第二章基本放大电路.pptx

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1、一、放大倍数（增益）放大倍数是指放大器的输出量 与输入量 之比。即l电压增益：输出电压 与输入电压 之比。即l电流增益：输出电流 与输入电流 之比。即l互阻增益：输出电压 与输入电流 之比。即l互导增益：输出电流 与输入电压 之比。即l在增益表达式中，所有的变量都取向量，这是为了表达增益与频率的关系，具体的表示方式是放大器的幅频特性和相频特性，但是一般情况下只需要关心其幅频特性。（正弦稳态，线性电路）l最常用的增益形式是电压增益和电流增益，尤其是电压增益。而互阻增益和互导增益使用较少。l增益的测试和表达是有一定前提的，这个前提就是信号的失真很小（满足一定的要求），所以，只有放大器输出信号的失真

2、满足给定要求时，增益才有实际意义。第1页/共86页l输入电阻多大合适需要根据信号源的内阻来决定；而放大器的内阻则要根据负载电阻决定。但是，一般要求放大器的内阻大于信号源内阻510倍以上，而负载电阻则要求大于放大器内阻510倍以上。l在低频领域，通常并不要求放大器的输入电阻与信号源内阻匹配，也不要求负载电阻与放大器内阻匹配。这是因为如果放大器的输入电阻与信号源内阻匹配，固然放大器的输入端将会从信号源上获得最大功率（但并不是负载上所获得的最大功率），但是并不能获得最大电压，当放大器的增益一定时，就不能使得负载获得最大电压（功率输出）。l在低频领域，通常也不要求负载电阻与放大器的内阻匹配。这是因为按

3、照放大器输出端的等效电路实现阻抗匹配，使得负载功率（即放大器的输出功率）达到最大时，往往此时已经不满足放大器输出端等效电路的条件了，所以并不实用。二、输入电阻和输出电阻l放大器的输入电阻影响到信号源的电压能否有效地耦合到放大器的输入端。l放大器的输出电阻影响到放大器的输出电压能否有效地耦合到负载上。l耦合电路之间的连接，或者信号的传送。耦合方式即信号的传送方式。l放大器从信号源获得的信号电压和负载从放大器获得的输出电压分别为：放大电路USRLRSRiUoUoUiRo第2页/共86页还应该注意的是，放大器的输入电阻和输出电阻都是在放大器处于线性放大区时才有效的。l输入电阻和输出电阻都是一种等效的

4、概念，是对放大器输入端和输出端的外特性的一种表示。放大器的输出电阻只有在放大器的最大输出电流范围内有效。l输入电阻定义：l输出电阻定义1：Uoo输出开路电压Iosh输出短路电流l输出电阻定义2：Ro外加电压V/电流I内部电压源短路、电流源开路。第3页/共86页三、通频带影响放大器通频带的因素：l耦合元件等影响放大器的低频增益。l结电容等影响放大器的高频特性。低端截止频率高端截止频率带宽=fH-fL第4页/共86页四、非线性失真系数（失真度）D失真度（Distortion）A幅度（Amplitude）A1基波幅度；A2An二次谐波及高次谐波幅度。工程上往往用THD表示失真系数Total Harm

5、onic Distortion。第5页/共86页五、效率l对于大信号的放大器（功率放大器）要求讲究效率。如果功率放大器效率很低，则电源提供的功率大部分将会被放大器自身消耗，而且这将会导致放大器件的发热，这不仅会导致电路的热不稳定，而且为此需要配置大型散热器，和配置大功率的供电电源，导致体积庞大。l对于便携式设备，往往也需要讲究效率，以便便携式电源的功率能够得到充分的利用。l一般情况下，对于小信号放大器不需要讲究效率。l大信号、小信号大信号放大器也称为功率放大器，小信号放大器也称为电压放大器，根据放大器的输出功率划分。一般输出功率大于1W的放大器称为功率放大器；0.5W以下的放大器为小功率放大器

6、，即电压放大器；0.5W1W的放大器称为中功率放大器。第6页/共86页l发射结正偏，集电结反偏。l基极电阻Rb，防止发射结电流过大而烧毁。l基极电源和集电极电源共地。（只要集电极电位高于基极电位就可以实现集电结反偏）l将信号源电压ui作用到发射结上，使得基极电流按照信号电压的变化规律而变化。l通过集电极电阻Rc将集电极电流转换为输出电压uo。使得输出功率大于信号源功率，即使得交流信号得到放大。l为了只采用一个电源，将基极电源与集电极电源合并成一个电源。同时使得信号源电压Ui可以不经过基极电阻Rb而直接耦合到发射结。并且Ui和电源实现共地。l为了防止信号源将基极直流短路到地，在信号源与放大器之间

7、串联一个隔直电容Ci。l为了将集电极电压耦合到负载上，在集电极与地之间接入负载电阻，同时为避免负载对管子集电极直流电位的影响，在集电极与负载之间串联一个隔直电容Co。第7页/共86页管子发射结上的电压相当于两个电压的叠加：直流偏置电压和交流信号电压（管子发射结电压=输入电容Ci上的直流电压+信号源交流电压）。任何时候都要保证发射结的正偏，所以输入电压幅度不能够超过发射结的静态电压VbeQ。第8页/共86页一、静态工作点静态：指在没有输入交流信号（称为动态信号）的情况下的电路状态。工作点：管子的基极和集电极电流和集电极发射极电压（直流）。在管子的输入输出特性曲线上表现为一个坐标点。静态工作点参数

8、：静态基极电流：IBQ静态集电极电流：ICQ静态集电极发射极压降：VCEQ静态基极发射极压降：VBEQ（锗管：0.2V0.3V 硅管：0.6V0.8V）二、为什么要设置静态工作点？第9页/共86页l放大器实际上是利用晶体管的电流放大特性来实现放大的，但是晶体管的这种电流放大特性，需要满足管子的“发射结正偏，集电结反偏”的条件。这就需要设置合适的静态工作点，使得管子能够满足这个条件。l放大器的输入信号必须有效地耦合到管子的发射结，使得基极电流能够按照输入信号的规律变化，从而可以得到比较大的按照信号规律变化的集电极电流，即得到电流放大，再通过集电极电阻将电流变化转换成电压变化，从而实现电压放大，最

9、终实现功率放大。l设置静态工作点就是为了使得管子在输入信号的整个电平范围始终处于放大区，即使得管子既不会进入截止区，也不会进入饱和区（因为无论是截止区还是饱和区，管子不再能够满足集电极电流与基极电流的倍的关系）。l从放大器的输入回路来看，由于发射结本身设置有静态偏置，所以设法使得动态的、有正有负的输入信号电压叠加在发射结的静态偏置之上，只要信号电压幅度与偏置电压合适，就可以保证在整个输入信号的电平范围内，发射结始终处于正偏状态，即整个输入信号的电平范围内管子不会截止。l从放大器的输出回路来看，只要集电极电阻合适，就可以保证在输入信号的整个电平范围内，管子不会饱和（即管子的集电极发射极电压Vce

10、0.3V）。第10页/共86页otVbe=VbeQ+uiVbeQ输入信号幅度uil放大器的输入回路分析：输入回路是指包含有信号源或者电路输入端的回路；而输出回路则是指包含负载或者电路输出端的回路。由基极电源VBB提供基极偏置电流；输入交流信号ui叠加在静态积极电压VbeQ之上，所以，晶体管发射结的波形如下图所示。第11页/共86页l放大器的输出回路分析：由集电极电源Vcc提供对管子集电结的反向偏置。基本关系式：Vcc=Vce+IcRc 或 Vce=VccIcRc=VccIbRc（在假定在输入信号电平范围，发射结总是正偏，集电结总是反偏）式中可以看到，Vce与Ib反相，即Vce与ui反相。Vce

11、波形如下：otVceVceQ输出交流信号otVbeVbeQ输入交流信号第12页/共86页otUb、IbotuiotUc、Icotuo交流耦合放大器第13页/共86页直流供电电源。作用：提供静态偏置电源；为放大器提供输出功率。直流偏置电路。电源基极偏置电阻发射结地线基极偏置回路。电源集电极电阻集电极发射极集电极偏置回路。输入信号有效地作用于发射结。集电极电流尽可能地流过负载电阻。第14页/共86页放大器中各元器件的作用：信号源Ui需要被放大的信号。来自前级电路的信号输出，或者来自各种传感器。输入耦合电容Ci避免信号源对基极直流电位的影响，使得输入交流信号能够耦合到管子的发射结。基极（偏置）电阻R

12、b发射结正偏时的限流电阻。与电源配合，为发射结提供合适的静态基极电流。第15页/共86页集电极电阻Rc两个作用：一是将集电极电流变化转换为电压变化；另一个是与电源配合，为管子提供合适的静态集电极发射极电压，使得管子工作在放大区。输出电容Co避免负载对集电极直流电位的影响，将管子集电极的交流电压耦合到负载RL上。负载电阻RL从放大器的输出端得到信号功率。第16页/共86页直流通路与交流通路直流（静态工作点）是否正常，是交流信号能否正确放大的基本前提。分析时，将直流状态和交流状态分开进行分析，而最终的结果则是直流分析结果和交流分析结果的叠加。条件是：放大器中的管子处于线性区域，即放大区。直流通路（

13、直流等效电路）：将电容视为开路，电感视为短路。第17页/共86页直流通路与交流通路交流通路（交流等效电路）：将耦合电容和旁路电路视为短路（其容量比较大），电压源视为短路，电流源视为开路。第18页/共86页直流通路与交流通路直流等效电路交流等效电路IbQ、IcQVbeQ、VceQIb、IcVbe、VceIb、IcVbe、Vce第19页/共86页直流通路与交流通路IbQ、IcQVbeQ、VceQIb、IcVbe、VceIb=IbQ+Ib、Ic=IcQ+IcVbe=VbeQ+Vbe、Vce=VceQ+Vce第20页/共86页图解分析法晶体管特性曲线（非线性曲线）已知，而晶体管外接电路则是线性电路，很

14、容易得到其线性方程，从而可以在同一个坐标平面上得到交点，该交点即为电路参数的求解值。晶体管输入特性曲线变量：Ib Ube，故晶体管发射结的外电路也需要以此为变量。晶体管输出特性曲线变量：Ic Uce，故晶体管发射极集电极的外电路也需要以此为变量。第21页/共86页图解分析法第22页/共86页图解分析法管子的输入特性曲线：输入回路管子的外电路方程：纵轴截距：横轴截距：Ube(V)204060800.40.8Ib(A)静态工作点Q(IbQ,UbeQ)第23页/共86页图解分析法管子的输出特性曲线：输出回路管子的外电路方程：纵轴截距：横轴截距：静态工作点Q(IcQ,UceQ)第24页/共86页等效电

15、路分析法一、直流模型及静态工作点的估算法条件：管子处于放大区并且忽略ICBO和ICEO。第25页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型H参数混合（Hybrid）参数条件：交流、小信号、管子处于放大区端口1端口2第26页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型ube(V)0.4204060800.8ib(A)uce第27页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型0ic(mA)uce(V)2468101224681012 14 16 18Ib=70AIb=60AIb=50AIb=40AIb=30AIb=20AIb=10A第28页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型第2

16、9页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型对管子的输入输出关系式求全微分：第30页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型令正弦稳态分析才可以用向量第31页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型注意：交流量直流量总量（直流+交流）第32页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型第33页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型各参数的物理意义：h11e实际上是管子在共射组态下的输入电阻。一般用rbe表示。rbe与两个因素有关：与基极静态电流IBQ有关；与集电极发射极电压VCEQ有关。第34页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型各参数的物理意义：h12e

17、晶体管的反向电压传输系数。当uce1V时，h12e0 h12e反映 uce 对管子输入特性曲线的影响。第35页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型各参数的物理意义：h21e晶体管的电流放大倍数。从管子的输出特性曲线上看，h21e与uce有关，但是往往将其近似认为是常数。第36页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效模型各参数的物理意义：h22e晶体管的输出电导，往往将其倒数称为管子的输出电阻，用Roe表示。从管子的输出特性曲线上看，曲线上翘的程度越甚，则h22e越大。但是近似分析时，往往认为该参数为零，即Roe，因为曲线上翘不剧。第37页/共86页等效电路分析法二、共射H参数等效

18、模型第38页/共86页等效电路分析法第39页/共86页等效电路分析法第40页/共86页等效电路分析法第41页/共86页等效电路分析法NPNbec确定管子的输入电阻rbe：l基区体电阻rb（大约几十欧姆几百欧姆）l发射结电阻re（正偏）l发射区体电阻（很小，可忽略不计）第42页/共86页等效电路分析法第43页/共86页等效电路分析法NPNbec确定管子的输入电阻rbe：第44页/共86页例题讲解：例题1电路如图所示：设电路中电阻均为已知，管子的值、发射结导通压降Vbe以及管子的饱和压降均为已知。求：1静态工作点；2最大不削峰输出电压；（空载和满载）3放大器的电压增益、输入电阻、输出电阻（空载和满

19、载）第45页/共86页设管子处于放大区，则：VbeQ可取0.7V或0.3V。如果求出的VCEQ大于0.3V，则说明假设正确，否则说明管子饱和，则VCEQ 0.3V。1求静态工作点第46页/共86页2求最大不削峰输出电压（空载）管子输出回路的外电路方程：纵轴截距：横轴截距：第47页/共86页0ic(mA)uce(V)2468101224681012 14 16 18Ib=70AIb=60AIb=50AIb=40AIb=30AIb=20AIb=10AQ(ICQ,VCEQ)0tibt最大不削峰输出峰值电压：1/2Vcc第48页/共86页0ic(mA)uce(V)2468101224681012 14

20、 16 18Ib=70AIb=60AIb=50AIb=40AIb=30AIb=20AIb=10AQ(ICQ,VCEQ)0tibt饱和截止失真第49页/共86页0ic(mA)uce(V)2468101224681012 14 16 18Ib=70AIb=60AIb=50AIb=40AIb=30AIb=20AIb=10AQ(ICQ,VCEQ)0tibt截止失真：最大不失真输出电压（Vcc-VceQ）第50页/共86页0ic(mA)uce(V)2468101224681012 14 16 18Ib=70AIb=60AIb=50AIb=40AIb=30AIb=20AIb=10AQ(ICQ,VCEQ)t

21、0ibt饱和失真：最大不失真输出电压（VceQ-Vces）第51页/共86页例题讲解：例题1负载开路时，放大器的最大不削峰输出正弦峰值电压：Min(VCEQ-VCES)，(VCC-VCEQ)最佳工作点：第52页/共86页2求最大不削峰输出电压（带载）交流通路第53页/共86页2求最大不削峰输出电压（带载）管子输出端外电路方程：斜率：第54页/共86页2求最大不削峰输出电压（带载）0icuce0IcUceQ(ICQ,VCEQ)交流负载线，交流量直流负载线，直流量第55页/共86页交流量+直流量=总量0IcUceQ(ICQ,VCEQ)0icuce第56页/共86页2求最大不削峰输出电压（带载）0i

22、c(mA)uce(V)2468101224681012 14 16 18Q(ICQ,VCEQ)交流负载线横轴截距：第57页/共86页2求最大不削峰输出电压（带载）0ic(mA)uce(V)2468101224681012 14 16 18Q(ICQ,VCEQ)最佳工作点：从而：从而：第58页/共86页在管子临界截止瞬间，得到最大输出正峰值电压Vo+max：输出电容Co上的电压就是VCEQ在管子临界饱和瞬间，得到最大输出负峰值电压Vo-max：令Vo+max=Vo-max，得到：第59页/共86页3求放大器的电压增益AV交流通路第60页/共86页放大器的输出电压放大器的输入电压放大器的电压增益第

23、61页/共86页放大器的输入电阻放大器的输出电阻归总第62页/共86页放大器的静态工作点对放大器性能的影响：l 影响放大器的动态范围。l 影响放大器的动态参数：输入电阻、电压增益等。温度对放大器的静态工作点的影响：l 基极电流固定时，温度越高，发射结压降越小；发射结压降固定时，温度越高，基极电流越大。l 温度升高，则管子的电流放大倍数增大；温度升高，管子的穿透电流ICEO将增大。l 总的现象是，温度升高，管子的集电极电流IC增大。第63页/共86页典型的静态工作点稳定电路直流通路如果基极电位VBQ能够稳定不变，则发射及电阻Re的接入，使得电路的静态工作点具有良好的温度稳定性。因为电路具有如下的

24、自动调节过程：T Ic VeQ VbeQ Ic 第64页/共86页Ic是管子输出端的量，而VbeQ则是管子输入端的量。通过一定的方式将放大器输出端的量反过来作用到输入端从而对放大器性能产生影响，这种作用方式称为反馈。而如果反馈的结果是使得放大器回到原先的状态，则称为负反馈。由于在这种自动调节的过程中要求基极静态电位VbQ尽可能稳定不变（不受基极电流大小的影响），所以一般要求流过Rb1和Rb2的电流I远远大于基极电流Ib，一般要求满足I(510)Ib。但是Re的接入会导致放大器电压增益的大幅度下降，所以在Re的两端并联上旁路电容Ce。第65页/共86页交流等效电路射极电阻Re和射极旁路电容Ce的

25、接入只影响放大器的直流状态和动态范围，而不影响放大器的交流参数。第66页/共86页不接入射极旁路电容的影响交流等效电路第67页/共86页线性模型电压增益：输出电压：输入电压：电压增益：第68页/共86页输入电阻：发射极接入电阻Re而不采用旁路电容Ce则使放大器的输入电阻增大。第69页/共86页思考题：电路如下图所示。l 放大器增益l 放大器的输入电阻l 射极电阻Re1、Re2对电路直流和交流的影响。l 如果电容Ci、Co和Ce都是电解电容，则极性应如何标注？第70页/共86页 要利用晶体管的电流放大作用构成放大电路，则必须将信号作用到晶体管的发射结。晶体管的集电极和发射极都可以用作放大器的输出

26、端，这是因为无论是集电极电流还是发射极电流都对基极电流实现了放大，所以，无论是在管子的集电极还是发射极串联电阻都可以实现将放大的电流转换成电压，形成放大器的输出。晶体管的基极不能用作放大器的输出端，因为基极电流是信号源电流，不是被放大的电流。将信号源作用到管子的发射结时，既可以将发射极作用公共端（地线），也可以将基极作为公共端，从而构成不同组态的放大器。不同组态的放大器性能特点不同，使用在不同的情况下。第71页/共86页共集电极放大器射极跟随器交流电路输入和输出回路均以集电极作为参考地线端，所以称为共集电极组态。第72页/共86页输入电阻：共集电极放大器射极跟随器注意：l 共集电极放大器的输入

27、电阻比较大。l 负载电阻RL对输入电阻有影响。第73页/共86页输出电阻：共集电极放大器射极跟随器第74页/共86页输出电阻：共集电极放大器射极跟随器共集电极放大器的输出电阻很小，一般只有十几欧姆几十欧姆。在求解输出电阻时，当输出开路和输出短路时发射极电流是不同的。第75页/共86页电压增益：共集电极放大器射极跟随器共集电极放大器电压增益小于1，但是接近1。故共集电极放大器又称为电压跟随器，也称为射极跟随器。共集电极放大器依然具有功率增益。第76页/共86页总结：1射极跟随器（射随器）输入电阻大。2射极跟随器输出电阻小。3射极跟随器电压增益小于1，约等于1。共集电极放大器射极跟随器第77页/共

28、86页共基极放大器第78页/共86页共基极放大器交流通路第79页/共86页共基极放大器输入电阻：第80页/共86页共基极放大器输出电阻：电压增益：归总第81页/共86页三种组态的比较第82页/共86页三种组态的比较输入电阻输出电阻电压增益共射组态共集组态共基组态共集电极放大器只有电流增益，没有电压增益；共基极放大器只有电压共集电极放大器只有电流增益，没有电压增益；共基极放大器只有电压增益，没有电流增益；共发射极放大器既有电压增益，也有电流增益，增益，没有电流增益；共发射极放大器既有电压增益，也有电流增益，故功率增益最大。故功率增益最大。但是就放大器的带宽而言，共基极放大器带宽最宽；共集电极放大

29、器次但是就放大器的带宽而言，共基极放大器带宽最宽；共集电极放大器次之；共发射极放大器带宽最窄。之；共发射极放大器带宽最窄。共射放大器与射随器结合，可以较好解决与信号源和负载配接问题；共共射放大器与射随器结合，可以较好解决与信号源和负载配接问题；共射放大器与共基放大器结合，可以较好解决增益和带宽问题。射放大器与共基放大器结合，可以较好解决增益和带宽问题。第83页/共86页作业：P126P127二、（a）（f）P126P127 三、四P1282.1、2.2、2.3、2.4P1302.6、2.7、2.8P1312.12、P1322.17习题讲解：P1282.5P1322.17第84页/共86页基波二次谐波基波二次谐波三次谐波四次谐波基波二次谐波三次谐波第85页/共86页感谢您的观看！第86页/共86页