课件文档第2章.ppt

1、2.1 基本放大电路的组成及工作原理 2.2 放大电路分析方法 2.3 共集电极电路和共基极电路 2.4 多级放大电路与组合放大电路 2.5 放大电路的频率特性 2.6 放大电路设计举例,第2章 基本放大电路,返回主目录, 2.1 概论,2.1.1 放大的概念,电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：,Au,2.1.2 放大电路的性能指标,一、放大倍数,Ui 和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。,Au是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。,1、 Au,2、 功率增益 功率增益表示放大器放

2、大信号功率的能力， 定义为,一个信号源能够提供的最大功率，就是信号源加到匹配负载上的功率，我们定义为信号源额定功率, 它是度量信号源功率容量大小的参数。负载能否得到这么大的功率，取决于负载是否与信号源内阻匹配。额定功率与负载大小无关，而实际得到的功率则与负载大小有关。,放大器的额定功率增益是指放大器输出额定功率PAo与输入信号源额定功率PAs的比值。在图2.1.4中，令ri=rs，那么输入信号源的额定功率为 放大器的输出额定功率为 则放大器的额定功率增益为,式中，Auso=Ut/Us是负载RL断开时放大器的源电压增益。 由上可知，GPA与放大器输出端所接负载大小无关，但和输入端是否与信号源内阻

3、匹配有关。输入端匹配时，放大器输入端得到的功率最大。 相应的输出额定功率PAo最大，这时， GPA最大。,二、输入电阻ri,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,定义：,即：ri越大，Ii 就越小，ui就越接近uS,三、输出电阻ro,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,如何确定电路的输出电阻ro ？,步骤：,1. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。,2. 加压求流法。,方法一

4、：计算。,方法二：测量。,1. 测量开路电压。,2. 测量接入负载后的输出电压。,步骤：,3. 计算。,四、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,五. 频率失真 因放大电路一般含有电抗元件，所以对于不同频率的输入信号, 放大器具有不同的放大能力。相应的增益是频率的复函数。即 上式中， A()是增益的幅值，A()是增益的相角， 都是频率的函数。我们将幅值随变化的特性称为放大器的幅频特性，其相应的曲线称为幅频特性曲线; 相角随变化的特性称为放大器的相频特性，其相应的曲线称为相频特性曲线。 它们分别如图2.1.5（a）和（b）所示。 在工程上，一个实际输入信号包含许

5、多频率分量， 放大器不能对所有频率分量进行等增益放大，那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。这种波形失真称为放大器的频率失真。要把这种失真限制在允许值范围内，则放大器频率响应曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度。, ,六. 非线性失真 非线性失真主要由晶体三极管伏安特性曲线的非线性产生。 假如输入信号为正弦信号电压Ug=Ugmsint时，由于非线性失真， 输出集电极电流波形就将是非正弦的，该波形可分解为众多频率分量。基波分量为不失真分量，假设它的振幅为Ic1m；二次及其以上各次谐波分量为失真分量，假设他们的振幅分别为Ickm（k=2， 3， 4， ），则衡量放大器非线性失真大小的非线

6、性失真系数定义为THD，即, 2.2 基本放大电路的组成和工作原理,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,2.2.1 共射放大电路的基本组成,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,作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,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：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,可以省去,电路改进：采用单电源供电,2

7、.2.2 基本放大电路的工作原理,由于电源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、静态工作点,IBQ,ICQ,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )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。,IB,uCE怎么变化,？,假设uBE有一微小的变化,uCE的变化沿一条直线,uce相位如何,？,uce与ui反相！,各点波形,实现放大的条件,1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4. 输出回路将

8、变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,如何判断一个电路是否能实现放大？,3. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,4. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。 如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来判断；如果未给定电路的参数，则假定参数设置正确。,1. 信号能否输入到放大电路中。,2. 信号能否输出。,与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：,2.3 放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,2.3.1 直流通道和交流通道,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信

9、号。,但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考虑交流信号的分电路。 直流通道：只考虑直流信号的分电路。 信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,例：,对直流信号（只有+EC）,对交流信号(输入信号ui),一、直流负载线,IC,UCE,UCEIC满足什么关系？,1. 三极管的输出特性。,2. UCE=ECICRC 。,直流 负载线,与输出特性的交点就是Q点,IB,2.3.2 直流负载线和交流负载线,二、交流负载线,其中：,iC 和 uCE是全量，与交流量ic和uce有如下关

10、系,所以：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,交流负载线的作法,IB,过Q点作一条直线，斜率为：,交流负载线,例：P56例2.3.1 2.3.2,2.3.3 静态分析,一、估算法,（1）根据直流通道估算IB,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,（2）根据直流通道估算UCE、IB,IC,UCE,二、图解法,先估算 IB ，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与 IB 对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。,例：用估算法计算静态工作点。,已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,请注意电路中IB 和IC 的数量级。,2.3.4 动态分析,一、三极管的微变等效电

11、路,1. 输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,rbe的量级从几百欧到几千欧。,2. 输出回路,所以：,(1) 输出端相当于一个受ib 控制的电流源。,(2) 考虑 uCE对 iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。,rce的含义,rce很大， 一般忽略。,3. 三极管的微变等效电路,c,b,e,二、放大电路的微变等效电路,将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:,三、电压放大倍数的计算,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,四、输入电阻的计算,对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用

12、输入电阻来表示。,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。,五、输出电阻的计算,对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,计算输出电阻的方法：,(1) 所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。,(2) 所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。,所以：,用加压求流法求输出电阻：,2.3.5 失真分析,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线

13、的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，则造成非线性失真。,下面将分析失真的原因。为简化分析，假设负载为空载(RL=)。,uo,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,uo,1. Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生 截止失真,2. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生 饱和失真,因为这种失真是三极管在信号的某一段内饱和而产生的， 所以称为饱和失真。PNP型三极管的输出电压uO的波形失真现象与NPN型三极管的相反。 对一个放大电路，希望它的输出信号能正确地反映输入信号的变化，也就是要求波形失真小，否则就失去了放大的意义。 由于输出信号波形与静态工作点有密切的关系，所以静态工作

14、点的设置要合理。所谓合理，即Q点的位置应使三极管各极电流、电压的变化量处于特性曲线的线性范围内。具体地说，如果输入信号幅值比较大，Q点应选在交流负载线的中央；如果输入信号幅值比较小，从减小电源的消耗考虑，Q点应尽量低一些。,2.4 偏置放大电路,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、 和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,UBE,ICEO,Q,一、温度对UBE的影响,二、温度对 值及ICEO的影响,总的效果是：,小结：,固定偏置

15、电路的Q点是不稳定的。 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、 IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。,常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,分压式偏置电路：,一、静态分析,RE射极直流负反馈电阻,CE 交流旁路电容,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,1. 静态工作点稳定的原理,2. 求静态工作点,算法一：,上述四个方程联立，可求出IE ，进而，可求出UCE 。,本算法比较麻烦，通常采用下面介绍的算法二、三。,方框中部分用戴维南定理等效为：,进而，可求出IE 、UCE 。

16、,算法二：,算法三：,可以认为与温度无关。,似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。,例：已知=50， EC=12V， RB1=7.5k， RB2=2.5k， RC=2k， RE=1k， 求该电路的静态工作点。,算法一、二的结果：,算法三的结果：,结论：三种算法的结果近似相等，但算法三的计算过程要简单得多。,二、动态分析,+EC,uo,问题1：如果去掉CE，放大倍数怎样？,去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：,用加压求流法求输出电阻。,可见，去掉CE后，放大倍数减小、输出电阻不变，但输入电阻增大了。,问题2：如果电路如下图所示，如何分析？,静态

17、分析：,直流通路,动态分析：,交流通路,交流通路：,微变等效电路：,问题：Au 和 Aus 的关系如何？,定义：,分压式偏置电路主要用在交流耦合的分立元件放大电路中。 在交流耦合放大电路中，不论采用哪种组态电路，分压式偏置电路都具有相同的形式。如图2.2.20所示的三种基本组态放大电路，它们的直流通路都与图2.2.19所示的分压式偏置电路相类似，而与采用什么组态无关。 3. 恒流源偏置电路 对恒流源偏置电路的要求，不仅要提供稳定的静态工作点电流，还应要有高的输出交流电阻。 镜像恒流源电路是目前应用最广的一种高稳定恒流源电路， 它特别适合于用在集成电路中。 ,图2.2.21是镜像恒流源的基本电路

18、。它是由两个性能上严格配对的晶体三极管和一个电阻R组成的，其中V1管的集电极和基极相连，IR和Io为电路两边的电流。 当晶体三极管工作在放大区时，V1和V2两管的发射极电流分别为,由于两管的发射结并联在一起，有uBE1=uBE2，所以,如两管对称，IEBS1=IEBS2，则iE1=iE2, 由于 iE1=IEQ1=ICQ1+IBQ1 iE2=IEQ2=ICQ2+IBQ2 其中，ICQ2=Io，ICQ1=IR-(IBQ1+IBQ2)，因此，当1=2=，IBQ1=IBQ2=IBQ时，经整理得 Io=IR-2IBQ 又IBQ=ICQ2/=Io/，上式可写为 Io=,(2.2.44),当UCC和R为确定值时, 由图可得 IR= (2.2.46) 由上述分析可知, 当IR确定后，Io也就被确定了。其中IR称为参考电流，Io称为输出电流。改变UCC或R，IR和相应的Io也就随之改变。Io如IR的镜像，故将这种恒流源电路称为镜像恒流源电路。它的输出交流电阻为V2管的输出电阻rce。 如果电路左边不加固定电压UCC，而让该点电压浮动，则当Io改变时，IR也就将按式（2.2.44）作相