2022年放大电路基础 .pdf
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1、第三章放大电路基础1 第三章 放大电路基础【放大器基础, 10 学时】1. 偏置电路和耦合方式2. 性能指标输入、输出电阻和增益;失真3. 基本组态共射、共基、共集三种组态放大器电路;三种放大器性能比较;改进型放大器(组合放大器,带发射极电阻的共射放大器,有源负载共射放大器);场效应管三种组态放大器的性能;集成MOS 放大器。4. 小信号模型5. 三极管电路分析方法图解法;工程近似分析方法;小信号等效电路法6. 三极管应用原理电流源;放大器;跨导线形电路7. * 集成工艺:标准流程;元器件;元器件特点【本章内容的重点】晶体管基本放大电路本章以几种晶体管放大电路为例,介绍放大电路的组成原理、工作
2、原理、性能指标及计算方法。要注意对基本概念、基本原理、基本分析方法的领会,以便为后面各章的学习打好基础。 3.1 放大电路的基本概念无论是通过数字式仪表读出测量的物理信号,还是对其进行数字化处理,都需要将信号放大到一定的数量级才能进行下一步分析处理。因此,放大电路是模拟电子线路中最基本的电路结构,是构成其他功能的模拟电路,如滤波、振荡、稳压等电路的基本单元电路。本节简单介绍信号放大电路的分类、电路模型、电路的性能指标。【1 学时】一. 放大的定义及分类1. 什么是放大?“放大”一词用淂很普遍,在很多场合都会发现放大现象的存在。比如利用放大镜使微小的物体现出较大的形象,这是光学中的放大现象;利用
3、杠杆能用小力移动重体,这是力学中的放大现象;利用变压器将低电压变成高电压,这是电学中的放大现象;说话的声音通过扩音器被加强,这是电子学中的放大现象。那么,我们能从这些现象中找到什么规律、得到什么启发呢?首先,我们看到它们的一个共同点,它们都是把原事中的差异的程度放大了。放大镜将原物体中各点之间的距离放大了;杠杆将人们移动物体实际付出的力放大了;变压器把电压变化放大了;扩音器把声音的变化放大了。因此,所谓放大是对差异的程度或变化量而言的。这是我们要注意的第一点。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
4、- - - - - 第 1 页,共 15 页 - - - - - - - - - 第三章放大电路基础2 同时,它们之间还存在一个重要的差别。经过放大镜放大后的影像,其亮度比原来的要弱;利用杠杆得到较大的力,然而物体移动的距离要比加力点经过的距离短;变压器在将电压升高的同时,次级的电流却比初级的电流小了。可见,这几种放大现象都遵循能量守恒的法则。只有扩音器在进行放大时,扬声器能输出比原来大淂多的能量。也就是说扬声器不仅得到放大了的电压,也得到了放大了的电流。那么,这多出来的能量是从哪里来的呢?众所周知,如果把扩音器的电源切断,扬声器将不再发声。可见,能量是由电源供给的。放大电路的作用就是把电源的
5、能量转化为变化的输出量,而这些输出量的变化情况是与输入量的变化情况成比例的。因此,放大作用实质上是一种能量控制作用。具有能量控制作用的器件称为有源器件,比如晶体管、场效应管以及集成运算放大器等。由无源元件组成的电路,即使输出量比输入量大,也不是电子学中定义的放大电路。总之,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。它有以下特点:1. 放大电路主要用于放大微弱信号,输出电压或电流在幅度上得到了放大,输出信号的能量得到了加强。2. 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的,只是经过三极管的控制,使之转换成信号能量,提供给负载。放大电路的结构示意图见图3.1。2. 信号放大电路分类及
6、其模型根据不同的信号特性和应用范围,应设计出不同的放大电路,信号放大电路依据实际的输入信号和所需的输出信号是电压或者电流,可大致分为4 类;电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大电路。(1) 电压放大电路考虑电路的输出电压和输入电压的关系。iVoVAV无量纲电路模型由输入电阻Ri、输出电阻Ro和受控电压源AvoVi三个基本元件构成,其中Vi为输入电压, Avo为输出开路(RL)时的电压增益。受控电压源是一种非独立的电压信号源,此处它受Vi的控制并随其线性变换。从图3.2 可以看出,由于Ro与 RL的分压作用,使负载电阻上的电压信号Vo小于受控电压源的信号幅值,即oLLiVOoRRRVAV图 3
7、.1 放大概念示意图图 3.2 电压放大电路模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 15 页 - - - - - - - - - 第三章放大电路基础3 则电压增益为oLLVOioVRRRAVVAAv受 RL的影响,随RL减小而降低。当Ro Rs时,才能减小Rs对信号的衰减作用。理想放大电路中,Rs。由此可知,电压放大电路适用于信号源内阻Rs较小,负载电阻RL较大的场合。(2) 电流放大电路考虑电路的输出电流和输入电流的关系。iIoIAI无量纲与电压放大电路的不
8、同在于输出回路,它是由受控电流源AISIi和输出电阻Ro并联而成,其中,Ii为输入电流,AIS为输出短路(RL0)时的电流增益。此处受控电流源受输入电流Ii控制。输出电阻Ro和信号源内阻Rs同样也会影响信号的衰减。如图3.3。在输出端,有oLoiISoRRRIAI则带负载时的电流增益为LooISioIRRRAIIA在输入端,有isssiRRRII由此可知,当Ro RL,Ri Rs时,电流放大电路信号衰减小,具有理想的电流放大效果。【同理可分析互阻放大电路、互导放大电路,不再作展开描述】(3) 互阻放大电路考虑电路的输出电压和输入电流的关系。iRoIAV量纲: 理想状态,要求输入电阻Ri0,输出
9、电阻Ro0。ARO为输出开路时的互阻增益。(4) 互导放大电路考虑电路的输出电流和输入电压的关系。iGoVAI量纲: S 理想状态,要求输入电阻Ri,输出电阻Ro。 AGS为输出短路时的互导增益。图 3.3 电流放大电路模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 15 页 - - - - - - - - - 第三章放大电路基础4 根据戴维南Th,四种电流模型可以相互转换,以电压放大电路与电流放大电路的转换为例说明。开路时,电压放大电路的输出电压为AvoVi,而电流
10、放大电路的输出电压为AISIiRo且 IiVi/Ri,两电路等效,即oiiISiVORRVAVA可得: AvoAISRo/Ri。同理可得: AvoARO/Ri,AvoAGSRo。由于四种电路之间互为等效,但是在实际应用电路设计中,只有一种模型最合适、合理,运用最方便。在某些工业控制设备和医疗设备中,从安全和抗干扰方面考虑,在前级信号预放中,采用隔离型放大电路,即放大电路的输入与输出电路(包括供电电源)相互绝缘,输入与输出信号之间不存在任何公共参考点。二. 放大电路的主要性能指标比较两个放大电路,它们分别由电源提供能量,它们所放大的信号都是随时间变化的,且变化是无规律的。比如人说话时的声调与强度
11、的变化就是这样的。这两组信号经过放大电路都被放大了,然而我们能从这里判断出这两个放大电路哪一个更好吗?怎样来衡量放大电路的性能呢?下面我们介绍一些可以定量测定的指标和可以实现的测量方法。性能指标可以分为三种类型:第一种是对应于一个幅值已定、频率已定的信号输入时的性能,这是放大电路的基本性能。第二种是对应于幅值不变而频率改变的信号输入时的性能。第三种是对应于频率不变而幅值改变的信号输入时的性能。(第一种类型的指标)1. 增益(放大倍数)增益是衡量放大电路放大能力的指标。增益反映了放大电路在输入信号控制下,将供电电源能量转换为信号能量的能力。它定义为输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比。输出信号
12、的电压和电流幅度得到了放大,所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关变量如图3.4 所示。电压放大倍数定义为.i.o./=VVAv电流放大倍数定义为.i.o./=IIAi功率放大倍数定义为i.i.o.oio/=IVIVPPAp对应不同的电路模型,有不同的增益,分别为电压增益AV、电流增益AI、互阻增益AR和互导增图 3.4 放大倍数的定义名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页
13、,共 15 页 - - - - - - - - - 第三章放大电路基础5 益 AG。电压增益、电流增益无量纲,工程上常用以10 为低的对数增益表示,基本单位为B(贝尔,Bel) ,也用它的十分之一单位dB(分贝)。dB:decibel。用分贝表示的电压增益和电流增益分别为:电压增益 20lg |AV| dB 电流增益 20lg |AI| dB 功率增益为:功率增益 10lg APdB AV或 AI的负号与对数增益的负号意义注意不要混淆,前者表示输入与输出的相位相差180,后者表示信号是衰减的。例如,电路增益为20 dB,表示信号电压衰减了1/10,即|AV| 0.1。2. 输入电阻作为一个放大
14、电路,一定要有信号源来提供输入信号。例如扩音器是利用话筒将声音转换成电信号提供给放大电路的。放大电路与信号源相连,就是要从信号源取电流。取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度,所以我们定义一个指标,来衡量放大电路对信号源的影响,叫输入阻抗。当信号频率不高不低时,输入电流Ii与输入电压Vi基本同相,因此通常用输入电阻来表示。它定义为:.i.ii/=IVR从图 3.5 可以看出, 输入电阻就是从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电阻Ri越大,放大电路从信号源吸取的电流则小,放大电路输入端所得到的电压Vi越接近信号电压Vs。因此作为量测仪表用的放大电路其Ri要大。但是对于晶体管来说, Ri大
15、则取电流小,将降低放大倍数。所以在需要放大倍数大而信号源内阻Rs为固定值的情况下,晶体管放大电路的Ri又以小一些为好。(无论何种电路模型,对输入电阻都有:RiVi/Ii,它决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。对输入为电压信号的放大电路,即电压放大和互导放大,Ri越大,则放大电路输入端的电压Vi就越大。反之,输入为电流信号的放大电路,即电流放大和互阻放大,Ri越小,流入放大电路的输入电流 Ii就越大。)【如何测试放大电路的输入电阻】:假定在输入端外加一测试电压VT, 【P16 图 1.2.5】根据给定的放大电路内各元件参数就可计算出相应的测试电流IT,则TTiIVR3. 输出电阻(放大电路
16、将信号放大后,总要送到某装置去发挥作用。这个装置我们通常称为负载。比如扬声器就是扩音器的负载。 )同理,从放大电路的输出端看进去有一个等效内阻,通常称为输出电阻Ro。输出电阻是表明放大电路带负载的能力,Ro大,表明放大电路带负载的能力差,反之则强。Ro的定义见图3.6。.o.oo/=IVR图(a)是从输出端加假想电源求Ro,图 (b)是通过放大电路负载特性曲线求Ro。图 3.5 输入电阻的定义名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 15 页 - - - - - -
17、 - - - 第三章放大电路基础6 根据图 3.6(b),在带负载RL时,测得oo, IV,开路时输出为oV。根据上式有LoooLoooooooo 1)/(/)(/ )(/RVVVRVVIVVIVR注意:放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数,只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。(放大电路输出电阻Ro的大小决定了它带负载的能力。对输出为电压信号的放大电路,即电压放大和互导放大,Ro越小,负载电阻RL的变化对输出电压Vo的影响就越小。由于信号输出功率PoVo2/RL,只要负载电阻RL足够大,输出功率将很小,则对电路的功耗就小,常常用在信号的前置放大和中级放
18、大。(对输出为电流信号的放大电路,即电流放大和互阻放大,Ro越大,负载电阻RL的变化对输出电流 Ii的影响就越小。在供电电源电压一定时,这两种放大电路可输出较大的电流信号,则输出功率PoIo2RL较大,电源供给的功率也较大。这种电路通常用于电子系统的输出级,如用作音响系统的扬声器、动力系统的电动机的驱动电路。)(第二种类型的指标)4. 通频带(频率响应及带宽)当只改变输入信号的频率时,发现放大电路的放大倍数是随之变化的,输出波形的相位也发生变化。这就需要有一定的指标来反映放大电路对于不同频率的信号的适应能力。一般情况下,放大电路只适用于放大一个特定频率范围的信号,当信号频率太高或太低时,放大倍
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