第二章基本放大电路

第二章基本放大电路模拟电子技术基础1第二章基本放大电路§2.1放大的概念和放大电路的主要性能指标§2.2基本共射放大电路的工作原理§2.3放大电路的分析方法§2.4放大电路静态工作点的稳定§2.5晶体管单管放大电路的三种基本接法§2.6晶体管基本放大电路的派生电路§2.7场效应管放大电路2§2.1放大的概念和放大电路的主要性能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：uiuoAu31.放大电路放大的本质是能量的控制和转换即在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换为按照输入信号规律变化的较大的输出信号功率。2.电子电路放大的基本特征是功率的放大即在负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。故放大电路中必须存在有源元件。3.放大的前提是不失真即只有在不失真的情况下放大才有意义。42.1.2放大电路的性能指标一、放大倍数电压放大倍数电流放大倍数互阻放大倍数互导放大倍数5二、输入电阻Ri放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级获取电流大小的参数。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。AuIi~USUi6三、输出电阻RoAu~US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。~RoUS'7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。8方法二：测量。Uo1.测量开路电压。~roUs'2.测量接入负载后的输出电压。~roUs'RLUo'步骤：3.计算。9四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截止频率fH上限截止频率通频带：fbw=fH–fL放大倍数随频率变化曲线10五、非线性失真系数六、最大不失真输出电压当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。七、最大输出功率与效率11§2.2基本共射放大电路的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12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132.2.1基本共射放大电路的组成及各元件的作用放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。输入输出？参考点图2.2.1基本共射放大电路14集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。图2.2.1基本共射放大电路15集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。图2.2.1基本共射放大电路16使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电阻基极电源图2.2.1基本共射放大电路17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+VCCVBBRCC1C2T18可以省去电路改进：采用单电源供电Rb+VCCVBBRCC1C2T19单电源供电电路+VCCRcC1C2TRb202.2.2设置静态工作点的必要性ui=0由于电源的存在IB0IC0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ一、静态工作点UBEQ21(IBQ,UBEQ)

和(ICQ,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。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ22静态工作点表达式：23二、为什么要设置静态工作点图2.2.2没有设置合适的静态工作点ibt242.2.3基本共射放大电路的工作原理及波形分析25图2.2.3基本共射放大电路的波形分析262.2.4放大电路的组成原则一、组成原则1.必须根据晶体管的类型提供直流电源，以便设置合适的静态工作点，并作为输出的能源。2.电阻取值得当，并与电源配合，使晶体管有合适的静态工作电流。3.输入信号必须能够作用于晶体管的输入回路。4必须保证晶体管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。27二、常见的两种共射放大电路图2.2.4直接耦合共射放大电路1.直接耦合共射放大电路1.直接耦合共射放大电路28直接耦合共射放大电路静态工作点：29IBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)Rb+VCCRcC1C2T2.阻容耦合共射放大电路图2.2.5阻容耦合共射放大电路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。30阻容耦合共射放大电路静态工作点：31§2.3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322.3.1直流通路与交流通路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，交直流所走的通路是不同的。交流通路：只考虑交流信号的分电路。直流通路：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路分析。33例：对直流信号（只有+VCC）开路开路Rb+VCCRcC1C2T直流通道Rb+VCCRc34对交流信号(输入信号ui)短路短路置零RbRcRLuiuo交流通路Rb+VCCRcC1C2T35一、静态工作点的分析直流通道Rb+VCCRc2.3.2图解法IB

~UBE满足什么关系？1.三极管的输入特性。2.UBE=VCC–IbRbQ输入回路直流负载线与输入特性的交点就是Q点VCCUBEIBIbUbE36IC

~UCE满足什么关系？1.三极管的输出特性。2.UCE=VCC–ICRC。ICUCEVCCQ输出回路直流负载线与输出特性的交点就是Q点IB直流通道Rb+VCCRcUCEIC37IBUBEQICUCEuCE怎么变化？假设uBE有一微小的变化ibtibtictuit二、电压放大倍数的分析38uCE的变化沿一条直线uce相位如何？uce与ui反相！ICUCEictucet39各点波形Rb+VCCRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB40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设置在直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。三、波形非线性失真的分析41iCuCEuo可输出的最大不失真信号选择静态工作点ib不失真仿真42iCuCE1.Q点过低，信号进入截止区放大电路产生截止失真uo输出波形截止仿真输入波形ib43iCuCE2.Q点过高，信号进入饱和区放大电路产生饱和失真uo输出波形饱和仿真ib输入波形44四、交流负载线ic其中：uceRBRCRLuiuo交流通路交流负载电阻45iC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。或：46交流负载线的作法ICUCEVCCQIB1.过Q点作一条直线，斜率为：交流负载线472.在纵坐标上确定点A（0，），连接AQ即得交流负载线。3.在横坐标上确定点B（，0），连接BQ即得交流负载线。48五、图解法的适用范围1.信号幅值较大。2.工作频率不高。492.3.3等效电路法一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算法图2.3.11晶体管的直流模型50二、晶体管共射h参数等效模型1.h参数等效模型的由来51图2.3.12晶体管的共射h参数等效模型522.h参数的物理意义及图解求法输入特性曲线在Q点处切线的斜率的倒数或be间的动态电阻（rbe）输出回路电压Uce对Ube的影响，称为内反馈系数（<10-2）Q点附近的电流放大系数β输出特性曲线在Q点处切线的斜率的或ce间的动态电阻倒数（rce）（<10-5）53图2.3.13h参数的物理意义及求解方法543.简化的h参数等效模型图2.3.14简化的h参数等效模型554.rbe的近似表达式图2.3.15晶体管输入回路的分析5657对于小功率三极管：rbb′一般为几百欧。rbe的数量级从几百欧到几千欧。58ubeibuceicubeuceicrce很大，一般忽略。三极管的h参数等效电路rbeibibrcerbeibibbce等效cbe59Rb+VCCRcC1C2T三、共射放大电路动态参数的分析60将交流通路中的三极管用微变等效电路代替:交流通路RbRcRLuiuouirbeibibiiicuoRbRcRL611.电压放大倍数Au特点：交流负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRbRcRL622.输入电阻Ri对于为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。633.输出电阻Ro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。64所以：用加压求流法求输出电阻：rbeRbRC=0=065分析结果：结果说明：1.负号说明输出与输入反相；2.共射极放大电路输入电阻较小；3.共射极放大电路输出电阻较大。66§2.4放大电路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UBE、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。TUBEICEOQ67一、温度对UBE的影响iBuBE25ºC50ºCTUBEQIBQICQ2.4.1静态工作点稳定的必要性68二、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。69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。常采用基极分压式电流串联负反馈偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。70Rb2+VCCReC1C2Rb1CeReRLuiuo一、电路组成及Q点稳定原理I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路2.4.2典型的静态工作点稳定电路71I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路72可以认为与温度无关。似乎I1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。I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路73TUBEIBICUEIC本电路稳压的过程实际是由于加了Re形成了直流负反馈I2I1IBQRb2+VCCRcC1TRb1Re直流通路74二、静态工作点的估算条件：75三、动态参数的估算+VCCuoRb2RcC1C2Rb1CeReRLuirbeRcRLR'Bh参数等效电路uoRb1RcRLuiRb2交流通路76分析结果：结果说明：1.负号说明输出与输入反相；2.共射极放大电路输入电阻rbe；3.共射极放大电路输出电阻RC。分析结果均与基本共射放大电路相同。77Ce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？I1I2IBRb2+VCCRcC1C2Rb1CeReRLuiuo78去掉CE后的交流通路和微变等效电路：rbeRcRLReR'BRb1RcRLuiuoRb2ReRe的仿真79Rb2+VCCRcC1C2TRb1CeRe1RLuiuoRe2问题2：如果电路如下图所示，如何分析？80I2I1IBRb2+ECRcC1TRb1Re1Re2静态分析：直流通路Rb2+VCCRcC1C2TRb1CeRe1RLuiuoRe281动态分析：交流通路Rb1RcRLuiuoRb2Re1Rb2+VCCRcC1C2TRb1CeRe1RLuiuoRe282交流通路：H参数等效电路：rbeRcRLRe1R'BRb1RcRLuiuoRb2Re183问题3：Au和Aus的关系如何？定义：放大电路RLRS842.4.3稳定静态工作点措施图2.4.5静态工作点稳定电路一、利用二极管的反相特性进行温度补偿85二、利用二极管的正向特性进行温度补偿图2.4.5aTIBICIRIC86TUD图2.4.5bTUBEIBICUEICUBUBEIBIC87§2.5晶体管单管放大电路的三种基本接法RB+VCCC1C2RERLuiuoRB+VCCRE直流通道2.5.1基本共集放大电路一、电路组成88二、静态分析折算IBQIEQRB+VCCRE直流通道89三、动态分析RB+VCCC1C2RERLuiuorbeRERLRBh参数等效电路901.电压放大倍数rbeRERLRB911.所以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：跟随仿真但是，输出电流Ie扩大了倍。922.输入电阻rbeRERLRB输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。933.输出电阻用加压求流法求输出电阻。rorbeRERBRSrbeRERBRS电源置094一般：所以：射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。95射极输出器的使用1.将射极输出器作为前置级，可以提高输入电阻。2.将射极输出器放在电路的输出级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。3.将射极输出器放在放大电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。962.5.2基本共基放大电路图2.5.4基本共基放大电路一、电路组成97二、静态分析98三、动态分析99§2.6晶体管基本放大电路的派生电路图2.6.1复合管一、复合管的组成及其电流放大系数2.6.1复合管放大电路1001.各晶体管均有合适的电流通路，且均工作在放大区。复合管的组成原则：2.第一管子的集电极或发射极电流作为第二管子的基极电流。101图2.6.2阻容耦合复合管共射放大电路二、复合管共射放大电路102三、复合管共集放大电路图2.6.3阻容耦合复合管共集放大电路1032.6.2共射－－共基放大电路图2.6.4共射－共基放大电路的交流通路1042.6.3共集－－共基放大电路图2.6.5共集－共基放大电路的交流通路105§2.7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。分析方法：1062.7.1场效应管放大电路的三种接法图2.7.1场效应管放大电路的三种接法共源电路共栅电路共漏电路1072.7.2场效应管放大电路静态工作点的设置方法及其分析估算一、基本共源放大电路图2.7.2基本共源放大电路108图2.7.3图解法求解基本共源放大

电路的静态工作点109110二、自给偏压电路图2.7.4自给偏压共源放大电路111结型场效应管放大电路静态计算112耗尽型N沟道场效应管放大电路静态计算

耗尽型N沟道场效应管放大电路,因栅源之间电压可以小于零、等于零和大于零，在求解Q点时，可先在转移特性求得UGS=0时的IDQ,然后利用求出管压降UDSQ。113三、分