低频电路-基本放大电路.ppt

模电数电模电数电 第二章第二章 基本放大电路基本放大电路模拟电路部分模拟电路部分12.1 概论概论2.2 放大电路的组成和工作原理放大电路的组成和工作原理2.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定2.5 射极输出器射极输出器2.6 阻容耦合多级放大电路阻容耦合多级放大电路2.7 场效应管放大电路场效应管放大电路第二章第二章 基本放大电路基本放大电路22.1.1 放大的概念放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的电子学中放大的目的是将微弱的变化信号变化信号放大成较大的信放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。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二端口网络表电压放大电路可以用有输入口和输出口的二端口网络表示：示：uiuoAu 2.1 概论概论32.1.2 放大电路的性能指标放大电路的性能指标一、电压放大倍数一、电压放大倍数AuUi 和和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。分别是输入和输出电压的有效值。uiuoAuAu是复数，反映了输出和输入的幅值比与是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。相位差。4二、输入电阻二、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。从信号源取电流。输入电阻输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。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。前级的影响越小。AuUS定义：定义：即：即：ri 越大，越大，ii 就越小，就越小，ui 就越接近就越接近uS5三、输出电阻三、输出电阻roAuUS放大电路对其放大电路对其负载负载而言，相当于信号源，我们可以将它等而言，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。出电阻。roUSRLRL从负载的角度看从负载的角度看内阻越小越好，内阻越小越好，说明放大器的带负载能说明放大器的带负载能力越强力越强6如何确定电路的输出电阻如何确定电路的输出电阻ro？步骤：步骤：1.所有的信号源去掉（保留受控源）。所有的信号源去掉（保留受控源）。2.加压求流法。加压求流法。UI方法一：方法一：计算。计算。7方法二：方法二：测量。测量。Uo1.测量开路电压。测量开路电压。roUs2.测量接入负载后的输出电压。测量接入负载后的输出电压。roUsRLUo步骤：步骤：3.计算。计算。8四、通频带四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截止下限截止频率频率fH上限截止上限截止频率频率通频带：通频带：fbw=fHfL放大倍数随频率变化曲线放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线幅频特性曲线92.1.3 符号规定符号规定UA大写字母、大写下标，表示直流量。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。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。小写字母、小写下标，表示交流分量。uAua全量全量交流分量交流分量tUA直流分量直流分量 10三极管放大三极管放大电路有三种电路有三种形式形式共射放大器共射放大器共基放大器共基放大器共集放大器共集放大器以共射放大以共射放大器为例讲解器为例讲解工作原理工作原理 2.2 基本放大电路的组成和工作原理基本放大电路的组成和工作原理112.2.1 共射放大电路的基本组成共射放大电路的基本组成放大元件放大元件iC=iB，工作，工作在放大区，要保证集电在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。结反偏，发射结正偏。uiuo输入输入输出输出参考点参考点RB+ECEBRCC1C2T12作用：作用：使发射结正使发射结正偏，并提供适当的偏，并提供适当的静态工作点。静态工作点。基极电源与基基极电源与基极电阻极电阻RB+ECEBRCC1C2T13集电极电源，为集电极电源，为电路提供能量。电路提供能量。并保证集电结反并保证集电结反偏。偏。RB+ECEBRCC1C2T14集电极电阻，将集电极电阻，将变化的电流转变变化的电流转变为变化的电压。为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2T15耦合电容：耦合电容：电解电容，有极性。电解电容，有极性。大小为大小为10 F50 F作用：作用：隔离直流，隔离直流，同时能使交流信同时能使交流信号顺利输入输出。号顺利输入输出。RB+ECEBRCC1C2T+16可以省去可以省去电路改进：采用单电源供电电路改进：采用单电源供电RB+ECEBRCC1C2T+17单电源供电电路单电源供电电路+ECRCC1C2TRB问：能否保证放大的偏置条件？问：能否保证放大的偏置条件？如何保证？如何保证？182.2.2 基本放大电路的工作原理基本放大电路的工作原理ui=0时时由于电源的存由于电源的存在在IB 0IC 0IBQICQIEQ=IBQ+ICQ一、静态工作点一、静态工作点RB+ECRCC1C2T19IBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)RB+ECRCC1C2T20(IBQ,UBEQ)和和(ICQ,UCEQ)分别对应于输入输出特性曲线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。上的一个点称为静态工作点。IBUBEQIBQUBEQICUCEQUCEQICQ21IBUBEQICUCEuCE怎么变化怎么变化假设假设uBE有一微小的变化有一微小的变化ibtibtictuit（毫伏量级）（毫伏量级）（微安量级）（微安量级）（毫安量级）（毫安量级）二。交直流叠加波形的关系二。交直流叠加波形的关系22各点波形各点波形RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCEtuotuiiCuCEuoiBuce相位如何相位如何uce与与ui反相！反相！23实现放大的条件实现放大的条件1.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。电容滤波只输出交流信号。24如何判断一个电路是否能实现放大？如何判断一个电路是否能实现放大？3.晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。4.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来判断；如果未如果已给定电路的参数，则计算静态工作点来判断；如果未给定电路的参数，则根据电路结构确定给定电路的参数，则根据电路结构确定。1.信号能否输入到放大电路中。信号能否输入到放大电路中。2.信号能否输出。信号能否输出。与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：与实现放大的条件相对应，判断的过程如下：25放大电放大电路分析路分析静态分析静态分析动态分析动态分析估算法估算法图解法图解法微变等效电路微变等效电路法法图解法图解法计算机仿真计算机仿真2.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法EWB、Pspice等等262.3.1 直流通道和交流通道直流通道和交流通道 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了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。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，交直流所走的通道是不同的。可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。交流通道：交流通道：只考虑交流信号的分电路。只考虑交流信号的分电路。直流通道：直流通道：只考虑直流信号的分电路。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道分析。信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。27例：例：对直流只有对直流只有+EC开路开路开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道直流通道RB+ECRC28对交流信号对交流信号(输入信号输入信号ui)短路短路短路短路置零置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路交流通路？29一、直流负载线一、直流负载线ICUCEUCEIC满足什么关系？满足什么关系？1.三极管的输出特性。三极管的输出特性。2.UCE=ECICRC 。ICUCEECQ直流直流负载线负载线与输出特与输出特性的交点性的交点就是就是Q点点IB直流通道直流通道RB+ECRC2.3.2 直流负载线和交流负载线直流负载线和交流负载线Uce30二、交流负载线二、交流负载线ic其中：其中：uceRBRCRLuiuo交流通路交流通路交流负载线的斜率为：交流负载线的斜率为：31交流负载线的作法交流负载线的作法ICUCEECQIB过过Q点作一条直线，斜率为：点作一条直线，斜率为：交流负载线交流负载线ICUCEictucetQQ1Q2322.3.3 静态分析静态分析一、估算法一、估算法（1）根据直流通道估算）根据直流通道估算IBIBUBERB称为称为偏置电阻偏置电阻，IB称为称为偏置电流偏置电流。+EC直流通道直流通道RBRC33（2）根据直流通道估算）根据直流通道估算UCE、IBICUCE直流通道直流通道RBRC34二、图解法二、图解法先估算先估算 IB，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与与 IB 对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。点。ICUCEQEC35例：例：用估算法计算静态工作点。用估算法计算静态工作点。已知：已知：EC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。解：解：请注意电路中请注意电路中IB 和和IC 的数量级。的数量级。362.3.4 动态分析动态分析一、三极管的微变等效电路一、三极管的微变等效电路1.输入回路输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性在小当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。范围内近似线性。uBE iB对输入的微变信号而言，三极管对输入的微变信号而言，三极管相当于电阻相当于电阻rbe。rbe的量级从几百欧到几千欧。的量级从几百欧到几千欧。对于小功率三极管：对于小功率三极管：首先需将非线性元件首先需将非线性元件近似为线性元件近似为线性元件Q372.输出回路输出回路iCuCE所以：所以：(1)输出端相当于一个受输出端相当于一个受ib 控制的电流控制的电流源。源。近似平行近似平行(2)考虑考虑 uCE对对 iC的影响，输出端还要的影响，输出端还要并联一个大电阻并联一个大电阻rce。rce的含义的含义 iC uCEQ38ubeibuceicubeuceicrce很大，很大，一般忽略。一般忽略。3.三极管的微变等效电路三极管的微变等效电路rbe ibib rcerbe ibibbce等效等效cbe注意这种等效注意这种等效只是在工作点只是在工作点附近线性区里附近线性区里39二、放大电路的微变等效电路二、放大电路的微变等效电路将交流通道中的三极管用微变等效电路代替将交流通道中的三极管用微变等效电路代替:交流通路交流通路RBRCRLuiuouirbe ibibiiicuoRBRCRL40三、电压放大倍数的计算三、电压放大倍数的计算结论：结论：负载电阻越小，放大倍数越小。负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL负载电阻越大负载越轻负载电阻越大负载越轻负载电阻越小负载越重负载电阻越小负载越重41四、输入电阻的计算四、输入电阻的计算输入电阻的定义：输入电阻的定义：是动态电阻。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，因此一般总是希望较大的输入电阻。般总是希望较大的输入电阻。(RB rbe)42五、输出电阻的计算五、输出电阻的计算放大器中输出电阻的定义：放大器中输出电阻的定义：rbeRBRC00首先将信号源去首先将信号源去掉，若信号源本掉，若信号源本身有内阻，则短身有内阻，则短路时内阻应保留。路时内阻应保留。用加压求流法求输出电阻：用加压求流法求输出电阻：432.3.5 失真分析失真分析在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线在放大电路中，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，放大电路产生的情况，放大电路产生非线性失真非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中设置在交流负载线的中间部分。如果间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。线性失真。44ICUCEictucet我们来看一下我们来看一下Q与波形失真的关系与波形失真的关系Q因为因为Q在放大区在放大区所以波形无失真所以波形无失真45iCuCEuo可输出的最可输出的最大不失真信大不失真信号又称放大号又称放大器的动态范器的动态范围。围。选择静态工作点选择静态工作点ibQ46iCuCEuo1.Q点过低，信号进入截止区点过低，信号进入截止区放大电路产生放大电路产生截止失真截止失真输出波形输出波形输入波形输入波形ib注意截止失真注意截止失真是由于输入特性是由于输入特性的非线性引起的的非线性引起的47iCuCE2.Q点过高，信号进入饱和区点过高，信号进入饱和区放大电路产生放大电路产生饱和失真饱和失真ib输入波形输入波形uo输出波形输出波形注意饱和失真注意饱和失真是由于输出特性是由于输出特性的非线性引起的的非线性引起的48为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静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。态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。由于三极管的由于三极管的UBE、和和ICEO 这三个参数受温度影响很大，而这三个参数受温度影响很大，而前面的电路中静态工作点与这些参数都有关系，故静态工作点前面的电路中静态工作点与这些参数都有关系，故静态工作点会随着温度而改变。会随着温度而改变。TUBE ICEOQ2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定49温度对温度对 值及值及ICEO的影响的影响T、ICEOICiCuCEQQ总的效果是：总的效果是：温度上升时，温度上升时，输出特性曲线输出特性曲线上移，造成上移，造成Q点上移。点上移。50小结：小结：TIC 固定偏置电路的固定偏置电路的Q点是不稳定的。点是不稳定的。Q点不稳定可能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。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、为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能增加时，能够自动减少够自动减少IB，从而抑制，从而抑制Q点的变化。保持点的变化。保持Q点基本稳点基本稳定。定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。51分压式偏置电路：分压式偏置电路：RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo一、静态分析一、静态分析I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路RE射极直流负射极直流负反馈电阻反馈电阻CE 交流交流旁路旁路电容电容52TUBEIBICUEIC本电路稳压的过程实际是由于加本电路稳压的过程实际是由于加了了RE形成了形成了负反馈负反馈过程。过程。1.静态工作点稳定的原理静态工作点稳定的原理设计使设计使I2IB，于是，于是I1约等于约等于I2，使使VB只取决于电阻分压，只取决于电阻分压，不受温度影响。不受温度影响。I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路B53I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路2.求静态工作点求静态工作点算法一：算法一：I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路+EC将电路变换为将电路变换为54I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路+EC方框中部分用戴维南定理方框中部分用戴维南定理等效为：等效为：RdESB进而，可求出进而，可求出IE、UCE。55I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路算法二：算法二：B56可以认为与温度无关。可以认为与温度无关。似乎似乎I2越大越好，但是越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此耗，降低输入电阻。因此一般取几十一般取几十k。I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE直流通路直流通路57例：例：已知已知=50，EC=12V，RB1=7.5k，RB2=2.5k，RC=2k，RE=1k，求该电路的静态工作点。求该电路的静态工作点。RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo算法一的结果：算法一的结果：算法二的结果：算法二的结果：结论：结论：两种算法的结果近似相等，但算法二的计算过程要简单得两种算法的结果近似相等，但算法二的计算过程要简单得多。多。58二、动态分析二、动态分析+ECuoRB1RCC1C2RB2CERERLuirbeRCRLRB微变等效电路微变等效电路uoRB1RCRLuiRB2交流通路交流通路59CE的作用：交流通路中，的作用：交流通路中，CE将将RE短路，短路，RE对交流对交流不起作用，放大倍数不受影响。不起作用，放大倍数不受影响。问题问题1：如果去掉如果去掉CE，放，放大倍数怎样？大倍数怎样？I1I2IBRB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo60去掉去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：后的交流通路和微变等效电路：rbeRCRLRERBRB1RCRLuiuoRB2RE可见放大倍数大大降低，但输入阻抗提高了。可见放大倍数大大降低，但输入阻抗提高了。61用加压求流法求输出电阻。用加压求流法求输出电阻。rbeRCRERBRSro=uo/io=u/i可见可见ro应为应为Rc并联虚线框并联虚线框内的等效电阻内的等效电阻Rd.但这个但这个电阻极大可忽略电阻极大可忽略.所以可近似有所以可近似有去掉信号源，去掉信号源，内阻保留。内阻保留。由输出端外由输出端外加一个电压加一个电压输出电阻基本不变输出电阻基本不变62RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2问题问题2：如果电路如下图所示，如何分析？如果电路如下图所示，如何分析？63I1I2IBRB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2I1I2IBRB1+ECRCC1TRB2RE1RE2静态分析：静态分析：直流通路直流通路64RB1+ECRCC1C2TRB2CERE1RLuiuoRE2动态分析：动态分析：交流通路交流通路RB1RCRLuiuoRB2RE165交流通路：交流通路：RB1RCRLuiuoRB2RE1微变等效电路：微变等效电路：rbeRCRLRE1RB此电路和去掉此电路和去掉Ce时的电路一样时的电路一样66问题：问题：Au 和和 Aus 的关系如何？的关系如何？定义：定义：放大放大电路电路RLRS当信号源有内阻时放大倍数如何求？当信号源有内阻时放大倍数如何求？信号源内阻越大信号源内阻越大对对Aus的影响越大的影响越大但对但对Au无影响无影响67