《放大电路动态分析》PPT课件.ppt

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1、第二章第二章 放大电路动态分析放大电路动态分析 本章从放大电路的本章从放大电路的交流通路交流通路入入手，在输入低频小信号的条件下，手，在输入低频小信号的条件下，器件用线性电路模型等效，然后用器件用线性电路模型等效，然后用电路原理中的一些方法，来分析和电路原理中的一些方法，来分析和计算放大电路的主要技术指标，所计算放大电路的主要技术指标，所以本章是电子电路分析的基础，要以本章是电子电路分析的基础，要求熟练掌握。求熟练掌握。2.2.1 2.2.1 放大电路的动态性能指标放大电路的动态性能指标 一、输入信号源和输出负载一、输入信号源和输出负载 1、输入信号源输入信号源 适用于单端与地之间输入信号的适

2、用于单端与地之间输入信号的放大电路放大电路单端信号源单端信号源信号源为电压源信号源为电压源信号源为电流源信号源为电流源 适用于双端输入信号的放大电路适用于双端输入信号的放大电路双端双端信号源信号源(对称信号源对称信号源)用于测量应力的电阻应变片电桥电路用于测量应力的电阻应变片电桥电路 集成运算放大器具有集成运算放大器具有双端对称输入的功能双端对称输入的功能 电桥处于平衡状态：电桥处于平衡状态：受力后：受力后：反映了材料受力的大小反映了材料受力的大小（2 2）输入信号的波形）输入信号的波形 正弦稳态信号正弦稳态信号如音频信号，频率范围在几十赫至几十千赫的正弦如音频信号，频率范围在几十赫至几十千赫

3、的正弦波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几几十毫波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几几十毫伏伏 慢变信号或直流信号慢变信号或直流信号如由温度等非电量经传感器转换所得的信号，随时间变化如由温度等非电量经传感器转换所得的信号，随时间变化缓慢。缓慢。直流输入信号应看作是相对于零的变化，切勿与静态值相直流输入信号应看作是相对于零的变化，切勿与静态值相混淆。混淆。瞬变信号瞬变信号瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电路有快速的瞬态响应。路有快速的瞬态响应。2 2、放大电路的负载、放大电路的负载 放大电路的负载种类很多，对不同的负载，放大电路的

4、负载种类很多，对不同的负载，要求有不同的指标输出。要求有不同的指标输出。只要求放大器有足够大的电压幅度输出，如放只要求放大器有足够大的电压幅度输出，如放大器负载是高内阻的电压表；大器负载是高内阻的电压表；只要求放大器有足够大的输出电流，如放大器只要求放大器有足够大的输出电流，如放大器负载是继电器线圈；负载是继电器线圈；要求放大器有足够大的输出功率，即既要有大要求放大器有足够大的输出功率，即既要有大的输出电压幅度，还要有尽量大的输出电流。如低的输出电压幅度，还要有尽量大的输出电流。如低频功放的负载是扬声器，能放出响亮的声音。频功放的负载是扬声器，能放出响亮的声音。(1)增益增益又称放大倍数，衡量

5、放大电路放大电又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号能力。最常用的是信号能力。最常用的是电压增益电压增益：开路电压增益开路电压增益：负载开路（即：负载开路（即RL=）时的电压增益。时的电压增益。源电压增益源电压增益：二、放大电路的主要性能指标二、放大电路的主要性能指标增益常用分贝（增益常用分贝（dB)作为单位，作为单位，1分贝分贝1/10贝贝尔，源于功率增益的对数：尔，源于功率增益的对数：“0dB”相当于相当于 Av1；“20dB”相当于相当于 Av10；“40dB”相当于相当于 Av100；“-20dB”相当于相当于Av；“-40dB”相当于相当于Av；分贝分贝当用于电压增益时当用于电压增益时

6、：(2)输入电阻输入电阻Ri输入电阻输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻，是从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压与输入电流之比。定义为输入电压与输入电流之比。输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。Ri越大越大，则信号源内阻上的压降越小，放大电路所得，则信号源内阻上的压降越小，放大电路所得到的输入电压越接近信号源电压。到的输入电压越接近信号源电压。输入电阻影响源电压增益输入电阻影响源电压增益(3)输出电阻输出电阻Ro放大电路放大电路负载开路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。时从输出端看进去的等效电阻。输出电阻输出电

7、阻Ro的大小，反映了放大电路带负载的能的大小，反映了放大电路带负载的能力。力。Ro越小越小，则放大电路，则放大电路带负载能力越强带负载能力越强，电路，电路输出越接近恒压源输出。输出越接近恒压源输出。VoIo Ro小小Ro大大VooRo=0放大电路负载特性放大电路负载特性开路输出电压开路输出电压Voo输出电阻输出电阻Ro的确定：的确定：分析电路时采用在输分析电路时采用在输出端反加等效信号源出端反加等效信号源的方法。的方法。在实验室采用测量的在实验室采用测量的方法。方法。(4)通频带通频带当放大电路的信号频率很低或很高时，由于电路中当放大电路的信号频率很低或很高时，由于电路中存在的电抗元件以及晶体

8、管的存在的电抗元件以及晶体管的结电容和极间电容结电容和极间电容的的影响，放大电路的电压放大倍数在低频段或高频段影响，放大电路的电压放大倍数在低频段或高频段都要降低，只有在中频段范围内放大倍数为常数。都要降低，只有在中频段范围内放大倍数为常数。放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数的的 (即倍即倍)时的频率分别称为上限频率和下限频时的频率分别称为上限频率和下限频率（也称率（也称-3dB-3dB频率）。频率）。上限频率上限频率：fH下限频率下限频率：fL通频带通频带：通频带越宽通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应，表明放大电路对不同频率信号

9、的适应能力越强。能力越强。如对于扩音机电路，其通频带应大于音频范围如对于扩音机电路，其通频带应大于音频范围(20Hz20kHz)。-3dB频频率率(5)最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电压压(或输出电流或输出电流)的峰值，用的峰值，用Vom(或或Iom)表示。表示。截止失真截止失真：由于进入截止区而产生的失真。：由于进入截止区而产生的失真。饱和失真饱和失真：由于进入饱和区而产生的失真。：由于进入饱和区而产生的失真。工作点在交流

10、负工作点在交流负载线中点时的最载线中点时的最大输出电流幅度大输出电流幅度工作点在交流负载线中点时工作点在交流负载线中点时的最大输出电压幅度的最大输出电压幅度iC/mA0 5 10 15 20vCE/V3210iB=0uA15uA35uA55uAQiB=IBQ+ib =35+20sint(A)ABiC/mAtICQtvCE/VVCEQ工作点偏高工作点偏高饱和失真时饱和失真时的电压波形的电压波形饱和失真：饱和失真：由于进入饱和区而产生的失真由于进入饱和区而产生的失真最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度iB=0uAiC/mA0 5 10 15 20vCE/V321030uA50uA70uA80uA3

11、5uAQQiC/mAtvCE/Vt饱和失真时饱和失真时的电流波形的电流波形饱和失真的原因是：饱和失真的原因是：静态工作点偏高，静态工作点偏高，输入信号幅度过大。输入信号幅度过大。饱和压降饱和压降QiC/mA0 5 10 15 20vCE/V3210iB=0uA15uA60uA80uA35uAQiC/mAtvCE/Vt由于进入截止区而产生的失真由于进入截止区而产生的失真截止失真：截止失真：截止失真时的截止失真时的电压波形电压波形最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度截止失真时的截止失真时的电流波形电流波形截止失真的原因是：截止失真的原因是：静态工作点偏低，静态工作点偏低，小信号放大时，输小信号放大

12、时，输入信号幅度太大。入信号幅度太大。半导体三极管和场效应管的低频小信号模型半导体三极管和场效应管的低频小信号模型一、三极管的低频小信号模型一、三极管的低频小信号模型(1)输入回路输入回路b-e之之间等效为一间等效为一动态电动态电阻阻rbe。分析各分析各变化量变化量或或交流分量交流分量之间的关系之间的关系全微分全微分:(2)输出回路输出回路，集电极电流的变化，集电极电流的变化iC可以看作可以看作iB和和vCE分别单独变化时引起的。分别单独变化时引起的。全微分全微分:也可从图上看也可从图上看,集电极电流的变化集电极电流的变化iC可以看作可以看作iB和和vCE分别单独变化时引起。分别单独变化时引起

13、。当当vCEVCEQ不变不变时，时，当当iBIBQiB不变不变时时,当当iB和和vCE同时作用同时作用时，时，所以，输出回路所以，输出回路c-e间的模型由间的模型由受控电流源受控电流源“iB”和和c-e间间动态输出电阻动态输出电阻rce并联组成。并联组成。动态输出电阻动态输出电阻rce一般一般很大很大，通常可以忽略。，通常可以忽略。be+-ce+-也可用交流量也可用交流量表示表示:只适用于只适用于低频低频小信号下。小信号下。讨讨论论的的是是变变化化量量或或交交流流分分量量，不不允允许许出出现现直直流流量量或或瞬瞬时时量符号。量符号。微变参数，微变参数，与与Q点有关点有关，不是固定常数。，不是固

14、定常数。电流源电流源“iB”方向和大小由方向和大小由iB决定。决定。无论对无论对NPN型或型或PNP型都是如此。型都是如此。rbe可用公式估算可用公式估算：在应用三极管低频小信号模型时应注意：在应用三极管低频小信号模型时应注意：rbb约为约为100300VT26mV 由网络方程导出模型由网络方程导出模型vBE=h11iB+h12vCEiC=h21iB+h22vCEh11是输出端交流短路时的输入电阻是输出端交流短路时的输入电阻h21是输出端交流短路时的电流放大系数是输出端交流短路时的电流放大系数h22是输入端交流开路时的输出电导是输入端交流开路时的输出电导由于四个参数的量纲不同，故称混合参数（由

15、于四个参数的量纲不同，故称混合参数（H参数参数）模型。当忽略模型。当忽略h12时，时，H参数等效模型与小信号模型是参数等效模型与小信号模型是相同的相同的。h12输出电压的变化对输入端电输出电压的变化对输入端电压的变化的影响，可忽略不计。压的变化的影响，可忽略不计。h12是输入端交流开路时的电压反馈系数是输入端交流开路时的电压反馈系数二、场效应管的低频小信号模型二、场效应管的低频小信号模型gs+-ds+-VDDVDD/RdQQ输入回路输入回路：由于场效应管的：由于场效应管的栅极电流为零栅极电流为零，输入回路栅极源，输入回路栅极源极之间可用开路来等效。极之间可用开路来等效。输出回路输出回路：受控电

16、流源：受控电流源“gmvGS”和动态电阻和动态电阻rds并联。并联。gm：低频跨导，它表征了：低频跨导，它表征了vGS对对iD的的控制能力控制能力。rds：输出电阻（动态电阻），通常可忽略。：输出电阻（动态电阻），通常可忽略。受控电流源方向：受控电流源方向：对对6种类型种类型FET都适用都适用。基本放大电路的动态分析基本放大电路的动态分析交流通路交流通路：是指放大电路在输入信号作用下，与是指放大电路在输入信号作用下，与信号电流和信号电压相关的通路，仅用于研究电路信号电流和信号电压相关的通路，仅用于研究电路的动态性能指标。的动态性能指标。动态分析是在放大电路的动态分析是在放大电路的交流通路交流通

17、路基础上，假定放基础上，假定放大器件工作在大器件工作在线性放大区线性放大区内，利用其内，利用其小信号模型小信号模型建建立放大电路的等效电路，然后计算电路的电压放大立放大电路的等效电路，然后计算电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等倍数、输入电阻、输出电阻等动态性能指标动态性能指标。w所有所有耦合电容耦合电容和和旁路电容旁路电容当作交流短路；（当作交流短路；（容量设计得容量设计得很大，容抗很小，很大，容抗很小，可忽略不计。）可忽略不计。）w所有所有直流电源直流电源当作交流短路。（当作交流短路。（理想电压源对交流信号而言，理想电压源对交流信号而言，其交流变化量为零，其交流变化量为零，可交流短路。

18、）可交流短路。）交流通路的画法交流通路的画法一、放大电路的三种基本组态一、放大电路的三种基本组态 共射组态共射组态(CE)共集组态共集组态(CC)共基组态共基组态(CB)FET放大电路的三种基本组态放大电路的三种基本组态 共源组态共源组态(CS)共漏组态共漏组态(CD)共栅组态共栅组态(CG)二、基本放大电路的动态分析二、基本放大电路的动态分析求静态工作点，根据求静态工作点，根据Q点计算小信号模型参数，点计算小信号模型参数，如如rbe；确定交流通路；确定交流通路；画出画出微变等效电路微变等效电路；计算动态性能指标（如计算动态性能指标（如Av、Ri、Ro）。）。放大电路分析的一般步骤：放大电路分

19、析的一般步骤：1共射放大电路的动态分析共射放大电路的动态分析求电压放大倍数求电压放大倍数计算输入电阻计算输入电阻计算输出电阻计算输出电阻2共集放大电路的动态分析共集放大电路的动态分析求电压放大倍数求电压放大倍数且且共集放大电路的电压放大共集放大电路的电压放大倍数倍数近似为近似为1，又称为，又称为射射极跟随器极跟随器。计算输入电阻计算输入电阻计算输出电阻计算输出电阻求电压放大倍数求电压放大倍数计算输入电阻计算输入电阻计算输出电阻计算输出电阻3共基放大电路的动态分析共基放大电路的动态分析RoRc【例例】三三极极管管CE放放大大电电路路如如图图所所示示，设设三三极极管管在在静静态态工工作作点附近的点

20、附近的50,rbb=200W W。试计算：。试计算：（1）Av、Ri、Ro；（2）若若改改用用100的的三三极极管管，重重新新计计算算Av、Ri、Ro；（3）若不接）若不接Ce，对电路的性能指标有何影响？，对电路的性能指标有何影响？（1）k mA mA解：解：RbRe（1）（2）若改用）若改用100的三极管的三极管 mA mARe能能抑制温漂抑制温漂，稳定静态，稳定静态工作点，工作点，还允许还允许在一定在一定范围内选择范围内选择。=50=100IEQ 1.3mA 1.36mAAv -62 -71rbe 1.2k 2.1k（3）若不接）若不接Ce为什么需要为什么需要接旁路电容接旁路电容Ce？【例

21、例】由由三三极极管管构构成成的的电电流流源源电电路路如如图图所所示示。设设三三极极管管的的50，rce50 k。要求：。要求：（1）写出）写出IC与与VZ的关系式；的关系式；（2）计计算算电电流流源源的的输输出出电电阻阻Ro；（3）分分析析当当负负载载电电阻阻RL改改变变时，电流源的静态工作条件。时，电流源的静态工作条件。解：解：（1）mA（2）计算）计算Ro该电流源电路有该电流源电路有很高的输出电阻很高的输出电阻，因而具有较，因而具有较理想的恒流源特性。理想的恒流源特性。当当 时，时，（3）当负载电阻）当负载电阻RL增大到使增大到使VCEQ时，晶体管进时，晶体管进入饱和区，入饱和区，ICQI

22、EQ，因而，因而ICQ无法继续保持恒流。无法继续保持恒流。该恒流源电路仅允许负载该恒流源电路仅允许负载RL在在0576之之间变化。间变化。4FET放大电路的动态分析放大电路的动态分析共源（共源（CS）放大电路）放大电路共漏（共漏（CD）放大电路）放大电路共栅（共栅（CG）放大电路）放大电路直流负载线方程直流负载线方程直流负载线直流负载线+-Rb+-vi交流负载线方程交流负载线方程直流负载线直流负载线直流负载线方程直流负载线方程交流负载线交流负载线截止失真饱和失真最大不失真输出幅度三、放大电路三种组态性能指标的比较三、放大电路三种组态性能指标的比较、多级放大电路、多级放大电路多级放大电路可以充分

23、利用各个单级放大电路的优点，满多级放大电路可以充分利用各个单级放大电路的优点，满足各种不同的要求。足各种不同的要求。1级间耦合级间耦合连接原则：连接原则：静态时各级应设置合适的静态工作点；静态时各级应设置合适的静态工作点；动态时信号能实现畅通有效的传递。动态时信号能实现畅通有效的传递。阻容耦合阻容耦合优点是电路简单，各级静优点是电路简单，各级静态工作点相不影响，在态工作点相不影响，在分分立元件电路立元件电路中应用广泛。中应用广泛。缺点是不能放大频率较低缺点是不能放大频率较低的信号和直流信号，的信号和直流信号，低频低频响应较差响应较差，且不便于集成，且不便于集成化。化。优优点点是是低低频频特特性

24、性好好，可可以以放放大大变变化化缓缓慢慢的的信信号号，易易于于集集成成化化。缺缺点点是是各各级级静静态态工工作作点点相相互互影影响响，分分析析、设设计计和和调调试试较较困困难难；并并且且还还存存在在零零点点漂漂移移问题。问题。直接耦合直接耦合 变压器耦合变压器耦合优点是各级静态工优点是各级静态工作点互不影响，能作点互不影响，能实现实现阻抗变换阻抗变换。缺。缺点是点是频率特性不好频率特性不好，且非常笨重。且非常笨重。光电耦合光电耦合抗干扰能力强抗干扰能力强，数字电路中应用广泛。，数字电路中应用广泛。2多级放大电路的性能指标多级放大电路的性能指标应考虑应考虑负载效应负载效应：后一级放大电路的输入电

25、阻：后一级放大电路的输入电阻作为前一级放大电路的负载对它的影响。作为前一级放大电路的负载对它的影响。多级电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，当多级电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，当第一级为第一级为CC电路时，应考虑第二级输入电阻的影响。电路时，应考虑第二级输入电阻的影响。多级电路的输出电阻就是末级放大电路的输出电阻，当末多级电路的输出电阻就是末级放大电路的输出电阻，当末级电路为级电路为CC电路时，应考虑末前级输出电阻的影响。电路时，应考虑末前级输出电阻的影响。CE（T1）和）和CC（T2）组成）组成 交流通路交流通路（CE组态，组态，Ri2为第一级负载）为第一级负载）（CC

26、组态，组态，T2射极负载射极负载 ）CE（T1）和）和CE（T2）组成）组成 交流通路交流通路 e2c22vo1vo1【例】【例】分析图示电路，画出交流通路，设分析图示电路，画出交流通路，设T T1 1、T T2 2和和T T3 3的的，r rbebe相同，试说明各电路组态，指出输出电压相同，试说明各电路组态，指出输出电压和输入电压间的相位关系和输入电压间的相位关系 解解:T1为为CE组态，输出与组态，输出与输入相差输入相差180，即，即 T2为为CB组态，输出与输组态，输出与输入同相位，即入同相位，即 T3为为CC组态，输出与输组态，输出与输入同相位，即入同相位，即所以所以输出输出与与输入输入之间的相之间的相位：位：【例例】已知已知125，rbb=300，求，求（1）电压放大倍数；）电压放大倍数；（2）输入电阻）输入电阻c1RbR1R2rbe1Re1ib1ib1Re2rbe2ib2ib2R4+vi_b2e2c2b1e1+vo_解：解：（1）Rb2ReRb1RbAc1RbR1R2rbe1Re1ib1ib1Re2rbe2ib2ib2R4+vi_b2e2c2b1e1+vo_Ri2（2）c1RbR1R2rbe1Re1ib1ib1Re2rbe2ib2ib2R4+vi_b2e2c2b1e1+vo_Ri2Ri