从模电到数电的电子技术dzchap2

1、电子技术 第二章 基本放大电路模拟电路部分1第二章 基本放大电路2.1 概论2.2 放大电路的组成和工作原理2.3 放大电路的分析方法2.4 静态工作点的稳定2.5 射极输出器2.6 场效应管放大电路2.7 阻容耦合多级放大电路2.8 差动放大电路2 2.1 概论2.1.1 放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示，如图：uiuoAu32.1.2 放大电路的性能指标一、电压放大倍数AuUi 和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。二、输入电阻ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就

2、要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。AuIiUSUi4三、输出电阻roAuUS放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。roUS5如何确定电路的输出电阻ro ？步骤：1. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。2. 加压求流法。UI方法一：计算。6方法二：测量。Uo1. 测量开路电压。roUs2. 测量接入负载后的输出电压。roUsRLUo步骤：3. 计算。7四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截止频率fH上限截止频率通频带：fb

3、w=fHfL放大倍数随频率变化曲线82.1.3 符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。uA小写字母、大写下标，表示全量。ua小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量交流分量tUA直流分量 9 2.2 基本放大电路的组成和工作原理三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理102.2.1 共射放大电路的基本组成放大元件iC= iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出？参考点RB+ECEBRCC1C2T11集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T12集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压

4、。RB+ECEBRCC1C2T13使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电源与基极电阻RB+ECEBRCC1C2T14耦合电容隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。RB+ECEBRCC1C2T15可以省去电路改进：采用单电源供电RB+ECEBRCC1C2T16单电源供电电路+ECRCC1C2TRB172.2.2 基本放大电路的工作原理ui=0时由于电源的存在IB0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ一、静态工作点RB+ECRCC1C2T18IBQICQUBEQUCEQ( ICQ,UCEQ )(IBQ,UBEQ)RB+ECRCC1C2T19(IBQ,UBEQ) 和( I

5、CQ,UCEQ )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ20IBUBEQICUCEuCE怎么变化？假设uBE有一微小的变化ibtibtictuit21uCE的变化沿一条直线uce相位如何？uce与ui反相！ICUCEictucet22各点波形RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB23实现放大的条件1. 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2. 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3. 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4. 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电

6、压，经电容滤波只输出交流信号。242.3 放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法计算机仿真252.3.1 直流通道和交流通道 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。交流通道：只考虑交流信号的分电路。直流通道：只考虑直流信号的分电路。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。26例：对直流信号（只有+EC）开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC27对交流信号(输入信号ui)短

7、路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路28一、直流负载线ICUCEUCEIC满足什么关系？1. 三极管的输出特性。2. UCE=ECICRC 。ICUCEECQ直流负载线与输出特性的交点就是Q点IB直流通道RB+ECRC2.3.2 直流负载线和交流负载线29二、交流负载线ic其中：uceRBRCRLuiuo交流通路30iC 和 uCE是全量，与交流量ic和uce有如下关系所以：即：交流信号的变化沿着斜率为：的直线。这条直线通过Q点，称为交流负载线。31交流负载线的作法ICUCEECQIB过Q点作一条直线，斜率为：交流负载线322.3.3 静态分析一、估算法（1）根据直流

8、通道估算IBIBUBERB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。+EC直流通道RBRC33（2）根据直流通道估算UCE、IBICUCE直流通道RBRC34二、图解法先估算 IB ，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与 IB 对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。ICUCEQEC35例：用估算法计算静态工作点。已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：请注意电路中IB 和IC 的数量级。362.3.4 动态分析一、三极管的微变等效电路1. 输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。uBEiB对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。rbe的量级

9、从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：372. 输出回路iCuCE所以：(1) 输出端相当于一个受ib 控制的电流源。近似平行(2) 考虑 uCE对 iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。rce的含义iCuCE38ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。3. 三极管的微变等效电路rbeibib rcerbeibibbce等效cbe39二、放大电路的微变等效电路将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:交流通路RBRCRLuiuouirbeibibiiicuoRBRCRL40三、电压放大倍数的计算特点：负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL41四、输入电阻的计算对于为

10、放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。输入电阻的定义：是动态电阻。rbeRBRCRL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。42五、输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：(1) 所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。(2) 所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。43所以：用加压求流法求输出电阻：rbeRBRC00442.3.5 失真分析在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果

11、两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。45iCuCEuo可输出的最大不失真信号选择静态工作点ib46iCuCEuo1. Q点过低，信号进入截止区放大电路产生截止失真输出波形输入波形ib47iCuCE2. Q点过高，信号进入饱和区放大电路产生饱和失真ib输入波形uo输出波形482.4 静态工作点的稳定为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UB

12、E、 和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。TUBEICEOQ49一、温度对UBE的影响iBuBE25C50CTUBEIBIC50二、温度对 值及ICEO的影响T、 ICEOICiCuCEQQ总的效果是：温度上升时，输出特性曲线上移，造成Q点上移。51小结：TIC 固定偏置电路的Q点是不稳定的。 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、 IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。52分压式偏置电路：RB1+ECRC

13、C1C2RB2CERERLuiuo一、静态分析I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2直流通路53I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2直流通路54可以认为与温度无关。似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2直流通路55TUBEIBICUEIC本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE256二、动态分析+ECuoRB1RCC1C2RB2CERERLuirbeRCRLRB微变等效电路uoRB1RCRLuiRB2交流通

14、路57CE的作用：交流通路中， CE将RE短路，RE对交流不起作用，放大倍数不受影响。问题1：如果去掉CE，放大倍数怎样？I1I2IBRB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo58去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：rbeRCRLRERBRB1RCRLuiuoRB2RE59RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2问题2：如果电路如下图所示，如何分析？60I1I2IBRB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2静态分析：直流通路61RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2动态分

15、析：交流通路RB1RCRLuiuoRB2RE162交流通路：RB1RCRLuiuoRB2RE1微变等效电路：rbeRCRLRE1RB63问题：Au 和 Aus 的关系如何？定义：放大电路RLRS64 2.5 射极输出器RB+ECC1C2RERLuiuoRB+ECRE直流通道65一、静态分析IBIE折算RB+ECRE直流通道66二、动态分析RB+ECC1C2RERLuiuorbeRERLRB微变等效电路671. 电压放大倍数rbeRERLRB681.所以但是，输出电流Ie增加了。2.输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。结论：692. 输入电阻rbeRERLRB输入电阻较大，作为前

16、一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。703. 输出电阻用加压求流法求输出电阻。rorbeRERBRSrbeRERBRS电源置071一般：所以：射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。72射极输出器的使用1. 将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。2. 将射极输出器放在电路的末级，可以降 低输出电阻，提高带负载能。3. 将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。73 2.6 场效应管放大电路(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。 (2) 动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法

17、。分析方法：742.6.1 场效应管的微变等效电路GSD跨导漏极输出电阻uGSiDuDS75很大，可忽略。 场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds762.6.2 场效应管的共源极放大电路一、静态分析求：UDS和 ID。设：UGUGS则：UGUS而：IG=0所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k77uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析sgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路78sg

18、R2R1RGRLdRLRDro=RD=10k792.6.3 源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析USUGUDS=UDD- US =20-5=15V80uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro rogR2R1RGsdRLRS微变等效电路二、动态分析81riro rogR2R1RGsdRLRS微变等效电路输入电阻 ri82输出电阻 ro加压求流法gd微变等效电路ro roR2R1RGsRS83场效应管放大电路小结(1) 场效应管放大器输入电阻很大。(2) 场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反

19、相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。84耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。 2.7 多级阻容耦合放大电路耦合：即信号的传送。多级放大电路对耦合电路要求：1. 静态：保证各级Q点设置2. 动态: 传送信号。第一级放大电路输 入 输 出第二级放大电路第 n 级放大电路 第 n-1 级放大电路功放级要求：波形不失真，减少压降损失。 85设: 1=2=50, rbe1 = 2.9k , rbe2 = 1.7 k 2.7.1 典型电路 前级后级+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R

20、2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET286关键:考虑级间影响。1. 静态: Q点同单级。2. 动态性能:方法:ri2 = RL1ri2+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET22.7.2 性能分析87考虑级间影响2ri , ro : 概念同单级1rirori2+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET288微变等效电路:ri2+UCCRS1M(+24V)R120k27kC2C3R3R2RLRE282k

21、43k10k8k10kC1RC2T1RE1CET2RE1R2R3RC2RLRSR1891. ri = R1 / rbe1 +（ +1)RL1其中: RL1= RE1/ ri2 = RE1/ R2 / R3 / rbe1=RE1/RL1 = RE1/ri2= 27 / 1.7 1.7k ri =1000/(2.9+511.7) 82k2. ro = RC2= 10kRE1R2R3RC2RLRSR1903. 中频电压放大倍数:其中： RE1R2R3RC2RLRSR191RE1R2R3RC2RLRSR192多级阻容耦合放大器的特点：(1) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算

22、。(2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3) 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4) 总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。(5) 总输入电阻 ri 即为第一级的输入电阻ri1 。(6) 总输出电阻即为最后一级的输出电阻。由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。93例1：放大电路由下面两个放大电路组成。已知EC=15V ，R1=100k， R2=33k ，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，； RB=570k，RE2=5.6k， 2 =100，RS=20k ，RL=5k+ECR1R

23、CC11C12R2CERE1uiriuoT1放大电路一RB+ECC21C22RE2uiuoT2放大电路二94求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro 。若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Au和Aus 。+ECR1RCC11C12R2CERE1uiriuoT1RB+ECC21C22RE2uiuoT295ri = R1/ R2/ rbe =1.52 k(1) 由于RS大，而ri小，致使放大倍数降低；(2) 放大倍数与负载的大小有关。例： RL=5k 时, Au= - 93；RL=1k 时, Au=

24、- 31 。求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。+ECR1RCC1C2R2CERERLuiuousRSriT1962. 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au 、ri和ro 。 usRSRB+ECC22RE2uoT2RLR1RCC11R2CERE1uiriT1rbe2=2.36 krbe1=1.62 kro1=RC=5 k9798讨论：带负载能力。2. 输出不接射极输出器时的带负载能力：RL=5k 时： Au=-93RL=1k 时： Au=-31即：当负载电阻由5k变为1k时，放大倍数降低到原来的92.3%放大倍数降低到原来的30%RL=5 k时： Au1=-18

25、5，Au2=0.99，ri2=173 kAu= Au1 Au2 =-183RL=1 k时： Au1=-174 ，Au2=0.97，ri2=76 kAu= Au1 Au2 =-1691. 输出接射极输出器时的带负载能力：993. 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus 。Au2=-93 ri2=1.52 kAu1=0.98 ri=101 k+ECR1RCC12R2CERE1riuoT1uiRBC21RE2T2usRS100输入不接射极输出器时：可见，输入接射极输出器可提高整个放大电路的放大倍数Aus。101例题：设 gm=3mA/V，=50，rbe = 1.7k前级:场

26、效应管共源极放大器后级:晶体管共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。+UCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21M102（1）估算各级静态工作点: （略）（2）动态分析: 微变等效电路首先计算第二级的输入电阻： ri2= R3/ R4/ rbe=82/43/1.7=1.7 kR3R4RCRLRSR2R1RDrbegds103第二步：计算各级电压放大倍数R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds104第三步：计算输入电阻、输出电阻ri=R1/R2=3/1=0.75M ro=RC

27、=10k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds105第四步：计算总电压放大倍数Au=Au1Au2 =(-4.4) (-147) =647R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds106阻容耦合电路的频率特性：fA耦合电容造成三极管结电容造成采用直接耦合的方式可降低放大电路的下限截止频率，扩大通频带。下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。107uiRC1R1T12.8.1 直接耦合电路的特殊问题R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。问题 1 :前后级Q点相互影响。2.8 差动放大电路+UCCuoRC2T2R2RE2问题 2 :零点漂移。uot0有时会将信号淹没 当 ui 等于零

28、时， uo不等于零。108一、结构特点：结构对称。2.8.2 基本型差动放大器ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB109二、 抑制零漂的原理uo= uC1 - uC2 = 0uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0当 ui1 = ui2 =0 时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2110一、结构为了使左右平衡，可设置调零电位器: 2.8.3 双电源长尾式差放uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUCC111二、 静态分析 温度TICIE = 2ICUEUBEIBIC1. RE的作用 设ui1 = ui2

29、 = 0自动稳定RE 具有强负反馈作用uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUCC 抑制温度漂移，稳定静态工作点。112uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUCC2. Q点的计算直流通路IC1= IC2= IC= IB UC1= UC2= UCCICRC UE1= UE2 =IBRBUBE UCE1= UCE2 = UC1UE1IBIC1IC2IBIE113三、 动态分析1. 输入信号分类(1)差模(differential mode)输入ui1 = -ui2= ud(2)共模( common mode) 输入ui1 = ui2 = uC共模抑制比（Common

30、- Mode Rejection Ratio)的定义:KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝)差模电压放大倍数:共模电压放大倍数: 114结论：任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV则：ud = 5mV , uc = 15mV 差模分量:共模分量:115(一) 差模输入均压器RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUCC116RE 对差模信号作用 ui1 ui2ib1 , ic1ib2 , ic2ic1 = - ic2iRE = ie1+ ie2 = 0uRE = 0RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUCCib2ib1ic2ic1iRERE对差模信号不起作用117差模信号通路T1单边微变等效电路uod1RBB1EC1RCib1ui1rbe1ib1RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E1181. 放大倍数单边差模放大倍数:uod1RBB1EC1RCib1ui1rbe1ib1119若差动电路带负载RL (接在 C1 与