电工学-第9章放大电路.ppt

1、1,第 9 章 基本放大电路,9.1 双极型晶体管,9.2 放大电路的工作原理,9.3 放大电路的静态分析,9.4 放大电路的动态分析,9.5 双极型晶体管基本放大电路,9.6 场效应型晶体管,9.7 场效应型晶体管基本放大电路,9.8 多级放大电路,9.9 差分放大电路,9.10 功率放大电路,下一章,上一章,返回主页,大连理工大学电气工程系,2,9.1 双极型晶体管,一、基本结构,结构示意图和图形符号,大连理工大学电气工程系,3,二、工作状态,条件: 发射结正偏, 集电结反偏。,发射区发射载流子 形成电流IE 少部分在基区被复合 形成IB 大部分被集电区收集 形成IC,1放大状态,电流的形

2、成,晶体管中载流子的运动过程,大连理工大学电气工程系,4, 电流的关系 IE= IB +IC,当 IB = 0 时，,直流 (静态) 电流放大系数,交流 (动态) 电流放大系数,IC = ICEO,电路图,大连理工大学电气工程系,5,IB 微小的变化，会产生 IC 很大的变化。 IC =IB 。 0UCEUCC ， UCE = UCCRC IC 。 晶体管相当于通路。, 特点,大连理工大学电气工程系,6,特点： IB,IC 基本不变。 ICUCC / RC 。 UCE0 。 晶体管相当于短路。,条件: 发射结正偏, 集电结正偏。,IB,IC UCE = (UCCRC IC) ICM = UCC

3、 / RC,2. 饱和状态,电路图,饱和状态时的晶体管,大连理工大学电气工程系,7,特点： IB= 0 IC= 0 UCE= UCC 晶体管相当于开路。,3. 截止状态,条件: 发射结反偏, 集电结反偏。,电路图,截止状态时的晶体管,大连理工大学电气工程系,8,晶体管处于放大状态。 (2) 开关 S 合向 b 时,例9.1.1 图示电路，晶体管的 = 100，求开关 S 合向 a、b、c 时的 IB、IC 和 UCE，并指出晶体管的工作 状态（忽略 UBE ）。,解 (1) 开关 S 合向 a 时,= 0.01 mA IC = IB = 1000.01 mA = 1 mA UCE = UCCR

4、CIC = (1551031103) V = 10 V,UCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 V RB1 = 500 k RB2 = 50 k RC = 5 k,大连理工大学电气工程系,9,UCE = 0 V 晶体管处于饱和状态。因为若 IC = IB = 1000.1mA = 10 mA UCE = UCCRCIC = V =35 V UCE0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。 (3) 开关 S 合向 c 时 IB = 0，IC = 0，UCE = UCC = 15 V 晶体管处于截止状态。,大连理工大学电气工程系,10,三、 特性

5、曲线,1. 输入特性 IB= f (UBE) UCE=常数,UCE1V 25,UCE1V 75, 硅管：UBE 0.7 V 锗管：UBE 0.3 V,输入特性,工作方式,大连理工大学电气工程系,11,2. 输出特性 IC= f (UCE)IB = 常数,放 大 区,饱和区,截止区,输出特性,工作方式,大连理工大学电气工程系,12,动态电流放大系数 2.穿透电流 ICEO 3.集电极最大允许电流 ICM 4.集电极最大耗散功率 PCM PC = UCE IC 5.反向击穿电压 U(BR) CEO,四、主要参数,1.电流放大系数,过 损 耗 区,安 全 工 作 区,功耗曲线,大连理工大学电气工程系

6、,13,9.2 放大电路的工作原理,一、电路组成,两个电源的放大电路,一个电源的放大电路,大连理工大学电气工程系,14,NPN 管放大电路,PNP 管放大电路,放大电路的简化画法：,大连理工大学电气工程系,15,二、信号的放大过程,1. 静态时 ui = 0，直流电源单独作用。,2. 动态时 输入信号 ui，,输出信号 uo= uce = RC ic,信号的放大过程,大连理工大学电气工程系,16,9.3 放大电路的静态分析,一、静态工作点的确定 图解法 在输入特性曲线上,已知 IB , 可确定 Q 点, 可知 UBE 。 在输出特性曲线上 已知 IB , 可确定 Q 点， 可知 IC , UC

7、E 。,输入特性,输出特性,大连理工大学电气工程系,17,2. 计算法,直流通路的做法： (1) 信号源中的电动势短路； (2) 电容开路。,IBRB + UBE = UCC,IC =IB UCE = UCCRCIC,直流通路,放大电路,大连理工大学电气工程系,18,例 9.3.1 在如图所示的固定偏置放大电路中，已知 UCC = 6 V， RB = 180 k， RC = 2 k, = 50，晶体管为硅管。试求放大电路的静态工作点。,解,IC = IB UCE = UCCRC IC,= 0.029 4 mA,= 500.029 4 mA,= 1.47 mA,= (621.47 ) V,=3.

8、06 V,大连理工大学电气工程系,19,二.静态工作点的影响,1. 当 IB 太小，Q 点很低，引起后半周截止失真。 2. 当 IB 太大，Q 点很高，引起前半周饱和失真。, 截止失真和饱和失真统称为非线形失真。,截止失真,饱和失真,大连理工大学电气工程系,20,9.4 放大电路的动态分析,一、放大电路的主要性能指标 1. 电压放大倍数 Au,其分贝值: | Au | (dB) = 20lg | Au |,定义：,当输入信号为正弦交流信号时,大连理工大学电气工程系,21,在放大电路中:,2. 输入电阻 ri,定义：,当输入信号为正弦交流信号时,放大电路,信号源,输入电阻,大连理工大学电气工程系

9、,22,ri 大 Ui 大 Uo 大； ri 大 Ii 小 可减轻信号源的负担；,ri 越大越好， ri RS 。,可见：,输入电阻,大连理工大学电气工程系,23,3. 输出电阻 ro,当输入信号为正弦交流信号时：,定义：,放大电路,负载,输出电阻,大连理工大学电气工程系,24,若 ro 小，带载能力强；反之带载能力差。,可见：,ro 越小越好，ro RL。,大连理工大学电气工程系,25,4. 放大电路的频率特性,幅频特性: |Au| f,相频特性: f,通频带,大连理工大学电气工程系,26,解 (1),= 9 mV,UOC = | A0 | Ui,= 1009 10 -3 V,= 0.9 V

10、 = 900 mV,例 9.4.1 某放大电路的空载电压放大倍数 | A0 | = 100，输入电阻 ri = 9 k ，输出电阻 ro = 1 k，试问: (1) 输入端接到 Us = 10 mV，RS = 1 k 的信号源上，开路电压 UOC 应等于多少？(2) 输出端再接上 RL= 9 k 的负载电阻时，负载上的电压 UoL 应等于多少？这时电压放大倍数 | Au | 是多少？,大连理工大学电气工程系,27,(2),= 810 mV,= 0.81 V,= 90,= 90,大连理工大学电气工程系,28,二、放大电路的微变等效电路,1. 晶体管的交流小信号电路模型, 输入端电压和电流的关系,

11、 称为晶体管的输入电阻。,rbe =,电路图,输入特性,大连理工大学电气工程系,29,晶体管从输入端看，可以用一个等效的动态电 阻 rbe代替。,电路图,输入端口等效电路,大连理工大学电气工程系,30,(2) 输出端电压和电流的关系,从输出端看，可以用一个 受控电流源代替。,晶体管的小信号模型,共射接法,共集接法,共基接法,电路图,大连理工大学电气工程系,31,2. 放大电路的交流通路,作法: C 短路，UCC 短路。,放大电路,交流通路,微变等效电路,大连理工大学电气工程系,32,= RB rbe, rbe,= RC,微变等效电路,大连理工大学电气工程系,33,例9.4.2 求例9.3.1放

12、大电路的空载电压放大倍数、输入电阻 和输出电阻 。,(1) 空载电压放大倍数,解,= 1 084 ,=92.25,ri = RB rbe,(2) 输入电阻,= 1.078 k,(3) 输出电阻,ro = RC,= 2 k,大连理工大学电气工程系,34,9.5 双极型晶体管基本放大电路,一、共射放大电路,1. 电路组成 增加一个偏流电阻 RB2， 可以固定基极电位。 只要满足: I2 IB,选择参数时，一般取 I2(510) IB。,共射放大电路,大连理工大学电气工程系,35,(2) 增加发射极电阻 RE， 可以稳定 IC。,只要满足 UB UBE,选择参数时,一般取 UB(510)UBE。,T

13、 ,ICEO ,IE ,URE ,IC,IC , UBE ,(3) 增加 CE , 避免 Au下降。,共射放大电路,大连理工大学电气工程系,36,2. 静态分析,画直流通路,IC = IB,UCE = UCCRC ICRE IE UCC(RCRE) IC,共射放大电路的直流通路,共射放大电路,大连理工大学电气工程系,37,3. 动态分析,共射放大电路的交流通路,共射放大电路,共射放大电路的微变等效电路,大连理工大学电气工程系,38,= RB1RB2rbe,rbe,= RC,共射放大电路的微变等效电路,大连理工大学电气工程系,39,1. 电路组成,二、共集放大电路,2. 静态分析,RBIBUBE

14、RE (1) IB = UCC,IC = IB UCE = UCCREIE =UCCRE (1 ) IB,共集放大电路,共集放大电路的直流通路,大连理工大学电气工程系,40,3. 动态分析,共集放大电路的交流通路,共集放大电路,共集放大电路的微变等效电路,大连理工大学电气工程系,41,1,共集放大电路的微变等效电路,大连理工大学电气工程系,42,三、共基放大电路 1. 电路结构,2. 静态分析,IC =IB,UCE = UCCRC ICRE IE UCC(RCRE) IC,共基放大电路,共基放大电路的直流通路,大连理工大学电气工程系,43,3. 动态分析,共基放大电路的交流通路,共基放大电路,

15、共基放大电路的微变等效电路,大连理工大学电气工程系,44,= RC,共基放大电路的微变等效电路,大连理工大学电气工程系,45,9.6 场效应型晶体管,一、基本结构,SiO2,NMOS 管,PMOS 管,源极 漏极 S D,铝片,栅极 G,大连理工大学电气工程系,46,二、基本类型,按导电沟道的不同分为： N型沟道MOS管NMOS管 P型沟道MOS管PMOS管,NMOS 管,PMOS 管,导电沟道,大连理工大学电气工程系,47,按导电沟道形成的不同分为： 增强型简称E型 耗尽型简称D型,场效应管的图形符号:,大连理工大学电气工程系,48,三、工作原理,形成反型层导电沟道的条件是： E型NMOS管

16、 UGS UGS(th) 0 E型PMOS管 UGS UGS(0ff) 0 总之, 改变UGS , 可以改变导通沟道的厚度和形状, 从而实现控制 ID 。,大连理工大学电气工程系,49,四、特性曲线,耗尽型NMOS 管,增强型NMOS 管,转移特性,漏极特性,大连理工大学电气工程系,50,耗尽型PMOS 管,增强型PMOS 管,转移特性,漏极特性,UGS(off),O,ID,UGS,大连理工大学电气工程系,51,9.7 场效应型晶体管基本放大电路,一、增强型MOS管共源放大电路,1. 静态时,当UGS UGS(th)时, 才能建立起反型层导电沟道。 ID = IS UGS = UGRSIS U

17、D= UDDRDID,分压偏置共源放大电路,大连理工大学电气工程系,52,2. 动态时,uo=idRD,uG= UG ui,uD= UDDiDRD,uGS= UGS ugs,iD= IDid,电压电流波形,大连理工大学电气工程系,53,只要 UGS UGS(off), 导电沟道就不会消失。 IG = 0 1. 静态时 uGS =RS IS 2. 动态时 与增强型一样。,二、耗尽型MOS管共源放大电路,自给偏置共源放大电路,大连理工大学电气工程系,54,9.8 多级放大电路,级间耦合方式 阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。,一、阻容耦合,1. 静态分析,前、后两级静态工作点彼此独立，互不影响。,阻

18、容耦合,大连理工大学电气工程系,55,2. 动态分析,微变等效电路,阻容耦合,大连理工大学电气工程系,56, Au = Au1Au2 其中：RL1 = ri2, ri = ri1 ro = ro2,阻容耦合放大电路，只能放大交流信号， 无法传递直流信号。,微变等效电路,大连理工大学电气工程系,57,1. 静态分析 前后级静态工作点相互影响，相互制约；不能 独立设置。 2. 动态分析 分析方法同直接耦合放大电路。 可以放大直流信号。 3. 零点漂移,二、直接耦合,直接耦合,大连理工大学电气工程系,58,例 9.6.1 如图所示放大电路, 已知 RB1 = 33 k， RB2 = RB3 = 10

19、 k, RC = 2 k, RE1 = RE2 = 1.5 k, 两晶体 管的 1 = 2 = 60, rbe1 = rbe2 = 0.6 k。求总电压放大倍数。,RL1 = ri2,解,第一级为共射放大电路, 它的负载电阻即第二级的输入电阻。,= RB3rbe2(12)RE2,大连理工大学电气工程系,59,= 8.46 k,= 1.62 k,=162,第二级为共集放大电路, 可取 Au = 1，,Au = Au1Au2 =1621,=162,RL1 = RB3rbe2(12)RE2,解,大连理工大学电气工程系,60,9.9 差分放大电路,IC1IC2 UC1 = UC2 Uo = UC1UC

20、2 = 0,一、工作原理,1. 静态时 ui1 = ui2 = 0,基本差分放大电路,大连理工大学电气工程系,61,(1) 共模输入信号 ui1 = ui2 uc1 = uc2 uo = uc1uc2 = 0 对共模信号无放大作用； 即Ac= 0 。,2. 动态时,RE抑制零点漂移的过程,T,uRE, iB1 iB2 ,基本差分放大电路,大连理工大学电气工程系,62,(2) 差模输入信号 ui1= ui2,uc1= uc2 uo= uc1 uc2 = 2uc1 对差模信号有放大作用, 即Ad0。,基本差分放大电路,大连理工大学电气工程系,63,双端输入 单端输入 双端输出 单端输出,二、输入和输出方式,1. 反相输入,设 ui 增加，,ui 0 ,uBE1 0,ic1 0, uo 0,可