《電工學(xué)》_秦曾煌_電子技術(shù)_第15章.ppt

1、(15-0),第十五章 基本放大電路,(15-1),第十五章 基本放大電路,15.1 共發(fā)射極放大電路的組成 15.2 放大電路的靜態(tài)分析 15.3 放大電路的動態(tài)分析 15.4 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定 15.5 放大電路的頻率特性 15.6 射極輸出器 15.7 差分放大電路 15.8 互補對稱功率放大電路,(15-2), 15.1 共發(fā)射極放大電路的組成,三極管放大電路有三種形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器為例講解工作原理,在生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，常要求用微弱的信號去控制較大功率的負(fù)載，而晶體管的主要用途之一就是利用其電流放大作用組成放大電路，以實現(xiàn)上述功能。,(15-3),放

2、大概念: 把微弱變化的信號放大成較大變化的信號。,放大實質(zhì): 用小能量信號，借助于三極管的電流控制作用，把放大電路中直流電源的能量轉(zhuǎn)化成交流能量輸出。,對放大電路的基本要求 ： 1. 要有足夠的放大倍數(shù)(電壓、電流、功率)。 2. 盡可能小的波形失真。 其它技術(shù)指標(biāo)：輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等。,放大對象:變化的量。,(15-4),電壓放大倍數(shù)：Au= Uo / Ui 輸入電阻： ri = Ui / Ii 輸出電阻： 內(nèi)阻 ro,放大電路示意圖,(15-5),輸入,輸出,？,參考點,-,+,RB,一、基本放大電路的組成,放大元件為晶體管，它工作在放大區(qū)，應(yīng)保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。 iC=

3、 iB,-,+,+UCC,EB,RC,C1,C2,T,Rs,es,+,-,RL,+,-,(15-6),集電極電源，為電路提供能量，并保證集電結(jié)反偏。,集電極電源：一般為幾伏到幾十伏。,(15-7),集電極電阻，將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?集電極電阻：一般為幾千歐到幾十千歐。,(15-8),作用：使發(fā)射結(jié)正偏，并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點。,基極電源與基極電阻。,基極電阻：一般為幾十千歐到幾百千歐。,(15-9),作用：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。,耦合電容：常為電解電容，有極性。大小為幾F到幾十F,(15-10),-,+,+UCC,RC,C1,C2,T,Rs,es,+

4、,-,RL,+,-,電路改進：采用單電源供電。,(15-11), ,二、基本放大電路的工作原理,由于電源UCC的存在 IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),(15-12),ui = 0時，各點波形,(15-13),(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )分別對應(yīng)于輸入輸出特性曲線上的一個點稱為靜態(tài)工作點。,(15-14), ,ui0時，各點波形,uo與ui反相！,(15-15),放大電路實現(xiàn)放大的條件,1. 晶體管必須工作在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2. 正確設(shè)置靜態(tài)工作點，使整個波形處于放大區(qū)。,3. 輸入回路

5、可將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電流。,4. 輸出回路可將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的集電極電壓，經(jīng)電容濾波只輸出交流信號。,(15-16),放大電路中的電容對交、直流信號的作用是不同的。如果電容容量足夠大，可以認(rèn)為它對交流信號不起作用，即對交流信號相當(dāng)于短路，而對直流信號相當(dāng)于開路。這樣交、直流信號所走的通路是不同的。,直流通路：只考慮直流信號的分電路。 交流通路：只考慮交流信號的分電路。 在放大電路中信號的不同分量可以分別在不同的通路中分析。,15.2 放大電路的靜態(tài)分析,(15-17),符號規(guī)定：,UA,大寫字母、大寫下標(biāo)，表示 直流分量。,Ua,大寫字母、小寫下標(biāo)，表示 交流分量有效值。

6、,uA,小寫字母、大寫下標(biāo)，表示 總瞬時值。,總瞬時值,ua交流分量,UA直流分量,ua,小寫字母、小寫下標(biāo)，表示 交流分量。,(15-18),分析對象：各電極電壓電流的直流分量。,靜態(tài)分析：確定放大電路靜態(tài)工作點 Q 。 即 IBQ、ICQ、UCEQ 。,15.2.1 用放大電路的直流通路確定靜態(tài)值,所用電路：放大電路的直流通路。,(15-19),直流通路畫法：令輸入信號為零，電容相當(dāng)于開路。,(15-20),估算電路的靜態(tài)工作點：IBQ、ICQ、UCEQ,根據(jù)直流通路估算IBQ,RB稱為偏置電阻，IBQ稱為偏置電流。,(15-21),根據(jù)直流通路估算UCEQ、ICQ,ICQ,UCEQ,+U

7、CC,(15-22),例：用估算法計算靜態(tài)工作點。,已知：UCC = 12V，RC = 4k， RB = 300k， = 37.5。,解：,請注意電路中IB 和IC 的數(shù)量級。,P36例15.2.1,(15-23),所用電路：放大電路的交流通路。,動態(tài)分析：計算電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、 輸出電阻ro等。,分析對象：各電極電壓和電流的交流分量。,15.3 放大電路的動態(tài)分析,(15-24), 15.3.1 微變等效電路法,微變等效電路： 將非線性的晶體管進行線性化，從而將由其組成的放大電路等效為一個線性電路。,線性化的條件： 晶體管工作于小信號（微變量）情況。此時，特性曲線在靜態(tài)工作點附

8、近的小范圍內(nèi)，可用直線近似代替。,微變等效電路法： 利用放大電路的微變等效電路分析、計算放大電路電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。,(15-25),一、晶體管的微變等效電路,1. 輸入回路,當(dāng)輸入信號很小時，可將三極管輸入特性在Q點附近近似線性化。,uBE,對輸入的交流小信號而言，晶體管的輸入回路可用電阻rbe等效。,rbe值約幾百歐到幾千歐。,輸入電阻,(15-26),2. 輸出回路,輸出端相當(dāng)于一個受ib 控制的電流源。,考慮 uCE對 iC的影響，輸出端還要并聯(lián)一個大電阻rce。,晶體管輸出電阻：,rce愈大, 曲線越水平。其值約幾十千歐到幾百千歐。,(15-27),rce

9、很大 一般忽略,3. 晶體管的微變等效電路,c,b,e,(15-28),二、放大電路的微變等效電路,交流通路畫法：令直流電源為零，電容相當(dāng)于短路。,(15-29),放大電路的微變等效電路： 將交流通路中的三極管用微變等效電路代替,(15-30),Ui 和Uo 分別是輸入和輸出電壓的有效值。,Au是復(fù)數(shù)，反映了輸出和輸入的幅值比與相位差。,三、電壓放大倍數(shù)的計算,1. 電壓放大倍數(shù)的定義：,電壓放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示如圖：,Au,(15-31),2、電壓放大倍數(shù)的計算,特點：負(fù)載電阻越小，放大倍數(shù)越小。,(15-32),輸入電阻是衡量放大電路從信號源索取電流大小的參數(shù)，它是

10、動態(tài)電阻。放大電路的輸入電阻越大，它從信號源索取的電流就越小，從而對信號源的影響就越小，因此一般希望得到較大的輸入電阻。,1、輸入電阻的定義,即：ri 越大，ii 就越小，ui 就越接近 uS 。,四、輸入電阻的計算,(15-33),2、輸入電阻的計算,對于為放大電路提供信號的信號源來說，放大電路是負(fù)載，這個負(fù)載的大小可以用輸入電阻來表示。,(15-34),因放大電路對其負(fù)載而言，相當(dāng)于信號源，故可將其等效為戴維南等效電路，此戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。它也是動態(tài)電阻。,五、輸出電阻的計算,1、輸出電阻的定義,(15-35),在放大電路的微變等效電路中，去掉負(fù)載電阻，令ui=0，并在輸出

11、端加電壓求電流。,2、輸出電阻的求解方法,(15-36),放大電路的非線性失真,在放大電路中，輸出信號應(yīng)該成比例地放大輸入信號（即線性放大）；如果兩者不成比例，則輸出信號不能反映輸入信號的情況，放大電路產(chǎn)生非線性失真。,為了得到盡量大的輸出信號，要把Q設(shè)置在交流負(fù)載線的中間部分。如果Q設(shè)置不合適，信號進入截止區(qū)或飽和區(qū)，則造成非線性失真。,下面分析失真的原因。為簡化分析，假設(shè)負(fù)載為空載(RL=)。,(15-37),uo,可輸出最大不失真信號,1、靜態(tài)工作點 Q 在交流負(fù)載線的中間：,(15-38),uo,2、Q點過低，信號進入截止區(qū),放大電路產(chǎn)生 截止失真,削頂,適當(dāng)增加基極電流可消除失真。,

12、(15-39),3、Q點過高，信號進入飽和區(qū),放大電路產(chǎn)生 飽和失真,削底,適當(dāng)減小基極電流可消除失真。,(15-40),15.4 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定,為保證放大電路穩(wěn)定工作，電路必須具有合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。但是，溫度的變化將會嚴(yán)重地影響靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。,對前面分析的電路（固定偏置電路）而言，靜態(tài)工作點由UBE、 和 ICEO 決定，而這三個參數(shù)會隨溫度而變化，溫度對靜態(tài)工作點的影響主要體現(xiàn)在這一方面。,T,UBE,ICEO,Q,(15-41),一、溫度對Q點的影響,1、溫度對UBE的影響,(15-42),2、溫度對 值及ICEO的影響,在輸出特性曲線上總的效果是：,(15-43),3、

13、小結(jié),固定偏置電路的Q點是不穩(wěn)定的。 Q點不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致其靠近飽和區(qū)或截止區(qū)，從而造成非線性失真。為此，需要改進偏置電路，當(dāng)溫度升高、 IC增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點的變化，使Q點基本保持穩(wěn)定。,常用的分壓式偏置電路可穩(wěn)定靜態(tài)工作點。,(15-44),二、分壓式偏置電路：,1、靜態(tài)分析,RE射極直流負(fù)反饋電阻,CE 交流旁路電容,(15-45),a. 靜態(tài)工作點穩(wěn)定的原理,(15-46),B,b. 求靜態(tài)工作點,(15-47),可以認(rèn)為與溫度無關(guān)。,B,(15-48),例：已知： = 50， UCC = 12V， RB1= 7.5k， RB2 = 2.5k，RC = 2k， RE

14、 = 1k， 試求：該電路的靜態(tài)工作點。,解：,(15-49),2、動態(tài)分析,+UCC,uo,(15-50),(15-51),問題1：如果去掉CE，放大倍數(shù)如何變化？,CE的作用： 交流通路中, 它可將 RE 短路，使 RE 對交流信號不起作用, 放大倍數(shù)不受影響。,(15-52),去掉 CE 后：交流通路和微變等效電路：,(15-53),結(jié)論：去掉CE 后，Au 減小、 ri 增大、 ro 不變。,輸出電阻：用加壓求流法求解。,(15-54),無旁路電容CE,有旁路電容CE,分壓式偏置電路,減小,提高,不變,(15-55),問題2：如果電路如下圖所示，如何分析？,(15-56),a、靜態(tài)分析

15、：,直流通路,(15-57),b、動態(tài)分析：,交流通路,(15-58),交流通路：,微變等效電路：,(15-59),問題：Au 和 Aus 的關(guān)系如何？,(15-60),15.6 射極輸出器,對交流信號而言，由于集電極是輸入與輸出回路的公共端，故為共集電極放大電路。 因從發(fā)射極輸出，又稱射極輸出器。,(15-61),一、靜態(tài)分析,(15-62),二、動態(tài)分析,(15-63),(15-64),1. 電壓放大倍數(shù),(15-65),結(jié)論：,(15-66),2. 輸入電阻,輸入電阻較大。若作為前級的負(fù)載，對前級的放大倍數(shù)影響較小，且取得的輸入信號大。,(15-67),3. 輸出電阻,用加壓求流法求輸出

16、電阻。,(15-68),通常：,所以：,射極輸出器的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力強。,所謂帶負(fù)載能力強，是指當(dāng)負(fù)載變化時，放大倍數(shù)基本不變。,(15-69),射極輸出器的應(yīng)用,1. 可將射極輸出器放在電路的首級，以提高輸入電阻。,2. 可將射極輸出器放在電路的末級，以降 低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。,3. 可將射極輸出器放在電路的兩級之間，以起到電路的匹配作用。,(15-70),例1：已知射極輸出器的參數(shù)如下：RB=570k， RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V,求Au 、 ri 和 ro 。 設(shè)：RS=1 k， 求：Aus 、 ri 和 ro 。 3 . RL=1k和時，

17、求Au 。,(15-71),RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V,(15-72),RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V,1. 求Au 、 ri和ro 。,rbe=2.8 k，RS=0,(15-73),2. 設(shè)：RS=1 k， 求：Aus 、 ri和ro,RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V,rbe=2.8 k，RS=1 k,(15-74),RL=1k時,3. RL=1k和時，求Au 。,比較：空載時, Au=0.995 RL=5.6k時, Au=0.990 RL=1k時, Au=0.96

18、7,RL=時,結(jié)論：射極輸出器 帶負(fù)載能力強。,(15-75),例2：阻容耦合電路如圖, 設(shè)：1=2=50, rbe1 = 2.9k, rbe2 = 1.7 k。試求：Aus、 ri、ro 。,前級,后級,耦合： 每兩個單級放大電路之間的連接方式。,(15-76),關(guān)鍵:考慮級間影響。,一. 靜態(tài): Q點同單級。,二. 動態(tài)性能:,方法:,ri2 = RL1,電路的性能分析,(15-77),微變等效電路:,(15-78),ri = R1 / ri,RL1= RE1/ ri2= RE1/ R2 / R3 /rbe2 27 / 1.7 1.7k, ri =1000/(2.9+511.7) 82k,

19、2. 輸出電阻：,1. 輸入電阻：,= R1 / rbe1 +（1+ )RL1,ro = RC2= 10k,(15-79),3. 中頻電壓放大倍數(shù):,(15-80),第一級放大倍數(shù)：Au1,(15-81),第二級放大倍數(shù)：Au2,(15-82),耦合方式：直接耦合；阻容耦合；變壓器耦合；光電耦合。,多級放大電路對耦合電路要求：,1. 靜態(tài)：保證各級Q點設(shè)置合適。,2. 動態(tài): 傳送信號。,要求：波形不失真, 減少壓降損失。,15.7 差分放大電路,(15-83),措 施：增加R2 、RE2 ，用于設(shè)置合適的Q點。,問題1：前后級Q點相互影響。,直接耦合電路存在的特殊問題,前后極間直接連接。它既

20、可放大交流信號，也可放大直流信號。,(15-84),= 0,問題2：零點漂移。,原 因：如溫度和參數(shù)的變化等。其中溫度的影響 最嚴(yán)重。在多級電路中，尤以首級零漂的 影響最嚴(yán)重，因其可逐級放大。,有時會將信號淹沒,措 施：首級采用差分放大電路。,0,(15-85),一、原理電路結(jié)構(gòu),特點：結(jié)構(gòu)對稱。,差分放大電路,ui1,ui2,集成差分對管,(15-86),二、 抑制零漂的原理,uo= UC1 - UC2 = 0,uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0,當(dāng) ui1 = ui2 =0 時：,當(dāng)溫度變化時：,+UCC,(15-87),三、 共模電壓放大倍數(shù) AC,+

21、UCC,共模輸入信號： ui1 = ui2 = uC （大小相等，極性相同）,理想情況：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0, 等量同向變化,共模電壓放大倍數(shù)：,（很小, 1),實際情況：因兩側(cè)不完全對稱， uo 0，但很小,(15-88),四、差模電壓放大倍數(shù) Ad,差模輸入信號： ui1 = - ui2 = ud （大小相等，極性相反）,(很大, 1),設(shè) uC1 =UC1 +uC1 ， uC2 =UC2 +uC2 。 因 ui1 = - ui2， uC1 = - uC2 ，等量異向變化 uo= uC1 - uC2 = uC1- uC2 = 2uC1,差模電壓放大倍數(shù)：,+U

22、CC,單管的Au,(15-89),五、共模抑制比(CMRR)的定義,例: Ad = - 200， Ac = 0.1 KCMR = 20 lg (-200) / 0.1 = 66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR =,其值越大，表明差放對差模信號的分辨能力越強，對共模信號的抑制作用越好。,(15-90),六、信號輸入,共模輸入：輸入共模信號。,差模輸入：輸入差模信號。,比較輸入： ui1 、ui2 大小和極性是任意的，但 均可分解為共模分量和差模分量。,電路僅放大兩輸入信號的差值-差分放大電路。,(15-91),1、結(jié)構(gòu),為了使左右平衡，可設(shè)置調(diào)

23、零電位器:,七、典型電路：雙電源長尾式差放。,特點：加入射極電阻RE ；加入負(fù)電源 -UEE ， 采用正負(fù)雙電源供電。,(15-92),2、雙電源的作用：,IB1、IB2由負(fù)電源 UEE 提供。 使信號變化幅度加大。,(15-93),3、RE的作用,溫度T,IC,IE 2IC,UE,UBE,IB,IC,a、靜態(tài)時,設(shè) ui1 = ui2 = 0,RE 具有強負(fù)反饋作用,抑制溫度漂移，穩(wěn)定靜態(tài)工作點,IBRB + UBE + 0.5IERP + 2IERE UEE =0,RP,(15-94),b、動態(tài)時RE 對差模信號作用,ui1,ui2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = -

24、ic2,iRE = ie1+ ie2 = 0,uRE = 0,RE對差模信號不起作用,交流通路： RE相當(dāng)于短路； 0.5RL處相當(dāng)于接地。,(15-95),RE對共模信號有抑制作用（原理同靜態(tài)分析。即由于RE的負(fù)反饋作用，使IE基本不變） 。,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,c、動態(tài)時RE 對共模信號作用,(15-96),八、四種差分電路,1、雙端輸入雙端輸出：Ad 同單管Au 2、雙端輸入單端輸出：Ad 為單管0.5Au 3、單端輸入雙端輸出：Ad 同單管Au 4、單端輸入單端輸出：Ad 為單管0.5Au,見P69表,(15-97),例： 擴音系統(tǒng),功率放大器的作用：

25、用作放大電路的輸出級，以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。,15.8 互補對稱功率放大電路,(15-98),一、對功率放大電路的基本要求,在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。功放電路常工作在極限狀態(tài)，其電流、電壓都比較大，必須防止波形失真，注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值: PCM 、ICM 、 U(BR)CEO 。,(15-99),由于功率較大，所以必須提高效率。電源提供的能量，應(yīng)盡可能地轉(zhuǎn)換給負(fù)載，以減少晶體管及線路上的損失。,Pomax : 負(fù)載上得到的交流信號功率。 PE ： 電源提供的功率。,提高效率方法：1、增大放大電路的動態(tài)工作范圍。 2、減小電源供

26、給的功率。,(15-100),甲 類：靜態(tài)工作點 Q 大致在交流負(fù)載線的中點。 管耗大，理想情況下，max = 50%。,乙 類：靜態(tài)工作點 Q 位于 Ic 0 處。管耗更小， 效率較高，但會產(chǎn)生交越失真。,甲乙類：靜態(tài)工作點 Q 偏下，靠近截止區(qū)。管耗較 小，效率較高，但會產(chǎn)生失真。,放大電路的三種工作狀態(tài),(15-101),如何解決效率低的問題？,辦法：降低Q點。,既降低Q點又不會引起截止失真的辦法： 采用互補對稱射極輸出器，或推挽 輸出電路。,缺點：但又會引起截止失真。,(15-102),OCL: Output CapacitorLess,OTL: Output TransformerLess,互補對稱：電路中采用兩支晶體管，NPN、 PNP各一支；兩管特性一致。,類型：,二、互補對稱功率放大電路,(15-103),1、無輸出變壓器的互補對稱 功放電路（OTL）,A、結(jié)構(gòu)特點,1) 由NPN型、P