模擬電子技術(shù)-課件(2)

1、第2章 基本放大電路2.1 放大電路的組成和分析方法 2.2 三種基本組態(tài)放大電路交流特性的分析2.3 多級(jí)放大電路2.4 場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路2.5 基本放大電路的應(yīng)用與設(shè)計(jì) 三極管和場(chǎng)效應(yīng)管是組成基本放大電路的核心元件，放大電路的作用就是將微弱的電信號(hào)放大成一定幅度且不失真（和原信號(hào)變化規(guī)律相同）的信號(hào)。在實(shí)際工作中，放大電路有多種不同的形式，性能指標(biāo)也各不相同，但其工作原理都相同。本章將從由分立元件組成的基本放大電路出發(fā)，重點(diǎn)討論放大電路的基本概念、工作原理以及性能指標(biāo)的分析。211放大電路的基本概念放大電路具備兩個(gè)基本特點(diǎn)：（1）輸出功率大于輸入功率，否則不能稱之為放大電路。（2）放大

2、后的信號(hào)和輸入信號(hào)應(yīng)該完全相似，或者說(shuō)放大必須是不失真地放大。組成放大電路的核心是有源器件（三極管或場(chǎng)效應(yīng)管），其基本作用是完成能量的轉(zhuǎn)換。不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為有電壓放大或電流放大就是放大電路，比如升壓變壓器的輸出電壓可以比輸入電壓高很多，但由于考慮功率損耗等原因，不滿足輸出功率大于輸入功率的特點(diǎn)，所以不能稱之為放大電路。放大的對(duì)象：變化量放大的本質(zhì)：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真放大的前提判斷電路能否放大的基本出發(fā)點(diǎn)VCC至少一路直流電源供電2.1 放大電路的組成和分析方法2.1.2 放大電路的組成共發(fā)射極基本放大電路一、放大電路的組成原則三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏 完整

3、的交流輸入(出）回路 元件的參數(shù)選擇要合適 (1) 為保證三極管V工作在放大區(qū), 發(fā)射結(jié)必須正向運(yùn)用; 集電結(jié)必須反向運(yùn)用。圖中Rb, UBB即保證e結(jié)正向運(yùn)用; Rc, UCC保證c結(jié)反向運(yùn)用。 （2）圖中Rs為信號(hào)源內(nèi)阻；Us為信號(hào)源電壓；Ui為放大器輸入信號(hào)。電容C1為耦合電容, 其作用是: 使交流信號(hào)順利通過加至放大器輸入端，同時(shí)隔直流, 使信號(hào)源與放大器無(wú)直流聯(lián)系。C1一般選用容量大的電解電容, 它是有極性的, 使用時(shí), 它的正極與電路的直流正極相連, 不能接反。C2的作用與C1相似, 使交流信號(hào)能順利傳送至負(fù)載, 同時(shí), 使放大器與負(fù)載之間無(wú)直流聯(lián)系。 單電源共發(fā)射極放大電路例2.

4、1.1 定性判斷2.1.3所示各電路是否能進(jìn)行正常放大，并簡(jiǎn)述理由。（a） （b）（c） （d）（c） （d）圖2.1.3 例2.1.1電路解：圖（a）不能放大，因?yàn)橹绷麟娫磳⑤斎胄盘?hào)交流短路，無(wú)法輸入到三極管上。圖（b）不能放大，輸出信號(hào)交流短路，負(fù)載上沒有放大的輸出信號(hào)。圖（c）不能放大，因?yàn)殡娙莸母糁绷髯饔茫龢O管的基極沒有偏置電流。圖（d）可以放大，符合放大電路的組成原則，其中二極管起到溫度補(bǔ)償作用。213放大器的主要性能指標(biāo)圖2.1.4 放大器性能指標(biāo)的測(cè)試電路一、放大倍數(shù)源電壓放大倍數(shù) 二、最大輸出幅度三、非線性失真系數(shù)THD由于三極管的非線性所引起的失真稱為非線性失真，為了衡量非

5、線性失真的程度，定義非線性失真系數(shù)為在某一頻率下，輸出波形中所有諧波總功率和基波功率之比的平方根，即：四、輸入電阻放大器的輸入電阻是從放大器輸入端看進(jìn)去的等效電阻，從圖2.1.4所示電路可以看出，放大器從輸入端看就等效為一個(gè)電阻，其值等于輸入電壓與輸入電流之比，即：輸入電阻是衡量放大器對(duì)輸入電壓衰減程度的參數(shù)，表征了放大器從信號(hào)源汲取電流大小的能力，其值越大則放大器從信號(hào)源汲取電流越小 五、輸出電阻放大器的輸出電阻是從放大器輸出端看進(jìn)去的等效電阻，定義為當(dāng)輸入端信號(hào)源置零（保留信號(hào)源內(nèi)阻），輸出端負(fù)載開路時(shí)，在輸出端加電壓得到相應(yīng)的電流，則輸出電阻等于二者之比，即：輸出電阻是表征放大器帶負(fù)載能

6、力的參數(shù)，其值越大則負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的變化也越大，放大器帶負(fù)載能力越弱，反之輸出電阻越小，放大器帶負(fù)載能力越強(qiáng)。六、通頻帶通頻帶反映了放大器對(duì)信號(hào)頻率的適應(yīng)程度，通頻帶越寬則放大器對(duì)信號(hào)的頻率適應(yīng)性越好，比如擴(kuò)音機(jī)通頻帶寬則能夠完美地放大高低音。七、最大輸出功率和效率最大輸出功率是指放大器的輸出信號(hào)基本不失真時(shí)，放大器能夠輸出的最大功率，通常用符號(hào) 表示。放大電路的效率 反映了能量的效率，定義為最大輸出功率 和直流電源消耗的功率 之比。214放大電路的基本分析方法放大電路的分析包括兩個(gè)方面，一是靜態(tài)分析，用來(lái)確定管子的工作點(diǎn)；二是動(dòng)態(tài)分析，用來(lái)求放大器的性能指標(biāo)。由于三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的非線性

7、，電路分析中學(xué)過的線性電路分析方法不能直接用來(lái)分析放大電路，常用的分析方法有兩種，一是圖解法，在放大器的非線性曲線上求解。二是微變等效電路分析法，在小信號(hào)范圍內(nèi)，把一小段非線性曲線作線性處理。定量分析放大器的性能指標(biāo)，先要進(jìn)行靜態(tài)分析。當(dāng)輸入信號(hào)等于零時(shí)，電路中只有直流電源的作用，此時(shí)電路中各處的電壓和電流都為直流量，這稱為直流工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，簡(jiǎn)稱靜態(tài)。這個(gè)時(shí)候管子的狀態(tài)可以用輸入特性曲線或輸出特性曲線上一個(gè)點(diǎn)（稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q）來(lái)表達(dá)，對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為 一、直流通路和交流通路放大器的分析可以根據(jù)疊加原理分別畫出直流通路和交流通路求解。靜態(tài)工作點(diǎn)用直流通路來(lái)求解，常用估算法，也可以用圖解法

8、確定。估算法求解靜態(tài)工作點(diǎn)首先要畫出直流通路。直流通路是直流信號(hào)流經(jīng)的通路，電容相當(dāng)于開路，電感相當(dāng)于短路。要進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，首先要畫出交流通路，交流通路是交流信號(hào)流經(jīng)的通路，電容相當(dāng)于短路，電感必須考慮感抗，由于理想電壓源的內(nèi)阻為零，所以理想電壓源置零時(shí)相當(dāng)于短路，理想電流源置零時(shí)相當(dāng)于開路。 二、估算法確定靜態(tài)工作點(diǎn)三、圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)直流通路的輸出回路由兩部分組成，以虛線ab為界，由圖a、b兩端向左看, 三極管是非線性元件，其伏安關(guān)系由三極管的輸出特性曲線確定, 虛線ab的右邊是線性電路，其伏安關(guān)系為：從這個(gè)電路的整體看，輸出回路的伏安關(guān)系不但要滿足三極管的輸出特性，而且要滿足虛線ab

9、右邊的線性電路的伏安關(guān)系。在三極管的輸出特性坐標(biāo)系中，作出式2.1.13表示的直線，（這稱為直流負(fù)載線），找出該直線和相應(yīng)的那條輸出特性曲線的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn) 四、圖解法分析動(dòng)態(tài)性能1、交流負(fù)載線的求解交流負(fù)載線方程據(jù)式2.1.15畫出交流負(fù)載線AB如圖2.1.9所示，交流負(fù)載線AB的斜率為： ，由于，所以交流負(fù)載線比直流負(fù)載線要陡峭。注意這個(gè)結(jié)論僅僅對(duì)阻容耦合的電路適用，為什么？2、輸入和輸出電壓電流的波形求解確定了Q點(diǎn)和交流負(fù)載線后，可以根據(jù)三極管的輸入特性曲線求解輸入信號(hào)波形，根據(jù)三極管的輸出特性曲線求解輸出信號(hào)波形。假設(shè)輸入信號(hào)足夠小，且Q點(diǎn)處于合適的位置，把加到放大器的輸入端時(shí)

10、，則三極管上的疊加在靜態(tài)之上，由的波形逐點(diǎn)描繪出輸入電流波形，如圖2.1.10所示。根據(jù)輸入電流的變化情況，決定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)沿交流負(fù)載線AB的移動(dòng)范圍，從而畫出和的波形，如圖2.1.11所示。 3、波形非線性失真分析由于這種失真是Q點(diǎn)設(shè)置得比較高使三極管在部分時(shí)間進(jìn)入飽和區(qū)而產(chǎn)生的，因此稱之為飽和失真。截止失真和飽和失真都是放大器工作在三極管特性曲線的非線性區(qū)域引起，因此都是非線性失真 4、最大不失真輸出電壓幅值的估算例2.1.2 (教材P51） 由上可得出用圖解法求Q點(diǎn)的步驟: (1) 在輸出特性曲線所在坐標(biāo)中, 按直流負(fù)載線方程uCE=UCC-iCRc, 作出直流負(fù)載線。 (2) 由基極

11、回路求出IBQ。 (3) 找出iB=IBQ這一條輸出特性曲線, 與直流負(fù)載線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)。讀出Q點(diǎn)坐標(biāo)的電流、電壓值即為所求。 【例】如圖(a)所示電路, 已知Rb=280k, Rc=3k, UCC=12V, 三極管的輸出特性曲線如圖(b)所示, 試用圖解法確定靜態(tài)工作點(diǎn)。 電路圖解 首先寫出直流負(fù)載方程, 并作出直流負(fù)載線: 然后, 由基極輸入回路, 計(jì)算IBQ直流負(fù)載線與iB=IBQ=40A這一條特性曲線的交點(diǎn), 即為Q點(diǎn), 從圖上查出IBQ=40 A, ICQ=2mA, UCEQ=6V, 與例1結(jié)果一致。電路參數(shù)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響 1. Rb對(duì)Q點(diǎn)的影響電路參數(shù)對(duì)Q點(diǎn)的影響2. Rc對(duì)

12、Q點(diǎn)的影響 Rc的變化, 僅改變直流負(fù)載線的N點(diǎn), 即僅改變直流負(fù)載線的斜率。 Rc減小, N點(diǎn)上升, 直流負(fù)載線變陡, 工作點(diǎn)沿iB=IBQ這一條特性曲線右移。 Rc增大, N點(diǎn)下降, 直流負(fù)載線變平坦, 工作點(diǎn)沿iB=IBQ這一條特性曲線向左移。如圖2 - 6(b)所示。 3. UCC對(duì)Q點(diǎn)的影響 UCC的變化不僅影響IBQ, 還影響直流負(fù)載線, 因此, UCC對(duì)Q點(diǎn)的影響較復(fù)雜。 UCC上升, IBQ增大, 同時(shí)直流負(fù)載線M點(diǎn)和N點(diǎn)同時(shí)增大, 故直流負(fù)載線平行上移, 所以工作點(diǎn)向右上方移動(dòng)。 UCC下降, IBQ下降, 同時(shí)直流負(fù)載線平行下移。所以工作點(diǎn)向左下方移動(dòng)。如圖2 - 6(c)

13、所示。 實(shí)際調(diào)試中, 主要通過改變電阻Rb來(lái)改變靜態(tài)工作點(diǎn), 而很少通過改變UCC來(lái)改變工作點(diǎn)。 交流負(fù)載線具有如下兩個(gè)特點(diǎn): (1) 交流負(fù)載線必通過靜態(tài)工作點(diǎn), 因?yàn)楫?dāng)輸入信號(hào)ui的瞬時(shí)值為零時(shí), 如忽略電容C1和C2的影響, 則電路狀態(tài)和靜態(tài)時(shí)相同。 (2) 另一特點(diǎn)是交流負(fù)載線的斜率由 表示。 過Q點(diǎn), 作一條 的直線, 就是交流負(fù)載線。 具體作法如下: 首先作一條 的輔助線(此線有無(wú)數(shù)條), 然后過Q點(diǎn)作一條平行于輔助線的線即為交流負(fù)載線, 如圖2 - 7所示。 由于 , 故一般情況下交流負(fù)載線比直流負(fù)載線陡。 交流負(fù)載線也可以通過求出在uCE坐標(biāo)的截距, 再與Q點(diǎn)相連即可得到。連接

14、Q點(diǎn)和 點(diǎn)即為交流負(fù)載線。 關(guān)于圖解法分析動(dòng)態(tài)特性的步驟歸納如下: 五、微變等效電路分析法 1. 三極管的h參數(shù)微變等效電路 三極管處于共e極狀態(tài)時(shí), 輸入回路和輸出回路各變量之間的關(guān)系由以下形式表示: 輸入特性: 輸出特性:式中iB、 iC、 uBE、uCE代表各電量的總瞬時(shí)值, 為直流分量和交流瞬時(shí)值之和, 即用全微分形式表示uBE和iC， 則有令則可改寫成完整的h參數(shù)等效電路2. h參數(shù)的意義和求法三極管輸出交流短路時(shí)的輸入電阻(也可寫成hie)三極管輸入交流開路時(shí)的電壓反饋系數(shù)(也可寫成hre）三極管輸出交流短路時(shí)的電流放大系數(shù)(也可寫成hfe）三極管輸入交流開路時(shí)的輸出導(dǎo)納(也可寫成

15、hoe)從特性曲線上求出h參數(shù) 由于h12、h22是uCE變化通過基區(qū)寬度變化對(duì)iC及uBE的影響, 一般這個(gè)影響很小, 所以可忽略不計(jì)。這樣可得圖2.1.20 簡(jiǎn)化等效電路rbe估算等效電路例2.1.3 用簡(jiǎn)化的微變等效電路圖法分析圖2.1.21所示基本共射電路的性能指標(biāo)。解：首先根據(jù)交流通路畫出微變等效電路，由于輸入信號(hào)通常為正弦信號(hào)，在微變等效電路圖中用相量來(lái)表示。根據(jù)線性電路分析方法求解放大電路的性能參數(shù)： 電壓放大倍數(shù) 215放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定Q點(diǎn)的穩(wěn)定對(duì)放大器的性能很重要，它不但影響放大器的放大倍數(shù)和輸入電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)，而且決定著放大器是否會(huì)產(chǎn)生失真問題。在實(shí)際中，由于溫度的

16、變化、器件的更換和電源電壓的波動(dòng)等諸多因素的影響，Q點(diǎn)必然不夠穩(wěn)定，其中尤其以溫度影響最大。因此，放大器能否保持Q點(diǎn)的穩(wěn)定至關(guān)重要，接下來(lái)將著重討論溫度對(duì)Q點(diǎn)的影響。二、分壓式偏置電路例2.1.3 （教材P55）2.2 三種基本組態(tài)放大電路的分析放大電路有三種基本組態(tài)，通過前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)基本了解了共射放大電路性能特點(diǎn)。在許多場(chǎng)合也會(huì)用到其它兩種組態(tài)的放大器，下面分別介紹 221共集電極放大電路靜態(tài)分析 三、動(dòng)態(tài)分析1、電壓放大倍數(shù)共集放大器電壓放大倍數(shù)近似等于1（但比1略?。?，而且輸出電壓和輸入電壓同相。因此，共集放大器也稱為射極跟隨器，簡(jiǎn)稱射隨器。由于共集放大器仍然有電流放大作用，所以

17、有功率放大 2、輸入電阻共集放大器的輸入電阻比較高 2、輸出電阻 根據(jù)輸出電阻的求解方法，采用“加壓求流法” 共集放大器的輸出電阻很小，一般為幾十歐姆左右 222共基極放大電路共b極放大電路及其微變等效電路(1) 電壓放大倍數(shù)：(2) 輸入電阻ri: 與共e極放大電路相比, 其輸入電阻減小到rbe/(1+)。(3) 輸出電阻ro: (4) 電流放大倍數(shù)223三種基本放大電路性能比較綜合上面對(duì)三種基本放大電路性能的分析，將其特點(diǎn)總結(jié)比較列于表格2.1，以便學(xué)習(xí)。為簡(jiǎn)單起見，這里不再列出各個(gè)電路Q點(diǎn)的計(jì)算公式。2.3 多級(jí)放大電路 2.3.1 多級(jí)放大電路的耦合方式 常用的耦合方式有三種, 即阻容

18、耦合、直接耦合和變壓器耦合。 多級(jí)放大電路的組成多級(jí)放大電路組成的方框圖信號(hào)源中間級(jí)輸出級(jí) 負(fù)載輸入級(jí)多級(jí)放大電路1. 阻容耦合阻容耦合放大電路阻容耦合的特點(diǎn)是：（1）各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，溫漂較小，阻容耦合多級(jí)放大電路的靜態(tài)分析與單級(jí)放大電路的靜態(tài)分析完全相同。（2）由于耦合電容的存在，阻容耦合多級(jí)放大電路不能放大直流信號(hào)和變化緩慢的信號(hào)，也稱之為交流放大器。（3）由于耦合電容難以集成，阻容耦合多級(jí)放大電路一般僅僅用于分立元件的放大電路中。 直接耦合放大電路2. 直接耦合直接耦合的特點(diǎn)是：（1）各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，存在溫漂現(xiàn)象，必須在電路上采取措施合理安排各級(jí)Q點(diǎn)。（2）可以放大直流

19、信號(hào)和變化緩慢的信號(hào)，也稱之為直流放大器。（3）由于沒有大電容或電感，因此在集成電路中廣泛采用直接耦合多級(jí)放大電路。 直接耦合方式實(shí)例3. 變壓器耦合變壓器耦合放大電路變壓器耦合的特點(diǎn)如下：（1）各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，溫漂較小。（2）由于變壓器的存在，前后級(jí)放大電路相互絕緣，隔直效果很好。（3）具有阻抗變換作用，廣泛用在功率輸出電路或選頻電路中。（4）由于變壓器的存在，變壓器耦合的放大器具有體積大、笨重、頻率特性差和不能集成等缺點(diǎn)。 除了上述介紹的三種基本耦合形式，常用的電隔離耦合還有光電耦合形式（實(shí)現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)），這里不再介紹。2.3.2 多級(jí)放大電路的指標(biāo)計(jì)算1.

20、電壓放大倍數(shù)由于則上式可寫成加以推廣到n級(jí)放大器三級(jí)阻容耦合放大電路考慮前后級(jí)相互影響 2. 輸入電阻和輸出電阻 一般說(shuō)來(lái), 多級(jí)放大電路的輸入電阻就是輸入級(jí)的輸入電阻, 而輸出電阻就是輸出級(jí)的輸出電阻。由于多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)的乘積, 所以, 在設(shè)計(jì)多級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)時(shí), 主要考慮輸入電阻和輸出電阻的要求, 而放大倍數(shù)的要求由中間級(jí)完成。 具體計(jì)算輸入電阻和輸出電阻時(shí), 可直接利用已有的公式。但要注意, 有的電路形式, 要考慮后級(jí)對(duì)輸入級(jí)電阻的影響和前一級(jí)對(duì)輸出電阻的影響。 【例2.3.1】 教材P62解：1、由于采用阻容耦合形式，各級(jí)Q點(diǎn)相互獨(dú)立，則可以單獨(dú)求每一

21、級(jí)的Q點(diǎn)：233晶體管組合電路復(fù)合管就是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管組合而成的綜合器件，也稱為達(dá)林頓管。復(fù)合管因其電流放大系數(shù)大、等效輸入電阻高和使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用 一、復(fù)合管的組成組成復(fù)合管時(shí)，要保證每只管子都工作在放大區(qū)或恒流區(qū)，同時(shí)將第一只管子的放大電流-集電（漏極）或發(fā)射極（源極）電流作為第二只管子的基極電流，使得電流盡可能放大，獲得很大的電流放大系數(shù) 總之，兩個(gè)三極管構(gòu)成復(fù)合管，其管型決定于第一個(gè)管子的類型（和第一個(gè)管子的類型相同），電流放大系數(shù)等于兩個(gè)管子的電流放大系數(shù)的乘積。當(dāng)然，需要時(shí)也可以用三個(gè)或更多管子組成復(fù)合管（這種情況比較少），但管子數(shù)目多則結(jié)電容會(huì)使得復(fù)合管的高頻特性變壞。二、復(fù)合管組成的電路采用復(fù)合管代替前面介紹的基本共射電路、共集電路和共基電路中的單管，就得到相應(yīng)的復(fù)合管共射電路、共集電路和共基電路。 24場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路和晶體管放大電路分析方法基本相似，同樣需要一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，但由于場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，它