第五章放大器的工作原理和分析方法

1、第五章放大器的工作原理和分析方法放大器的基本概念和主要参数放大器的组成和工作原理放大器的图解分析法5.15.25.35.4 微变等效电路法2010年9月13日1一放大器在模拟电路中占特别重要的地位。一方面，在现实生活中有许多微弱信号需要放大，另一方面，放大器又是滤波器、振荡器等各种模拟电路关键组成部分。放大器可分为：电压放大器，电流放大器，跨导放大器和跨阻放大器。2010年9月13日2一5.1放大器的基本概念和主要参数一.放大器的基本概念放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，这里主要讲电压放大电路。2010年9月13日3一二.放大器的主要技术指标1.放大倍数表示放

2、大器的放大能力根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。AU=UO/UI AI=IO/IIAr=UO/IIAg=IO/UI（1） 电压放大倍数定义为:（2） 电流放大倍数定义为:放大倍数: 增益dB=20logA（3）互阻增益定义为:（4）互导增益定义为:2010年9月13日4一2. 输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻iiRS输入电阻：RiuSAuui输出端信号源 输入端一般来说， Ri越大越好。2010年9月13日5一（1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。Ri=

3、ui / ii输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻。输出端uS输出端2010年9月13日6一Rouso Au.= U oR输出电阻的定义：RL =¥,US =0o.I o输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。2010年9月13日7一放大倍数随频4带A率变化曲线幅频特性曲线Am0.707Am3dB带宽f上限截 fH止频率下限截止频率fLfbw=fHfL通频带：2010年9月13日8一5.最大输出幅度表示在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够提供给负载的最大输出电压，一般指电压的有效值：2 U=UP-Pom22010年9月13日9

4、一6.非线性失真系数所有的谐波总量与基波成分之比：U 2+ U 2+L23D =U12010年9月13日10一作原理三种组态对应于三种放大器：共射放大器，共基放大器，共集放大器。输入、输出特性曲线静态工作点： I BQ , VBEQ , I CQ , VCEQ 不失真放大条件：1、置于放大区；2、正确设置静态工作点；3、输入电压的变化转化成基极电流的变化，再转化成集电极电流的变化；4、输出端接负载，把集电极电流的变化转化成负载的电压变化。2010年9月13日11一放5.2 放大器的组成和工大器的组成一二放大器的原理工作在放大区：三发射结正偏，集电结反偏。+V（+12V）CC放大原理：RC

5、83;I （bI ）+UIRUibCBBEBTUCE·V UoI+UUCE（-IC×Rc） U+IBBBCEBOUBE+UBE·Uo·UI-·Au =电压放大倍数：Ui2010年9月13日12一IC +IC放大元件iC=biB，工作在+VCC放大区集电结反偏，发RCC2 射结正偏。C1TRLRbuo输出ui输入VBB2010年9月13日13一共射放大电路组成+VCC使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。C1RCC2TRLRbVBB2010年9月13日14一集电极电源， 为电路提供能+VCC量。集电结反偏。RCC2C1TRLRbVBB

6、2010年9月13日15一集电极电阻， 将变化的电流+VCC共射放大电路转变RC电压。C2C1TRLRbVBB2010年9月13日16一作用：隔直通交输入输出与电容：+V电路直流的联CC电解电容，有极性，大小为10mF50mF系，同时能使信RC号顺利输入输出。C2C+1+TRLRbuouiVBB2010年9月13日17一+VCCRCC2C1TRLRb可以省去VBB2010年9月13日18一+VCCRCRbC2C1TRL2010年9月13日19一IBICibQUBEUCE2010年9月13日20一ICicUCE2010年9月13日21一uCE（1）放大电路中的信流共存，可表示成：BE= UBE+

7、 ubeiB= I B + ibiC= IC+ ic= UCE+ uceuCE虽然交流量可正负变化，但 瞬时量方向始终不变（2）输出uo与输入u i 相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。2010年9月13日22一 结号是论：交直uvi = Vim sin wt= IBQ + ibm sin wtIB = IBQ + ibIC= bIB = ICQ+ ic = ICQ + bibm sin wtV= E- (Isin wt)R+ biCC= VCEQCQbmC- (bibm sin wt )RCv0 = -RC bibm sin wt = -RC bib= v0= - RC bib= -

8、bRCAvvi RRibii2010年9月13日23一三.静态工作点工作点ui=0时电路的工作状态+VCCIC¹0RRC1由于电源的存在IB¹0bCC2ICIBTRLu =0时iIE=IB+IC2010年9月13日24一工作点+VCCRCRbCIC2CIB1T( IC,UCE )(IB,UBE)UBERLUCE2010年9月13日25一,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入输出特性曲的一个点称为静态工作点。为什么要设置静态工作点？放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作性区，以保证信号不失真。ICBQQIBICIBUBEUCEUCEUBE一2010年9月1

9、3日26静态工作点的估算2.直流通路和交流通路交流R1/jC jL 短路vs断路is直流元件电阻电容电感直流电压源交流电压源直流电流源交流电流源R0Ec短路Is断路2010年9月13日27一将交流电压源短路，将电容开路放大电路的直流通路直流通路的画法：+VCCRb C1RCC2RL开路开路2010年9月13日28一+VCCRCRb2010年9月13日29一用估算法分析放大器的静态工作点（ IB、UBE、IC、UCE）VCC - UBE （1）估算IB（ UBE »0.7V)IB =RbVCC - 0.7+VCCRR»CbRb» VCCRbIBUR 称为偏置电阻，I

10、 称BEb为偏置电流。B2010年9月13日30一）估算UCE、IC+VCCIC= bIBRCRbIC= VCC- IC RCUCEUCE2010年9月13日31一例：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=4KW，Rb=300K W，b=37.5。UBE »0.7V解：IB » VCC =12= 0.04mA= 40ARb300IC » bIB = 37.5 ´ 0.04 =1.5mAUCE = VCC - ICRC =12 -1.5´ 4 = 6V请注意电路中IB和IC的数量级 2010年9月13日32一5.3放大器的图解分析法

11、用图解法分析放大器的静态工作点一.直流通路IC直流负载线V CCR CUCE=VCCICRCQI静态I由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点QBCUCE静态UCE VCC2010年9月13日33一二.用图解法分析放大器的动态工作情况1.放大原理（设输出空载） IIBC静态工作点ibQUCEUBEuCE怎么变化2010年9月13日34一假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 uiICicUCE2010年9月13日35一uCE+VCCRbRCC2C1uCEiBuo比ui幅度放大且相位相反2010年9月13日36一 2.放大器的交流通路交流通路分析动态工作情况将直流

12、电压源短路，将电容短路。交流通路的画法：+VCC对交流信号(输入信号ui)置零RRC2CbC1短路u短路 1/wC»0 RLuio2010年9月13日37一交流通道RLRCuouiRb2010年9月13日38一3.交流负载线输出端接入负载RL：不影响Q影响动态！交流通路交流负载线2010年9月13日39一交流负载线icuceRLRCuouiRbuce=-ic（RC/RL）= -ic RL其中： R¢L = RL / RC2010年9月13日40一交流量ic和uce有如下关系：uce=-ic（RC/RL）= -ic RL或ic=（-1/ RL） uce 1 这就是说，交流负载

13、线的斜率为：-R¢L交流负载线的作法：斜 率为-1/R'L 。（ R'L= RLRc ）经过Q点。2010年9月13日41一交流负载线的作法IC交流负载线VCCRC直流负载线斜 率为-1/R'。LQIB（ R'L= RLRc ）经过Q点。UCEVCC注意：（1）交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。（2）空载时，交流负载线与直流负载线重合。2010年9月13日42一交流负载线满足的方程为E 'R'= I+ VCCLCE交流负载线穿过静态工作点，则：E 'R'= I+ VCCQLCEQE '过 C 和Q点

14、作直线就是交流负载线。2010年9月13日43一E '的说明：当C2足够大时，C2上的电压基本不变，始终等于VCEQC2010年9月13日44一= R= R'RReqCLL= VCC - VCEQ× R+ VVeqLCEQR+ RCVeq = ICQ ReqL+ VCEQ= I+ VE'R'即为CCQLCEQ2010年9月13日45一4非线性失真与Q的关系（1）合适的静态工作点iCib可输出的最大不失真信号uCEuo2010年9月13日46一（ ）Q点过低信号进入截止区iCuCEuo2010年9月13日47一（ ）Q点过高信号进入饱和区iCuCEuo截

15、止失真和饱和失真统称 “非线性失真”2010年9月13日48一5图解法的用途 求最大输出幅度 求解静态工作点 分析波形失真 求电压增益对于NPN管电路，求最大输出幅度的方法： 求直流工作点的ICQ和VCEQE 'R'= I+ V 根据交流负载，用'求 E 'RCCQLCEQLC 如果> E'E'- V，则最大不失真幅度为V/ 2CEQCCCEQ信号再大，将产生截止失真。-V< E' 如果V，则最大不失真幅度为V/ 2CEQCCEQCES信号再大，将产生饱和失真。2010年9月13日49一5.4微变等效电路法思路：将非线性的BJ

16、T等效成一个线性电路条件：交流小信号2010年9月13日50一一 .三极管的共射低频h参数模型1、三极管的h参数等效电路当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。iB= DuBE= uberbeDiiBbDiB对输入的小交流信号而言，三极管BE间等效于电阻rbe。DuBEuBE2010年9月13日51一对输入的小交流信号而言，三极管BE间等效于电阻rbe。ibbcibbuberbeeubee2010年9月13日52一输出回路ic= bib输出端相当于一个受iC近似平行ib的电流源。且电流源两端还要并联一个大电阻rce。uCE2010年9月13日53一iCDiC= DucerceDicDuCE

17、uCE2010年9月13日54一极管的h参数等效电路画icibbibibuberbeucerceuceuberce很大，一般忽略。2010年9月13日55一2.三极管的简化微变等效电路 请注意如下问题： 电流源为一受控源，而不是的电源。电流源的流向不能随意假定，而是由i b决定。该模型仅适用于交流小信号，不能用于静态分析和大信号。 cic =bibbcbr等效beee2010年9月13日56一二 .三极管放大电路特性压放大倍数的计算·Ii··IIbc·Ui·Uo··= Ib rbeUiR¢= R/ RLCL

18、3;·Uo = -b Ib R¢L负载电阻越小，放大倍数越小。572010年9月13日一·bIBRLRbrbeRC2、输入电阻的计算：根据输入·电阻的定义：·I i··II= UbcRii·I·U i·Uoi» rbe= R b /rbe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。2010年9月13日58一·RLRbrbeb IBRC当信号源有内阻时：2010年9月13日59一03出电阻的计算：0··I b定义·Ic·Ii.UoR=¥,=oRU0.LSIo·U oRbrbeRC·Uo ·IoR =Rc所以：o2010年9月13日60一 求：1. 静态工作点。2. 电压增益AU、