第二章放大电路分析基础.pptx
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1、放大的概念:放大的概念:本质:实现能量的控制。在放大电路中提供一个能源,由能量较小的输入信号控制这个能源,使之输出较大的能量,然后推动负载。小能量对大能量的控制作用称为放大作用。放大的对象是变化量。元件:双极型三极管和场效应管。这里主要介绍电压放大电路。第1页/共124页2.1放大电路工作原理放大电路工作原理2.2放大电路的直流工作状态放大电路的直流工作状态2.3放大电路的动态分析放大电路的动态分析2.4静态工作点的稳定及其偏置静态工作点的稳定及其偏置2.5多级放大电路多级放大电路第2页/共124页2.1 放大电路工作原理放大电路工作原理放大电路的组成原理放大电路的组成原理 图21 基本共射极
2、放大电路(1)电路结构 由NPN型三极管和若干电阻、电容等组成。如图2-1所示。(2)各元件的作用V:NPN型三极管,放大电路的核心器件,用来实现放大作用。UBB:保证发射结处于正向偏置,为基极提供偏置电流。Rb:为三极管的基极提供合适的偏置电流,并使发射结获得必须的正向偏置电压。UCC:保证集电结处于反偏,以确保三极管工作在放大状态;也为输出信号提供能量。第3页/共124页 图21 基本共射极放大电路RC:其作用是将集电极电流的变化转换成集射电压的变换,以实现电压放大。同时电源UCC通过RC加到三极管上,使三极管获得合适的工作电压,所以也起直流负载的作用。C1、C2:耦合电容,作用是“隔离直
3、流,传送交流”。一般用电解电容,连接时电容的正极接高电位,负极接低电位。RL:电路的外接负载,可以是耳机、扬声器或其他执行机构,也可以是后级放大电路的输入电阻。(3)放大电路的组成原则保证三极管工作在放大区,发射结正偏,集电结反偏,具备合适的静态工作点。保证输入信号加到三极管的输入回路。保证信号电压输送至负载(即在输出回路能得到放大了的交流信号)。第4页/共124页(4)电路的习惯画法 图21中使用两个电源UBB和UCC,这给使用者带来不便。在实际中,常采用单电源供电,其画法如图22所示。图22 单电源共射极放大电路的习惯画法第5页/共124页直流通路和交流通路直流通路和交流通路 分析三极管电
4、路的基本思想:非线性电路经适当近似后可按线性电路对待,利用叠加定理,分别分析电路中的交、直流成分。直流通路:电容相当于开路,电感相当于短路。交流通路:电容短路,电感开路,直流电源对公共端短路。静态:只考虑直流信号,即Ui=0,各点电位不变(直流工作状态)。动态:只考虑交流信号,即Ui不为0,各点电位变化(交流工作状态)。图22 单电源共射极放大电路的习惯画法第6页/共124页图23 基本共射极放大电路的直流通路和交流通路 放大电路建立正确的静态,是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态,正确地区分直流通路和交流通路。第7页/共124页2.2放大电路的直流工作状态放大电路的直
5、流工作状态静态工作点的求解方法解析法图解法建立正确的静态工作点(简称Q点)目的:使三极管工作在线性区以保证信号不失真。静态分析的任务:根据电路参数和三极管的特性确定静态值(直流值)UBE、IB、IC 和UCE。可用放大电路的直流通路来分析。第8页/共124页解析法确定静态工作点(近似计算)解析法确定静态工作点(近似计算)硅管 UBEQ=(0.6 0.8)V锗管 UBEQ=(0.1 0.2)VICQ IBQUCEQ=UCC ICQ RC图2-3(a)第9页/共124页【例1】图示单管共射放大电路中,UCC=12 V,Rc=3 k,Rb=280 k,NPN 硅管的 =50,试估算静态工作点。解:设
6、 UBEQ=0.7 VICQ IBQ =(50 0.04)mA=2 mAUCEQ=UCC ICQ Rc =(12 2 3)V=6 V第10页/共124页图解法确定静态工作点图解法确定静态工作点在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。输出回路从ab端向左看,iC=f(uCE)三极管的输出特性方程从ab端向右看,uCE=UCC-iCRc 直流负载线第11页/共124页输出回路输出特性直流负载线Q图图 2-4由静态工作点 Q 确 定 的 ICQ、UCEQ 为静态值。解析法求出第12页/共124页【例2】图示单管共射放大电路及特性曲线中,已知 Rb=280 k,Rc=3
7、k ,集电极直流电源 UCC=12 V,试用图解法确定静态工作点。解:首先估算 IBQ做直流负载线,确定 Q 点根据 UCEQ=UCC ICQ RciC=0,uCE=12 V;uCE=0,iC=4 mA.图2-5(a)第13页/共124页0iB=0 A20 A40 A60 A80 A134224681012MQ静态工作点静态工作点IBQ=40 A,ICQ=2 mA,UCEQ=6 V.uCE /V由 Q 点确定静态值为:iC /mA图2-5(b)第14页/共124页电路参数对静态工作点的影响电路参数对静态工作点的影响1.改变 Rb,保持UCC,Rc,不变;OIBiCuCE Q1Rb 增大,Rb
8、减小,Q 点下移;Q 点上移;Q2OIBiCuCE Q1Q32.改变 UCC,保持 Rb,Rc,不变;升高 UCC,直流负载线平行右移,动态工作范围增大,但管子的动态功耗也增大。Q2图图 2-6(a)图图 2-6(b)第15页/共124页3.改变 Rc,保持 Rb,UCC,不变;4.改变 ,保持 Rb,Rc,UCC 不变;增大 Rc,直流负载线斜率改变,则 Q 点向饱和区移近。OIBiCuCE Q1Q2OIBiCuCE Q1Q2增大 ,ICQ 增大,UCEQ 减小,则 Q 点移近饱和区。图图 2-6(c)图图 2-6(d)第16页/共124页电路及参数如下图所示,试求静态工作点。电路及参数如下
9、图所示,试求静态工作点。第17页/共124页图解法分析动态特性图解法分析动态特性1.交流通路的输出回路 输出通路的外电路是Rc 和 RL 的并联。2.交流负载线交流负载线交流负载线交流负载线斜率为OIBiC /mAuCE /VQ静态工作点静态工作点图 2-7交流负载线2.3 2.3 放大电路的动态分析放大电路的动态分析特点:经过Q点第18页/共124页 交流负载线具体作法如下:首先作一条 的辅助线(此线有无数条),然后过Q点作一条平行于辅助线的线即为交流负载线,如图2-7所示。由于 ,故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。交流负载线也可以通过求出在uCE坐标的截距,再与Q点相连即可得到。连接Q
10、点和 点即为交流负载线。第19页/共124页 【例3】作出图2-5(a)的交流负载线。已知特性曲线如图2-5(b)所示,UCC=12V,Rc=3k,RL=3k,Rb=280k。解 首先作出直流负载线,求出Q点,如例2所示。为方便将图2-5(b)重画于图2-8。显然作一条辅助线,使其取U=6 V、I=4mA,连接该两点即为交流负载线的辅助线,过Q点作辅助线的平行线,即为交流负载线。可以看出 相一致。与按 相一致。第20页/共124页图2 8 例 3 中交流负载线的画法第21页/共124页 仍以例3为例,设输入加交流信号电压为ui=Uimsint,则基极电流将在IBQ上叠加进ib,即iB=IBQ+
11、Ibmsint,如电路使Ibm=20A,3.3.交流波形的画法 从图2-8交流负载线可读出相应的集电极电流 iC和电压uCE,列于表2-1。第22页/共124页第23页/共124页单管共射放大电路当输入正弦波 uI 时,放大电路中相应的 uBE、iB、iC、uCE、uO 波形。图图 2-10单管共射放大电路的单管共射放大电路的电压电流波形电压电流波形第24页/共124页图图 2-9(a)输入回路工作情况输入回路工作情况0.680.72 uBE iBtQ000.7t6040200uBE/ViB/AuBE/ViBUBE第25页/共124页交流负载线交流负载线直流负载线4.57.5 uCE912t0
12、ICQiC/mA0IB =4 0 A2060804Q260uCE/ViC/mA0tuCE/VUCEQ iC图图 2-9(b)输出回路工作情况分析第26页/共124页共射极放大电路中各点波形第27页/共124页 观察各点波形,可以得出以下几点结论:a).放大器输入交变电压时,三极管各极电流的方向和极间电压的极性始终不变,只是围绕各自的静态值,按输入信号规律近似呈线性变化。b).三极管各极电流、电压的瞬时波形中,只有交流分量才能反映输入信号的变化,因此,需要放大器输出的是交流量。c).将输出与输入的波形对照,可知uo比ui幅度放大且相位相反。通常称这种波形关系为反相或倒相。第28页/共124页 放
13、大电路的非线性失真放大电路的非线性失真1.1.由三极管特性曲线的非线性引起的失真图2 10 三极管特性的非线性引起的失真第29页/共124页 2.2.工作点不合适引起的失真(1)静态工作点过低,引起 iB、iC、uCE 的波形失真ibui结论:iB 波形失真OQOttOuBE/ViB/AuBE/ViB/AIBQ 截止失真第30页/共124页iC、uCE(uo)波形失真NPN 管管截截止止失失真真时时的输出的输出 uo 波形。波形。uo=uceOiCtOOQ tuCE/VuCE/ViC/mAICQUCEQ第31页/共124页解决方法:将输入回路中的基极偏置电阻Rb减小,以增大IBQ、ICQ,从而
14、使静态工作点Q上移,保证在输入信号的整个周期内,三极管工作在输入特性的线性部分,便可解决截止失真问题。第32页/共124页OIB=0QtOO NPN 管 uo波形tiCuCE/VuCE/ViC/mAuo=uceib(不失真)ICQUCEQ(2)Q 点过高,引起 iC、uCE的波形失真饱和失真第33页/共124页解决方法:将输入回路中的基极偏置电阻Rb增大,以减小IBQ、ICQ,从而使静态工作点Q下移,进入三极管放大区的中间位置,便可解决饱和失真问题。另外,还可以通过调节RC的大小来改善饱和失真。第34页/共124页 指当工作状态已定的前提下,逐渐增大输入信号,三极管尚未进入截止或饱和时,输出所
15、能获得的最大不失真输出电压。如ui增大首先进入饱和区,则最大不失真输出电压受饱和区限制,Ucem=UCEQ-Uces;如首先进入截止区,则最大不失真输出电压受截止区限制 ,最大不失真输出电压值,选取其中小的一个。如图2-12所示,所以3.3.最大不失真输出电压第35页/共124页图2 12 最大不失真输出电压第36页/共124页OiB=0QuCE/ViC/mAACBDE交流负载线 Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ=QB,CD=DE第37页/共124页 关于图解法分析动态特性的步骤归纳如下:(1)首先作出直流负载线,求出静态工作点Q。(2)作出交流负载线。根据要求从交流负载线可画出输出电
16、流、电压波形,或求出最大不失真输出电压值。1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系;2.方便估算最大输出幅值的数值;3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响;4.有利于对静态工作点 Q 的检测等。图解法小结第38页/共124页微变等效电路法微变等效电路法 三极管在小信号(微变量)情况下工作时,可以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。微变等效条件研究的对象仅仅是变化量信号的变化范围很小第39页/共124页 三极管处于共e极状态时,输入回路和输出回路各变量之间的关系
17、由以下形式表示:输入特性:输出特性:式中iB、iC、uBE、uCE代表各电量的总瞬时值,为直流分量和交流瞬时值之和,即(1)h参数的引出第40页/共124页用全微分形式表示uBE和iC,则有(2-8)(2-9)第41页/共124页令第42页/共124页则(2-8)、(2-9)式可写成(2-14)(2-15)则式(2-14)、(2-15)可改写成(2-16)(2-17)第43页/共124页图2 13 完整的h参数等效电路第44页/共124页(2)h参数的意义和求法三极管输出交流短路时的输入电阻(也可写成hie)三极管输入交流开路时的电压反馈系数(也可写成hre)第45页/共124页三极管输出交流
18、短路时的电流放大系数(也可写成hfe)三极管输入交流开路时的输出导纳(也可写成hoe)第46页/共124页图2 14 从特性曲线上求出h参数第47页/共124页 由于h12、h22是uCE变化通过基区宽度变化对iC及uBE的影响,一般这个影响很小,所以可忽略不计。这样(2-16)、(2-17)式又可简化为 可见,这四个参数具有不同的量纲,而且要在输入开路或输出交流短路条件下求得。注意:h参数都是小信号参数,即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关,在放大区基本不变。第48页/共124页图2 15 三极管简化等效电路Ib是受控源,且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与Ib的方向是关联的。一般
19、用测试仪测出;rbe与Q点有关,可用图示仪测出,一般用公式估算。说明:第49页/共124页图 2 16 rbe估算等效电路第50页/共124页估算公式:低频、小功率管 rbb 约为 300 。第51页/共124页三种基本组态放大电路的分析三种基本组态放大电路的分析(1)放大倍数1.放大电路的性能指标电压放大倍数Au电流放大倍数Ai第52页/共124页互导放大倍数Ag 互阻放大倍数Ar 源电压放大倍数Aus 功率放大倍数Ap 第53页/共124页(2)输入电阻 ri从放大电路输入端看进去的等效电阻。对信号源来说,放大器相当于它的负载,ri则表征该负载能从信号源获取多大信号。一般来说,ri越大越好
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- 第二 放大 电路 分析 基础
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