2章 基本放大电路.ppt

1、第 2 章 基本放大电路,2.2 晶体管放大电路的组成及其工作原理,2.3图解分析法,2.4微变等效电路分析法,2.8场效应管放大电路,2.6共集电极放大电路,2.5 分压式偏置稳定共射放大电路,2.7共基极放大电路,2.1 概述,2.1.1.放大电路的基本概念,放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放大电路。,2.1概述,2.1.2.放大电路的主要技术指标,1.放大倍数表示放大器的放大能力,电压放大倍数定义为: AU=UO/UI,(1) 倍数表示,(2) 分贝表示(dB),(3) 分贝和倍数的关系 倍数： Au 分贝 ： 20lgAu,2. 输入电

2、阻Ri从放大电路输入端看进去的 等效电阻,一般来说， Ri越大越好。 （1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。 （2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。,输入端,Ri,uS,RS,信号源,Au,输出端,3. 输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。,Au,Ro,uso,输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。,0,.,o,.,o,o,S,L,=,=,=,U,R,I,U,R,输出电阻的定义：,4. 通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,f,A,Am,0.7Am,fL,下限截止频率,fH,

3、上限截止频率,2.2晶体管放大电路的组成及其工作原理,2.2.1 共射基本放大电路的组成 及其工作原理,一、 放大电路的组成,以共射电路为例说明放大电路的组成、电路中各元件的个数及其数量级，重点指出组成放大电路的四条原则： 1.发射结加正向电压 2.集电结加反向电压 3.把信号源加到b-e之间 4.在输入信号作用下得 到不失真的输出信号 以上四条是判断三极管放大电路能否放大的依据，四条必须同时满足。,二、 共射基本放大电路的工作原理,1.静态： ui=0.,C1,+,2.动态： ui0，若输入为正弦信号,IBQ,ui,O,t,O,t,O,t,uo,O,t,O,t,ICQ,UCEQ,符号说明,I

4、B+ib,Ic+ic,UCE + uce,UBE + uce,RB,VBB,RC,C1,C2,T,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,输入,输出,参考点,三、单管共射极放大电路的结构 及各元件的作用,+VCC,使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。,RB,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,基极电源与基极电阻,组成演示动画,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,Rb,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容： 电解电容，有极性， 大小为10F50F,作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的

5、联系，同时能使信号顺利输入输出。,RB,+VCC,VBB,RC,C1,C2,T,+,+,单电源供电,可以省去,RB,单电源供电,2.3图解分析法,2.3.2 动态工作情况分析,2.3.1 静态工作情况分析,引 言,引言,基本思想,非线性电路经适当近似后可按线性电路对待， 利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。,分析三极管电路的基本思想和方法,直流通路(ui = 0)分析静态。,交流通路(ui 0)分析动态:只考虑变化的电压 和电流。,放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。,静态分析的任务是根据电路参数和三极管的 特性确定静 态值（直流值）UBE、IB、 IC 和UCE。 可用放大电路

6、的直流通路来分析。,2.3.1 静态工作情况分析,Rb,为什么要 设置静态 工作点？,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区以保证信号不失真。,画出放大电路的直流通路,一、静态工作点的估算,将交流电压源短路 将电容开路。,直流通路的画法：,直流通路,用估算法分析放大器的静态工作点 （ IB、UBE、IC、UCE）,（1）估算IB（ UBE 0.7V),Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,（2）估算UCE、IC,IC= IB,例2.3.1：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4K， Rb=300K ，=37.5。,解：,请注意电路中IB和IC的数量级,UBE

7、 0.7V,1.静态工作点Ui=0时电路的工作状态,二、用图解法确定静态工作点,IC,Rb,+VCC,RC,T,IC,UBE,UCE,( IC,UCE ),(IB,UBE),静态工作点,+,+,-,-,(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。,在输入特性曲线上，求出IB、UBE,UCE=VCCICRC,直流负载线,由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q,三、电路参数对静态工作点的影响,1. 改变 RB，其他参数不变,R B iB ,Q 趋近截止区；,R B iB ,Q 趋近饱和区。,2. 改变 RC ，其他参数不变

8、,RC Q 趋近饱和区。,例 2.3.2 设 RB = 38 k，求 VBB = 0 V、3 V 时的 iC、uCE。,解,当VBB= 0 V：,iB 0，,iC 0，,5 V,uCE 5 V,当VBB = 3 V：,0.3,UCE 0.3 V 0，,iC 5 mA,iC 0,iC = VCC /RC,三极管的开关等效电路,截止 状态,iB 0,uCE 5V,iB,饱和 状态,uCE 0,判断是否饱和 临界饱和电流 ICS和IBS ：,iB IBS，则三极管饱和。,1. 设输出空载时的图解法,2.3.2 用图解法确定动态工作情况,30,IBQ,uBE/V,iB/A,0.7 V,Q,ui,O,O

9、,+VCC,RC,C1,C2,T,ui,uo,+,+,-,-,+,+,根据ui在输入特性上画出ib,ib,6,直流负载线,6,ICQ,Ucem,O,O,O,O,根据ib在输出特性上画出ic和uce,说明uce和ui反向，同时可以求出电压放大倍数,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,2. 放大电路的非线性失真问题,(1) “Q”过低引起截止失真,NPN 管： 顶部失真为截止失真。,PNP 管： 底部失真为截止失真。,不发生截止失真的条件：IBQ Ibm 。,O,Q,ib,O,t,t,O,uBE/V,iB,uBE/V,iB,ui,uCE,iC,ic,t O,O,iC,O t,uCE,Q,uce

10、,(2)“Q”过高引起饱和失真,ICS,NPN 管： 底部失真为饱和失真。,PNP 管： 顶部失真为饱和失真。,IBS 基极临界饱和电流。,不发生饱和失真的条件： IBQ + I bm IBS,3.接上负载为RL时的图解法,输出端接入负载RL，不影响Q ，影响动态！,对交流信号(输入信号ui),ui,uo,1/C0,交流通路分析动态工作情况 (1) 交流通路的画法：,将直流电压源短路，将电容短路。,RB,RC,RL,ui,uo,交流通路,(2) 交流负载线,其中：,交流量ic和uce有如下关系：,这就是说，交流负载线的斜率为：,交流负载线的作法： 斜 率为-1/RL 。（ RL= RLRc ）

11、,经过Q点。,IB,交流负载线,直流负载线,斜 率为-1/RL 。 （ RL= RLRc ）,经过Q点。,u,iu/RL,直流负载线是用来确定工作点的； 交流负载线是用来画出波形，分析波形失真。,注意： （1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运 动轨迹。,（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。,选择工作点的原则：,当 ui 较小时，为减少功耗和噪声，“Q” 可设得低一些；,为获得最大输出，“Q” 可设在交流负载线中点。,为提高电压放大倍数，“Q”可以设得高一些；,例 2.3.3,硅管，ui = 10 sin t (mV)，RB = 176 k， RC = 1 k， VCC = VBB

12、 = 6 V，图解分析各电压、电流值。,解,令 ui = 0，求静态电流 IBQ,(交流负载线),6,直流负载线,6,ICQ,Ucem,O,O,O,O,当 ui = 0 uBE = UBEQ iB = IBQ iC = ICQ uCE = UCEQ,当 ui = Uim sin t ib = Ibmsin t ic = Icmsin t uce = Ucem sin t uo = uce,iB = IBQ + Ibmsin t iC = ICQ + Icmsin t uCE = UCEQ Ucem sin t = UCEQ +Ucem sin (180 t),2.4微变等效电路 分析法,2.4

13、.2 H参数小信号模型,2.4.1 H参数的引出,引 言,一 建立小信号模型的意义,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是在一定的条件下（工作点附近）将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,由于研究对象的多样性和复杂性，往往把对象的某些特征提取出来，用已知的、相对明了的单元组合来说明，并作为进一步研究的基础，这种研究方法称为建模。,引 言,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,二 建立小信号模型的思路,2.4.1 H参数的引出,

14、在小信号情况下，对上两式取全微分得,对于BJT双口网络， 我们已经知道输入 输出特性曲线如下：,uBE=f(iB，vCE),iC=g(iB ，vCE),用小信号交流分量表示,vbe= hieib+ hrevce,ic= hfeib+ hoevce,hie=h11e hre=h12e hfe=h21e hoe=h22e,输出端交流短路时的输入电阻；,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端电流恒定（交流开路）的反向电压传输比,输入端电流恒定（交流开路）时的输出电导。,其中：,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,能构成电路图吗,2.4.2 H参数小信号模型,根据,可得

15、小信号模型,H参数都是小信号参数， 即微变参数或交流参数。 H参数与工作点有关， 在放大区基本不变。,1. 模型的简化,即 rbe= hie = hfe uT = hre rce= 1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为, uT很小，一般为10-310-4 ， rce很大，约为100k。故 一般可忽略它们的影响， 得到简化电路, ib 是受控源 ，且为电流控制电流源(CCCS)。 电流方向与ib的方向是关联的。,2. H参数的确定, 一般用测试仪测出；, rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。,一般也用公式估算 rbe,rbe= rb + (1+ ) re,其中对于低频小功率管 r

16、b(100300）,则,(1)电压放大倍数的计算：,3. H参数的应用,共 射 极 放 大 电 路,微变等效电路画法动画演示,负载电阻越小，放大倍数越小。,画微变等效电路,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,(2) 输入电阻的计算：,根据输入电阻的定义：,当信号源有内阻时：,所以：,用加压求流法求输出电阻：,(3) 输出电阻的计算：,根据定义,4. 晶体三极管交流分析,步骤：, 分析直流电路，求出“Q”，计算 rbe。, 画电路的交流通路 。, 在交流通路上把三极管画成 H 参数模型。, 分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。,求：1. 静态工作

17、点。,例 2.4.1,2.电压增益AU、 输入电阻Ri、 输出电阻R0 。,3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截止还是饱和失,真？应调节哪个元件？如何调节？,解：1 .,2. 思路：微变等效电路,AU、Ri 、R0,例 2.4.2 = 100，uS = 10sin t (mV)，求叠加在 “Q” 点上的各交流量。,12 V,12 V,510,470 k,2.7 k,3.6 k,解,令 ui = 0，求静态电流 IBQ, 求“Q”，计算 rbe,ICQ = IBQ = 2.4 mA,UCEQ = 12 2.4 2.7 = 5.5 (V),uce, 交流通路,ube, 小信号等效, 分析各

18、极交流量, 分析各极总电量,uBE = (0.7 + 0.0072sint )V,iB = (24 + 5.5sint) A,iC = ( 2.4 + 0.55sint ) mA,uCE = ( 5.5 0.85sint ) V,2.5.1 问题的提出,单管共射放大电路存在的问题,一 实验中出现的现象,2.5 射极偏置放大电路,当环境温度,二 静态工作点的位置发生变化的原因,1 温度对晶体管参数的影响,TICBO,温度每升高10oC, ICBO一倍,TUBE,温度每升高1oC, UBE2.5mv,T,温度每升高1oC,/ 0.51%,2 温度对静态工作点的影响,ICQ=IBQ+(1+) ICB

19、O,IBQ=（Vcc- UBE）/ RB TICQQ饱和失真,3 工作点上移时输出波形分析,“Q”过高引起饱和失真,ICS,NPN 管： 底部失真为饱和失真。,不接负载时，交、直流负载线重合,静态是基础，动态是目的,2.5.2 电路组成及稳定静态 工作点的原理,特点：RB1上偏流电阻、RB2下偏流电阻、 RE发射极电阻 共发射极电路,电路组成,+ UBEQ ,IBQ,I1,IEQ,二 稳定静态工作点的原理,1.直流通路,ICQ,直流通路的画法,若电路调整适当，可以使ICQ基本不变。,2.稳定过程（原理）,TICQICQREUB固定UBEIBQICQ,3.稳定的条件 UB固定 UB=VCCRB2

20、 / (RB1+RB2),（1）I1 IB 硅管I1=（5-10）IBQ 锗管I1=（10-20）IBQ （2）UB UBE 硅管UB=（3-5）V 锗管UB=（1-3）V,2.5.3 静态分析 求Q点（IBQ、ICQ 、UCEQ） 求法：画出直流通路求解 方法有二： 一 估算法,说明Q是否合适,二 利用戴维南定理（同学自己做）,2.5.4 动态分析 求AU、Ri、RO 一 画出放大电路的微变等效电路 1.画出交流通路,2.画出放大电路的微变等效电路,二 计算动态性能指标,1.计算Au,“-”表示Uo和Ui反相。 Au的值比固定偏流放大电路小了。,2.计算输入电阻,Ri，同时说明公式的记法和折

21、合的概念。,uo在RE两端的电压可以忽略不计，因此RoRc 。,3. 计算输出电阻Ro Ro=uo/io Us=0 RL=,如何提高电压放大倍数Au,？,在RE两端并联一个电容，则放大倍数 与固定偏置放大电路相同。,2.5.5 举例讨论,例 = 100，RS= 1 k，RB1= 62 k，RB2= 20 k, RC= 3 k，RE = 1.5 k，RL= 5.6 k，VCC = 15 V。 求：“Q”，Au，Ri，Ro。,1)求“Q”,解,2)求 Au，Ri，Ro ， Aus,Ro = RC = 3 k,小 结,分析了固定偏置放大电路产生失真的原因。 分析了射极偏置放大电路稳定静态工作点 的原

22、理。 重点分析计算了分压式偏置放大电路的性 能指标。 深入讨论了射极电阻对静态和动态的影响， 为今后学习反馈建立基础概念。,一、如何使放大倍数减小不大， 但输入电阻有所提高？,课后思考题：,二、计算输出电阻时，若考虑RE， 如何计算输出电阻呢？,同学参考教材P110,2.6共集电极放大 电路,2.6 共集电极放大电路 (射极输出器、射极跟随器),一、电路组成与静态工作点,IBQ = (VCC UBEQ) / RB +(1+ ) RE,ICQ = I BQ,UCEQ = VCC ICQ RE,交流通路,二、性能指标分析,交流通路,小信号等效电路,RL = RE / RL,电压放大倍数：, 1,输

23、入电阻：,输出电阻：,us = 0,+ u ,i,iRE,RS = Rs / RB,i = iRE ib ib,射极输出器特点,Au 1 输入输出同相,Ri 高,Ro 低,用途：输入级 输出级 中间隔离级,例 2.6.1 =120，RB = 300 k，rbb= 200 ， UBEQ = 0.7 V, RE = RL = Rs = 1 k，VCC = 12V。 求：“Q ”，Au，Ri，Ro。,解,1)求 “Q”,IBQ = (VCC UBE) / RB + (1+ ) RE = (12 0.7) / 300 +121 1 27 (A),IEQ I BQ = 3.2 (mA),UCEQ = V

24、CC ICQ RE = 12 3.2 1 = 8.8 (V),2)求 Au，Ri，Ro,Rbe = 200 + 26 / 0.027 1.18 (k),Ri = 300/(1.18 121) = 51.2 (k),RL= 1 / 1 = 0.4 (k),提高 Ri 的电路：,无 C3、RB3：,Ri = (RB1 / RB2) / rbe + (1 + ) RE,Ri = 50 / 510 = 45 (k),Ri = (RB3 + RB1 / RB2) / rbe + (1+ )RE,Ri = (100 + 50) / 510 = 115 (k),无 C3 有 RB3 ：,接 C3 ：,RB3

25、 / rbe rbe,Ri = rbe+ (1 + ) (RB/ RE) = (1 + ) (RB / RE ),Ri = 51 50 / 10 = 425 (k),10 k,2.7共基极放大 电路,2.7 共基极放大电路,一、求“Q”(略),二、性能指标分析,Ri,Ri,Ro,Ro = RC,特点：,1. Au 大小与共射电路相同。,2. 输入电阻小，Aus 小。,2.8场效应管放大电路,2.8.2 分压式自偏压放大电路,2.8.1 场效应管放大电路,2.8.1 场效应管放大电路,三种组态：,共源、共漏、共栅,特点：,输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好,1. 固定偏压放大电路,+VDD,RD

26、,C2,+,C1,+ ui ,RG,G,D,一、电路的组成,（1）合适的偏置 （2）能输入能输出,RL,+ Uo ,VGG,2.自给偏压放大电路,栅极电阻 RG 的作用：,(1)为栅偏压提供通路,(2)泻放栅极积累电荷,源极电阻 RS 的作用：,提供负栅偏压,漏极电阻 RD 的作用：,把 iD 的变化变为 uDS 的变化,+VDD,RD,C2,CS,+,+,+ uo ,C1,+ ui ,RG,RS,G,S,D,二、静态分析,RL,UDSQ = VDD IDQ(RS + RD),UGSQ = IDQRS,三、动态分析,场效应管电路小信号等效电路分析法,交流通路,RD,+ uo ,C1,+ ui ,RG,G,S,D,RL,小信号模型,从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。,从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源。,id = gmugs,1. 场效应管的等效电路,2. 场效应管放大电