第4章信号放大与运算电路

第4章信号放大与运算电路本章主要内容4.1共发射极放大电路4.2运算放大电路4.1.1共发射极放大电路的工作原理1、电路的组成BCERBRCUCCUBBUCCBCERBRC两个电源的放大电路一个电源的放大电路RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋4.1共发射极放大电路RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RBRC-UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋NPN管放大电路PNP管放大电路输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。

静态:时,放大电路的工作状态，也称直流工作状态注：1）放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。2）分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。

静态和动态的概念

动态:时,放大电路的工作状态，也称交流工作状态RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋iBuBE2、工作原理（信号的放大过程）1.静态时

ui=0，直流电源单独作用。2.动态时

输入信号ui，

Ouit

iCuCE输出信号uo=uce

=－RC

icRBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋Otuit

uoOt

UBEOIBtOt

UCEOt

ICOtuoO信号的放大过程结论:放大电路中的信号是交直流共存，可表示成RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋直流通路的画法：(1)信号源中的电动势短路；(2)电容开路。IBRB

+UBE=UCCIC

=βIBUCE=UCC－RCICUCC－UBERBIB

=

IB＋

－RBRC+UCCUBE直流通路放大电路静态分析(静态工作点的确定)4.1.2共发射极放大电路的静态分析例1在如图所示的固定偏置放大电路中，已知UCC=6V,RB=180kΩ，RC=2kΩ,

=50，晶体管为硅管。试求放大电路的静态工作点。RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋解：IC

=IBUCE=UCC－RCICUCC－UBERBIB

=6－0.7180=mA

=0.0294mA

=50×0.0294mA=1.47mA=(6－2×1.47)V=3.06V4.1.2共发射极放大电路的动态分析动态分析的目的：研究放大电路对信号的放大能力※难点：双极型晶体三极管的非线性，电路为非线性电路※解决方法：在小信号条件下，双极型晶体三极管可以等效为线性元件，用微变等效模型表示。电路转化为线性电路1.晶体管的微变等效模型⑴

输入回路UBEΔIB为一个常数IBIBUBE—称为晶体管的输入电阻rbe=iBuBEOQiC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC电路图输入特性

晶体管从输入端看，可以用一个等效的动态电阻rbe代替。rbe

可以估算：rbe=200+

26ICiC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC

＋Ｕbe

－BErbe

Ib电路图输入端口等效电路

＋Ｕce

－CIcE

Ib(2)输出回路

在放大区:IC=βIB

从输出端看，可以用一个受控电流源代替。iC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC

＋Ｕbe

－BErbe

Ib

＋Ｕce

－CIcIb晶体管的微变等效模型IiIbIcIoRBRC

＋

Uo

－

＋

Ui

－RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋2.放大电路的微变等效电路+_UsRsRL

IbIc

Ii＋Uo

－＋Ui

－BrbeCRBRCEIo

Ib放大电路微变等效电路BEC(1)先画交流通路。画法：C

短路，UCC短路(2)交流通路中晶体管用微变模型代替动态性能指标电压放大倍数Au输入电阻ri输出电阻ro电压放大倍数Au：输入为正弦交流信号时或输入电阻ri：输入为正弦交流信号时ri输出电阻ro：从放大电路输出端看进去的等效内阻roIscIsc+-UocUoc+-+-Uocro=IscUocUoc开路电压Isc短路电流3.利用微变等效电路计算放大电路的性能指标Au=

Uo

Ui其中：RL=RC∥RL

′－Ic(RC∥

RL)Ibrbe

=

RL

rbe

=－′ri

Ui

Ii=Ii(RB∥rbe

)Ii

=

=RB∥

rbe≈

rbeUOC

ISCro=－IcRC

－Ic

=

=RC+_UsRsRL

IbIc

Ii＋Uo

－＋Ui

－BrbeCRBRCEIo

Ib运用微变等效电路法作动态分析的步骤第一步：画出交流通路注意：直流电源置零，用接地代替;电容用短路代替第二步：晶体管用小信号模型代替,得到微变等效电路注意：基极与发射极之间填入电阻rbe;集电极与发射极之间填入受控电流源第三步：利用微变等效电路求出动态性能指标Au，ri和ro例2求例1放大电路的空载电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。(1)空载电压放大倍数解：26ICrbe=200+

=(200+50×)

261.47=1084Ao

=－RC

rbe=－50×21.084=－92.25ri

=RB

rbe(2)输入电阻

=k

180×1.084180＋1.084=1.078k(3)输出电阻

ro=RC=2kRBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋3.非线性失真(1)静态工作点的位置不合适引起的失真若晶体管进入非线性区（截止区或饱和区）而失真，称为非线性失真。①当静态工作点Q偏高时，容易发生饱和失真②当静态工作点Q偏低时，容易发生截止失真※示波器观察到的波形失真情况

截止失真

饱和失真（2）信号过大引起的失真。当信号过大时，即使静态工作点Q合适，也容易发生“截止－饱和失真”或“饱和－截止失真”。（3）温度变化引起的失真4.2运算放大电路

※利用集成运放工作在线性区的特性，可以构成比例、加法、减法、积分与微分等运算电路。集成运放工作在线性区的条件：通过外部电路引入负反馈无反馈的放大电路有反馈的放大电路无反馈的放大电路负反馈：引回的信号削弱了输入信号，|u+-u-|减小Af1.反相比例运算电路

u－=u＋=0iD=0i1=iFuIR1－uORF=ＲFＲ1uO=－

uIu－u＋uO

RFiF

－

＋∞＋R1R2uI

i1

iD

虚地4.2.1比例运算电路(1)uO与

uI

成反相比例；

uO

的大小只与R1、RF的阻值和uI

有关。(2)若

R1=RF，则

uO

=－uI。

故称为反相器。(3)

R2为平衡电阻，R2=R1∥RF

说明

ＲFＲ1uO=－

uI反相比例运算电路u－u＋uO

RFiF

－

＋∞＋R1R2uI

i1

iD

例1电路如图所示，试求uo

与ui

的关系表达式。解：根据理想集成运放工作在线性区时的“虚短”和“虚断”可知则可得2.同相比例运算电路i1u－u＋uORFiF－

＋∞＋R1R2uIAfRFR1uO=)uI(1＋uO=RF

iF

＋

R1i1

uI=R1

i1iF=i1

说明

(1)uO

与

uI

同相位，且Af≥1；

uO

的大小只与R1、RF的阻值和uI有关。(2)

若

RF=0,R1=∞,R2=0时,

uO

=uI称为电压跟随器(3)

平衡电阻R2=R1∥RF。uO

－

＋∞

＋uI

电压跟随器RFR1uO=)uI(1＋i1iDu－u＋uORFiF－

＋∞＋R1R2uI1、加法运算电路u＋=u－

=0

u－u＋uORFiF－

＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11RFR12RFR11+uI2)uO=－(uI1

当

uI1单独作用时,uO1=－RFR11uI1当

uI2单独作用时,

根据叠加定理:uO=uO1＋uO2uO1=－RFR12uI24.2.2求和运算电路①当

R11=R12=R1

时：②当

R11=R12=RF

时：uO=－(uI1+uI2)，

③平衡电阻：R2

=R11∥R12∥RF。

说明

u－u＋uORFiF－

＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11ＲFＲ12ＲFＲ11+uI2)uO=－(uI1ＲFＲ1uO=－(uI1+uI2)例2

试设计能实现运算关系uo=－(ui1+0.5ui2)的电路。解:

可用反相加法运算电路实现。设Rf=10kΩ。2、减法运算电路

当

uI1

单独作用时,uO1=－ＲFＲ1uI1当

uI2

单独作用时,RFR1uO2=(1＋)u＋R3R2＋R3u＋=uI2=(1＋RFR1)R3R2＋R3uI2u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2uI1R3u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI1R3u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2R3根据叠加定理:uO=uO1＋uO2ＲFＲ1R3R2＋R3RFR1=(1＋)uI2－

uI1

uO=