电工学简明教程(秦曾煌)第10章--基本放大电路.ppt

1、第 10 章 基本放大电路,第 10 章基本放大电路,10.1共发射极放大电路的组成,10.2共发射极放大电路的分析,10.3静态工作点的稳定,10.4射极输出器,*10.5差分放大电路,10.6互补对称放大电路,*10.7场效晶体管及其放大电路,10.1共发射极放大电路的组成,10.1共发射极放大电路的组成,电路中各元件的作用：,晶体管 T晶体管是电流放大元件，在集电极电路获得放大了的电流 iC ，该电流受输入信号的控制。,集电极电源电压 UCC 电源电压UCC 除为输出信号提供能量外，它还保证集电结处于反向偏置，以使晶体管具有放大作用。,集电极负载电阻 RC将 iC 的变化变换为 uC 的

2、变化，实现电压放大。,偏置电阻 RB它的作用是提供大小适当的基极电流，以使放大电路获得合适的工作点，并使发射结处于正向偏置。,耦合电容 C1 和 C2 1起隔直作用； 2起交流耦合的作用，即对交流信号可视为短路。,10.2共发射极放大电路的分析,10.2共发射极放大电路的分析,10.2.1静态分析,放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。静态分析是要确定放大电路的静态值(直流值) IB ， IC ， UBE 和 UCE。,1. 用放大电路的直流通路确定静态值,可用右图所示的直流通路来计算静态值,硅管的 UBE 约为 0.6 V，比UCC 小得多，可以忽略不计。,例 1 在共发射极基本交流放大

3、电路中，已知 UCC = 12 V，RC = 4 k， RB = 300 k， 。试求放大电路的静态值。,解,2用图解法确定静态值,根据直线方程UCE = UCC RCIC,可得出：IC = 0 时， UCE = UCC,图解过程说明:,在晶体管的输出特性曲线组上作出一直线，它称为直流负载线，与晶体管的某条(由 IB 确定)输出特性曲线的交点 Q 称为放大电路的静态工作点，由它确定放大电路的电压和电流的静态值。,基极电流 IB 的大小不同，静态工作点在负载线上的位置也就不同，改变 IB 的大小，可以得到合适的静态工作点， IB称为偏置电流，简称偏流。通常是改变 RB 的阻值来调整 IB的大小。

4、,0,IB = 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,1,2,3,2,4,6,8,10,12,图解过程:,IC / mA,UCE /V,IC = 0 时， UCE = UCC,例 2在共发射极基本交流放大电路中，已知 UCC = 12 V，RC = 4 k， RB = 300 k，晶体管的输出特性曲线如上图。(1)作出直流负载线，(2)求静态值。,解 (1) 由 IC = 0 时， UCE = UCC = 12 V，和 UCE = 0 时，,可作出直流负载线,(2)由,得出静态工作点 Q，静态值为,IB = 40 AIC = 1.5 mAUCE = 6 V,0,IB = 0 A,20A

5、,40 A,60 A,80 A,1,2,3,1.5,2,4,6,8,10,12,M,求得静态值为：IB = 40 A ，IC = 1.5 mA，UCE = 6 V,IC / mA,UCE /V,10.2.2动态分析,放大电路有输入信号时的工作状态称为动态。,动态分析是在静态值确定后，分析信号的传输情况。,确定放大电路的电压放大倍数 Au ；,输入电阻 ri ； 输入电阻 ro 。,动态分析的两种基本分析方法：,微变等效电路法和图解法。,1微变等效电路法,1微变等效电路法,晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，,可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替晶体管的特性曲线，,晶体管就可以等效

6、为一个线性元件。,这样就可以将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。,(1)晶体管的微变等效电路,在晶体管的输入特性曲线上，将工作点 Q 附近的工作段近似地看成直线，当 UCE为常数时，UBE 与 IB之比,称为晶体管的输入电阻，在小信号的条件下，rbe 是一常数，由它确定 ube 和 ib 之间的关系。因此，晶体管的输入电路可用 rbe 等效代替。,低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算,Rbe 是对交流而言的一个 动态 电阻。,动态,晶体管输出特性曲线是一组近似等距离的平行直线，当 UCE 为常数时，IC 与 IB 之比为 。,即为晶体管的电流放大系数，在小信号的条件下， 是

7、一常数，由它确定 ic 受 ib 的控制关系。,因此，晶体管的输出电路可用一受控电流源 ic = ib 等效代替。,UCE,晶体管的输出特性曲线不完全与横轴平行。,在小信号的条件下，rce 也是一常数，在等效电路中与 ib 并联，由于 rce的阻值很高，可以将其看成开路。,当 IB 为常数时， UCE 与 IC 之比,称为晶体管的输出电阻。,由以上分析可得出晶体管的简化微变等效电路,(2)放大电路的微变等效电路,对交流(动态)分量而言，电容、直流电源也可以认为是短路。,可画出放大电路的交流通路。,将交流通路中的晶体管用其微变等效电路来代替，即得到放大电路的微变等效电路。,交流通路,基本放大器的

8、微变等效电路,当输入的是正弦信号时，各电压和电流都可用相量表示。,(3)电压放大倍数的计算,rbe,E,B,C,RC,RL,RB,RS,+ ,+ ,+ ,由上图可列出,式中,故放大电路的电压放大倍数,当放大电路输出端开路(未接 RL )时,可见， 接入 RL，电压放大倍数降低。,例 3在共发射极基本交流放大电路中，已知 UCC = 12V，RC = 4 k， RB = 300 k，。试求电压放大倍数 Au。,解在例 10.2.1 中已求出,所以,(4)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

9、的输入电阻 ri ，即,它是对交流信号而言的一个动态电阻。,如果放大电路的输入电阻较小：第一，将从信号源取用较大的电流，从而增加信号源的负担；第二，经过内阻 Rs 和 ri 的分压，使实际加到放大电路的输入电压 ui 减小，从而减小输出电压；第三，后级放大电路的输入电阻，就是前级放大电路的负载电阻，从而将会降低前级放大电路电压放大倍数。因此，通常希望放大电路的输入电阻能高一些。,以共发射极基本放大电路为例，其输入电阻为,共发射极基本放大电路的输入电阻基本上等于晶体管的输入电阻，是不高的。,注意： ri 与 rbe 意义不同不能混淆。,(5)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

10、路)来说，是一个信号源。,其内阻即为放大电路的输出电阻 ro ，它也是一个动态电阻。,如果放大电路的输出电阻较大(相当于信号源的内阻较大)。,当负载变化时，输出电压的变化较大，也就是放大电路带负载的能力较差。,因此，通常希望放大电路输出级的输出电阻小一些。,RC 一般为几千欧，因此，共发射极放大电路的输出电阻较高。,放大电路的输出电阻可在信号源短路和输出端开路的条件下求得。从基本放大电路的微变等效电路看，当 ，电流源相当于开路，故,*2图解法,首先在输入特性上作图，由输入信号 ui 确定基极电流的变化量 ib ，再在输出特性上作图，得到交流分量 ic 和uce 即(uo)。,由图解分析可得出：

11、,(1) 交流信号的传输情况：,0,uBE/V,Q1,Q,Q2,60,40,20,0,0,60,40,20,0.58,0.6,0.62,UBE,t,t,iB / A,在输入特性上作图,(ui ),uBE/V,iB / A,IB,(ib),0,IB = 40 A,20,60,80,3,Q,1. 5,6,12,N,0,M,t,0,0,Q2,2.25,0.75,2.25,1.5,0.75,IC,3,9,3,6,9,接负载后，Uom 减小，Au下降。,t,Q1,空载输出电压,iC / mA,uCE/V,uCE/V,iC / mA,(ic),UCE,uo = uce,(2)电压和电流都含有直流分量和交流

12、分量，即,(3) 输入信号电压 ui 和输出电压 uo 相位相反。,(4)失真现象,失真是指输出信号的波形不像输入信号的波形。,原因： 1静态工作点不合适： Q 点过低，截止失真；Q 点过高，饱和失真。,2信号太大， 超出了特性曲线上的线性范围。称为非线性失真。,作业,10.3静态工作点的稳定,10.3静态工作点的稳定,由于某种原因，例如温度的变化，将使集电极电流的静态值 IC 发生变化，从而影响静态工作点的稳定。上一节所讨论的基本放大电路偏置电流,当 RB 一经选定后，IB 也就固定不变，称为固定偏置放大电路，它不能稳定 Q 点。,放大电路不仅要有合适的静态工作点 Q，而且要保持 Q 点的稳

13、定。,为此，常采用分压式偏置放大电路。,由直流通路可列出,若使,则,基极电位,可认为 VB 与晶体管的参数无关，不受温度影响，而仅为 RB1 和 RB2 的分压电路所固定。,若使VB UBE,则,因此，只要满足 I2 IB 和 VB UBE 两个条件， VB 和 IE或 IC 就与晶体管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，使静态工作点能得以基本稳定。对硅管而言，在估算时一般可取 I2 = (5 10) IB 和 VB = (5 10)UBE 。,这种电路稳定工作点的实质是：当温度升高引起 IC 增大时，发射极电阻 RE 上的电压降增大，使 UBE 减小，从而使 IB 减小，以限制 IC 的增大

14、，工作点得以稳定。,电容 CE 的作用是使交流旁路，防止 RE 上产生交流电压降降低电压放大倍数，CE 称为交流旁路电容。,例 1在分压式偏置放大电路中，已知 UCC = 12V，RC = 2 k，RE = 2 k，RB1 = 20 k，RB2 = 10 k，RL= 6 k，晶体管的。(1)试求静态值；(2)画出微变等效电路；(3)计算该电路的 Au， ri 和 ro 。,解(1),(2),(3),作业,10.4射极输出器,射极输出器是从发射极输出。在接法上是一个共集电极电路。,10.4.1静态分析,用直流通路确定静态值,10.4.2动态分析,由射极输出器的微变等效电路可得出,1电压放大倍数,

15、2输入电阻,射极输出器的输入电阻很高。,3输出电阻,右图中将信号源短路，保留其内阻 RS ， RS 与 RB 并联后的等效电阻为 RS 。在输出端将 RL 取去，外加一交流电压 ，产生电流 。,例如， = 40，rbe= 0.8 k，RS = 50 ， RB = 120 k，由此得,可见射极输出器的输出电阻是很低的。,射极输出器的主要特点是：电压放大倍数接近 1；输入电阻高；输出电阻低。因此，它常被用作多级放大电路的输入级或输出级。,例 1用射极输出器和分压式偏置放大电路组成两级放大电路，如下图所示。已知：UCC = 12V，1 = 60，RB1 = 200 k，RE1= 2 k，RS = 1

16、00 。后级的数据同例10.3.1，即 RC2 = 2 k， RE2 = 2 k，RB1 = 20 k，RB2 = 10 k， RL = 6 k， 2 = 37.5，试求：(1)前后级放大电路的静态值；(2)放大电路的输入电阻 ri 和输出电阻 ro ；(3)各级电压放大倍数 Au1，Au2 及两级电压放大倍数 Au。,解 由于电容有隔直作用，各级放大电路的静态值可以单独考虑。同时耦合电容上的交流电压降可以忽略不计，使前级输出信号电压差不多无损失地传送到后级输入端。,(1) 前级静态值为,后级静态值同例 10.3.1，即,(2) 放大电路的输入、输出电阻,为前级的负载电阻，其中 ri2 为后级

17、的输入电阻，已在例10.3.1 中求得，ri2 = 0.79 k，于是,输出电阻,(3)计算电压放大倍数,前级,后级(见例10.3.1)Au2 = 71.2,两级电压放大倍数,Au = Au1 Au2 = 0.98 ( 71.2) = 69.8,*10.5差分放大电路10.5.1静态分析,差分放大电路用两个晶体管组成，电路结构对称，在理想情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相同，因此，两管的静态工作点也必然相同。,10.5.1静态分析,在静态时，ui1= ui2 =0，,则IC1= IC2 ， VC1 = VC2 ，,故输出电压,uO = VC1 VC2 = 0,差分放大电路的优点是具有

18、抑制零点漂移的能力。,什么是零点漂移？,一个理想的放大电路，当输入信号为零时，其输出电压应保持不变(不一定是零)。但实际上，主要由于环境温度的变化，输出电压并不保持恒定，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象称为零点漂移(或称温漂)，它影响放大电路的工作。,对差分放大电路，由于电路的对称性，当温度变化时，两边的变化量相等，即,IC1= IC2 ，VC1 = VC2,虽然每个管子都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是互相抵消的，所以输出电压依然为零，即,uO = VC1 + VC1 (VC2 + VC2 ) = VC1 VC2 = 0,零点漂移完全被抑制了。,电位器 RP 起调零作用，因

19、为电路不可能完全对称，静态时输出电压不一定等于零，可通过调节RP使静态输出电压为零。,在静态时，设 IB1= IB2 = IB， IC1= IC2 = IC，忽略阻值很小的 RP 可列出,上式中前两项较第三项小得多，可略去，则每管的集电极电流,发射极电位 VE 0。,每管的基极电流,每管的集 - 射极电压,接入 RE 是为了稳定和获得合适的静态工作点，负电源 EE 用来抵偿 RE 上的直流压降。,10.5.2动态分析,1共模输入,两个输入信号电压的大小相等，极性相同， 即ui1= ui2 ，这样的输入称为共模输入。,在共模输入信号的作用下，若电路完全对称时，两管集电极电位的变化相同，因而，输出

20、电压等于零，所以对共模信号没有放大能力，亦即放大倍数为零。,2差模输入,两个输入信号电压的大小相等，而极性相反， 即ui1 = ui2 ，这样的输入称为差模输入。,设ui1 0，ui2 0，IC2 0 。故,uO = VC1 VC2,可见，在差模输入时，输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍。,由于差模信号使两管的集电极电流一增一减，其变化量相等，通过 RE 的电流近于不变， RE 上没有差模信号压降，故 RE 对差模信号不起作用，可得出下图所示的单管差模信号通路。,单管差模电压放大倍数,同理可得,双端输出电压为,双端输入 - 双端输出差分电路的差模电压放大倍数为,当在两管的集电极之间接入负载

21、电阻时，,式中,两输入端之间的差模输入电阻为,两集电极之间的差模输出电阻为,例 1在前图所示的差分放大电路中，已知 UCC = 12 V， EE = 12 V， = 50，RC = 10 k，RE = 10 k，RB = 20 k， RP = 100 ，并在输出端接负载电阻 RL = 20 k，试求电路的静态值和差模电压放大倍数。,解,式中,3比较输入,两个输入信号电压既非共模，又非差模，它们的大小和相对极性是任意的，这种输入常作为比较放大来运用。差值电压(ui1 ui2 ) 经放大后，输出电压为,uO = Au(ui1 ui2),为了便于分析，可将这种信号分解为共模分量和差模分量，例如,uI

22、1 = 10 mV = 2 mV + 8 mV,uI2 = 6 mV = 2 mV 8 mV,其中， 2 mV 是共模分量，8 mV 和(8 mV)是差模分量。,为了全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，通常引用共模抑制比 KCMRR 来表征,其值越大越好。,10.6互补对称放大电路,10.6.1对功率放大电路的基本要求,在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级对功率放大电路的基本要求是：,(1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。,(2)效率要高。,放大电路有三种工作状态。,(1) 甲类工作状态,静态工作点 Q 大致在负载线的中点。这种工作状态下，放大电路的最高效率为 50

23、%。,(2) 甲乙类工作状态,静态工作点 Q 沿负载线下移，静态管耗减小，但产生了失真。,(3)乙类工作状态,静态工作点下移到 IC 0 处，管耗更小，但输出波形只剩半波了。,10.6.2互补对称放大电路,1无输出变压器(OTL)的互补对称放大电路,图中两个晶体管 T1(NPN 型)和 T2(PNP 型)的特性基本相同。,静态时，调节 R3，使 A 点的电位 为。,输出耦合电容 CL 上的电压也为。,R1 和 D1 、D2 上的压降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。,在 ui 的正半周，T1 导通，T2 截止，电流 iC1 自上而下流过负载 RL ；,在 ui 的负半周，T1 截止， T

24、2 导通，电流 iC2 自下而上流过负载 RL ；,在 ui 的一个周期内，电流 iC1 和 iC2 以正反方向交替流过负载 RL，在 RL 上合成而得出一个交流输出信号电压 uo。,电流是靠电容 CL 放电形成的，为了使输出波形对称，CL 的容量必须足够大。,这种功率放大电路在理想情况下的效率为 78.5%。,2无输出电容(OCL)的互补对称放大电路,OCL 电路需用正负两路电源。其工作原理与 OTL 电路基本相同。,*10.7场效晶体管及其放大电路,10.7.1绝缘栅场效晶体管,N 沟道增强型绝缘栅场效晶体管 结构示意图,再在两个 N+ 型区之间的二氧化硅绝缘层的表面及两个 N+ 型区的表

25、面分别安置三个电极：栅极G、源极 D 和漏极 D。,并在表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层。,由于柵极电流几乎为零，栅源电阻 RGS 很高，最高可达 1014 。,构成：用一块杂质浓度较低的 P 型薄硅片作为衬底，其上扩散两个相距很近的高掺杂 N+ 型区。,当栅 - 源电压 UGS = 0 时，D 与 S之间是两个 PN 结反向串联，无论 D 与 S 之间加什么极性的电压，总有一个 PN 结是反向偏置的，漏极电流 ID 均接近于零。,当在柵极和源极之间加正向电压但数值较小时(0 UGS UGS(th) ) ，由柵极指向衬底方向的电场吸引电子向上移动，填补空穴在 P 型硅衬底的上表面形成耗尽层， 此时仍然没有漏极电流。,当 UGS 大于一定数值时(UGS UGS(th) )，在栅极下 P 型半导体表面形成 N 型层，通常称它为反型层。这就是沟通源区和漏区的 N 型导电沟道(与 P 型衬底间被耗尽层绝缘)。UGS 正值