成， RB值较大， (1+)RL比 rbe大, 因此射极输出器的输入电阻大,ri=i / i,射极输出器输入 电阻由偏

18、置电阻 RB和rbe+(1+ )RL 并联而成，,思考方式二,外加,(3) 动态分析-输出电阻ro,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,射极输出器的主要特点为,电压倍数接近于1 但恒小于1 输入电阻高 输出电阻低,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1. 因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2. 因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3. 利用 ri 大、 ro小以及 Au 1 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中

19、间隔离级。,4.射极输出器具有恒压输出特性,分压式偏置电路动态分析,对交流：旁路电容 CE 将RE 短路， RE不起作用， Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,旁路电容,举 例,去掉CE后的 微变等效电路,如果去掉CE ， Au，ri，ro ?,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,分压式偏置电路,ri 提高,ro不变,对信号源电压的放大倍数？,考虑信号源内阻RS 时,us,一般放大电路的输入信号都很微弱，为毫伏级 或微伏级，需经多级放大才能满足要求。,多级放大电路有若干单级放大电路组成：,多级放大电路,级间耦合方式,耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连

20、接方式。,常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,动态: 传送信号,减少压降损失,静态：保证各级有合适的Q点,波形不失真,多级放大电路的框图,对耦合电路的要求,一.阻容耦合,优点： 能放大交直流信号,二. 直接耦合放大电路,直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,2. 零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因： 晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。,存在的两个问题：,1. 前后级静态工作点相互影响,零点漂移的危害： 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力

21、。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。,三. 变压器耦合放大电路,ui,RL,T1,RB21,T1,RB1,RB2,RB22,RE1,CE1,RE2,CE2,TR1,TR2,+UCC,1.能够实现阻抗、电压、电流变换,实现前后级的完全隔离,2.变压器重，体积大,不适合缓慢信号或直流信号,+,_,两级阻容耦合放大电路分析,在多级放大电路中，前级电路输出是后级电路的输入， 总电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积。,但在计算各级放大倍数时，必须考虑后级对前级 的影响，把后级输入电阻当成前级的负载电阻。,一. 电压放大倍数,二. 输入电阻,多级放大电路的输入电阻就是输入

22、级的输入电阻。,三. 输出电阻,多级放大电路的输出电阻就是输出级的输出电阻。,1. 静态分析,由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，可以各级单独计算。,两级放大电路均为共发射极分压式偏置电路。,2. 动态分析,微变等效电路,第一级,第二级,例2:,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。 (1) 计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V); (2) 求放大电路的输入电阻和输出电阻； (3) 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。,解:,(1) 两级放大电路的静态值可分别计算。,第一级是射极输出器

23、:,第二级是分压式偏置电路,解:,第二级是分压式偏置电路,解:,微 变 等 效 电 路,(2) 计算 r i和 r 0,由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻 ri2。,(2) 计算 r i和 r 0,(2) 计算 r i和 r 0,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,放大电路的反馈,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输

24、入端，与输入信号迭加，因而使输入信号发生改变的过程就称为反馈。,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈放大电路的方框图,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,放大倍数,反馈放大电路的方框图,净输入信号,若三者同相，则 Xd = Xi Xf,可见 Xd Xi ，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用（负反馈）。,直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈元件只能传递直流信号。,负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。,在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。,交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈元件只能传递交流信号。,在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振

25、荡，使放大器不能正常工作。,正反馈：反馈增强净输入信号， 使放大倍数提高。,负反馈的类型,1. 反馈的分类,2. 负反馈的类型,1) 根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈 和电流反馈。,电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。,电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。,如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈。,2) 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的 不同，可以分为串联反馈和并联反馈。,反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为串联反馈。,反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为并

26、联反馈。,串联反馈使电路的输入电阻增大， 并联反馈使电路的输入电阻减小。,负反馈,交流反馈,直流反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈,负反馈的类型,稳定静态工作点,3. 负反馈类型的判别步骤,3) 判别是否负反馈？,2) 判别是交流反馈还是直流反馈？,4) 是负反馈！判断是何种类型的负反馈？,1) 找出反馈网络（一般是电阻、电容）。,1) 判别反馈元件（一般是电阻、电容） (1) 连接在输入与输出之间的元件。 (2) 为输入回路与输出回路所共有的元件。,2) 判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信 号均可通过 RE，所以RE引入的是交、直流反馈。,如果有发

27、射极旁路电容， RE中仅有直流分量的信号通过 ，这时RE引入的则是直流反馈。,E,4. 利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,+,(1)设接“地”参考点的电位为零，在某点对“地”电压（即电位）的正半周，该点交流电位的瞬时极性为正；在负半周则为负。,(2)设基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性与基极相反、发射极(接有发射极电阻而无旁路电容时)瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。,利用瞬时极性法判断负反馈,+,+,(3)若反馈信号与输入信号加在同一电极上，,(4)若反馈信号与输入信号加在两个电极上，,两者极性相反为负反馈；,极性相同为正反馈。,两者极性相同为负反馈；,极性相反为正反馈。,

28、3) 判断反馈类型,反馈到基极为并联反馈,反馈到发射极为串联反馈,判断串、并联反馈,ib= ii if,ube= ui uf,共发射极电路,判断电压、电流反馈,从集电极引出为电压反馈,从发射极引出为电流反馈,判断反馈类型的口诀：,共发射极电路,共集电极电路为典型的电压串联负反馈。,集出为压，射出为流， 基入为并，射入为串。,3) 判断反馈类型,净输入信号：,ui 与 uf 串联,以电压形式比较 串联反馈,ui正半周时,uf也是正半周,即两者同相,负反馈,uf 正比于输出电流电流反馈,串联电流负反馈,+ uf ,+ ,ie,ube,ube = ui - uf,uf = ie RE,Ube = U

29、i - Uf,可见 Ube Ui , 反馈电压Uf 削弱了净输入电压, ic RC,结论：,反馈过程：,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,反馈类型 串联电流负反馈,Ic,Uf,Ube,ib,Ic ,uf ic RC,+ uf ,+ ,ube,Ube = Ui - Uf,电阻 RF连接在输入与输出之间，所以RF是反馈元件。,2) 判断是交流反馈还是直流反馈,交、直流分量的信号均可通过 RF， 所以 RF引入的是交、直流反馈。,例2：,1) 判反馈元件,3) 判断反馈类型,例2：,净输入信号：,ii 与 if 并联，以电流形式比较 并联反馈,ii 正半周时，if 也是正半周，即两者同相,负反馈,if 正比于输出电压电压反馈,if 与 uo反相,并联电压负反馈,ib = ii - if,Ib = Ii - If,可见 Ib Ii , 反馈电流 If 削弱了净输入电流,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,反馈类型 并联电压负反馈,例2：,Uo,if,ib,ic,Uo,Ib = Ii - If,负反馈对放大电路性能的影响