模电课件第2章基本放大电路.ppt

(15-1),模拟电子技术,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,2.2 基本共射放大电路工作原理,2.3 放大电路的分析方法,2.4 放大电路工作点的稳定,2.5 单管放大电路的三种基本接法,2.6 场效应管放大电路,(15-2),1.放大的概念,扩音机示意图,放大的对象：,放大的本质：,放大电路的特征：,小的变化量,能量的控制和转换,功率放大,放大电路的必备元件：,放大的前提：,有源元件(晶体管或场效应管),不失真,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,(15-3),2.放大电路的性能指标:,任何放大电路均可看成为二端口网络。,信号源,负载,主要指标:放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带,(15-4),（1）放大倍数：,电压放大倍数：,放大电路,电流放大倍数：,放大电路输出量与输入量之比。,放大倍数表明放大电路对输入量的放大能力,(15-5),（2）输入电阻Ri：,从输入端看进去的等效电阻。,输入电阻的定义：,信号源电压 与输入电压 的关系：,输入电阻越大，信号电压损失越小。,一般采用测电压的方法测量输入电阻,(15-6),(3)输出电阻Ro,任何放大电路的输出对于负载都可以等效成一个有内阻的电压源，电压源的内阻称为输出电阻RO。,定义:,+,-,输出电阻越小，负载电阻变化时，输出电压信号的变化越小，输出越稳定，称放大电路带负载能力越强。,(15-7),输出电阻测量方法：,+,-,根据电流相等原理：,所以：,输入端正弦电压 ，分别测量空载和输出端接负载 RL 的输出电压 、 。,(15-8),(4)通频带,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,| Auo |,fL,fH,下限截止频率,上限截止频率,通频带,fbw=fHfL,中频段,由于电容的影响，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。在中频段可认为电容不影响交流信号的传送，放大电路的放大倍数与信号频率无关。,低频段,高频段,(15-9),(6)非最大不失真输出电压：,在输出波形没有明显失真情况下放大电路能够提供给负载的最大输出电压(或最大输出电流)可用峰-峰值表示，或有效值表示(Uom 、Iom)。,设输出信号中的基波幅值为A1、谐波幅值为A2、A3，则非线性失真系数：,(15-10),ua交流分量,UA直流分量,uA全量,电压,3.符号的规定,(15-11),2.2 基本共射放大电路的工作原理,一.放大电路的组成及实用电路,1. 放大电路的组成及各元件的作用,基极电源VBB与基极电阻Rb：为发射结提供正向偏置电压，提供静态基极电流(静态基流)。,集电极电源VCC ：为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC：将变化的电流转变为变化的电压。,晶体管T：起放大作用的核心元件。,(15-12),2.放大电路的组成原则,（1）外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。即三极管工作在放大区；,（2）输入回路的接法应使输入电压 u 能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量 iB。,（3）输出回路的接法应使变化量 iC 能够转化为变化量 uCE，并传送到放大电路的输出端。,原理电路的缺点：,（1）双电源供电； （2）ui、uO 不共地。,(15-13),3.两种实用共射极放大电路,（1）直接耦合共射极放大电路,直接耦合：电路通过直接连接传递信号的方式。,(15-14),（2）阻容耦合共射极放大电路,阻容耦合：电路通过电容连接传递信号的方式。起连接作用的电容称之为耦合电容。,耦合电容的容量一般很大，为电解电容，起隔直通交的作用。,(15-15),二.放大电路的工作原理：,1.静态：,放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。,无输入信号电压（静态）时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,由于电源的存在IB0,(15-16),问题:,为什么要设置静态工作点？静态工作点的位置对信号放大有什么影响？,(15-17),1.如果在放大电路输入端加入正弦信号，输出信号会发生怎样的变化？ 2.输出电压与输入电压的相位如何？ 3.电压放大倍数跟那些因素有关？ 4.如果改变电路的偏置电阻Rb，输出信号又会发生怎样的变化？为什么？,2.动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态,问题:,(15-18),uCE,iC,uBE=UBE+ ube,iB,UBE,iB=IB+ib,iC=IC+ic,uCE=UCE+ uce,B,E,C,定性分析:,(15-19),+,集电极电流,直流分量,交流分量,例如:,(15-20),电路仿真:,A通道:20mV/Dir(s),B通道:2V/Dir(XSC1),1V/Dir(XSC2),XSC1波形,Uom1.1v,XSC2波形,(15-21),不同负载时输出电压波形:,(a)负载为9K,(b)负载为,负载越大,输出电压越大,电路电压放大倍数越大,Uom1.1v,Uom1.5v,电路具有电压放大作用,且输出与输入电压相位相反,(15-22),(a)偏置电阻为300K,(b)偏置电阻减小为200K,改变偏置电阻时输出电压波形:,偏置电阻减小到一定值，输出波形出现失真。,(15-23),结论：,(1) 若参数选取得当，输出电压比输入电压大，即电路具有电压放大作用。,(2) 输出电压与输入电压在相位上相差180,即共发射极电路具有反相作用。,(3) 负载影响输出电压的大小。,(4)要正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。否则会出现波形失真。,(15-24),放大电路分析,静态分析,动态分析,微变等效电路法,图解法,(IBQ，UBEQ),( ICQ，UCEQ ),（Au，ri，ro）,图解法利用晶体管特性曲线,估算法利用静态等效电路,2.3 放大电路的分析方法,(15-25),直流通路：直流电流所流经的通路。,交流通路：交流电流所流经的通路。,在放大电路工作在动态时，“交、直流共存”，但“通路有别”。,用于静态分析。对于直流通路：电容视为开路；信号源视为短路但保留其内阻.,用于动态分析。对于交流通路：大容量电容（耦合电容、旁路电容等）视为短路；直流电源视为短路。,注意：必须分清直流通路和交流通路以及各自的用途,一.直流通路和交流通路:,使放大电路的放大信号不失真.,-静态工作点Q ：(IBQ、UEBQ)(ICQ、UCEQ )。,确定放大电路的静态值.,所用电路：放大电路的直流通路。,2.3.1放大电路的静态分析,两种分析方法: 估算法、图解法,静态分析的目的:,设置Q点的目的：,(15-27),1、估算法：,根据直流通道估算静态值,（1）画出直流通路（ui=0，电容C1、C2断开）,步骤:,断开电容所在支路,(15-28),VCC = IB Rb+ UBE,列输入回路方程（KVL）：,根据电流放大作用,（2）根据直流通路，计算静态值。,列输出回路方程（KVL）：,VCC = IC RC+ UCE,所以 UCE = VCC IC RC,所以,(15-29), 在输入特性曲线上，作直线 VBE =VCCIBRb ，两线的交点即是Q点，得到IBQ。, 列输入回路方程：UBE =VCCIBRb,2.图解法：,用作图的方法确定静态值, 首先，画出直流通路,VCC,(15-30), 在输出特性曲线上，作出直流负载线 UCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到UCEQ 和ICQ。,列输出回路方程：UCE=VCCICRc,VCC,直流负载线,用图解法确定静态值应实测特性曲线.,(直流负载线方程),(15-31),例:用图解法分析电路参数对静态工作点的影响,1. 改变 Rb，保持VCC ，Rc ， 不变；,Rb 增大， Q 点下移；移近截止区;,Rb 减小， Q 点上移；移近饱和区。,2. 改变 VCC，保持 Rb，Rc ， 不变；,升高 VCC，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。,Q2,(15-32),3. 改变Rc，保持Rb，VCC ， 不变；,4. 改变 ，保持 Rb，Rc ，VCC 不变；,增大 Rc ，直流负载线斜率改变，则 Q 点向饱和区移近。,Q2,增大 ，ICQ 增大，UCEQ 减小，则 Q 点移近饱和区。,所用电路：放大电路的交流通路。,两种分析方法: 图解法、等效电路分析法,2.3.2放大电路的动态分析,(15-34),电容短路；直流电压源短路。,接地,短路,交流通路：,(15-35),一.等效电路分析法,晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。,(15-36),1、晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）,在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。,对输入输出特性关系式在静态工作点求全微分，得,输入输出关系特性,(15-37),在小信号工作时，各增量之间满足线性关系,用信号的增量（或向量）来代替偏导数。,晶体管的h参数等效模型,(15-38),rbe ：晶体管的输入电阻。,小信号时，可认为 uBE 与 iB 成正比,h参数的物理意义:,(1)输入电阻rbe,反向电压传输比：,uBE,h12很小，一般为10-310-4,可忽略.,晶体管的b、e之间可用电阻rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系。,(15-39),电流放大系数,输出电导(c-e间的动态电阻）,特性曲线基本上是水平的，iC 比 iB 大 倍；,rce越大，恒流特性越好；,晶体管的c、e之间可用一个受ib控制的电流源等效代替。,(15-40),2、简化的h参数等效模型,2、简化的h参数等效模型,， ， ， 。,简化的h参数等效模型：,(15-41), h参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,晶体管的b、e之间可用电阻rbe等效代替， c、e之间可用一个受ib控制的电流源等效代替。,2、简化的h参数等效模型, h参数模型没有考虑结电容的作用，所以只适合低频信号的情况。,(15-42),3、h参数的确定,rbb ：基区体电阻。,rbe ：基射之间结电阻。,利用PN结的电流方程可求得:,三极管的输入电阻rbe：,h参数与静态工作点有关！,(15-43),电容短路；直流电压源短路。,接地,短路,首先，画出交流通路。,4、用h参数模型分析放大电路,定量确定动态参数： ， ， 等 。,(15-44),将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,交流通路,微变等效电路, 画出放大电路的微变等效电路。,(15-45),当放大电路输出端开路(未接RL)时：,负载电阻越大，电压放大倍数越大, 根据微变等效电路确定 ， ，,（1）电压放大倍数,(15-46),（2）输入电阻Ri：,从输入端看进去的等效电阻。,输入电阻的定义：,信号源电压 与输入电压 的关系：,输入电阻越大，信号电压损失越小。,一般采用测电压的方法测量输入电阻,(15-47),电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,（2）输入电阻：,(15-48),(3)输出电阻Ro,任何放大电路的输出对于负载都可以等效成一个有内阻的电压源，电压源的内阻称为输出电阻RO。,定义:,+,-,输出电阻越小，负载电阻变化时，输出电压信号的变化越小，输出越稳定，称放大电路带负载能力越强。,(15-49),输出电阻测量方法：,+,-,根据电流相等原理：,所以：,输入端正弦电压 ，分别测量空载和输出端接负载 RL 的输出电压 、 。,(15-50),求ro的步骤： (1) 断开负载RL,(3) 外加电压,(4) 求,外加,(2) 令,用加压求流法求输出电阻：,（3）输出电阻：,(15-51),思考:对信号源电压的放大倍数？,(15-52),已知图示放大中晶体管的=50，rbe=1K,UBE=0.7V;要求电路静态时ICQ=2mA,发射极、集电极对地电压分别为UEQ=1V,UCQ=4V。,放大电路分析举例,1、估算Rb、Rc、Re的值,2、设各电容的容量足够大，对交流信号可设为短路，RL=Rc。求电路的放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro。,例：,(15-53),解：1、,放大电路分析举例,2、,微变等效电路如下：,(15-54),电容短路；直流电压源短路。,接地,短路,1.用图解法分析动态工作情况,首先，画出交流通路。,二、图解法,(15-55),由交流通路得：,+,_,uCE=UCEQ+ uce =UCEQ -ic RL,=UCEQ (iC-ICQ) RL,=UCEQ iC RL +ICQ RL,uCE = iC RL +UCEQ + ICQ RL,交流负载线方程,由于动态时交直流共存:,交流负载线反映动态时电流 iC和电压uCE的变化关系,交流负载线在输出特性曲线上是斜率为-1/RL 的直线,交流负载线必过Q点.,(15-56),根据交流负载线方程或过Q点作斜率-1/RL的直线，即为交流负载线.,交流负载线:,思考题： 直接耦合放大电路的交直流负载线重合？阻容耦合放大电路空载情况下呢?,(15-57),由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大电路的电压放大倍数。且uO 与ui两者反相.,动态工作情况图解分析,(15-58),2.用图解法分析非线性失真,波形失真:输出输入波形不完全一致,非线性失真：由于晶体管特性曲线非线引起的波形失真。,截止失真和饱和失真是两种主要的非线性失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。,饱和失真：,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。,截止失真：,非线性失真原因：由于静态工作点不合适或信号太大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线的线性范围。,(15-59),若Q设置过高,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,解决方法:适当减小基极电流(增大电阻RB)可消除失真。,(15-60),若Q设置过低，,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,解决方法:适当增大基极电流(减小电阻RB)可消除失真,(15-61),输入信号逐渐增大,输入信号过大,(15-62),输入信号过大引起失真,iC,Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,输入信号过大,(15-63),Q 设在线段 AB 的中点时有最大的输出电压。,3.用图解法估算最大不失真输出电压Uomax,输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B 所限定的范围。,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，工作点Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位。,(15-64),1.图解法要求实测晶体管的输入、输出曲线，而且用图解法进行定量分析的误差较大。,图解法小结,2. 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系； 3. 方便估算最大输出幅值的数值； 4. 可直观表示电路参数对静态工作点的影响；,实际应用中，图解法常用于静态工作点位置、最大不失真输出电压和失真情况分析。,(15-65),小 结 本讲主要介绍了晶体管放大电路的分析方法： 放大的分析包括两个方面：静态分析（直流分析）和动态分析（交流分析）。 静态分析就是求解静态工作点Q。可以用图解法和估算法求解，是在直流通路上进行的。 动态分析就是求解放大电路的动态参数和进行波形分析。是在交流通路上进行的。通常利用h 参数等效模型计算放大倍数、输入电阻、输出电阻；用图解法求解最大不失真输出电压和进行失真分析。,2.3 放大电路的分析方法,作业: 2.7, 2.9, 2.10, 2.11, 2.12, 2.13,(15-66),2.4 放大电路静态工作点的稳定,1. 静态工作点稳定的必要性,（1）必要性 静态工作点决定放大电路是否产生失真； 静态工作点影响电压放大倍数、输入电阻等动态参数； 静态工作点的不稳定，将导致动态参数不稳定，甚至使放大电路无法正常工作。,（2）影响静态工作点稳定的因素 电源电压波动、元件老化、环境温度变化等，,(15-67),2.4 放大电路静态工作点的稳定,（3）温度对静态工作点的影响,(a) 温度变化对ICBO的影响,(b) 温度变化对输入特性曲线的影响,温度T 输出特性曲线上移,温度T 输入特性曲线左移,(c) 温度变化对 的影响,温度每升高1 C ， 要增加0.5%1.0%,温度T 输出特性曲线族间距增大,(15-68),2.典型的静态工作点稳定电路,(1)电路组成:,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,断开电容所在支路,直流通路,(15-69),(2) Q稳定原理:,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,为了稳定Q点，通常要求:,I1 IB,基极电位基本恒定，不随温度变化.,VB 固定,稳定过程:,(15-70),(3)静态工作点的计算,(15-71),(3)动态分析,旁路电容Ce 在交流通路将RE短路，RE不起作用。,(15-72),讨论：,如果去掉Ce，放大倍数、输入、输出电阻怎样变化？,Au减小,(15-73),已知图示放大中晶体管的=60，rbb=200，UBE=0.7V，UCES=0.5V;各电容的容量足够大，对交流信号可设为短路,放大电路分析举例,1.估算静态工作点值IC，UCE,2.估算电压放大倍数,3.在图示电路参数条件下，最大不失真输出电压幅值为多大？ 4.增大输入电压幅度直至输出电压临界不失真，然后保持输入电压幅度不变，逐渐增大 输出电压将会出现什么失真（饱和、截止）？,【例】,(15-74),放大电路分析举例,解:,1.,2.,3.,4.,截止失真,(15-75),小 结 本讲主要介绍了静态工作点的稳定问题： 静态工作点不仅决定了波形是否失真，还影响动态参数的稳定性。影响静态工作点最主要的因素是温度。 温度变化对静态工作点的影响集中表现在Ic 的变化上，采用射极偏置电路，利用直流负反馈可以稳定静态工作点。 射极偏置放大电路的静态分析和动态分析在方法上与固定偏置放大电路没本质的区别，但在计算的具体过程是不同的，不仅如此，当电路的形式稍作变化，各放大电路的计算过程都有区别，所以不能死记公式，生搬硬套。,2.4 放大电路静态工作点的稳定,(15-76),2.5 晶体管放大电路的三种组态,三种组态：共射极、共基极、共集电极,1.共集电极放大电路,（1）电路组成,因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。 因从发射极输出，所以称射极输出器。,(15-77),2.5 晶体管放大电路的三种组态,三种组态：共射极、共基极、共集电极,1.共集电极放大电路,（1）电路组成,因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。 因从发射极输出，所以称射极输出器。,(15-78),（2）静态分析,静态工作点(Q点)：,IBQ= (UCC- UBEQ)/Rb+(1+ ) Re ,(15-79),（3）动态分析, 画出放大电路的微变等效电路。,直流电源电容短路,交流通路,(15-80),电压放大倍数:,输入电阻:,(15-81),输出电阻:,(15-82),1. 电压放大倍数小于1，约等于1；输出与输入同相。,3. 输出电阻低；带负载能力强,共集电极放大电路的特点：,2. 输入电阻高；对电压信号源衰减小。,(15-83),直接耦合共集电路静态分析,直流通路,静态工作点(Q点)：,IBQ= (VBB- UBEQ)/Rb+(1+ ) Re ,ICQ= IBQ,UCEQ =VCC- IE Q Re VCC- IC Q Re,(15-84), 画出放大电路的微变等效电路。,直流电源短路,交流通路,微变等效电路,直接耦合共集电路动态分析,(15-85),电压放大倍数:,输入电阻:,(15-86),输出电阻:,(15-87),1. 电压放大倍数小于1，约等于1；输出与输入同相。,2. 输入电阻高；对电压信号源衰减小。,3. 输出电阻低；带负载能力强,共集电极放大电路的特点：,思考题：,如右图所示阻容耦合共集放大电路。试求:,(15-88),2.共基极放大电路,（1）电路组成,(15-89),（2