模电基础-基本放大电路.ppt
第二章 基本放大电路模拟电子技术基础模拟电子技术基础1第二章第二章 基本放大电路基本放大电路2.1 概述概述2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理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 三种基本接法三种基本接法2.6 派生电路派生电路2.7 场效应管放大电路场效应管放大电路2 2.1 概论概论2.1.1 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放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。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：端网络表示，如图：uiuoAu32.1.2 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分别是输入和输出电压的有效值。的有效值。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，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。那么就要从信号源取电流。输入电阻输入电阻是衡量放大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，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，对前级的影响越小。从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。AuIiUSUi4三、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。等效电路的内阻就是输出电阻。roUS5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.所有的电源置零所有的电源置零(将独立源置零，保留受控源将独立源置零，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。6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。7四、通频带四、通频带fAuAum0.7AumfL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：fbw=fHfL放大倍数放大倍数随频率变随频率变化曲线化曲线8五、非线性失真系数五、非线性失真系数六、最大不失真输出电压六、最大不失真输出电压七、最大输出功率与效率七、最大输出功率与效率输入信号幅度超过一定值后，输出电压将会产生非输入信号幅度超过一定值后，输出电压将会产生非线性失真。输出波形中的谐波成分总量与基波成分线性失真。输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数之比称为非线性失真系数D。定义为当输入电压再增大就会使输出波形产生非线定义为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。一般以有效值性失真时的输出电压。一般以有效值Uom表示。表示。在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率大功率Pom与电源消耗的功率与电源消耗的功率Pv的比值。描述电源的比值。描述电源能量的利用率。用能量的利用率。用表示。表示。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 2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理三极管放三极管放大电路有大电路有三种形式三种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以共射放大器为例大器为例讲解工作讲解工作原理原理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，工作在放大区，工作在放大区，要保证集电结反要保证集电结反偏，发射结正偏。偏，发射结正偏。uiuo输入输入输出输出参考点参考点RB+ECEBRCC1C2T12集电极电源，集电极电源，为电路提供能为电路提供能量。并保证集量。并保证集电结反偏。电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T13集电极电阻，集电极电阻，将变化的电流将变化的电流转变为变化的转变为变化的电压。电压。RB+ECEBRCC1C2T14使发射结正偏，使发射结正偏，并提供适当的并提供适当的静态工作点。静态工作点。基极电源与基极电源与基极电阻基极电阻RB+ECEBRCC1C2T15耦合电容耦合电容隔离输入输隔离输入输出与电路直出与电路直流的联系，流的联系，同时能使信同时能使信号顺利输入号顺利输入输出。输出。RB+ECEBRCC1C2T16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+ECEBRCC1C2T17单电源供电电路单电源供电电路+ECRCC1C2TRB182.2.2 基本放大电路的工作原理基本放大电路的工作原理ui=0时时由于电源的由于电源的存在存在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。出特性曲线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ibtibtictuit22uCE的变化沿一的变化沿一条直线条直线uce相位如何相位如何uce与与ui反相！反相！ICUCEictucet23各点波形各点波形RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB24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，集电结晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。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。极电压，经电容滤波只输出交流信号。25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，集电结晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。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，则假定参数设判断；如果未给定电路的参数，则假定参数设置正确置正确。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：262.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法放大放大电路电路分析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法微变等效电路法图解法图解法计算机仿真计算机仿真等效电路法等效电路法272.3.1 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。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。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。28例：例：对直流信号（只有对直流信号（只有+EC）开路开路开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道直流通道RB+ECRC29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30一、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与输出特性的特性的交点就交点就是是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31二、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32iC 和和 uCE是全量，与交流量是全量，与交流量ic和和uce有如下关系有如下关系所以：所以：即：交流信号的变化沿着斜率为：即：交流信号的变化沿着斜率为：的直线。的直线。这条直线通过这条直线通过Q点，称为点，称为交流负载线交流负载线。33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342.3.3 图解法图解法一、静态工作点的分析：一、静态工作点的分析：输入回路：输入回路：IBUBEQIBQUBEQ35输出回路：输出回路：先估算先估算 IB，然后在输出特性曲线上作出直，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与流负载线，与 IB 对应的输出特性曲线与直流负对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是载线的交点就是Q点。点。ICUCEQEC36二、电压放大倍数的分析：二、电压放大倍数的分析：IBUBEQibtuitICUCEictibt37ICUCEictucet已知已知uI -iB -iC -uCE -Au38在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入在放大电路中，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（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，放大电路产生信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线非线性失真性失真。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设置在交流设置在交流负载线的中间部分。如果负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。止区或饱和区，造成非线性失真。三、波形非线性失真的分析：三、波形非线性失真的分析：39iCuCEuo可输出的可输出的最大不失最大不失真信号真信号选择静态工作点选择静态工作点ib40iCuCEuo1.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ib41iCuCE2.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输入波输入波形形uo输出波形输出波形42四、图解法的适用范围：四、图解法的适用范围：特点：直观形象特点：直观形象 定量分析误差大定量分析误差大 无法反映高频信号时极间电容的影响无法反映高频信号时极间电容的影响适用：幅值大、频率不太高的信号分析适用：幅值大、频率不太高的信号分析P89 例例432.3.4 等效电路法等效电路法一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算直流模型：直流模型：iBuBEUoniCuCEIBQbce IBQUon44（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称为称为偏偏置电流置电流。+EC直流通道直流通道RBRC估算法：估算法：45（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RBRC46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。47二、晶体管共射二、晶体管共射h参数等效模型参数等效模型输入回路输入回路iBuBE当信号很小时，将输入特性当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。在小范围内近似线性。uBE iB对输入的小交流信号而言，对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻三极管相当于电阻rbe。rbe的量级从几百欧到几千欧。的量级从几百欧到几千欧。UT=26mV。对于小功率三极管：对于小功率三极管：近近似似分分析析48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 控控制的电流源。制的电流源。近似平行近似平行(2)考虑考虑 uCE对对 iC的影响，输出的影响，输出端还要并联一个大电阻端还要并联一个大电阻rce。rce的含义的含义 iC uCE49ubeibuceicubeuceicrce很大，很大，一般忽略。一般忽略。微变等效电路微变等效电路rbe ibib rcerbe ibibbce等等效效cbe50数数学学推推导导模型由来模型由来ibuceicube根据晶体管特性：根据晶体管特性：求全微分：求全微分：51电阻量纲：电阻量纲：rbe无量纲：受控电压源无量纲：受控电压源无量纲：受控电流源无量纲：受控电流源电导量纲：电导量纲：1/rceh21ibib1/h22h11h12ucerbe ibibbce52三、共射放大电路动态参数的分析三、共射放大电路动态参数的分析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 ibibiiicuoRBRCRL53电压放大倍数的计算电压放大倍数的计算负载电阻越小，放大倍数越小。负载电阻越小，放大倍数越小。rbeRBRCRL54输入电阻的计算输入电阻的计算对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电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。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：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，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。因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。55输出电阻的计算输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，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。内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：计算输出电阻的方法：(1)所有电源置零，然后计算电阻（对有受控所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。源的电路不适用）。(2)所有独立电源置零，保留受控源，加压求所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法。流法。56所以：所以：用加压求流法求输出电阻：用加压求流法求输出电阻：rbeRBRC00例题：例题：572.4 静态工作点的稳定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、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。对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由作点由UBE、和和ICEO 决定，这三个参数随温度而变决定，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。化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。TUBE ICEOQ58TUBEIBICT、ICEOICiCuCEQQ温度上升时，温度上升时，输出特性曲输出特性曲线上移，造线上移，造成成Q点上移。点上移。59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。为此，点是不稳定的。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，增加时，能够自动减少能够自动减少IB，从而抑制，从而抑制Q点的变化。保持点的变化。保持Q点基本稳定。点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。见下页。60I1I2IB分压式偏置电路分压式偏置电路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo典型电路典型电路61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，越大越好，但是但是RB1、RB2太小，太小，将增加损耗，降低输将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取入电阻。因此一般取几十几十k。I1I2IB分压式偏置电路分压式偏置电路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo62TUBEIBICUEIC本电路稳压的本电路稳压的过程实际是由过程实际是由于加了于加了RE形成形成了了负反馈负反馈过程过程I1I2IB分压式偏置电路分压式偏置电路RB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo稳定原理稳定原理63Q点估算点估算直流通路直流通路I1I2IBRB1+ECRCRB2RE估算法估算法戴维南等效戴维南等效；;64性能分析性能分析rbeRCRLRB交流等效电路交流等效电路65CE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对交流不起作用，放大倍数不受影响。对交流不起作用，放大倍数不受影响。问题：问题：如果去掉如果去掉CE，放大倍数怎样？，放大倍数怎样？I1I2IBRB1+ECRCC1C2RB2CERERLuiuo66去掉去掉 CE 后的微变等效电路后的微变等效电路rbeRCRLRERB将将RE折算到基极折算到基极67 2.5 三种基本接法三种基本接法共射放大电路：共射放大电路：iB控制控制iC,电压电流均放大电压电流均放大共集放大电路：共集放大电路：iB控制控制iE,电流放大电流放大共基放大电路：共基放大电路：iE控制控制iC,电压放大电压放大实现功率放大的目标实现功率放大的目标682.5.1 基本共集放大电路（射极输出器）基本共集放大电路（射极输出器）RB+ECC1C2RERLuiuoRB+ECRE直流通道直流通道69一、静态分析一、静态分析IBIE折算折算RB+ECRE直流通道直流通道70二、动态分析二、动态分析RB+ECC1C2RERLuiuorbeRERLRB微变等效电路微变等效电路711.电压放大倍数电压放大倍数二、动态分析二、动态分析rbeRERLRB721.所以所以但是，输出电流但是，输出电流Ie增加了。增加了。2.输入输出同相，输出电压跟随输入电压，输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称故称电压跟随器电压跟随器。结论：结论：732.输入电阻输入电阻rbeRERLRB输入电阻较大，作为前一级的负载，对前输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。一级的放大倍数影响较小。743.输出电阻输出电阻用加压求流法求输出电阻。用加压求流法求输出电阻。rorbeRERBRSrbeRERBRS电源置电源置075一般：一般：所以：所以：射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。76射极输出器的使用射极输出器的使用1.将射极输出器放在电路的首级，可以提将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。高输入电阻。2.将射极输出器放在电路的末级，可以降将射极输出器放在电路的末级，可以降 低输出电阻，提高带负载能力。低输出电阻，提高带负载能力。3.将射极输出器放在电路的两级之间，可将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。以起到电路的匹配作用。772.5.2 基本共基放大电路基本共基放大电路RcReuiuoVCCVBBT+-ReRcrbeuiuo+-+-ecbieicibieicib78ReRcrbeuiuo+-+-ecbieicib79 2.6 派生电路派生电路在基本电路的基础上，为进一步改善放大在基本电路的基础上，为进一步改善放大电路的性能而衍生的电路电路的性能而衍生的电路例：将多只晶体管构成复合管来取代基本例：将多只晶体管构成复合管来取代基本电路中一只晶体管电路中一只晶体管根据需要将两种基本接法组合起来，以得根据需要将两种基本接法组合起来，以得到多方面性能俱佳的放大电路到多方面性能俱佳的放大电路80复合管复合管增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic同类型管子复合：同类型管子复合：81becibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。不同类型管子复合：不同类型管子复合：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下：82复合管的组成原则：复合管的组成原则：1.1.在正确的外加电压下每只管子的各极电在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路，且均工作在放大区流均有合适的通路，且均工作在放大区2.2.为了实现电流放大，应将第一只管的集为了实现电流放大，应将第一只管的集电极或发射极做为第二只管的基极电流。电极或发射极做为第二只管的基极电流。复合管放大电路复合管放大电路:P113-11483共射共射共基放大电路共基放大电路共集共集共基放大电路共基放大电路书书:P116书书:P115放大倍数大，高频特性好放大倍数大，高频特性好通频带较宽通频带较宽共集共集共射放大电路共射放大电路高输入电阻，高放大倍数高输入电阻，高放大倍数84 2.7 场效应管放大电路场效应管放大电路(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作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分析方法：分析方法：852.7.1 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSD跨导跨导漏极输出电阻漏极输出电阻uGSiDuDS86很大，很大，可忽略。可忽略。场效应管的微变等效电路为：场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds872.7.2 静态分析静态分析求：求：UDS和和 ID。设：设：UGUGS则：则：UG US而：而：IG=0所以：所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k88uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k2.7.3 动态分析动态分析sgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路微变等效电路89sgR2R1RGRLdRLRDro=RD=10k 902.7.4 源极输出器源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路91输出电阻输出电阻 ro加压求流法加压求流法gd微变等效电路微变等效电路ro ro R2R1RGsRS922.7.5 场效应管放大电路的特点场效应管放大电路的特点93第二章 结束模拟电子技术基础模拟电子技术基础94
