放大電路的基本原理和分析方法.ppt

1、第2章 放大電路的基本原理和分析方法, 2.1 放大的概念,放大的目的： 是將微弱的變化信號放大成較大的變化信號 。 本章所涉及的主要是電壓放大電路。,放大的本質(zhì)： 實現(xiàn)能量的控制。 放大器放大的實質(zhì)是實現(xiàn)小能量對大能量的控制和轉(zhuǎn)換作用。根據(jù)能量守恒定律，在這種能量的控制和轉(zhuǎn)換中，直流電源為輸出信號提供能量。,放大的對象： 信號的放大的對象是變化量，放大倍數(shù)是指輸出信號與輸入信號的變化量之比； 信號放大時，放大的是信號的幅度，信號的頻率不變。, 2.2 放大電路的主要技術(shù)指標,1.放大倍數(shù),放大倍數(shù)是衡量放大電路對信號放大能力的主要技術(shù)參數(shù)。,（1）電壓放大倍數(shù) 輸出電壓與輸入電壓的變化量之比

2、。,（2）電流放大倍數(shù) 輸出電流與輸入電流的變化量之比。,2. 最大輸出幅度,最大不失真的輸出電壓UOM或輸出電流IOM。,一般用有效值表示，當(dāng)信號為正弦量時，也可以用正弦信號的峰-峰值或幅值來表示。,3. 非線性失真系數(shù)D,式中U1、U2、U3等分別表示輸出信號中的基波、二次諧波、三次諧波等的幅值，則,4. 輸入電阻Ri,從放大電路的輸入端看進去的等效電阻稱為放大電路的輸入電阻。,對于一定的信號源電路，輸入電阻Ri越大，放大電路從信號源得到的輸入電壓ui就越大，放大電路向信號源索取電流ii的能力也就越小。,5. 輸出電阻RO,從放大電路的輸出端看進去的等效電阻稱為放大電路的輸出電阻。,輸出電

3、阻的求法,RO愈小，說明放大電路帶動負載能力愈強。,通常將放大倍數(shù)在高頻段和低頻段分別下降為中頻段放大倍數(shù)的 時所包括的頻率范圍，定義為放大電路的通頻帶。,6. 通頻帶,指在輸出信號不產(chǎn)生明顯失真的前提下，放大電路能夠向負載提供的最大輸出功率。,放大電路的效率定義為最大輸出功率與直流電源消耗的功率PV之比，即,7. 最大輸出功率Pom,8. 效率, 2.3 單管共發(fā)射極放大電路,1.三極管VT： 核心元件，處于放大狀態(tài)，即發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。, 2.3.1 單管共發(fā)射極放大電路的組成,2.基極直流電源VBB： 使發(fā)射結(jié)正向偏置。,3.基極直流偏置電阻Rb： 配合VBB設(shè)置合適的基極靜態(tài)直流

4、偏置電流IB。,4.集電極直流電源VCC： 使集電結(jié)反向偏置，提供直流電能。,5.集電極負載電阻Rc： 將集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)換成集電極電壓uCE的變化，再傳送到放大電路的輸出端。, 2.3.2 單管共發(fā)射極放大電路的工作原理,當(dāng)輸入電壓有一個微小的變化量時，在輸出端將得到一個放大了的變化量，從而實現(xiàn)放大作用。,組成放大電路必須遵循的原則：,1. 外加直流電源應(yīng)能保證：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，設(shè)置三極管工作在放大狀態(tài)（ iC=iB） 。,2. 輸入回路的接法應(yīng)使ui能傳到三極管的基極回路并產(chǎn)生iB。,3. 輸出回路的接法應(yīng)使iC能轉(zhuǎn)化為uCE ，并傳到放大電路的輸出端。,放大電路的改進, 2

5、.4 放大電路的基本分析方法,1.分析的任務(wù),2.常用分析方法,（1）靜態(tài)分析,靜態(tài):放大器未加入交流輸入信號時的直流工作狀態(tài),（2）動態(tài)分析,動態(tài)：輸入端加上交流輸入信號，放大器各點電壓、各支路電流將隨輸入信號在靜態(tài)基礎(chǔ)上變化,（1）圖解法,（2）微變等效電路法,靜態(tài)是放大電路正常工作的基礎(chǔ)和前提條件；動態(tài)則是放大電路工作的直接目的。 分析電路的步驟：先靜態(tài)，后動態(tài)。, 2.4.1 直流通路和交流通路,1.直流通路,電容開路,2.交流通路,電容、直流電源短路, 2.4.2 靜態(tài)工作點的近似估算,1.靜態(tài)工作點 Q 的概念,2.單管共射放大電路Q的估算方法, UBEQ=(0.60.8)伏 硅管

6、 UBEQ=(0.10.3)伏 鍺管,例 2.4.1,2.4.3 圖解法,圖解法就是在放大電路的輸入、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。,1.圖解的基本方法, IBQ、UBEQ 的求法,a. 輸入特性曲線上作圖,（1）圖解分析靜態(tài),b. 估算法（一般情況下使用）,UBEQ=(0.60.8)伏 硅管 UBEQ=(0.10.3)伏 鍺管, ICQ、UCEQ 的求法,輸出特性曲線上作圖,a.直流通路,b.直流通路的輸出回路,c.直流負載線,兩個特殊點,斜率,d.輸出特性曲線,e.靜態(tài)工作點Q,直流負載線與iB=IBQ的一條輸出特性的交點。,f.ICQ、UCEQ,（2）圖解分析動

7、態(tài),a.交流通路,b.交流通路的輸出回路,c.等效交流負載電阻,d.交流負載線,當(dāng)輸入信號電壓ui0時，放大電路的工作點即在交流負載線上，又在靜態(tài)工作點Q上。,交流負載線過Q點,斜率, 交流負載線,比直流負載線陡, 圖解分析動態(tài)的一般步驟,a. 在輸出特性曲線上作出直流負載線；,b. 得到IBQ ，可用估算法或在輸入特性曲線上用作圖的方法得到；,c. 確定靜態(tài)工作點Q，即iB=IBQ的一條輸出特性曲線與直流負載線之交點, 求出的值ICQ和UCEQ值；,d. 在輸出特性曲線上作出交流負載線，即過Q點作斜率為 的直線；,e. 分析計算放大電路的各個動態(tài)性能指標；,例：求電壓放大倍數(shù), 單管共射放大

8、電路的電壓、電流波形,a. 設(shè)置合適的靜態(tài)工作點；,b. 輸入端加入uI；,c. 各處電壓、電流處于交直流并存狀態(tài)；,d. 放大：微小的uI可引起較大的uO；,e. 倒相： uO與uI反相。,例：2.4.2, 估算IBQ, 直流負載線 經(jīng)過輸出特性曲線直角坐標系上兩個特殊點,作一條直線，即為直流負載線。,與直流負載線的交點即為Q。,經(jīng)Q點作一條斜率為 的直線， 即為交流負載線。,2. 圖解法的應(yīng)用,（1）用圖解法分析非線性失真,當(dāng)放大電路的靜態(tài)工作點Q選取比較低時，IBQ較小，輸入信號的負半周進入截止區(qū)而造成的失真稱為截止失真。 輸出電壓uCE出現(xiàn)頂部削平失真。, 截止失真,當(dāng)放大電路的靜態(tài)工

9、作點Q選取比較高時，IBQ較大，UCEQ較小，輸入信號的正半周進入飽和區(qū)而造成的失真稱為飽和失真。 輸出電壓uCE出現(xiàn)底部削平失真。, 飽和失真,輸出電壓uCE頂部、底部同時出現(xiàn)頂部削平失真。, 輸入信號過大出現(xiàn)飽和-截止失真,（2）用圖解法估算最大輸出幅度,VCC愈大，工作點的動態(tài)范圍愈大，最大輸出幅度愈大； 在VCC一定的情況下，應(yīng)將Q設(shè)在交流負載線的中央。,最大輸出幅度是指輸出波形沒有明顯失真的情況下，放大電路能夠輸出的最大電壓（有效值）。,（3）用圖解法分析電路參數(shù)對Q的影響,2.4.4 微變等效電路法,在信號變化范圍很?。ㄎ⒆儯┑那闆r下，可用一個線性電路來等效非線性的三極管，這樣的電

10、路稱為三極管的微變等效電路。,1.簡化的h參數(shù)微變等效電路,a. 輸入端等效為,（1）三極管的等效電路,b. 輸出端等效為,a.單管共射放大電路 交流通路,（2）單管共射放大電路的微變等效電路,b. 交流通路 微變等效電路, 畫出微變等效電路的方法、步驟,單管共射放大電路,交流通路,微變等效電路,a.電壓放大倍數(shù),b.輸入電阻, 動態(tài)性能指標的求法,c.輸出電阻,教材60頁：用微變等效電路分析放大電路的步驟。,（3）rbe的近似估算公式,那么，增大 ，能否按比例增大 ？,問題：, 對單管共射放大電路有：, 對單管共射放大電路，如何調(diào)整IEQ，而得到較大得 ？,，,例 2.4.1 & 2.4.3

11、, 估算Q； 用微變等效電路法估算 如欲提高 ，可采用何種措施，應(yīng)調(diào)整電路中哪些參數(shù)？,解：,a. 直流通路,b. 估算Q,UBEQ=0.7V,a. 估算rbe,b. 交流通路,c. 微變等效電路,d. 計算,e.,f.,因為,所以,例如 將IEQ增至3mA，則,在VCC、RC等電路參數(shù)不變的情況下，可通過減小Rb來增大IEQ，但要防止產(chǎn)生飽和失真。,2. 微變等效電路法的應(yīng)用,例：2.4.4, 靜態(tài)分析,a. 直流通路,b.估算Q,UBEQ0.7V, 動態(tài)分析,a.,b.交流通路,c.微變等效電路,d.動態(tài)性能指標計算,3. 圖解法與微變等效電路法主要優(yōu)、缺點的比較 表2-1, 2.5 靜態(tài)

12、工作點的穩(wěn)定問題,1.溫度對UBE的影響,Q點的影響因素有很多，如電源波動、偏置電阻的變化、管子的更換、元件的老化等等，不過最主要的影響則是環(huán)境溫度的變化。三極管是一個對溫度非常敏感的器件，隨溫度的變化，三極管參數(shù)會受到影響，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。,2.5.1 溫度對靜態(tài)工作點的影響,UBE的溫度系數(shù)約為-2.2mV/oC，即溫度每升高1，UBE大約減小2mV。,2.溫度對的影響,總的效果,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)致靜態(tài)工作點靠近飽和區(qū)或截止區(qū)，從而導(dǎo)致失真。 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。保持Q點基本穩(wěn)定。

13、 常采用分壓式偏置電路來穩(wěn)定靜態(tài)工作點。,溫度升高，三極管的電流放大系數(shù)增大。使各條輸出特性曲線之間的間距加大。,3.溫度對反向電流的影響,溫度升高，使ICBO、ICEO急劇增大。使各條輸出特性曲線同時明顯上移。,1.電路的組成,2.5.2 分壓靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路,（電流負反饋式工作點穩(wěn)定電路）,2.靜態(tài)分析,3.穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q原理,靜態(tài)工作點Q基本穩(wěn)定 ！,電流負反饋式工作點穩(wěn)定電路 ？,4.動態(tài)分析,比較 圖2.4.14 及 例2.4.4,發(fā)射極旁路電容Ce的作用 ？,例2.5.1, 2.6 雙極型三極管放大電路的三種基本組態(tài),2.6.1 共集電極放大電路,（共射組態(tài)、共集組態(tài)、共基組態(tài)

14、）,（射極輸出器）,1. 靜態(tài)分析,2. 動態(tài)分析, 電壓放大倍數(shù),注意：電壓放大倍數(shù)恒小于1，但接近于1。,電壓跟隨器, 輸入電阻,較之于基本共射電路，輸入電阻增大了。, 輸出電阻, 考慮信號源內(nèi)阻時的電壓放大倍數(shù), 電流放大系數(shù),a. 不考慮Rb、Re,b. 考慮Rb、Re,例：2.6.1, 2.6.2 共基極放大電路,1. 靜態(tài)分析,2. 動態(tài)分析, 電流放大倍數(shù), 電壓放大倍數(shù), 輸入電阻, 輸出電阻,例：2.6.2,2.6.3 三種基本組態(tài)的比較,Ai,Au,Ri,Ro,頻率響應(yīng), 大,-(1+) 大,- 小,- RL/ rbe 大,1 小,RL/ rbe 大,rbe 中,rbe+(

15、1+)RL 大,rbe/(1+) 小,Rc 中,(rbe+Rs)/(1+)小,Rc 中,較 差,較 好,好, 2.7 場效應(yīng)管放大電路, 場效應(yīng)管是電壓控制器件，雙極型三極管是電流控制器件。 場效應(yīng)管柵源輸入電阻高，雙極型三極管b、e間輸入電阻較小。 場效應(yīng)管只利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，噪聲小、受外界溫度及輻射影響小。 場效應(yīng)管電路便于大規(guī)模集成。 在相同負載下，電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。 (1) 靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。 (2) 動態(tài)：能為交流信號提供通路。 三種接法 共源放大器、共柵放大器、共漏放大器 分析方法： 靜態(tài)分析：估算法、圖解法。

16、 動態(tài)分析：微變等效電路法。, 2.7.1 共源極放大電路,1. 靜態(tài)分析,為了保證場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，以實現(xiàn)放大作用，VGG、VDD應(yīng)使uGS和uDS滿足：,2. 動態(tài)分析, 場效應(yīng)管的微變等效電路,在Q點附近，可用IDQ表示上式中的iD,則, 動態(tài)性能指標,a.交流通路,b.微變等效電路,c.電壓放大倍數(shù),d.輸入電阻Ri,e.輸出電阻Ro,例：2.7.1,2.7.2 分壓自偏壓式 共源極放大電路,1. 靜態(tài)分析,靜態(tài)時，柵極電位VGQ值由VDD經(jīng)電阻R1、R2分壓得到，源極電位VSQ值等于ID流過電阻Re所產(chǎn)生的自偏壓，場效應(yīng)管的靜態(tài)偏置電壓UGSQ由VGQ和VSQ相減決定。,故稱為分

17、壓自偏壓共源極放大電路, 近似估算法,聯(lián)立,可求得UGSQ和IDQ，,由,可求得UDSQ。, 圖解法,先由,在轉(zhuǎn)移特性,曲線上作直流負載線，得Q點，得UGSQ和IDQ。,再由,在輸出特性曲線上,作直流負載線，得Q點，得UDSQ和IDQ。,2. 動態(tài)分析, 交流通路 共源極, 輸出電阻, 微變等效電路,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,例：2.7.2,2.7.3 共漏極放大電路,1. 靜態(tài)分析,源極輸出器，源極跟隨器，輸入電阻高，輸出電阻低，電壓放大倍數(shù)小于1且接近于1。,聯(lián)立,可求得UGSQ和IDQ，,由,可求得UDSQ。,2. 動態(tài)分析, 交流通路 共漏極, 輸出電阻, 微變等效電路,電壓放大倍數(shù),

18、輸入電阻,例：2.7.3, 2.8 多級放大電路,實際應(yīng)用中，放大電路的輸入信號通常很微弱（毫伏或微伏數(shù)量級），為了使放大后的信號能夠驅(qū)動負載，僅僅通過單級放大電路進行信號放大，很難達到實際要求，常常需要采用多級放大電路。采用多級放大電路可有效地提高放大電路的各種性能，如提高電路的電壓增益、電流增益、輸入電阻、帶負載能力等。,多級放大電路是指兩個或兩個以上的單級放大電路所組成的電路。通常稱多級放大電路的第一級為輸入級。對于輸入級，一般采用輸入阻抗較高的放大電路，以便從信號源獲得較大的電壓輸入信號并對信號進行放大。中間級主要實現(xiàn)電壓信號的放大，一般要用幾級放大電路才能完成信號的放大。通常把多級放

19、大電路的最后一級稱為輸出級，主要用于功率放大，以驅(qū)動負載工作。, 2.8.1 多級放大電路的耦合方式,在多級放大電路中，各級放大電路輸入和輸出之間的連接方式稱為耦合方式。常見的連接方式有三種：阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合。,1. 阻容耦合,各單級放大電路之間通過隔直耦合電容連接。 阻容?,優(yōu)點： 1）各級靜態(tài)工作點相互獨立，設(shè)計調(diào)試方便。 2）傳送中交流信號損失小，放大倍數(shù)大。,缺點： 1）不能放大緩慢變化及直流信號，低頻特性差。 2）不便于集成化。,2. 變壓器耦合,各級放大電路之間通過變壓器耦合傳遞信號。如圖，通過變壓器T1把前級的輸出信號uo1，耦合傳送到后級，作為后一級的輸入信號ui2。變壓器T2將第二級的輸出信號耦合傳遞給負載RL。,優(yōu)點： 1）各級工作點相互獨立。 2）進行阻抗變換，可獲得較大的輸出功率。,缺點： 1）不能放大變化緩慢的信號，低頻特性差。 2) 體積重量大，不能集成化。,2. 直接耦合,各級放大電路之間通過導(dǎo)線直接相連接。 如圖所示為直接耦合兩級放