基本放大电路静态分析.ppt

第2章 基本放大电路 1. 理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、共集电极放大电路的性能特点。 2. 掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变 等效电路分析法。 3. 了解放大电路输入、输出电阻和多级放大的概念，了解放大电路的频率特性。,放大的概念:,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。,放大的实质: 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。,对放大电路的基本要求 ： 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路。,2.1 基本放大电路的组成,2.1.1 共发射极基本交流放大电路组成,共发射极基本交流放大电路,2.1.2 基本放大电路各元件作用,晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,集电极电源EC -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。,耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。,信号源,负载,共发射极基本电路,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,2.1.3 共射放大电路的电压放大作用,无输入信号(ui = 0)时:,uBE = UBE uCE = UCE,结论：,(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、UCE)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。,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,2.2.3 共射放大电路的电压放大作用,结论：,(2) 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。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论：,(3) 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。,(4) 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。,例：画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,对交流信号(有输入信号ui时的交流分量),XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。,短路,短路,对地短路,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,2.2 放大电路的静态分析,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。,静态工作点Q：IB、IC、UCE 。,静态分析：确定放大电路的静态值。,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,2.2.1用估算法计算静态工作点,2.2.1用估算法计算静态工作点,UCC = UBE +I B RB I B = (UCC - UBE )/ RB UCC / RB 若UCC UBE I C I B UCE = UCC - I C RC,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k， =37.5。,解：,注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同,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：,UCE = UCC RCIC,IB = IBQ,Q,翻页,直流负载线,返回,UCC,UCC,UCE,IC,+,IB,UBE,+,RB,RC,2.2.2用图解法确定静态值,iC,翻页,返回,图(a)中，没有设置静 态偏置，不能放大。,图(b)中，有静态偏置,但ui被EB 短路，不能引起iB的变化，所以不能放大。,翻页,UCC,RC,C1,C2,T,RL,uo,ui,(a),+,_,+,_,如图所示电路，能否放大交流信号？请说明理由。,思考与 练习,+,+,返回,图(c)中，有静态偏置,有变化的iB和ic, 但因没有RC ，不能把集电极电流的变化转化为电压的变化送到输出端,所以不能放大交流电压信号。,翻页,+,+,+,返回,动态 当放大电路输入信号ui后，电路中各电压、电流便在其静态值附近随信号变化的而做动态变化。 动态分析 分析信号的传输情况，即计算放大电路的性能指标如Au、ri、ro等。,2.3 放大电路的动态分析,分析方法： 微变等效电路法，图解法。,1. 微变等效电路法,分析思路：在变化量很小的情况下工作时，可在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。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。然后用线性电路的分析方法来计算放大电路的性能指标。,三极管的微变等效电路 放大电路的微变等效电路 计算放大电路的性能指标,晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,1) 晶体管的微变等效电路,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,(1) 输入回路,晶体管的 输入电阻,若是小信号微变量，可用电压和电流的交流量来代替。即, UBE = ube IB =i b UCE = uce IC =ic,(2) 输出回路,输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线。当 UCE 为常数时，,集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源,ib,晶体三极管,微变等效电路,3) 晶体管的微变等效电路,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。,对交流信号(有输入信号ui时的交流分量),XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。,短路,短路,对地短路,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,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,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,微变等效电路,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。,1、电压放大倍数,（1）带负载时的电压放大倍数,（2）不带负载时的电压放大倍数,翻页,返回,2、放大电路的输入电阻,对基本放大电放大电路,翻页,返回,Ui,_,rbe,Ib,Ib,Ic,RC,RB,Ii,3、放大电路的输出电阻,对负载而言,放大电路相当于一个具有內阻的信号源，信号源的內阻就是放大电路的输出电阻。,RS,放大电路,可用外加电压法 求ro,翻页,U,+,返回,rbe,Ib,Ib,Ic,RC,RB,Uo,_,RL,US,Ii,RS,例1：,5. 放大电路输出电阻的计算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可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。,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,外加,例4：,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。,ib,晶体三极管,微变等效电路,1. 晶体管的微变等效电路,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。,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,3.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1：,3.电压放大倍数的计算,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。,4.放大电路输入电阻的计算,输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。,ri较小 1）Ii大，信号源的功率大，增加其负担。 的后果 2）Ui减小， ri 上分压小， Uo减小。 3） ri 为前级的负载 ri较小， A u 。,5. 放大电路输出电阻的计算,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。,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,外加,例4：,小结,1.关于 A u,1)RC或 RL增大，A u也增大。 2） rbe,（1）IE 一定时，大，rbe大，但不是成线性比例 增加。 （2）一定时， IE稍增加，rb rbe ，A u 。 （比 效果好， IE 受限制。,3）uo与ui 反相 4）考虑电源内阻（R S ） A u = U / ES = UO / Ui U/ES = -,2.关于ri rO （ ri较大好， rO较小好） ri较小 1）Ii大，信号源的功率大，增加其负担。 的后果 2）Ui减小， ri 上分压小， Uo减小。 3） ri 为前级的负载 ri较小，A u 。 rO作为后级的输入（相当于电源内阻）分压大， 带载能力差。,2.3.5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。,2.3.6 非线性失真,如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。,若Q设置过高，,动画,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,若Q设置过低，,动画,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,2.4 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。,2.4.1 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。,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,2.4.2 分压式偏置电路,1. 稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,VB,直流通路,VB,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,从Q点稳定的角度来看似乎I2、VB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VB过高必使VE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= (5 10) IB，VB= (5 10) UBE， RB1、RB2的阻值一般为几十千欧。,2.参数的选择,VE,VB,Q点稳定的过程,VE,VB,VB 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。,估算法:,VB,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,去掉CE后的 微变等效电路,如果去掉CE ， Au，ri，ro ?,开路短路法求,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,对信号源电压的放大倍数？,信号源,考虑信号源内阻RS 时,例1:,在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 6k, RE1= 300， RE2= 2.7k， RB1= 60k， RB2= 20k RL= 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。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。,微变等效电路,2.5 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。,求Q点：,2.5.1 静态分析,直流通路,2.5.2 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,2. 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,3. 输出电阻,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,1. 电压放大倍数小于1，约等于1; 2. 输入电阻高； 3. 输出电阻低； 4. 输出与输入同相。,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 Au 1 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。,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 。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。,微变等效电路,2.6.2 阻容耦合,第一级,第二级,负载,信号源,两级之间通过耦合电容 C2 与下级输入电阻连接,1. 静态分析,由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，可以各级单独计算。,两级放大电路均为共发射极分压式偏置电路。,2. 动态分析,微变等效电路,第一级,第二级,例2:,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。 (1) 计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V); (2) 求放大电路的输入电阻和输出电阻； (3) 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。,解:,(1) 两级放大电路的静态值可分别计算。,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,解:,第二级是分压式偏置电路,解:,(2) 计算 r i和 r 0,由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻 ri2。,微变等效电路,(2) 计算 r i和 r 0,(2) 计算 r i和 r 0,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,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。,例3.2.1 在射极输出器中 已知 UCC = 12V， RB = 240k， RE = 3k， RL = 6k， RS = 150， = 50 。,试求（1）静态工作点；（2）Au、ri 和 rO 。,翻页,返回,（1）静态工作点,IE =（1+）IB = （1 + 50）0.029 = 1.48mA,UCE = UCCREIE = 1231.48 = 7.56V,返回,（2）Au、ri 和 r0,ri = RB / rbe+ （1+）RL ,= 240 / 1.2+ （1+50）（2/6） = 72.17k,翻页,返回,= 1.20k,例3.2.2 多级阻容耦合放大电路的分析,翻页,返回,+,RL,iC2,T2,C3,+,RB3,RE2,+UCC,uO,RB2,RC,ib,T1,C2,C1,+,+,RB1,CE,uS,电压放大倍数,输入电阻：ri = ri1 ，,输出电阻：rO = rO2 ，,返回,RB2,+,+,RC,T,C2,C1,+,+,RB1,CE,+UCC,ri2,.,U01,.,Ui,本节结束,