模拟电子技术第二章.ppt

1、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,2.1 放大电路工作原理,2.1.1 放大电路的组成原理,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

2、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2 2 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2 3 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

3、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=12 V, 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

4、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-iCRc uCE与iC是线性关系, 只需确定两点即可: ,图2 4 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

5、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2 5 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=40 A, 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2 6 电路参数对Q点的影响,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

6、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

7、 1. 交流负载线的作法,图2 7 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

8、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=6 V、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2 8 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+Ibmsin

9、t, 如电路使Ibm=20A,则,图2-9 基极、 集电极电流和电压波形,输出电压与输入电压相位是相反的。这是共e极放大电路的特征之一。,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2 10 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2 11 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, Uc

10、em=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,图2 12 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、 uB

11、E、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2 13 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2 14 从特性曲线上求出h参数,由于h12、

12、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2 15 简化等效电路,图 2 16 rbe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2 17 ro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

13、路,图2 18 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r

14、o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2 19 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2 20 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2 21 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

15、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2 22 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2 23 电流反馈式偏置电路,(1) 要保持基极电位UB

16、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

17、2 24 利用戴维宁定理后的等效电路,图2 25 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=1.8 k, 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2 29 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

18、电路,2. 阻容耦合,图2 30 阻容耦合放大电路,图2 31 直接耦合放大电路,3. 直接耦合,图2 32 直接耦合方式实例,4. 变压器耦合,图2 33 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2 34 三级阻容耦合放大电路,图2 35 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