模拟电子技术基础简明教程(第三版)第二章.ppt

第一节概述 放大的概念 放大电路的主要技术指标 下页 总目录 一 放大的基本概念 放大电路的核心元件 是双极型三极管和场效应管 放大的对象 是变化量 放大作用 是小能量对大能量的控制作用 放大的本质 是实现能量的控制 下页 上页 首页 1 电压放大倍数 2 电流放大倍数 适用条件 1 放大倍数 二 放大电路的主要技术指标 下页 上页 首页 无明显失真的最大输出电压 或电流 一般指电压的有效值 以Uom 或Iom 表示 2 最大输出幅度 下页 上页 首页 所有的谐波总量与基波成分之比 3 非线性失真系数 下页 上页 首页 4 输入电阻 中频段 通常希望Ri愈大愈好 下页 上页 首页 5 输出电阻 中频段 通常希望Ro愈小愈好 下页 上页 放大电路 Ri Rs Ro 放大电路技术指标测试示意图 Uo 首页 放大倍数在高频和低频段分别下降至中频放大倍数的0 707倍时所包括的频率范围 用BW表示 如图所示 放大电路的通频带 6 通频带 下页 上页 首页 输出功率 无明显失真时的最大输出功率 用Pom表示 效率 PV为直流电源消耗的功率 除以上几个主要技术指标 针对不同场合 还可能提出其他一些指标 如电源容量 抗干扰能力等 7 最大输出功率与效率 上页 首页 第二节单管共发射极放大电路 单管共发射极放大电路的组成 单管共发射极放大电路的工作原理 下页 总目录 一 单管共射放大电路组成 VT是放大电路的核心 VCC提供输出信号能量 Rb和VBB提供发射结偏置电压UBE和静态基极电流IB RC将iC的变化量转化为uCE的变化量 下页 上页 首页 二 单管共射放大电路的工作原理 定性分析 在输入端加一 ui将依次产生 uBE iB iC uCE和 uo 适当选择参数 uo可比 ui大得多 从而实现放大作用 下页 上页 首页 1 三极管必须工作在放大区 原理电路缺点 放大电路组成原则 3 iC能够转化为 uCE 并传送到放大电路的输出端 2 ui能够传送到三极管的基极回路 产生相应的 iB 1 需要两路直流电源 既不方便也不经济 2 输入 输出电压不共地 下页 上页 首页 C1 C2是隔直或耦合电容 RL是放大电路的负载电阻 省去了基极直流电源VBB 克服了原理电路的缺点 比较实用 单管共射放大电路的改进电路 上页 首页 第三节放大电路的基本分析方法 直流通路与交流通路 静态工作点的近似估算 图解法 微变等效电路法 下页 总目录 2 4放大电路的基本分析方法 基本分析方法两种 图解法 微变等效电路法 分析过程 先静态后动态 静态分析 对象 直流成分 目的 静态工作点 动态分析 对象 交流成分 目的 动态技术指标 电容相当于开路电感相当于短路 一 直流通路与交流通路 1 直流通路 用于放大电路的静态分析 在直流通路中 下页 上页 首页 电容和理想电压源相当于短路电感和理想电流源相当于开路 2 交流通路 用于放大电路的动态分析 在交流通路中 下页 上页 首页 动画 二 静态工作点的近似估算 静态工作点 外加输入信号为零时 三极管的IBQ ICQ UBEQ UCEQ 在输入输出特性曲线上对应一个点Q点 UBEQ可近似认为 硅管UBEQ 0 6 0 8 V锗管UBEQ 0 1 0 3 V 静态分析 估算静态工作点 讨论对象是直流成分 下页 上页 首页 IB IC 由图中的直流通路 估算方法 IBRb UBEQ VCC ICQRc UCEQ VCC 可求得单管放大电路的静态工作点的值为 下页 上页 首页 例2 3 1 设单管共射放大电路中 VCC 12V Rc 3k Rb 280k 50 试估算静态工作点 解 设UBEQ 0 7V 则 下页 上页 首页 三 图解法 一 图解法的过程图解法即可分析静态 也可分析动态 过程一般是先静态后动态 1 图解分析静态任务 用作图法确定静态工作点 求出IBQ ICQ和UCEQ 由于输入特性不易准确测得 一般用近似估算法求IBQ和UBEQ 下面主要讨论输出回路的图解法 下页 上页 首页 M N 下页 上页 输出回路的等效电路 首页 iB IBQ VCC ICQ UCEQ 根据输出回路方程uCE VCC iCRc作直流负载线 与横坐标交点为VCC 与纵坐标交点为VCC Rc 直流负载线与特性曲线Ib IBQ的交点即Q点 如图示 Q 直流负载线和静态工作点的求法 斜率为 1 RC 是静态工作点的移动轨迹 下页 上页 首页 例2 3 2 试用图解法确定下图所示电路的静态工作点 12 2 6 Q 4 解 首先估算IBQ UBE UCE IB IC 40 A uCE 12 3iC IBQ VCC UBEQ Rb IBQ 输出回路方程 IBQ 40 AICQ 2mAUCEQ 6V 下页 上页 首页 2 图解分析动态 动态分析 估算动态技术指标 讨论对象是交流成分 下页 上页 首页 交流负载线 画法 过静态工作点Q 作一条斜率为 1 RC RL 的直线 uCE iC RC RL 交流负载线 描述放大电路的动态工作情况 下页 上页 首页 Q IBQ 40 20 60 0 7 uBE UBEQ UCEQ uCE 0 72 0 68 iB 放大电路动态工作情况 下页 上页 交流负载线 首页 用图解法求放大电路的放大倍数 假设IBQ附近有一个变化量 iB 在输入特性上找到相应的 uBE 在输出特性的交流负载线上找到相应的 iC和 uCE 则电压放大倍数 电流放大倍数 下页 上页 首页 4 5 7 5 0 072 0 68 75 负号表示uCE与uBE反相位 下页 上页 7 5 4 5 Q IBQ 40 20 60 0 7 uBE UBEQ UCEQ uCE 0 72 0 68 iB 交流负载线 首页 结论 uBEQ uCEQ iBQ iCQ 由右图可知 单管共射放大电路中 1 交直流并存 2 有电压放大作用 3 有倒相作用 uo ui 下页 上页 首页 3 图解法的步骤 一 画输出回路的直流负载线 二 估算IBQ 确定Q点 得到ICQ和UCEQ 三 画交流负载线 四 求电压放大倍数 下页 上页 首页 Q点过低 二 图解法的应用 1 分析非线性失真 Q UCEQ ICQ 截止失真 uCE波形出现顶部失真 交流负载线 iB 下页 上页 首页 动画 饱和失真 交流负载线 ICQ UCEQ uCE波形出现底部失真 iB Q点过高 下页 上页 首页 2 用图解法估算最大输出幅度 Q iB 0 C D E A B Q点应尽量设在交流负载线上线段AB的中点 若CD DE 则 否则 交流负载线 直流负载线 下页 上页 首页 3 分析电路参数对静态工作点的影响 Q1 Q2 VCC Rb1 Rb2 Q1 Q2 VCC RC2 RC1 增大RC Q点靠近饱和区 增大Rb Q点靠近截止区 下页 上页 首页 Q1 Q2 VCC 2 1 Q1 Q2 VCC2 VCC2 VCC1 VCC1 VCC升高时 Q点移向右上方 Uom增大 三极管静态功耗也增大 增大时 特性曲线上移 Q点移近饱和区 下页 上页 首页 四 微变等效电路法 适用条件 微小交流工作信号 三极管工作在线性区 解决问题 处理三极管的非线性问题 等效 从线性电路的三个引出端看进去 其电压 电流的变化关系和原来的三极管一样 下页 上页 首页 一 简化的h参数微变等效电路 1 三极管的等效电路 Q iB iB iB Q uBE 以共射接法三极管为例 三极管特性曲线的局部线性化 iC iB 输入端可等效为一个电阻 输出端可等效为一个受控电流源 下页 上页 首页 由以上分析可得三极管的微变等效电路 三极管的简化h参数等效电路 rbe uBE iC iB uCE iB e c b 下页 上页 首页 用简化的微变等效电路计算单管共射放大电路的电压放大倍数和输入 输出电阻 rbe ui iC ib uo ib e c b Rc RL Rb 单管共射放大电路的等效电路 先画出放大电路的交流通路 再依次画出三极管的等效电路 下页 上页 首页 电压放大倍数 Au uo ui ibRc RL ibrbe rbe Rc RL 输入电阻 Rb rbe 输出电阻 Ro ui 0RL Ri ui ii uo io Ro Rc io 下页 上页 rbe ui iC ib uo ib e c b Rc RL Rb 首页 仿真 2 rbe的近似估算公式 rbe rbb 1 26 IEQ 其中 rbb 是三极管的基区体电阻 若无特别说明 可认为rbb 约为300 26为常温下温度的电压当量单位为mV 下页 上页 首页 电流放大倍数与电压放大倍数之间关系 1 当IEQ一定时 愈大则rbe也愈大 选用 值较大的三极管其Au并不能按比例地提高 因 2 当 值一定时 IEQ愈大则rbe愈小 可以得到较大的Au 这种方法比较有效 可减小Rb或增大VCC 但要注意三极管的非线性及安全工作区 3 等效电路法的步骤 确定放大电路的静态工作点Q 4 列出电路方程并求解 3 画出放大电路的微变等效电路 2 求出Q点处的 和rbe 下页 上页 首页 例2 4 3P60 二 微变等效电路法的应用 分析下图所示接有射级电阻的单管放大电路 rbe ui iC ib uo ib e c b Rc RL Rb Re 下页 上页 首页 ui ibrbe 1 ibRe ui RL uo Au rbe 1 Re 若 1 Re rbe则 Au RL 1 Re uo ibRL 其中RL Rc RL 下页 上页 首页 Ri rbe 1 Re Rb Ro Rc ui ui ibrbe 1 ibRe ii ib Ri rbe 1 Re Ri Ri Ri Ri Rb 下页 上页 首页 例2 3 3 图示放大电路中 501 试估算放大电路的静态工作点 2 求电压放大倍数 3 求输入电阻和输出电阻 下页 上页 240 3k 3k 首页 解 直流通路如图所示 IBQRb UBEQ IEQRe VCC IBQ VCC UBEQ Rb 1 Re 0 04mA ICQ IBQ 50 0 04 2mA IEQ UCEQ VCC ICQRc IEQRe 12 2 3 0 82 4 36V 下页 上页 首页 RL Au rbe 1 Re 1 75 Ri rbe 1 Re Rb 36 3K Ro Rc 3K 射极电阻Re使电压放大倍数降低 下页 上页 首页 小结 图解法 优点 1 即能分析静态 也能分析动态工作情况 2 直观形象 3 适合分析工作在大信号状态下的放大电路 缺点 1 特性曲线存在误差 2 作图麻烦 易带来误差 3 无法分析复杂电路和高频小工作信号 下页 上页 首页 微变等效电路法 优点 1 简单方便 2 适用于分析任何基本工作在线性范围的简单或复杂的电路 缺点 1 只能解决交流分量的计算问题 2 不能分析非线性失真 3 不能分析最大输出幅度 下页 上页 首页 第四节静态工作点的稳定问题 温度对静态工作点的影响 分压式静态工作点稳定电路 下页 总目录 Q2 一 温度对静态工作点的影响 温度升高 静态工作点移近饱和区 使输出波形产生饱和失真 饱和失真 下页 上页 首页 外因 环境温度的变化 内因 三极管本身所具有的温度特性 解决措施 保持放大电路的工作温度恒定 2 从放大电路自身解决 引起静态工作点波动的原因 下页 上页 首页 二 分压式静态工作点稳定电路 图示给出了最常用的静态工作点稳定电路 通常称为分压式工作点稳定电路 uBQ基本不变 下页 上页 首页 仿真 由以上分析可知 本电路是通过发射极电流的负反馈作用 牵制集电极电流的变化 所以也称为电流负反馈式工作点稳定电路 下页 上页 首页 说明 1 Re愈大 同样的 IEQ产生的 UEQ愈大 则温度稳定性愈好 但Re增大 UEQ增大 要保持输出量不变 必须增大VCC 2 接入Re 电压放大倍数将大大降低 在Re两端并联大电容Ce 交流电压降可以忽略 则Au基本无影响 Ce称旁路电容3 要保证UBQ基本稳定 IR IBQ 则需要Rb1 Rb2小一些 但这会使电阻消耗功率增大 且电路的输入电阻降低 实际选用Rb1 Rb2值 取IR 5 10 IBQ UBQ 5 10 UBEQ 二 静态与动态分析 静态分析 由于IR IBQ 可得 估算 静态基极电流 2 动态分析 e rbe ic ib ib c b Rc RL Rb2 ui uo io ii Rb1 下页 上页 首页 Au uo ui rbe Rc RL 电压放大倍数为 输入电阻为 输出电阻为 Ri rbe Rb1 Rb2 Ro Rc uo ibRc RL ui ibrbe Ri Ro 下页 上页 首页 例2 4 1 已知晶体管的 60 rbe 1 8k 信号源电压us 15mV 内阻Rs 0 6k 其它参数已标在电路图中 求该放大电路的静态工作点 求该放大电路的输入电阻和输出电阻 试求输出电压uo 若RF 0 uo等于多少 下页 上页 首页 解 求静态工作点 uB Rb1 Rb2 Rb1 VCC IEQ ICQ uEQ uBQ UBEQ IEQ 1mA UCEQ VCC ICQRc IEQ Re RF VCC ICQ Rc Re RF IBQ ICQ uB IE IC IB uE 3V 3 0 7 Re RF Re RF 2 0 1 6V 1mA 17 A 下页 上页 首页 rbe ic ib ib c b Rc RL Rb2 e io ii Rb1 RF 下页 上页 动态分析 首页 Au uo ui rbe 1 RF Rc RL 电压放大倍数为 输入电阻为 输出电阻为 Ri rbe 1 RF Rb1 Rb2 Ro Rc uo ibRc RL ui ibrbe Ri Ro 1 ibRF 下页 上页 首页 下页 上页 首页 第五节双极型三极管放大电路的三种基本组态 共集电极放大电路 共基极放大电路 三种基本组态的比较 下页 总目录 uo从发射极输出 ui从基极输入 一 共集电极放大电路 输入信号ui和输出信号uo的公共端是集电极 又称为射极输出器或电压跟随器 可以接有集电极电阻 下页 上页 首页 一 静态分析 IBQ VCC UBEQ Rb 1 Re ICQ IBQ UCEQ VCC IEQRe VCC IBQRb UBEQ 1 IBQRe IB IE Rb VCC ICQRe 下页 上页 首页 二 动态分析 1 微变等效电路 下页 上页 首页 R e Re RL Rs Rs Rb 其中 下页 上页 首页 2 电流放大倍数 Ai io ii ie ib 1 3 电压放大倍数 uo ieRe ui ibrbe 1 ibRe 1 ibRe Au uo ui 1 Re rbe 1 Re Au小于1 但近似等于1uo与ui相位相同 共射放大电路无电压放大作用 但可放大电流 下页 上页 首页 仿真 4 输入电阻 Ri rbe 1 Re Ri Rb rbe 1 Re Ri 下页 上页 首页 5 输出电阻 下页 上页 uo ib rbe Rs io ie 1 ib 可见 输出电阻很小 首页 输出电阻的另一种算法 Ro uo ib rbe Rs 下页 上页 首页 例2 5 1 估算图示电路的静态工作点 并计算电流放大倍数 电压放大倍数和输入 输出电阻 下页 上页 首页 IBQ VCC UBEQ Rb 1 Re ICQ IBQ UCEQ VCC IEQRe 10 0 7 240 1 40 5 6 20 A 0 8mA VCC ICQRe 5 52V 40 0 02 10 0 8 5 6 rbe rbb 1 IEQ 26 1 6k 1 静态工作点 下页 上页 首页 41 41 5 6 1 6 41 5 6 0 993 1 Au 1 Re rbe 1 Re Ai io ii ie ib 2 电流 电压放大倍数 下页 上页 首页 118k 0 26k 260 Ri Rb rbe 1 Re Ro rbe Rs 1 Re 3 输入 输出电阻 下页 上页 首页 Ro Ro uo io Ro uo io rbe 1 Ro Ro Re rbe 1 Re uo ibrbe io ie 1 ib 39 Ro 4 Rs为零时的输出电阻 下页 上页 首页 下页 上页 二 共基极放大电路 首页 一 静态分析 直流通路与静态工作点稳定电路相同 UBQ Rb1 Rb2 Rb1 VCC IEQ UBQ UBEQ Re ICQ UCEQ VCC ICQRc IEQRe VCC ICQ Rc Re 若静态基流很小 则 下页 上页 首页 二 动态分析 1 微变等效电路 下页 上页 首页 2 电流放大倍数 ii ie io ic Ai io ii 没有电流放大作用 3 电压放大倍数 ui ibrbe uo ibR L Au uo ui R L rbe 具有电压放大作用 没有倒相作用 下页 上页 首页 4 输入电阻 Ri ui ii rbe 1 如不考虑Re的作用 考虑Re的作用Ri rbe 1 Re 共基接法的输入电阻比共射接法低 下页 上页 首页 5 输出电阻 如不考虑Rc的作用Ro rcb rcb 1 rce 共基接法的输出电阻比共射接法高得多 考虑Rc的作用Ro Rc rcb Rc 下页 上页 首页 共射电路Au和Ai均较大 Ri和Ro较适中 被广泛用作低频放大电路的输入级输出级和中间级 共集电路特点是电压跟随 Ai较大 Ri很高 Ro很低 被用作输入级输出级或隔离用的中间级 共基电路突出特点是Ri很低 频率特性好 用于宽频带放大器输出电阻高 可用作恒流源 三 三种基本组态的比较 下页 上页 首页 第六节场效应管放大电路 共源极放大电路 分压 自偏压式共源极放大电路 共漏极放大电路 下页 总目录 场效应管是电压控制元件 三极管是电流控制元件 2 场效应管输入电阻非常高 三极管输入电阻较小 3 场效应管噪声小 受外界温度及辐射的影响小 存在零温度系数工作点 4 场效应管的制造工艺简单 便于集成 5 存放时 栅极与源极应短接在一起 焊接时 烙铁外壳应接地 下页 一 场效应管的特点 上页 首页 一 电路组成 UGS UTUDS UGS UT 下页 上页 二 共源极放大电路 首页 二 静态分析 1 近似估算法 UGSQ VGG UDSQ VDD IDQRD 下页 上页 首页 2 图解法 Q UDSQ VDD IDQ 直流负载线 uDS VDD iDRD UGSQ VGG UGSQ 与直流负载线的交点即是静态工作点Q 下页 上页 首页 三 动态分析 1 场效应管的微变等效电路 iD f uGS uDS 求iD的全微分 gm的值约为0 1至20mS rDS通常为几百千欧 下页 上页 首页 若RD比rDS小得多rDS可视为开路 简化的等效电路 其中 gm和rDS可在场效应管特性曲线上作图求得 下页 上页 首页 gmRD Ro RD 下页 上页 首页 电路组成 下页 上页 三 分压 自偏压式共源极放大电路 静态时 栅极电压由VDD经R1 R2分压后提供 ID流经RS产生一个自偏压 RS也有利于稳定静态工作点 旁路电容CS必须足够大 以免影响电压放大倍数 RG用于提高放大电路的输入电阻 首页 一 静态分析 1 近似估算法 UGSQ VG IDQRS UDSQ VDD IDQ RD RS VG 下页 上页 首页 2 图解法 IDQ VGQ UGSQ uGS VGQ iDRS UDSQ VDD IDQ uDS VDD iD RD RS 下页 上页 首页 二 动态分析 id R D RD RL 下页 上页 首页 仿真 又称源极输出器或源极跟随器 1 静态分析可用近似估算法或图解法 求解过程可参阅分压 自偏压式共源放大电路 下页 上页 四 共漏极放大电路 首页 2 动态分析 下页 上页 id 首页 下页 上页 首页 仿真 上页 首页 第七节多级放大电路 多级放大电路的耦合方式 多级放大电路的电压放大倍数和输入 输出电阻 下页 总目录 优点 各级Q点相互独立 便于分析 设计和调试 缺点 不易放大低频信号 无法集成 阻容耦合 一 多级放大电路的耦合方式 下页 上页 返回 仿真 优点 可放大交流和直流信号 便于集成 缺点 各级Q点相互影响 零点漂移较严重 直接耦合 VT1处于临近饱和区 下页 上页 首页 1 第二级接入射极电阻Re2 提高第二级UB2 保证了第一级不致工作在饱和区 但第二级的放大倍数将严重下降 解决方法 下页 上页 首页 但第二级VT2集电极的有效电压变化范围将减小 随着级数增加 基极和集电极电压逐渐上升 VCC将无法满足 2 用稳压管取代Re2 稳压管的动态电阻通常很小 可祢补1的缺陷 下页 上页 首页 3 解决电位逐级上升的办法是实现电平移动 既可降低第二级基极电位 又不致使Au损失太大 但稳压管噪声太大 下页 上页 首页 4 实现电平移动的另一种电路 后级采用PNP管 这种电路常被用于分立或集成直接耦合电路中 下页 上页 首页 例2 8 1 图示两级直接耦合放大电路中 已知 Rb1 240k Rc1 3 9k Rc2 500 稳压管VDZ的工作电压UZ 4V 三极管VT1的 1 45 VT2的 2 40 VCC 24V 试计算各级的静态工作点 如ICQ1由于温度升高而增加1 试计算静态输出电压UO的变化是多少 下页 上页 首页 UCQ1 UBEQ2 Uz 4 7V IRc1 VCC UCQ1 Rc1 4 95mA IBQ1 VCC UBEQ1 Rb1 0 1mA ICQ1 IBQ1 4 5mA IBQ2 IRc1 ICQ1 0 45mA ICQ2 IBQ2 18mA 下页 上页 解 首页 Uo UCQ2 VCC ICQ2Rc2 15V UCEQ2 UCQ2 UEQ2 11V 当ICQ1增加1 即ICQ1 4 5 1 01 4 545mA时 IBQ2 4 95 4 545 0 405mA ICQ2 40 0 405 16 2mA 此时Uo UCQ2 24 16 2 0 5 15