电工与电子技术(3).ppt

1、主编 宫迎新 制作 赵一心 2006年8月,电工与电子技术,第11章 基本放大电路,共射放大电路组成、工作原理、性能特点及分析方法 放大电路静态工作点的稳定 放大电路中的负反馈 多级放大电路概念 射极输出器基本特点和工作原理 功率放大电路工作原理,学习要点,11.1 单管交流放大电路的组成 11.2 放大电路的分析 11.3 放大电路静态工作点的稳定 11.4 多级放大电路 11.5 放大电路中的负反馈 11.6 射级输出器 11.7 功率放大电路,第11章 交流放大电路,放大电路:就是将微弱的电信号(电压、电流)放大成为所需要的较强的电信号。几乎所有的电子设备都有放大器存在。如：利用传感器得

2、到的反映温度、压力、速度、振动等物理量的微弱信号，只有经过放大才能去推动执行元件（继电器、电动机、指示仪表等）工作。总之，放大电路在生产、科研及日常生活的应用是十分广泛的。 放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。,11.1 单管交流电压放大电路的组成,放大电路通常有两部分组成，如图11-1所示。 第一部分：电压放大电路，它的任务是将微弱的电信号加以放大后，去推动功率放大电路，电压放大电路处在整个放大电路的前面，也称为前置放大电路。 第二部分：功率放大电路，是放大电路的输出级，它的任务是输出足够大的功率去推动执行元件工作。 在工业电子技术中，常用交流放大电路的输入交流信号的频率，一般在202

3、0KHz范围内，这类放大电路通常称为低频放大电路。,一、基本放大电路的组成原则,（1）三极管应工作在放大状态。即发射结正向偏置，集电结反向偏置。 （2）信号在电路中能顺畅通过。 （3）放大电路的工作状态稳定，信号在传输和放大过程中失真不超过允许的范围。,根据上述要求，由NPN型三极管组成的电压放大电路如图11-2所示。这是一个最基本的放大单元电路。许多放大电路都是在它基础上发展而成的。掌握它的工作原理及分析方法是分析其他放大电路的基础。,单管放大电路中有两个电流回路： （1）输入回路：由发射级E、信号源、电容C1、基极B、最后回到发射极E，称为输入回路； （2）输出回路：发射极E、电源EC、集

4、电极电阻RC、集电极C、最后回到发射极E，称为输出回路。 输入回路和输出回路是以发射极为公共端的，因此称为共射放大电路。输入和输出采用阻容耦合方式。,（1）三极管（T）：放大元件，是放大电路的核心。把三极管基极电流的微小变化转变为集电极电流较大的变化。 （2）集电极直流电源（EC）：一方面是保证集电结处于反向偏，以使其工作在放大状态；另一方面又是放大电路的总的能源。约为几伏到几十伏。 （3）基极电源（EB）：它的作用是保证发射结处于正向偏置。 （4）基极电阻（RB）：与EB配合控制基极电流IB的大小，使放大电路有较合适的工作状态。基极电流IB的大小，对放大电路的质量有密切的关系。约为几十千欧到

5、几百千欧。几伏到十几伏之间。,一、各元件的作用,（5）集电极负载电阻（RC）：它的作用是将集电极电流iC的变化转换成集射极间电压uCE的变化，以实现电压的放大作用。一般约为几千欧到几十千欧。 （6）电容Cl、C2：C1 、C2分别为输入、输出隔直电容，也称耦合电容。有两个作用，一是隔断放大电路与信号源、负载的直流通路，保证三者互不影响；二是起交流耦合的作用，对交流信号的通过影响较小。一般取550的电解电容器，连接时应注意极性。,图11-2的缺点是使用了两个电源，实践中是不合适的。简化电路如图11-3所示。,11.2 放大电路的分析,放大电路的两种工作状态： 静态：放大电路没有输入信号时，即ui

6、=0 动态：放大电路有输入信号时，即ui0 静态分析的任务：确定电路的静态直流值（IB、IC和UCE），称为放大电路的静态工作点。 动态分析的任务：研究输入信号在放大电路中传输过程，确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。,为方便分析，对放大电路的各个电压和电流表示符号作统一的规定，表11-1所示。,1估算法,直流通路：直流电源单独作用的电路称为直流通路。 画直流通路的原则是：在没有输入信号的情况下，电容器相当于开路。 根据图11-1的基极回路得：,一、静态分析,上式中为三极管发射结的正向导通压降UCE很小（硅管约为0.7V，锗管约为0.3V），可以忽略。故： 表明：基极电流IB主要

7、由UCC和RB决定。当UCC和RB确定后，静态基极电流IB就近似为一个固定值，因此，常把这种电路称为固定式偏置放大电路。称IB为固定偏置电流，称RB为固定偏置电阻。 于是：,【例】在图11-3中，UCC=12V，RC=3k，RB=200k ，=50，求电路的静态工作点。 解：,（1）静态工作点的确定 图解步骤： 1）用估算法求出基极电流IB（如40A）。 2）根据IB在输出特性曲线中找到对应的曲线。 3）作直流负载线。根据集电极电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC，其斜率为1/ RC ，只与集电极负

8、载电阻RC有关，称为直流负载线。 4）求静态工作点Q，并确定UCE、IC的值。晶体管的IC和UCE既要满足IB=40A的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q，该点就是静态工作点。由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值IC和UCE。,2图解法,IB=40A的输出特性曲线,由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线,两者的交点Q就是静态工作点,过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为IC,过Q点作垂线，在横轴上的截距即为UCE,（2）电路参数对静态工作点的影响 如果改变电路参数RB、RC、UCC，就会改变静态工作点。如图11-7所示，Q0为原始的静态工作点。 RB变化，其它条

9、件不变化 （Q1点） RB变化只影响IB的值，即影响静态工作点的非线性约束条件。 RC变化，其它条件不变化（Q2点） RC变化时影响直流负载线，即影响静态工作点的线性约束条件。主要影响直流负载线的斜率，即M点的坐标。 UCC变化，其它条件不变化（ Q3点） UCC变化时，影响IB值同时也影响直流负载线。 综上所述，改变RB、 RC、 UCC均能改变放大电路的静态工作点，在实际应用中，主要是调整RB、 RC 的值。一般调整RB最为方便，通常总是首先调节RB 。,二、 动态分析,交流通路：交流信号源单独作用下的电路。 画交流通路的原则：电路中耦合电容的容抗很小，可视为短路；直流电源的内阻一般很小，

10、可视为短路。 基本放大电路和交流通路如图11-8所示。,1. 输入信号的传输情况分析,在有输入信号的情况下，电路中既有交流成份，又有直流成份。即电路中的各电流（电压）量是交流分量和直流分量的叠加。 设输入正弦电压信号： ，略去RS的影响， ， ，则放大电路各极电压、电流为：,由于电容的隔直作用，输出电压为：,各信号的波形如图11-9所示。由波形图可以看出： （1）放大电路在动态时的电压、电流是由直流和交流两种分量的叠加，其大小是随输入信号ui变化的。 （2）电路中ube、ib、ic与ui同相位，而uce与ui反相位。输出电压与输入电压相位相反，称为共射倒相，这是单管共射放大电路的重要特点。,2

11、波形失真与静态工作点的关系 波形失真：信号经放大电路放大后，输出波形与输入波形不完全一致称为波形失真。 非线性失真：由于三极管特性曲线是非线性引起的波形失真称为非线性失真。 对电压放大电路要求：一是合适的电压放大倍数， 二是非线性失真尽可能的小。 产生非线性失真的原因：在保证三极管质量的前提下，主要与静态工作点的位置和输入信号的幅值大小有关。,（1）饱和失真 产生原因：静态工作点设置偏高，如图（a）所示。 消除方法：降低静态工作点的位置，适当减小输入信号 的幅值。 （2）截止失真 产生原因：静态工作点设置偏低，如图（b）所示。 消除方法：提高静态工作点的位置，适当减小输入信号 的幅值。,3微变

12、等效电路法,把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路，就是放大电路的微变等效电路，然后用线性电路的分析方法来分析，这种方法称为微变等效电路分析法。等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内，用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,基本思路,（1）三极管的微变等效电路,从三极管的输入回路看进去，是三极管的发射结，其特性用三极管的输入特性曲线来描述，如图（a) 。在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的，当uBE有一微小变化UBE时，基极电流变化为IB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示，即：,表明：输入回路可以等效为一个电阻rbe ，

13、如图（b）所示。 静态工作点Q位置的不同， rbe不同，也就是说rbe是一个动态电阻。低频小功率管的输入电阻常用下式估算：,从三极管的输出回路看进去，是三极管的发射结和集电结，其特性用三极管的输出特性曲线来描述，如图11-13（a）。,输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线，集电极电流的微小变化IC仅与基极电流的微小变化IB有关，而与电压uCE无关，故集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即：,表明：输出回路可以等效为一个受控的电流源。如图11-13（b）所示。实际上输出特性曲线并不是平直的，有些上斜，因此有下式成立：,rce称为三极管的输出电阻。也就是说，输出回路等效为一个含有内

14、阻的受控电流源。但是由于rce的阻值很大，约为几百千欧，因此，分析电路时可以略去，画微变等效电路时一般也不画出。 综合以上析，三极管的微变等效电路如图11-14所示。,总结： 动态分析： （1）画出放大电路的交流通路。 （2）根据交流通路画出微变等效电路。 a）先画出三极管的微变等效电路 b）然后把其它线性元件填入相应的位置。 下图是固定偏置放大电路的交流通路和微变等效电路。,（3）放大电路微变等效电路,（2）电压放大倍数的计算,式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时,如果信号源含有内阻不可忽略，则其微变等效电路如下图所示。对信号源电压的电压放大倍数定义为： 由图可知 RB rbe 时： 所

15、以：,(3) 放大电路输入电阻和输出电阻的计算,放大电路的输入电阻 输入电阻是用来衡量放大电路对信号源的影响的一个性能指标。它定义为输入信号电压与输入信号电流之比。即,由右图可知：,当RB rbe 时：,通常希望输入电阻高一些好，一是可以减轻信号源的负担；二是可以提高电压放大倍数。,放大电路的输出电阻是在输入信号源短接和负载电阻开路情况下求得的。如图11-18所示，当 ， 时，由外加电压法，于是电路的输出电阻为,放大电路的输出电阻,由于rce RC故：,通常希望输出电阻低度一些好，可以提高放大电路的带负载能力。,【例】在图11-3中，UCC=12V，RC=4k，RB=300k ，=50，求电路

16、的静态工作点。 试求：（1）估算静态工作点 （2）估算rbe （3）当Rs=0和时的电压放大倍数Au （4）当Rs=0.5k，RL= 4k时的电压放大倍数AuS,解：（1）估算静态工作点 （2）估算rbe （3）,（4）Rs=0.5k，RL= 4k时,11.3 放大电路静态工作点的稳定,一、温度对静态工作点的影响,温度升高,UBE减小,ICBO增大,增大,IC增大,二、分压式偏置放大电路,工作原理 (1)在设计电路时，适当选择基极电阻RB1、RB2的阻值，使之满足下面两个条件： I2IB VBUBE,物理调节过程：,VB与温度基本无关。,（1）满足条件： I2IB ，则I1 I2,（2）满足条

17、件： VBUBE，则,IC 、 IE与温度基本无关。,2. 静态工作点的估算,CE具有使交流信号旁路的作用，称为发射极交流旁路电容。避免了在RE上产生交流压降，导致电压放大倍数下降。一般取几十到几百微法。,3. 动态分析,微变等效电路如下图，则,例：图示电路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻和输出电阻,11.4 多级放大电路,一、概述,1多级放大电路的组成 大多数电子电路的放大系统，需要把微弱

18、的毫伏级或微伏级的信号放大到足够大电压或电流，以推动负载工作，这要求电路有几千倍乃至几万倍的放大能力。从单级放大电路的放大倍数来看，仅有几十倍至几百倍的放大能力，且输出功率不大。因此，需要采用多级放大，以满足放大倍数和其它性能的要求。多级放大电路的组成方框图如图11-22所示。,各级的作用： 第一级：称为输入级或前置级，一般要求有尽可能高的输入电阻和较低的静态工作电流； 中间级：主要提高电压放大倍数； 功率放大级：以一定的功率驱动负载工作。,2级间耦合及特点 级间耦合是指：前一级放大电路的输出信号加到后一级放大电路的输入端甩采用的连接方式。 耦合方式有：阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。 必须满

19、足要求：一是级与级连接起来后，各级的静态工作点互不影响。二是输入信号在各级间能顺利的传递，在传递过程中的损耗和失真要尽可能的小。 （1）直接耦合 放大电路前级输出直接与后级的输入相连，称为直接耦合。如图11-23所示。 适用于放大直流信号和变化比较缓慢的交流信号，频率特性好。,存在的主要问题是： 各级静态工作点不独立，相互影响。 存在零点漂移问题。输入电压为零，输出电压偏离静态值的变化称为零点漂移。漂移现象严重时，就会淹没真正有用的输出信号。 优点：由于没有耦合电容，电路更便于集成。因而广泛应用在集成放大电路中。,（3）变压器耦合,如图11-24所示，级与级采用变压器传递信号，各级间静态工作点

20、互不影响，可以实现各级阻抗合理的匹配。 缺点是体积较大、笨重、频率特性差且不能传递直流信号，常用于选频放大或功率放大。,阻容耦合是指各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。 优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。 缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。,（3）阻容耦合,二、阻容耦合多级放大电路分析,1、静态分析：各级单独计算。,2、动态分析： 对于图11-25，从交流参数来看，前级的输出信号为后级的输入信号，而后级的输入电阻是前级交流负载。即： 则，第一级电压放大倍数为： 其中： 第二级电压

21、放大倍数为： 其中,电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。 同理，对于n级电压放大电路，其总的电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积，即 输入电阻就是第一级的输入电阻。 输出电阻就是最后一级的输出电阻。,11.5 放大电路中的负反馈,一、负反馈放大电路的基本概念,反馈：就是把输出信号的一部分或全部反引回来，和输入信号作比较，再用比较所得的偏差信号去控制输出。 反馈网络：输出信号通过一定的电路形式引回到输入端，这部分电路称为反馈网络。 闭环放大电路：放大电路和反馈网络构成一个闭环系统，通常把引入反馈的放大电路称为闭环放大电路。 开环放大电路：而没有引入反馈的放大电路称为开环放大电路。方框图11-

22、27所示。,图中： A0 为基本放大电路，可以是单极或是多极的放大电路； F 为反馈电路，它是联系放大电路输出与输入的环节，多由电阻等元件组成； 表示比较环节； 为输入信号， 为输出信号， 为反馈信号， 为净输入信号，即 与 的差值信号。,二、反馈电路的分类及判别,不同的反馈类型，对电路的影响不同。因此，在电路中引入反馈时，必须明确反馈电路的类型。 1. 按反馈的极性分类 可以分为： 正反馈：净输入信号=输入信号+反馈信号 负反馈：净输入信号=输入信号-反馈信号 判别方法：瞬时极性法 如果反馈信号加强了输入信号 则是正反馈，如果削弱了输入 信号则是负反馈。,2. 按反馈信号和输入信号的关系分类

23、,串联反馈：是指反馈信号与输入信号以电压的形式相叠加，即 。 并联反馈：是指反馈信号与输入信号以电流形式相叠加，即 。 一般来说，反馈信号送回到输入电路的三极管的基极时，就是并联反馈；反馈信号送回到输入电路的三极管的发射极时，就是串联反馈。 串联反馈使放大电路的输入电阻增大，并联反馈会使放大电路的输入电阻减小。,3. 按反馈信号的种类分类,电压反馈：如果反馈信号与输出电压成正比，则为电压反馈。 电流反馈：如果反馈信号与输出电流成正比，则为电流反馈。 判别方法：将输出端短路时，如果还有反馈信号，则是电流反馈，否则是电压反馈。 电压反馈且有稳定输出电压的作用，电流反馈且有稳定输出电流的作用。 在实

24、践中，负反馈类型有：电压并联负反馈、电压串联负反馈、电流并联负反馈、电流串联负反馈。,三、反馈电路放大电路举例,1. 电流串联负反馈,反馈元件：RE,判别反馈类型： 假设输入端基极的瞬时极性为“+”，则发射极的瞬时极性也为“+”。由微变电路可得净输入信号： 则 ，电路为负反馈。 上式中 ，表明反馈信号与输出电流成正比，所以是电流反馈。 上式也表明，反馈信号与输入信号以电压形式相叠加，所以是串联反馈。 2. 电流并联负反馈电路 图11-30为两级电压放大电路。反馈网络由RF、RE2构成，电路中存在交流反馈（也存在直流反馈）。,判别反馈类型： 设输入信号Ui的瞬时极性对地为“+”，这时输入电流ii

25、应是流入放大电路的，净输入电流id的参考方向是流入三极管基极的。,按照这样的假设，有：Ui为“+”- UC1为“-”- UE2为“-”-if流出节点-id = ii - if ，可见反馈信号的存在使净输入信号id削弱，故判定为负反馈。 反馈信号与输入信号是以电流形式相叠加的，故为并联反馈。当输出端短路时，仍有反馈信号，故为电流反馈。因此，这两级放大电路的级间反馈组态为电流并联负反馈。,四、负反馈对放大电路工作性能的影响,1降低了电压放大倍数,由右图可知各参数关系:,可见，引入反馈后，闭环放大电路的放大倍数仅为开环放大倍数的 。把 称为反馈深度。显然 越大，反馈越深，放大倍数下降的越多。,2提高

26、了电压放大倍数的稳定性,由于电路参数的变化，电源电压的波动等都会使电路的放大倍数变化，从而引起输出的不稳定，因此，提高放大倍数的可靠性和稳定性，是对放大电路的基本要求。当 时，有： 上式表明，放大电路的闭环放大倍数Af只取决于反馈系数F，而与开环放大倍数A0几乎无关。但这是牺牲了电压放大倍数换得的。,【例10-4】 某负反馈放大电路，A0=4000，F=0.04，设由于电路中三极管的更换，使得A0=8000，求：更换三极管前后值。 当A0=4000时：代入式（11-23）得 当A0=8000时：代入式（11-23）得 可见，当A0足够大或A0F足够大时，基本保持稳定，而且非常接近于,3减小了电

27、路的非线性失真,在放大电路中，由于PN结的非线性伏安特性，使得电路在放大信号时产生失真是不可能避免的，引入负反馈可以有效的使信号失真得以改善。 如图11-32（a）所示的放大电路方框图。由于没有反馈，使得输出信号的波形不对称，出现正半周幅度大，负半周幅度小的失真。,引入反馈后，则反馈信号也必定是一个失真的波形，失真的类型与（a）图相同。由于电路是负反馈， ，所以，净输入信号波形出现了与放大电路能产生的相反的失真类型，正半周的幅度大，负半周的幅度小。这样净输入信号在经过放大电路时得以较正，输出波形接近对称，失真得以改善。,4对输入电阻和输出电阻的影响,（1）对输入电阻的影响 负反馈对输入电阻的影

28、响主要取决于输入的（串联、并联）反馈类型。图11-33的串联负反馈，若没有反馈，则输入电流： 引入反馈时的输入电流： 显然，与没有反馈时相比输入电流变小了。这就说明引入串联反馈后电路的输入电阻变大了。,图11-34的并联负反馈，若没有反馈，则输入电阻为： 引入并联反馈时的输入电阻： 显然，与没有反馈时相比输入电阻变小了。 （2）对输出电阻的影响 负反馈对输出电阻的影响主要取决于反馈对于输出的取样类型（电压、电流反馈）。电压反馈使电路的输出电阻减小，具有稳定输出电压的作用。电流反馈使的输出电阻增大，具有稳定输出电流的作用。,11.6 射极输出器,射极输出器电路是负反馈放大电路的一个特例，输出信号

29、取自于三极管的发射极，如图11-35（a）所示。它的反馈组态为电压串联负反馈，是共集电极电路，微变等效电路如图11-35（b）所示。,一、静态分析,二、动态分析,1、电压放大倍数,2、求输入电阻,3、求输出电阻,射极输出器的特点： 电压放大倍数小于1，但约等于1，即电压跟随。 输入电阻较高。 输出电阻较低。,三、射极输出器的用途：,1作为输入级 在多级放大电路中，常采用射极输出器作为输入级。这是利用了它输入电阻高的特点。放大电路输入电阻高时，可以从信号源获得较高的输入电压，较小的输入电流。,2作为输出级 射极输出器有较小的输出电阻，作为信号源，如果内阻较小，当负载电流变动较大时，其输出电压变化

30、很小，从而提高了放大电路的带负载能力。 3作为中间级 射极输出器放在两级放大器的中间，利用其输入电阻高的特点，以提高前一级电压放大倍数；利用其输出电阻低的特点，以减小前一级信号源内阻，从而使后一级获得更大的输入信号，也就使后一级放大倍数得以提高。因此，用它作为中间级，隔离了放大器级间的相互影响。,例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100 ，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,11.7 功率放大电路,一、概述,功率放大电路就是以输出功率为主要技术指标的放大电路，电路中的三极管起能量转换作

31、用，即把电源提供的直流电能转化为由信号控制的输出交变电能。 功率放大简称功放，其电路与电压放大电路相比较，对功放电路有如下要求。 1.输出功率尽可能大 2. 效率要尽可能高 3.非线性失真尽可能小 4.改善三极管的热稳定性,二、功率放大电路的类型,甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50。,乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。 甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类和乙类之间。,三、乙类互补对称功率放大电路,乙类放大的管耗为零，但是在输入信号的负半周管子处于截止状态，又要出现严重的失真。一般采用互补对称射极输出电路来减小失真。,当输入信号为正半周(ui0)时