[理学]第5章基本放大电路.ppt

1、1,第5章 基本放大电路,2,5.1 放大电路的组成和放大原 5.1.1 放大电路概述,3,5.1.2. 基本共射极放大电路,给T提供适当的偏置,集电极电阻，将集电极电流转换成集电极电压,基极电阻，决定基极电流,放大电路的核心,输入交流电压信号,基极电源，提供适当偏置,输出电压信号,地,4,静止状态（静态）：ui=0时电路中各处的电压、电流都是不变的直流。若UBB和UCC能使T的发射结正偏，集电结反偏三极管工作在放大状态，则：,5,当 时,ib含有交流分量,ic也有交流分量,uce产生变化,uO变化,uO与ui相比： uO幅度 ui幅度 波形形状相同,6,电压、电流等符号的规定,直流量： 大写

2、字母+大写下标，如IB 交流量： 小写字母+小写下标，如ib 交流量有效值： 大写字母+小写下标，如Ib 瞬时值（直流分量和交流分量之和）：小写字母+大写下标，如iB， iB= IB+ ib,7,uBE,ube,叠加量,交流分量,t,UBE直流分量,8,重要：静态工作点的作用,静态工作点Q（Quiescent）： 静态时，晶体管的IB、IC、UBE和UCE 记作：IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ,9,静态时（ui=0）： UBB=0 UBEQ=0 发射结不能导通； UBB=0 IB=0 IC=IB=0 UCUB 集电结反偏； 三极管T工作在截止区,为什么要设计静态工作点？,10, 动态时（u

3、i0） ： ui UBE（ON） 发射结无法正偏 三极管一直在截止区 uo= UCE = UCC 即使 ui UBE（ON）， 输出仍然严重失真。,只有在信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。,11,静态工作点的作用： 保证放大电路中的三极管正常工作 ，保证放大电路输出不产生失真。,放大电路的基本要求： 输出不失真 输出能够放大,12,晶体管放大电路的放大原理,当ui0 iB=IBQ+ib iC=ICQ+ic=ICQ+ib uCE=UCEQ+uce uo=uce ic uCE ic uCE 方向和ic相反,13,14,结 论,设置合适的静态工作点，让交流信号承载在直

4、流分量之上，保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。 基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠RC将电流的变化转化成电压的变化来实现的。,15,基本放大电路的组成原则,UCC：直流电源 RB：基极偏置电阻 RC：集电极偏置电阻 RL：负载电阻 Ui：正弦信号源电压及内阻 C1、C2 ：耦合电容,16,组成放大电路必须遵守的原则,设置合适的静态工作点，使三极管偏置于放大状态。 输入信号能够作用于的输入回路(基极-发射极回路)。 必须设置合理的信号通路。,17,（1）直流偏置使放大器工作在放大区。,（2）当静态工作点设置在放大区

5、后，就要叠加需要放大的交流小信号US，为了使电路的静态工作点不至于不发生漂移。必须选择合理的叠加方式。该图采用阻容耦合连接方式。,18,直接耦合：电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均直接相连。,直接耦合共射放大电路,阻容耦合：电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均通过电容相连。,阻容耦合共射放大电路,19,电容C1、C2（一般几微法到几十微法）： 隔离直流 通过交流,阻容耦合共射放大电路,作用： 静态工作点与信号源内阻和负载电阻无关，且不受输入交流信号的影响。,20,阻容耦合共射放大电路,（3）选择合适的电容C1、C2使其电容阻抗对交流信号近似短路，这样交流信号可以毫无损耗的送入

6、输入端。而电容对直流信号而言，又近似开路，因此交流信号的加入不会影响直流工作点。,21,补： 直流通路和交流通路,直流通路： 直流电源作用下直流电流流经的道路 画直流通路的原则 C开路 L短路 输入信号为0 （保留内阻）,阻容耦合共射放大电路,22,阻容耦合共射放大电路,(a)直流通路,直流通路,23,交流通路： 只考虑交流信号的分电路 画交流通路的原则 C短路 直流电源对地短路 （恒压源处理）,阻容耦合共射放大电路,交流通路,24,阻容耦合共射放大电路,(b)交流通路,交流通路,25,练习：请画出下面电路的直流通路的交流通路。,(a) (c),26,直流通路,交流通路,27,直流通路,交流通

7、路,28,由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。,5.1.3 放大电路的分析,29,5.1.3.1 放大电路的静态分析,1 晶体管的直流模型及静态工作点的估算,(a) 输入特性近似,晶体管伏安特性曲线的折线近似,0,u,CE,i,C,U,CE(sat),I,B, 0,(b) 输出特性近似,饱和区,放大区,截止区,30,(,a,),e,b,c,(,b,),e,b,c,I,BQ,I,BQ,U,BE(on),(,c,),e,b,c,U,BE(on),U,CE(sat),(a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(

8、c)饱和状态模型 晶体管三种状态的直流模型,CQ,I,31,例1： 晶体管电路如图 (a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。,(b)直流等效电路,图 ：晶体管直流电路分析,32,解： 因为晶体管工作在放大状态。这时用图 (b)的模型代替晶体管，便得到图)所示的直流等效电路。由图可知,故有,33,2 静态工作点的图解分析法,图解法：在已知放大管的输入特性、输出特性以及放大电路中其它各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大电路进行分析。 优点：直观、形象,34,静态工作点：IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ,1、 IBQ、UBEQ的求解 一般不用图解法确定，

9、而用估算法。 UBEQ=0.7V（硅管） 或0.3V（锗管）,共射放大器的直流通路,35,2、 ICQ、UCEQ的求解,输出特性曲线与输出回路方程的交点为静态工作点Q。,i,B,I,B,Q,u,C,E,0,N,Q,M,i,C,UCEQ,UCC,ICQ,UCC,RC,(a)直流负载线与Q点,直流负载线,36,静态工作点的求解方法：,等效模型法（估算） 图解分析法,37,5.1.3.2 共射放大电路的动态分析1 微变等效电路法,所谓放大电路的微变等效电路，就是把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，就是把晶体管等效为一个线性元件。,38,晶体管的微变等效电路模型,39,40, rbb

10、 ：基区体电阻，不能忽略。 rbc：很大（几十M），可做开路处理。 若rceRL或UA= ，可忽略rce。,共射低频混合型模型,41,说明,只适用小信号交流分析（不能用来求Q点） 只针对低频,42,等效电路法分析共射放大电路,根据直流通路估算直流工作点,确定放大器交流通路、交流等效电路,计算放大器的各项交流指标,43,共射极放大器及其交流等效电路,(a)电路,44,45,(b)交流等效电路,共射极放大器及其交流等效电路,46,一、电压放大倍数,-无量纲参数,47,二、输入电阻Ri,定义：从放大器输入端看进去的电阻，即：,Ri表征放大器从信号源获得信号的能力。,48,49,三、输出电阻Ro,定义

11、：从放大器输出端看进去的电阻。,根据戴维南定理，可得：,Ro是一个表征放大器带负载能力的参数。,50,51,对于电压输出。Ro越小，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电压基本不变。,对于电流输出。Ro越大，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电流基本不变。,52,四、 源电压放大倍数Aus,若RiRs ,则：,53,U,o,U,i,U,s,R,s,R,B2,C,1,R,E,R,L,U,CC,R,C,R,B1,C,2,共射极放大器及其交流等效电路,(a)电路,五、带有射极电阻RE时的交流指标,54,发射极接电阻时的交流等效电路,Ri=RB1RB2Ri,55,例： 下图电路中

12、，若RB1=75k，RB2=25k, RC=RL=2k，RE=1k,UCC=12V，晶体管的=80，rbb=100,信号源内阻Rs=0.6k,试求直流工作点ICQ、UCEQ及Au，Ri，Ro和Aus。,56,解： 按估算法计算Q点：,直流通路,57,58,59,例：在上例中，将RE变为两个电阻RE1和RE2串联，且RE1=100,RE2=900，而旁通电容CE接在RE2两端，其它条件不变，试求此时的交流指标。,60,1,解： 由于RE=RE1+RE2=1k，所以Q点不变。对于交流通路，现在射极通过RE1接地。交流等效电路为：,61,1,62,可见，RE1的接入，使得Au减小了约10倍。但是，由

13、于输入电阻增大，因而Aus与Au的差异明显减小了。,63,5.1.3.2 共射放大电路的动态分析,2 交流图解分析法,阻容耦合共射放大电路,交流通路,直流通路,64,i,B,I,B,Q,t,i,B,I,B,Q,u,BE,u,BE,t,i,Bmax,i,Bmin,Q,U,BE,Q,(a)输入回路的工作波形,65,iB变化时，在输出特性曲线上瞬时工作点（uCE和iC）移动的轨迹称为交流负载线。,66,，其中RL=RC/RL,因此：,-交流负载方程,交流量,瞬时值,直流量,67,uCE-UCEQ= -(iC-ICQ)RL,特点:,68,放大器的交流图解分析,(b)输出回路的 工作波形,Q,i,C,u

14、,CE,U,CC,I,C,Q,U,C,C,R,C,Q,1,Q,2,I,B,Q,A,交流负载线：uCE= UCEQ-(iC-ICQ)RL,69,IBQ,ICQ,VCEQ,70,IBQ,ICQ,VCEQ,71,共射极放大器的电压、电流波形,叠加交流信号后，晶体管各极电流方向、极间电压极性与静态时相同。,放大器的输出与输入信号是反相（或称倒相）的。,结论：,72,直流量保证了交流量的不失真。,共射极放大器的电压、电流波形,73,5.1.3.3 放大电路的动态范围和非线性失真,非线性失真:当输入某一频率的正弦信号时，其输出波形中除基波I1m成分之外，还包含有一定数量的谐波In,n=2,3,，该失真为非

15、线性失真。它是由于方法电路中的非线性器件引起。,非线性失真系数THD,74,Q,交流负载线,i,C,0,t,0,i,C,i,B,u,CE,u,CE,0,t,(a)截止失真,Q点过低动态工作点进入截止区，出现截止失真。对NPN管的共射极放大器，发生截止失真时，其输出电压出现“胖顶”的现象（顶部限幅），,75,Q点不合适产生的非线性失真,(b)饱和失真,Q,交流负载线,i,C,i,C,i,B,0,t,u,CE,u,CE,0,t,0,Q点过高动态工作点进入饱和区，出现饱和失真。对NPN管的共射极放大器，发生饱和失真时，其输出电压出现“削底”现象（底部限幅）,76,Q,交流负载线,i,C,0,t,0,

16、i,C,i,B,u,CE,u,CE,0,t,(a)截止失真,受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为,77,Q点不合适产生的非线性失真,(b)饱和失真,Q,交流负载线,i,C,i,C,i,B,0,t,u,CE,u,CE,0,t,0,因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度为,78,Uopp=2Uom,放大器输出动态范围：,受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为,因饱和失真的限制，最大不失真输出电压的幅度为,其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度，而输出动态范围Uopp则为该幅度的两倍，即,79,Q点位置与波形失真：,由于PNP管电压极性与NPN管相反，故横轴uCE可改为-uC

17、E。,消除截止失真 升高Q点: 减小RB ，增大IBQ,80,例：UCC=12V，RC=2k，RL=，RB=280k，=100 求：UOPP=？ 调节RB，使ICQ=2mA，UOPP=？ 调节RB，使ICQ=3mA，UOPP=？,解题思路： 第一步：求出ICQ 比较Uom1=ICQRL和Uom2=UCEQ- UCES临界大小 忽略晶体管的饱和压降 UCES临界=0,81,UCEQ- UCES临界=UCEQ 比较Uom1和Uom2大小 第二步：若Uom1 Uom2，Uopp=2 Uom1 若Uom2 Uom1，Uopp=2 Uom2,结论： 动态范围决定于Uom1、 Uom2 中的小者。 当Uo

18、m1 = Uom2时，动态范围最大。 （Q点在有效交流负载线中央）,82,晶体管放大电路的三种接法,1 静态工作点稳定的共射级放大电路 偏流：当电源电压和集电极电阻确定后，放大电路的Q点由基极电流IB来确定，这个电流叫偏流。 偏置电路：获得偏流的电路 特点：电路结构简单，调试方便 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。 对信号的传输损耗应尽可能小。,83,一、固定偏流电路,单电源供电。UEE=0，UBB由UCC提供,只要合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于放大状态。,固定偏流电路,84,固定偏流电路,缺点：工作点稳定性差。（IBQ固定，当、ICBO等变

19、化ICQ、UCEQ的变化工作点产生较大的漂移使管子进入饱和或截止区）,优点：电路结构简单。,85,1、分压式电流负反馈偏置电路的分析,二、分压式直流电流负反馈偏置电路,（a）固定偏流电路,（b）直流负反馈偏置电路,（c）分压式直流电流负反馈偏置电路,分压式直流电流负反馈偏置电路,86,（a）固定偏流电路,（b）直流负反馈偏置电路,负反馈机制的作用：克服Q点的漂移现象，保证Q点的稳定。,T,IC,UBE,UE（ UE= UB Q UBE，且UBQ基本不变 ）,IB（扩散运动 ）,IC( IC =IB),87,（b）直流负反馈偏置电路,（c）分压式直流电流负反馈偏置电路,RB1：上偏置电阻 RB2

20、：下偏置电阻,为了保证极电压的稳定,若IBQI1、 I2 ， I1 I2,88,计算静态工作点Q： 前提IBQI1、 I2,（c）分压式直流电流负反馈偏置电路,89,例：电路如右图所示已知：UCC=28V，RC=6.8k,Re=1.2k,RB1=90k ,RB2=10k求：=60的Q点 =150的Q点,例4 电路图,结论： 从60变化到150，各个Q点参数值基本没有变化，说明电路的静态工作点Q的稳定性。,90,2、分压式电流负反馈偏置电路的设计,设计注意点： RB1、RB2选取适当小的数值 R选取足够大的数值,（c）分压式直流电流负反馈偏置电路,91,为确保UB固定，要求RB1、RB2的取值愈

21、小愈好。 但是RB1、RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取,并兼顾UCEQ而取,（c）分压式直流电流负反馈偏置电路,92,例： UCC=12V， =200 要求：ICQ=1mA 设计： RB1、 RB2 、RE 解：取UEQ=2V IEQ=ICQ=1mA RE=2k UBEQ=0.7V UBQ=UEQ+UBEQ=2+0.7=2.7V IBQ=IEQ/ =1m / 200=0.005mA I1= I2 = 10 IBQ=0.05mA RB2 = UBQ/ I2 =54 RB1 = (UCCUBQ) / I1= 246 ,（c）分压式直流电流负反馈偏置电路,93,5.1

22、.4 共集放大电路（射极输出器）,94,共集电极放大器及交流等效电路,(b)交流等效电路,RL,95,一、电压放大倍数Au,Au1，而且Uo与Ui同相。,射极跟随器,96,共集电极放大器及交流等效电路,(b)交流等效电路,二、输入电阻Ri,RL,97,Ri显著增大，所以共集电极电路的具有高输入电阻的特性,Ri与RL有关,98,共集电极放大器及交流等效电路,(b)交流等效电路,三、输出电阻Ro,99,求共集放大器Ro的等效电路,100,式中：,Ro与Rs有关,101,是基极支路的电阻折合到射极的等效电阻,输出电阻小。,102,共集电路的特点：,电压放大倍数小于1而近于1； 输出电压与输入电压同相； 输入电阻高； 输出电阻低。,103,5.1.5 共基放大电路,104,共基极放大器及其交流等效电路,(b)交流等效电路,I,i,U,i,R,E,R,i,I,e,r,be,R,i,I,b,R,C,R,o,R,L,I,o,U,o,I,b,e,c,b,105,一、1.电压放大倍数Au,式中：,Au与共射电路大小相等，但同相。,106,二、 输入电阻Ri,三、输出电阻Ro,107,三种基本放大器性能比较,108,例5.1.1：晶体管电路如下图所示。已知=100， 试判断晶