基本放大电路.ppt

1、1,第三章基本放大电路,2,第三章基本放大电路,主要内容：3.1放大的概念和放大电路的主要性能指标3.2共射放大电路的工作原理3.3放大电路的分析方法3.4放大电路静态工作点的稳定3.5放大电路的类型及特点,3,3.1放大的概念和放大电路的主要性能指标,3.1.1放大的概念,放大的对象是变化量,放大的实质是能量控制和转换,电子电路放大的基本特征是功率放大,4,3.1放大的概念和放大电路的主要性能指标,3.1.2放大电路的性能指标,5,3.1放大的概念和放大电路的主要性能指标,1.放大倍数,定义：,电压放大倍数,电流放大倍数,互阻放大倍数,互导放大倍数,衡量放大电路的放大能力,6,3.1放大的概

2、念和放大电路的主要性能指标,2.输入电阻Ri,定义：,有效值,衡量放大电路获取信号的能力,3.输出电阻Ro,定义：,由,得,衡量放大电路带负载的能力,其中,7,3.1放大的概念和放大电路的主要性能指标,输入电阻和输出电阻对放大能力的影响,8,3.1放大的概念和放大电路的主要性能指标,4.通频带fbw,f,fH上限截止频率,fL下限截止频率,fbw=fH-fL,A=0.707Am,衡量放大电路对信号频率的适应能力,9,3.2共射放大电路的工作原理,3.2.1共射放大电路的组成及各元件的作用,共射放大电路结构图,10,各元件作用：,使发射结正偏，并提供适当的静IB和UBE。,基极电源与基极电阻,集

3、电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC，将变化的电流转变为变化的电压。,11,耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F50F,作用：隔直通交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。,+,+,各元件作用：,12,共射放大电路的习惯画法,13,无输入信号(ui=0)时:,ui=0uo=0uBE=UBEuCE=UCE,3.2.2共射放大电路的工作原理,结论：,无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE。,14,(1)无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的电压和电流:IB、UBE和IC、UCE。,(IB、UBE)和(IC、UC

4、E)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。,3.2.2共射放大电路的工作原理,IB,15,UBE,无输入信号(ui=0)时:,？,有输入信号(ui0)时,uCE=UCCiCRC,ui0uo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uo,3.2.2共射放大电路的工作原理,16,结论：,(1)加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,动画,17,因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以

5、看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。,直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路，用来计算静态工作点。,交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路，用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,18,结论：,(2)若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。,(3)输出电压与输入电压在相位上相差180，即共发射极电路具有反相作用。,19,分析思路,基本思想,非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。,分析三极管电路的基本思想和方法,直流通路(ui=0)分析静态。,交流通路(ui0)分析动态:只考虑变化的电压和电流。,20

6、,3.2.3放大电路的静态特性,静态：放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。,分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。,设置Q点的目的：(1)使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。,静态工作点Q：IB、IC、UCE。,静态分析：确定放大电路的静态值。,21,1.用估算法确定静态值,（1）直流通路估算IB,根据电流放大作用,（2）由直流通路估算UCE、IC,当UBEUCC时，,由KVL:UCC=IBRB+UBE,由KVL:UCC=ICRC+UCE,所以UCE=UCCICRC,22,例1：用估算法

7、计算静态工作点。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,23,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。,由KVL可得：,由KVL可得：,24,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合适的静态工作点,2静态工作点Q对波形失真的影响的关系,25,uo,（2）Q点过低信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,26,uo,（3）Q点过高信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,27,3.3放大电路的分析方法,3.3.1放大电路图解法分析法1.静态图解分析,直流负载线斜率,直流负载线

8、,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,O,28,交流通路,2.动态图分析解法,所以交流负载线比直流负载更陡,当时，交直流负载重合,29,动态分析图解法,RL=,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,30,动态分析图解法,电压放大倍数将减小。,31,3.3.2放大电路微变等效电路法,微变等效电路：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。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算

9、放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,32,晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。,1.晶体管的微变等效电路,UBE,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,(1)输入回路,Q,输入特性,晶体管的输入电阻,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。,33,(2)输出回路,rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的输出电阻,输出特性,输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路(C、

10、E之间)可用一受控电流源ic=ib等效代替，即由来确定ic和ib之间的关系。,一般在20200之间，在手册中常用hfe表示。,O,34,B,C,E,晶体三极管,微变等效电路,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,35,2.放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,交流通路,微变等效电路,动画,36,1）电压放大倍数的计算,当放大电路输出端开路(未接RL)时，,因rbe与IE有关，故放大倍数与静态IE有关。,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。,例

11、1：,37,例2：,由例1、例2可知，当电路不同时，计算电压放大倍数Au的公式也不同。要根据微变等效电路找出ui与ib的关系、uo与ic的关系。,38,2）放大电路输入电阻的计算,放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。,定义：,输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。,39,例1：,40,3）放大电路输出电阻的计算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可

12、以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,定义：,输出电阻是动态电阻，与负载无关。,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,41,共射极放大电路特点：1.放大倍数高;2.输入电阻低;3.输出电阻高.,例3：,求ro的步骤：1)断开负载RL,3)外加电压,4)求,外加,2)令或,42,外加,例4：,43,3.4静态工作点的稳定,合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动。,前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、三

13、极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下，将引起静态工作点的变动，严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。,44,1.温度变化对静态工作点的影响,在固定偏置放大电路中，当温度升高时，UBE、ICBO。,上式表明，当UCC和RB一定时，IC与UBE、以及ICEO有关，而这三个参数随温度而变化。,温度升高时，IC将增加，使Q点沿负载线上移。,45,iC,uCE,Q,温度升高时，输出特性曲线上移,固定偏置电路的工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使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。,结论：当温度升高时，IC将增加，使Q点沿负载线

14、上移，容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。,O,46,2.采用分压式偏置放大电路,（1）稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,UB,47,（1）稳定Q点的原理,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,UB,48,从Q点稳定的角度来看似乎I2、UB越大越好。但I2越大，RB1、RB2必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。而UB过高必使UE也增高，在UCC一定时，势必使UCE减小，从而减小放大电路输出电压的动态范围。,在估算时一般选取：I2=(510)IB，UB=(510)UBE，RB1、RB2的阻值一般为几十千欧。,(2)参数的选择,UB,UE,49,(3)Q

15、点稳定的过程,UB固定,RE：温度补偿电阻对直流：RE越大,稳定Q点效果越好；对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。,UB,UE,50,3.静态工作点的计算,估算法:,UB,UE,51,4.动态分析,对交流：旁路电容CE将RE短路，RE不起作用，Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,如果去掉CE，Au，ri，ro？,旁路电容,52,去掉CE后的微变等效电路,如果去掉CE，Au，ri，ro?,53,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,分压式偏置电路,ri提高,ro不变,54,对信号源电压的放大倍数？,信号源,考虑信号源内阻RS时,55,例:,在图示放大电路中，已知U

16、CC=12V,RC=6k,RE1=300，RE2=2.7k，RB1=60k，RB2=20kRL=6k，晶体管=50，UBE=0.6V,试求:(1)静态工作点IB、IC及UCE；(2)画出微变等效电路；(3)输入电阻ri、ro及Au。,56,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,57,(2)由微变等效电路求Au、ri、ro。,微变等效电路,58,3.5放大电路的类型及特点,放大器电路结构不同可以完成不同的功能，可以放大电压也可以放大电流，功率。即放大器有不同的类型。根据常用放大电路的结构及功能，可以将它们归纳为以下几种类型。,3.5.1共射放大电路主要特点此类型电路主要用于电压放大，有

17、较高的放大倍数。由于其输入电阻较低而输出电阻较高，所以在对输入、输出电阻没有特殊要求时均可以采用。一般用在多级放大电路的中间级，用于提高放大倍数。,59,3.5.2射极输出器,因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。因从发射极输出，所以称射极输出器。,1.电路结构,60,求Q点：,2.静态分析,直流通路,61,3.动态分析,1.电压放大倍数,电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,微变等效电路,62,4.输入电阻,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。ri与负载有关,63,5.输出电阻,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,

18、64,6.射极输出器的特点：,1.电压放大倍数略小于1;2.输入电阻高；3.输出电阻低；4.输出与输入同相。,65,7.射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,（1）因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,（2）因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,（3）利用ri大、ro小以及Au1的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,66,应用举例镍镉电池恒流充电电路,原理:三极管工作于恒流状态，基极电位恒为6V；调整转换开关使充电

19、电流限制在50mA和100mA;,性能:正常充电时间7小时左右;充电电流为恒定值；充电电流大小由电池额定容量确定。,67,LED发光二极管承受正向电压导通发光,发光强度与通过的电流大小有关。LED与R5串联后，接于R4两端，R4两端电压的大小，反映充电电流的大小，LED发光的亮、暗指示S的位置,R5是LED的限流电阻,使通过LED的电流限制在一定数值。,68,例1:,.,在图示放大电路中，已知UCC=12V,RE=2k,RB=200k，RL=2k，晶体管=60，UBE=0.6V,信号源内阻RS=100，试求:(1)静态工作点IB、IE及UCE；(2)画出微变等效电路；(3)Au、ri和ro。,

20、69,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,70,(2)由微变等效电路求Au、ri、ro。,微变等效电路,71,单管放大电路在实际运用中各项性能指标很难满足要求，所以需要采用多级放大电路，来满足实际要求。多级放大器级间耦合的条件是把前级的输出信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。,耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。常用的方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合,(a)阻容耦合(b)直接耦合(c)变压器耦合耦合电路的形式图,3.5.3差动放大电路,1.概述,72,直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端

21、。直接耦合电路可传输低频甚至直流信号,可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点Q互不影响，可抑制温漂；变压器耦合可实现阻抗变换,阻容和变压器耦合只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。,（2）零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。,直接耦合存在的两个问题：,（1）前后级静态工作点相互影响,73,零点漂移的危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。,一般用输出漂移电

22、压折合到输入端的等效漂移电压作为衡量零点漂移的指标。,输入端等效漂移电压,输出端漂移电压,电压放大倍数,只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。,74,直接耦合由于不采用电容，所以放大电路具有良好的低频特性。,抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。,适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。,差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,75,2.差分放大电路,(1)电路结构电路对称，即要求电路中左右两边的元件特性及参数尽量一致；双端输入，可以分别在两个输入端与地之间接输入信号；双电源，即除了集电极电源Ucc外，还有一

23、个发射极电源,76,差动放大电路的两个输入信号之间存在三种可能：大小相等，方向相同，称为共模输入；大小相等，方向相反，称为差模输入；既非共模，又非差模时，称为比较输入，比较输入时，可以将输入信号分解为一对共模信号和一对差模信号。,电路特点,uo=VC1VC2=0,uo=(VC1+VC1)(VC2+VC2)=0,静态时，ui1=ui2=0,当温度升高时ICVC（两管变化量相等）,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,零点漂移的抑制,77,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,差模信号ui1=ui2大小相等、极性相反,uo=(VC1VC1)(VC2+VC)=2VC1,即对差模信

24、号有放大能力。,RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,78,（CommonModeRejectionRatio),全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。,共模抑制比,共模抑制比,79,（3）恒流源差动放大电路,发射极电阻RE对共模抑制起重要作用，它对共模信号构成电流串联负反馈，因此，为了提高共模抑制比，电阻值应取得越大越好，但对较大阻值的RE，要求很高的发射极电源（UEE），给电路构造带来困难。,希望找到一个静态电阻不是很高，但动态电阻很高的器件，晶体管的放大区正好符合这一条件。,80,81,3.5.4互补对称功率放大电路,1.对功率放大电路的基本要求,功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载