第二章放大電路及其分析方法報告.ppt

第二章放大電路的基本原理,2.1放大的概念,2.2單管共發(fā)射極放大電路,2.3放大電路的主要技術(shù)指標,2.4放大電路的基本分析方法,2.5工作點的穩(wěn)定問題,2.6放大電路的三種基本組態(tài),2.7場效應(yīng)管放大電路,2.8多級放大電路,2.1放大的概念,本質(zhì)：實現(xiàn)能量的控制。,在放大電路中提供一個能源，由能量較小的輸入信號控制這個能源，使之輸出較大的能量，然后推動負載。,小能量對大能量的控制作用稱為放大作用。,放大的對象是變化量。,核心元件：雙極型三極管和場效應(yīng)管。,放大元件iC=iB，工作在放大區(qū)，要保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。,2.2.1單管共射極放大電路的結(jié)構(gòu)及各元件的作用,2.2單管共發(fā)射極放大電路,各元件作用：,使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當?shù)撵oIB和UBE。,基極電源與基極電阻,集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。,集電極電阻RC，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?耦合電容：電解電容，有極性，大小為10F50F,作用：隔直通交隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系，同時能使信號順利輸入輸出。,+,+,各元件作用：,2.2.2單管共發(fā)射極放大電路的工作原理,一、放大作用：,圖2.2.1單管共射放大電路的原理電路,圖2.2.1單管共射放大電路的原理電路,二、組成放大電路的原則：（判斷電路能否放大的依據(jù)）,1.外加直流電源的極性必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。則有：,2.輸入回路的接法應(yīng)使輸入電壓u能夠傳送到三極管的基極回路，使基極電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化量iB。,3.輸出回路的接法應(yīng)使變化量iC能夠轉(zhuǎn)化為變化量uCE，并傳送到放大電路的輸出端。,三、原理電路的缺點：,1.雙電源供電；2.uI、uO不共地。,四、單管共射放大電路,C1、C2：為隔直電容或耦合電容；RL：為負載電阻。,該電路也稱阻容耦合單管共射放大電路。,基本放大電路的習慣畫法,2.3放大電路的主要技術(shù)指標,圖2.3.1放大電路技術(shù)指標測試示意圖,一、放大倍數(shù),二、最大輸出幅度,在輸出波形沒有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負載的最大輸出電壓(或最大輸出電流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom、Iom)。,三、非線性失真系數(shù)D,四、輸入電阻Ri,所有諧波總量與基波成分之比，即,從放大電路輸入端看進去的等效電阻。,輸入電阻Ri從放大電路輸入端看進去的等效電阻,Ri=ui/ii,一般來說，Ri越大越好。（1）Ri越大，ii就越小，從信號源索取的電流越小。（2）當信號源有內(nèi)阻時，Ri越大，ui就越接近uS。,五、輸出電阻Ro,從放大電路輸出端看進去的等效電阻。,輸入端正弦電壓，分別測量空載和輸出端接負載RL的輸出電壓、。,輸出電阻愈小，帶載能力愈強。,六、通頻帶,七、最大輸出功率與效率,輸出不產(chǎn)生明顯失真的最大輸出功率。用符號Pom表示。,：效率PV：直流電源消耗的功率,fLfH,fL：下限頻率fH：上限頻率,圖2.3.2,圖2.4.1(b),2.4放大電路的基本分析方法,基本分析方法兩種,圖解法,微變等效電路法,2.4.1直流通路與交流通路,圖2.2.2(b),圖2.4.1(a),將交流電壓源短路，將電容開路。,直流通路的畫法：,對交流信號(輸入信號ui),交流通路的畫法：,將直流電壓源短路接地，將電容短路。,交流通路,直流通路,1.靜態(tài)工作點Ui=0時電路的工作狀態(tài),ui=0時,由于電源的存在，電路中存在一組直流量。,IC,+UBE-,+UCE-,2.4.2靜態(tài)工作點的近似計算,由于(IB,UBE)和(IC,UCE)分別對應(yīng)于輸入、輸出特性曲線上的一個點，所以稱為靜態(tài)工作點(直流工作點）。,為什么要設(shè)置靜態(tài)工作點？,放大電路建立正確的靜態(tài)工作點，是為了使三極管工作在線性放大區(qū)，以保證信號不失真。,2.4.2靜態(tài)工作點的近似計算,硅管UBEQ=(0.60.8)V鍺管UBEQ=(0.10.2)V,ICQIBQ,UCEQ=VCCICQRC,Rb稱為偏置電阻，IB稱為偏置電流。,【例】圖示單管共射放大電路中，VCC=12V，,Rc=3k，Rb=280k，NPN硅管的=50，試估算靜態(tài)工作點。,圖2.4.2(a),解：設(shè)UBEQ=0.7V,ICQIBQ=(500.04)mA=2mA,UCEQ=VCCICQRc=(12-23)V=6V,2.4.3圖解法,在三極管的輸入、輸出特性曲線上直接用作圖的方法求解放大電路的工作情況。,一、圖解法的過程,(一)圖解分析靜態(tài),1.先用估算的方法計算輸入回路IBQ、UBEQ。,2.用圖解法確定輸出回路靜態(tài)值,方法：根據(jù)uCE=VCC-iCRc式確定兩個特殊點,直流負載線,輸出回路,輸出特性,圖2.4.3,由靜態(tài)工作點Q確定的ICQ、UCEQ為靜態(tài)值。,圖2.4.3(a),【例】圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知Rb=280k，Rc=3k，集電極直流電源VCC=12V，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。,解：首先估算IBQ,做直流負載線，確定Q點,根據(jù)UCEQ=VCCICQRc,iC=0，uCE=12V；,uCE=0，iC=4mA.,0,iB=0A,20A,40A,60A,80A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ=40A，ICQ=2mA，UCEQ=6V.,uCE/V,由Q點確定靜態(tài)值為：,iC/mA,圖2.4.3(b),(二)圖解分析動態(tài),1.交流通路的輸出回路,圖2.4.4,輸出通路的外電路是Rc和RL的并聯(lián)。,2.交流負載線,交流負載線斜率為：,交流負載線的作法：斜率為-1/RL。（RL=RLRc）,經(jīng)過Q點。,輸出端接負載RL：不影響Q影響動態(tài)！,交流負載線的作法：,IB,交流負載線,直流負載線,斜率為-1/RL。（RL=RLRc）,經(jīng)過Q點。,注意：（1）交流負載線是有交流輸入信號時工作點的運動軌跡。,（2）空載時，交流負載線與直流負載線重合。,1.交流放大原理（設(shè)輸出空載）,假設(shè)在靜態(tài)工作點的基礎(chǔ)上，輸入一微小的正弦信號ui,靜態(tài)工作點,3.用圖解法分析放大器的動態(tài)工作情況,注意：uce與ui反相！,各點波形,uo比ui幅度放大且相位相反,2.動態(tài)工作情況圖解分析（有載）,圖2.4.5(a)輸入回路工作情況,圖2.4.5(b)輸出回路工作情況分析,圖2.4.6單管共射放大電路的電壓電流波形,結(jié)論：（1）單管共射放大電路當輸入正弦波uI時，電路中的信號是交直流共存，可表示成：,（2）輸出uo與輸入ui相比，幅度被放大了，頻率不變，但相位相反。,二、圖解法的應(yīng)用,(一)用圖解法分析非線性失真,1.靜態(tài)工作點過低，引起iB、iC、uCE的波形失真,ib,ui,結(jié)論：iB波形失真,截止失真,Q點過低信號進入截止區(qū),iC、uCE(uo)波形失真,NPN管截止失真時的輸出uo波形。,uo=uce,uo頂部失真,uo,2.Q點過高信號進入飽和區(qū),稱為飽和失真,信號波形,截止失真和飽和失真統(tǒng)稱“非線性失真”,NPN管飽和失真時的輸出uo波形。,(二)用圖解法估算最大輸出幅度,輸出波形沒有明顯失真時能夠輸出最大電壓。即輸出特性的A、B所限定的范圍。,Q盡量設(shè)在線段AB的中點。則AQ=QB，CD=DE,uo,可輸出的最大不失真信號,合適的靜態(tài)工作點,(三)用圖解法分析電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響,1.改變Rb，保持VCC，Rc，不變；,Rb增大，,Rb減小，,Q點下移；,Q點上移；,2.改變VCC，保持Rb，Rc，不變；,升高VCC，直流負載線平行右移，動態(tài)工作范圍增大，但管子的動態(tài)功耗也增大。,Q2,圖2.4.9(a),圖2.4.9(b),圖解法小結(jié),1.能夠形象地顯示靜態(tài)工作點的位置與非線性失真的關(guān)系；2.方便估算最大輸出幅值的數(shù)值；3.可直觀表示電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響；4.有利于對靜態(tài)工作點Q的檢測等。,2.4.4微變等效電路法,微變等效條件,研究的對象僅僅是變化量,信號的變化范圍很小,思路：將非線性的BJT等效成一個線性電路,條件：交流小信號,晶體管在小信號(微變量)情況下工作時，可以在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線，三極管就可以等效為一個線性元件。這樣就可以將非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。,一、簡化的h參數(shù)微變等效電路,(一)三極管的微變等效電路,晶體管的輸入特性曲線,rbe：晶體管的輸入電阻。,在小信號的條件下，rbe是一常數(shù)。晶體管的輸入電路可用rbe等效代替。,1.輸入電路,Q點附近的工作段,近似地看成直線,可認為uBE與iB成正比,圖2.4.10(a),2.輸出電路,假設(shè)在Q點附近特性曲線基本上是水平的(iC與uCE無關(guān))，數(shù)量關(guān)系上，iC是iB的倍；,從三極管輸出端看，可以用iB恒流源代替三極管；,該恒流源為受控源；,為iB對iC的控制。,圖2.4.10(b),3.三極管的簡化參數(shù)等效電路,注意：這里忽略了uCE對iC與輸出特性的影響，在大多數(shù)情況下，簡化的微變等效電路對于工程計算來說誤差很小。,圖2.4.11三極管的簡化h參數(shù)等效電路,4.電壓放大倍數(shù)Au；輸入電阻Ri、輸出電阻RO,圖2.4.12單管共射放大電路的等效電路,負載電阻越小，放大倍數(shù)越小。,電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。,輸入電阻的計算：,根據(jù)輸入電阻的定義：,定義：,當信號源有內(nèi)阻時：,由圖知：,所以：,一般總是希望得到較大的的輸入電阻。,(二)rbe的近似估算公式,rbb：基區(qū)體電阻。,reb：基射之間結(jié)電阻。,低頻、小功率管rbb約為300。,UT：溫度電壓當量。,圖2.4.13,電流放大倍數(shù)與電壓放大倍數(shù)之間關(guān)系,1.當IEQ一定時，愈大則rbe也愈大，選用值較大的三極管其Au并不能按比例地提高；,因：,2.當值一定時，IEQ愈大則rbe愈小，可以得到較大的Au，這種方法比較有效。,(三)等效電路法的步驟(歸納),1.首先利用圖解法或近似估算法確定放大電路的靜態(tài)工作點Q。2.求出靜態(tài)工作點處的微變等效電路參數(shù)和rbe。3.畫出放大電路的微變等效電路?？上犬嫵鋈龢O管的等效電路，然后畫出放大電路其余部分的交流通路。4.列出電路方程并求解。,二、微變等效電路法的應(yīng)用,例：接有發(fā)射極電阻的單管放大電路，計算電壓放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻。,C1,Rc,Rb,+VCC,C2,RL,+,+,+,VT,+,Re,圖2.4.14接有發(fā)射極電阻的放大電路,2.放大電路的輸入電阻,引入Re后，輸入電阻增大了。,3.放大電路的輸出電阻,將放大電路的輸入端短路，負載電阻RL開路，忽略c、e之間的內(nèi)電阻rce。,圖2.4.14(b),解（1）求Q點，作直流通路,例如圖，已知BJT的=100，VBE=-0.2V。（1）試求該電路的靜態(tài)工作點；（2）畫出簡化的小信號等效電路；（3）求該電路的電壓增益AV，輸出電阻Ro、輸入電阻Ri。,2.畫出小信號等效電路,3.求電壓增益,200+（1+100）26/4=865歐,4.求輸入電阻,5.求輸出電阻,Ro=Rc=2K,6.非線性失真判斷,底部失真即截止失真基極電流太小，應(yīng)減小基極電阻。,2.5工作點的穩(wěn)定問題,2.5.1溫度對靜態(tài)工作點的影響,三極管是一種對溫度十分敏感的元件。溫度變化對管子參數(shù)的影響主要表現(xiàn)有：,1.UBE改變。UBE的溫度系數(shù)約為2mV/C，即溫度每升高1C，UBE約下降2mV。,2.改變。溫度每升高1C，值約增加0.5%1%，溫度系數(shù)分散性較大。,3.ICBO改變。溫度每升高10C，ICBQ大致將增加一倍，說明ICBQ將隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升。,溫度升高將導致IC增大，Q上移。波形容易失真。,T=20C,T=50C,圖2.5.1溫度對Q點和輸出波形的影響,2.5.2靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路,一、電路組成,分壓式偏置電路,由于UBQ不隨溫度變化，,電流負反饋式工作點穩(wěn)定電路過程,TICQIEQUEQUBEQ(=UBQUEQ)IBQICQ,UB穩(wěn)定,二、靜態(tài)與動態(tài)分析,靜態(tài)分析,由于IRIBQ，可得(估算),靜態(tài)基極電流,動態(tài)分析,畫出放大器的微變等效電路,（1）畫出放大器的交流通路,（2）將交流通路中的三極管用h參數(shù)等效電路代替,2.6放大電路的三種基本組態(tài),三種基本接法,共射組態(tài)CE,共集組態(tài)CC,共基組態(tài)CB,2.6.1共集電極放大電路,為射極輸出器,圖2.6.1共集電極放大電路(a)電路圖,(b)等效電路,一、靜態(tài)工作點,由基極回路求得靜態(tài)基極電流,則,二.動態(tài)分析,交流通道及微變等效電路,電流放大倍數(shù),所以,電壓放大倍數(shù),結(jié)論：電壓放大倍數(shù)恒小于1，而接近1，且輸出電壓與輸入電壓同相，又稱射極跟隨器。,1、放大倍數(shù)計算,2、輸入電阻,若考慮Rb則,Ri,輸入電阻較大。,先不考慮Rb,3、輸出電阻,輸出電阻低，故帶載能力比較強。,Ro,圖2.6.2求射極輸出器Ro的等效電路,射極輸出器的特點：電壓放大倍數(shù)1，輸入阻抗高，輸出阻抗小。,射極輸出器的應(yīng)用,1、放在多級放大器的輸入端，提高整個放大器的輸入電阻。,2、放在多級放大器的輸出端，減小整個放大器的輸出電阻。,2、放在兩級之間，起緩沖作用。,2.6.2共基極放大電路,圖2.6.3共基極放大電路,(a)原理電路,VEE保證發(fā)射結(jié)正偏；VCC保證集電結(jié)反偏；三極管工作在放大區(qū)。,(b)實際電路,實際電路采用一個電源VCC，用Rb1、Rb2分壓提供基極正偏電壓。,一、靜態(tài)工作點(IBQ,ICQ,UCEQ),二、電流放大倍數(shù),微變等效電路,由圖可得：,所以,由于小于1而近似等于1，所以共基極放電電路沒有電流放大作用。,圖2.6.4共基極放大電路的等效電路,三、電壓放大倍數(shù),由微變等效電路可得,共基極放大電路沒有電流放大作用，但是具有電壓放大作用。電壓放大倍數(shù)與共射電路相等，但沒有負號，說明該電路輸入、輸出信號同相位。,四、輸入電阻,暫不考慮電阻Re的作用,五、輸出電阻,暫不考慮電阻Rc的作用Ro=rcb.,已知共射輸出電阻rce，而rcb比rce大得多，可認為,rcb(1+)rce,如果考慮集電極負載電阻，則共基極放大電路的輸出電阻為,Ro=Rc/rcbRc,2.6.3三種基本組態(tài)的比較,2.6.3三種基本組態(tài)的比較,小結(jié)：三種組態(tài)。（1）共射AU較大，Ri、Ro適中，常用作電壓放大。（2）共集AU1，Ri大、Ro小，適用于信號跟隨、信號隔離等。（3）共基AU較大，Ri小，頻帶寬，適用于放大高頻信號。,2.7場效應(yīng)管放大電路,2.7.1場效應(yīng)管的特點,1.場效應(yīng)管是電壓控制元件；,2.柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；,3.一種極性的載流子導電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；,4.制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成；,5.存放管子應(yīng)將柵源極短路，焊接時烙鐵外殼應(yīng)接地良好，防止漏電擊穿管子；,6.跨導較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。,雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較,2.7.2共源極放大電路,圖2.7.3共源極放大電路原理電路,與雙極型三極管對應(yīng)關(guān)系,bG,eS,cD,為了使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：,圖示電路為N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的放大電路。,(UT：開啟電壓),一、靜態(tài)分析,兩種方法,近似估算法,圖解法,(一)近似估算法,MOS管柵極電流為零，當uI=0時,UGSQ=VGG,而iD與uGS之間近似滿足,(當uGSUT),式中IDO為uGS=2UT時的值。,則靜態(tài)漏極電流為,(二)圖解法,圖2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的Q點,VDD,IDQ,UDSQ,Q,利用式uDS=VDD-iDRD畫出直流負載線。,圖中IDQ、UDSQ即為靜態(tài)值。,二、動態(tài)分析,iD的全微分為,上式中定義：,場效應(yīng)管的跨導(毫西門子mS)。,場效應(yīng)管漏源之間等效電阻。,1.微變等效電路,動態(tài)分析,如果輸入正弦信號，則可用相量代替上式中的變量。,成為：,根據(jù)上式做等效電路如圖所示。,圖2.7.5場效應(yīng)管的微變等效電路,由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。,微變參數(shù)gm和rDS,(1)根據(jù)定義通過在特性曲線上作圖方法中求得。,(2)用求導的方法計算gm,在Q點附近，可用IDQ表示上式中iD，則,一般gm約為0.1至20mS。rDS為幾百千歐的數(shù)量級。當RD比rDS小得多時，可認為等效電路的rDS開路。,2.共源極放大電路的動態(tài)性能,圖2.7.6共源極放大電路的微變等效電路,將rDS開路,而,所以,輸出電阻,Ro=RD,MOS管輸入電阻高達109。,2.7.3分壓自偏壓式共源放大電路,一、靜態(tài)分析,(一)近似估算法,根據(jù)輸入回路列方程,圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路,解聯(lián)立方程求出UGSQ和IDQ。,列輸出回路方程求UDSQ,UDSQ=VDDIDQ(RD+RS),(二)圖解法,由式,可做出一條直線，另外，iD與uGS之間滿足轉(zhuǎn)移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點為靜態(tài)工作點。確定UGSQ，IDQ。,根據(jù)漏極回路方程,在漏極特性曲線上做直流負載線，與uGS=UGSQ的交點確定Q，由Q確定UDSQ和IDQ值。,UDSQ,uDS=VDDiD(RD+RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,圖2.7.8用圖解法分析圖2.7.7電路的Q點,二、動態(tài)分析,微變等效電路入右圖所示。,圖2.7.9圖2.7.7電路的微變等效電路,由圖可知,電壓放大倍數(shù),輸入、輸出電阻分別為,2.7.4共漏極放大電路,源極輸出器或源極跟隨器,圖2.7.10源極輸出器,典型電路如右圖所示。,靜態(tài)分析如下：,分析方法與“分壓-自偏壓式共源電路”類似，可采用估算法和圖解法。,動態(tài)分析,1.電壓放大倍數(shù),圖2.7.11微變等效電路,而,所以,2.輸入電阻,Ri=RG+(R1/R2),3.輸出電阻,圖2.7.11微變等效電路,在電路中，外加，令，并使RL開路,因輸入端短路，故,則,所以,實際工作中經(jīng)常使用的是共源、共漏組態(tài)。,2.8多級放大電路,三種耦合方式,阻容耦合,直接耦合,變壓器耦合,2.8.1多級放大電路的耦合方式,一、阻容耦合,圖2.8.1阻容耦合放大電路,第一級,第二級,優(yōu)點：,各級放大器靜態(tài)工作點獨立。,輸出溫度漂移比較小。,缺點：,不適合放大緩慢變化的信號。,不便于作成集成電路。,二、直接耦合,圖2.8.2兩個單管放大電路簡單的直接耦合,優(yōu)點：,各級放大器靜態(tài)工作點相互影響。,輸出溫度漂移嚴重。,缺點：,可放大緩慢變化的信號。,電路中無電容，便于集成化。,1.解決合適靜態(tài)工作點的幾種辦法,改進電路(a),電路中接入Re2，保證第一級集電極有較高的靜態(tài)電位，但第二級放大倍數(shù)嚴重下降。,改進電路(b),穩(wěn)壓管動態(tài)電阻很小，可以使第二級的放大倍數(shù)損失小。但集電極電壓變化范圍減小。,改進電路(c),+VCC,改進電路(d),可降低第二級的集電極電位，又不損失放大倍數(shù)。但穩(wěn)壓管噪聲較大。,可獲得合適的工作點。為經(jīng)常采用的方式。,(c),圖2.8.3直接耦合方式實例,2.零點漂移,直接耦合時，輸入電壓為零，但輸出電壓離開零點，并緩慢地發(fā)生不規(guī)則變化的現(xiàn)象。,原因：放大器件的參數(shù)受溫度影響而使Q點不穩(wěn)定。,圖2.8.5零點漂移現(xiàn)象,放大電路級數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈高，零點漂移問題愈嚴重。,抑制零點漂移的措施：,(1)引入直流負反饋以穩(wěn)定Q點；,(2)利用熱敏元件補償放大器的零漂；,(3)采用差分放大電路。,三、變壓器耦合,選擇恰當?shù)淖儽龋稍谪撦d上得到盡可能大的輸出功率。,圖2.8.8變壓器耦合放大電路,第二級VT2、VT3組成推挽式放大電路，信號正負半周VT2、VT3輪流導電。,優(yōu)點：,(1)能實現(xiàn)阻抗變換；,(2)靜態(tài)工作點互相獨立。,缺點：,(1)變壓器笨重；(2)無法集成化；(3)直流和緩慢變化信號不能通過變壓器。,三