第五章--基本放大电路资料.pptx

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1、5.1 组成原理和直流偏置电路基本放大器是指由一个晶体管构成的单级放大电路。晶体管的一个基本应用就是构成放大器。所谓放大，是在保持信号不失真的前提下，使其由小变大、由弱变强。其实质是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。根据输入、输出回路公共端所接的电极不同，分为共射极、共集电极和共基极放大电路。第1页/共82页一、基本放大器的组成原理+-Us Rs RBRCRL+-+-UBBUCCUo+-+C1+-Ui C2+共射极放大器的原理电路电容：隔直流通交流，使放大器的直流偏置与信号源和负载相互隔离。放大器的组成三原则:1、合适的静态工作点：减小直流功耗，ICQ 应较小。2、输入信号必须加在b

2、e回路：uBE对iC灵敏控制作用，只有将信号加在发射结，才能得到有效放大。3、合理通畅的直流和交流信号通路：一是保证稳定Q点，二是尽可能减少信号损耗。第2页/共82页二、直流偏置电路作用：在信号的变化范围内，晶体管处于正常放大状态。偏置电路提供一个适合的静态工作点Q。1、偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定，集电极位于输出回路，故要求ICQ和UCEQ稳定。2、对直流和信号的传输损耗应尽可能小。3、电路形式要简单。如采用单电源，尽可能少用电阻等。对偏置电路的要求是：第3页/共82页1、固定偏流电路合理选择RB，RC的阻值，获得适当的Q点。UCC 通过 RB 使 e 结正偏。特点

3、：电路简单，点的稳定性差。当温度变化或更换管子时，外电路固定IBQ，、ICBO的变化集中到ICQ和UCEQ上，Q点产生较大漂移，甚至进入饱和或截止区。第4页/共82页调节原理ICQIEQUEQ(=IEQRE)UBEQ(=UBQ-UEQ)IBQ ICQ2、电流负反馈型偏置电路IB的相反变化自动抑制IC的变化。工作点的计算：RE越大，调节作用越强，Q点越稳定。RE过大时，因UCEQ过小会使Q点靠近饱和区。第5页/共82页3、分压式偏置电路：电流负反馈型偏置电路的改进电路RB1、RB2固定UB。特点：I1IBQ，即RB1、RB2的取值愈小愈好。RB1、RB2过小，增大电源UCC的损耗。兼顾RE和UC

4、EQ有：I1一般：ICQUEUBE IBQ ICQ 第6页/共82页电路分析：UCCRB=RB1RB2UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)工作点的计算：RB1、RB2取值不大时，ICQ：在基极端用戴维南定理等效电路第7页/共82页 例电路如图所示。已知=100，UCC=12V，RB1=39k，RB2=25k，RC=RE=2k，计算工作点ICQ和UCEQ。UCCUBB=UCCRB2/(RB1+RB2)=4.7VRB=RB1RB2=39|25=15k等效电路解：第8页/共82页若按估算法直接求ICQ，有：两者方法误差很小。故在分析中可按估算法来求工作点。在集成电路中广泛采用电流源作偏置，直接设

5、定ICQ。单电源下共射极放大电路如图：射极为电路参考点。第9页/共82页三、直流通路和交流通路 基本放大电路为交直流混合电路，故定量分析有二：1、直流(静态)工作点：各极直流电流和极间直流电压。2、交流(动态)性能：在输入信号作用下，确定工作点处各极电流和极间电压的变化量，放大器的交流指标。对应放大电路的两种通路：直流通路和交流通路。直流通路：电容开路，电感短路，保留直流电源。交流通路：根据信号频率不同，电抗极小的大电容、小电感短路，电抗极大的小电容、大电感开路，电抗不容忽略的电容、电感保留，直流电源对地短路(其内阻很小)。第10页/共82页直流通路：耦合电容C1,C2开路图示共射放大器交流通

6、路：耦合电容C1,C2短路 UCC对地短路 第11页/共82页5.2 放大器图解分析法 图解法：在晶体管特性曲线上，用作图的方法确定及其信号作用下的相对变化量。形象直观粗略。等效电路法：利用器件模型进行电路分析的方法。运算简便误差小分析方法 本节以共射极放大电路为例，介绍图解法。第12页/共82页一、直流图解法 直流图解：在晶体管特性曲线上，用作图方法确定直流工作点，求出IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。直流负载线与晶体管输出特性曲线相交于Q点(UCEQ,ICQ)IBQ、UBEQ在 输 入 特 性 曲 线 上 求 解，一 般 取 UBEQ=0.7V（Si管）或0.3V（Ge管）。信号输入端：

7、IBQ、UBEQ 信号输出端：ICQ、UCEQ第13页/共82页共射极放大电路的交流直流通路如图：RBUCCRCICQ+-UCEQIBQRCUoUi+-RBRL+-+-UCEiCiBQ点满足：特性曲线方程直流负载线方程iC/mAuCE/V0UCCNMUCCRCiB=IBQQUCEQICQRCUCE Q Q1Q1RBIBQQ Q3Q2RBRB Q4Q3RC RC RC第14页/共82页二、交流图解分析交流图解：确定放大管各级电流和极间电压的变化量。输入双极性信号引起 iB在 IBQ周围的波动变化，在一个周期内Q点沿交流负载线围绕静态工作点波动，引起iC和uCE分别围绕ICQ和UCEQ作相应的波动

8、。根据输入特性曲线，可以绘出 iB和 uBE 的变化。根据交流负载线和输出特性曲线，绘出iC和uCE的变化。第15页/共82页RCUoUi+-RBRL+-+-UCEiCiBt0uBE iBminiBmaxQUBEQICQuBE iB0t0iBIBQ输出集电极回路交流负载特性：iC/mAuCE/V0UCCUCCRCQ交流负载线Q1Q2tiC0IBQiBminiBmaxt0uCE第16页/共82页(2)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。(3)输出与输入的变化规律正好相反，称这种波形关系为反相。观察波形，有以下几点结论：(1)输入交变电压

9、时，各极电流方向和极间电压极性始终不变，围绕各自的静态值，按输入信号规律近似呈线性变化。第17页/共82页截止失真Q点设置过低，集电极电流过小，引起iB,iC和uCE的失真。饱和失真Q点设置过高，集电极电流过大，引起iC和uCE的波形失真。三、放大器非线性失真第18页/共82页放大器输出动态范围：不失真输出电压的最大值Uom二者取小为Uom输出动态范围Uopp：Uopp=2Uom。Q点位于交流负载线中心，Uopp最大。第19页/共82页 5.3 放大器的交流等效电路分析法交流(或动态)分析：确定Q点处由输入信号的变化引起各极电压和电流的偏移量，并分析变化量间的大小及相互关系。小信号下，在不大的

10、变化范围内，Q点处可用直流关系来近似伏安特性曲线，从而将晶体管简化为线性有源器件，得到Q点处的交流小信号等效线性电路。第20页/共82页一、晶体管交流小信号电路模型共发射极晶体管uceibubeicuBE=UBEQ+ube ,iB=IBQ+ibiC =ICQ+i c,uCE=UCEQ+ucerbe：ube 对 ib 的控制gmubeubeucerbercerbcbcegmube：ube 对ic控制作用第21页/共82页交流结电阻rbe：ube控制iB的作用，为Q点处uBE对iB的导数。发射结交流电阻第22页/共82页ube对ic的控制：c，e极间的电压控制电流源来等效，即：ic=gmubegm

11、称为正向传输电导，简称跨导，表征ube对ic的控制能力。共射极交流电流放大系数第23页/共82页根据以上分析，可得晶体管的共射极交流等效电路模型为rce：集电极输出电阻 rbc：集电极反向传输电阻uceibubeicuce 的变化引起iC的相应变化，用交流电阻rce等效。即：特性曲线在工作点处切线斜率的倒数gmubeubeucerbercerbcbce模拟基区调宽效应的等效参量第24页/共82页uce引起的ib变化用交流电阻rbc等效，其值为厄尔利UA：特性曲线左延长相交于一点A，A相对原点的折合电压，表示基区调宽效应的强弱。UA越大，调宽效应越弱。其值很大一般忽略第25页/共82页晶体管的寄

12、生效应分析晶体管体电阻：rbb、rcc、ree基区很薄，rbb阻值较大，高频管为几十欧姆，低频管为几百欧姆rcc和ree很小，可以忽略不计Cbc为集电结电容，由于反偏，故主要为势垒电容。Cbe为发射结电容，由于正偏，故主要为扩散电容。第26页/共82页+-+-rbbrbeCbeCbcrbcrceuceubeebbcgmube 高频时的混合型电路模型+-+-rbbrberceUceUbeebbcgmUbe低频时的混合型电路模型+-+-rberceUceUbeebbcgmUbe小电流时的压控型电路模型小电流时的流控型电路模型+-+-rberceUceUbeebcIbIbIc第27页/共82页二、共

13、射极放大器的交流等效电路交流模型分析放大器的步骤：第一步，根据直流通路估算直流工作点；第二步，确定放大器交流通路，用晶体管交流模型替换晶体管得出放大器的交流等效电路；第三步，交流等效电路计算放大器的各项交流指标。射极电容CE的作用，使得在交流下，射极接地。第28页/共82页分析电路的性能指标有：电压放大倍数 Au=Uo/Ui电流放大倍数 Ai=Io/Ii输入电阻 Ri=Ui/Ii输出电阻 Ro=Uo/Io源电压放大倍数 Aus=Uo/UsCE交流等效电路第29页/共82页1、电压放大倍数Au 讨论：1）Au rbe,RLRC，则:共射极放大器具有电压和电流放大，故有很高的功率增益。3、输入电阻

14、 Ri第31页/共82页4、输出电阻 根据 Ro的定义，在输出端加一电压Uo，并将Us短路时，从输出端看进去的电阻，此时，I b=0，I b=0，5、源电压放大倍数Aus|Aus|R s，则A us A u。6.将旁通电容CE开路即发射极接有电阻RE时的情况 第32页/共82页旁通电容CE开路时的交流等效电路如图：体现了RE的自动调节(负反馈)作用，使得输出随输入的变化受到抑制，从而导致Au减小。第33页/共82页输入电阻：当(1+)RErbe时，则有射极电阻 RE 折合到基极支路应扩大(1+)倍。输入电阻：R i=RB1RB2RI 明显增加 输出电阻：R o=R C第34页/共82页 例图中

15、RB1=75k，RB2=25k，RC=RL=2k，RE=1k，UCC=12V，晶体管采用3DG6管，=80，r bb=100，Rs=0.6k，求Q点ICQ、UCEQ及Au、Ri、Ro和Aus等指标。解：按估算法计算Q点第35页/共82页计算交流指标：第36页/共82页 例上例中，将RE变为两个电阻RE1和RE2串联，且RE1=100,RE2=900，CE接在RE2两端，求交流指标。解 交流等效电路如图：RE=RE1+RE2，直流通路未变，因而Q点不变。第37页/共82页 由于RE1的接入，电压放大倍数Au：808.8，但输入电阻增大，使得Aus（-8.8）与Au（-8）的差异明显减小。第38页

16、/共82页5.4 共集电极放大器和共基极放大器一、共集电极放大器CC 共集电极放大器的性能指标：电压放大倍数 Au 电流放大倍数 Ai 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro第39页/共82页1、电压放大倍数Aub、Au 0，Uo与 Ui 同相，Uo Ui，故又称为射极跟随器。讨论：a、Au 恒小于1，但接近1。(1+)RL rbe，Au接近于1，共集电极电路没有电压放大能力。第40页/共82页2、电流放大倍数Ai忽略RB1、RB2的分流作用，Ib=Ii，则输出电流Io：CC：有电流放大能力，故有功率放大能力。3、输入电阻Ri与CE相比，CC电路的输入电阻更大。第41页/共82页4、输出电阻Ro当输出

17、端外加电压Uo，而将Us短路并保留内阻Rs有下图：由于基极电阻的等效使得共集电极输出电阻很小。结论：共集电极放大器输入电阻大而输出电阻小。第42页/共82页二、共基极放大器CBCB的性能指标：电压放大倍数 Au电流放大倍数 Ai输入电阻 Ri输出电阻 Ro第43页/共82页1、电压放大倍数 Au与CE的电压放大倍数相同，但为正。U i 与 U o 同相。2、电流放大倍数 Ai由于输入电流 Ii Ie，而输出电流 第44页/共82页3、输入电阻Ri若Ui=0，则Ib=0，Ib=0，显然有共基极放大器的输入电阻很小。4、输出电阻Ro共基极电路具有电压放大能力，故有功率放大能力。第45页/共82页

18、三、三种基本放大器性能比较CE：具有电压和电流增益，作放大器的主放大级。电压放大时，Ri不够大，Ro不够小；电流放大时，Ri不够小，Ro不够大。CC：Ri大而Ro小，接近理想电压放大器，Au1，常用于多级放大器的输入或输出级，实现阻抗变换：高阻电压低阻电压源，或将低阻负载高阻负载。CB：Ri小而Ro大，接近理想电流放大器，Ai1，低阻的输入电流无衰减的变换为高阻电流源，或将高阻负载变换为低阻负载，实现电流的传输和放大。第46页/共82页第47页/共82页例电路如图，晶体管参数=100,rbe=2k。为满足一下要求，电路接成什么组态？三个端点、如何连接。R S+-U S2k123RERCR B5

19、00k2k2k12VUCC1)要求源电压的放大倍数最大，并求AUS=？2)要求Uo-US？3)要求UoUS？4)要求接上RL=1k负载，UoUS，并求输出电阻Ro。5)要求同时获得一对大小相等极性相反的输出信号。第48页/共82页解：1）共射组态：接信号，接输出，接地。共基组态的输入电阻远小于共射组态，因而选择共射组态。2）射极接电阻的共射组态：接信号，接输出，开路。射极接电阻，使得共射组态AUS显著减小，R i 增大，AUS-1。第49页/共82页3）共集电极组态：接信号，接地或开路，接负载。若为共基极组态：接地，接输出，接信号源。两种接法，均满足Uo US。但共基极接法中，输入电阻为0.0

20、2K，实际中必须考虑信号源能否承受如此小的负载。第50页/共82页4）共集电极组态：接信号，接地或开路，接负载。对开路的射极组态，AUS=1，但Ro很大，RC=2k，接1k负载后其增益仅为（2|1）/2=0.33。5）应分别接成共集电极和共射极组态：接信号，为反相输出端，为同相输出端。该电路通常称为分离倒相器。第51页/共82页5.5 场效应管放大器一、场效应管偏置电路 JFET与耗尽型MOS管的UGS与UDS的极性必相反，采用自偏压电路。增强型MOSFET，UGS和UDS极性相同且大于开启电压，应采用分压式偏置电路以提高栅极电位。N沟道FETGDS 分压式偏置电路适用于所有的场效应管偏置第5

21、2页/共82页场效应管偏置电路的要求：结型场效应管：N-JFET：uGS0 P-JFET：uGS 0,uDS 0,uDS 0 N沟道耗尽型MOSFET：uGS可正可负且uGSUGSOFF,uDS 0 P沟道增强型MOSFET：uGS 0,uDS 0 P沟道耗尽型MOSFET：uGS可正可负且uGSUGSOFF,uDS 0第53页/共82页1、图解法栅源回路直流负载线方程为N沟道FETGDSuGSiD0IDQUGSQQRS1-自偏压电路uGSiD0IDQUGSQQRS1-分压式偏置电路第54页/共82页2、解析法工作点：电流方程及栅源直流负载线方程组的合理解JFET场效应管N沟道增强型N沟道耗尽

22、型自偏压栅源负载线分压式栅源负载线电流方程负载线第55页/共82页二、场效应管的低频小信号电路模型 偏置在恒流状态下的共源场效应管如图：Ugs为交变电压时，栅极电流为零，漏极端产生受控电流gmUgs，故有等效电路FET+-Ugs+-UdsGDS+-Ugs+-UdsGDSrdsgmUgsIo其中gm，为场效应管Q点处的跨导，rds为模拟沟道长度调制效应等效的输出电阻。rds一般在几十k以上，可忽略。第56页/共82页三、场效应管放大器1、共源放大器 场效应管放大器有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。共源放大器电路及其低频小信号等效电路如图RSC1C2C3RLRGUiUo+-+-UDDRDRLR

23、GRD+-Ui+-UoGDSrdsgmUgs+-UgsRLRGRD+-Ui+-UoGDSrdsgmUgs+-UgsRiRo第57页/共82页例电路如图，已知工作点处的 gm=5mA/V，试画出交流等效图，若 Rs=1k，计算Au、Ri 和 Ro，并说明 RG3的作用。解：源极接有电阻 RS，交流等效电路如图：第58页/共82页忽略 rds 的影响，输入电压为：IG=0，隔离电阻RG3的接入不影响分压式电路所设定的Q工作点。从输出电阻的计算可知，RG3使分压式偏置电路的Ri大为提高，利于电压放大器。第59页/共82页RGRL+-Ui+-UoGDSRSgmUgs+-Ugs 共漏放大器的电路及其相应

24、的等效电路如图：2、共漏放大器第60页/共82页 戴维南定理，可得输出电阻的等效电路如图：RGRLUi=0+-UoGDSRSgmUgs+-UgsRoRoIoIo第61页/共82页 共栅放大器的电路及交流等效电路如图：3、共栅放大器RSRLUiUo+-+-UDDRD-RSRL+-Ui+-UoGDSRDgmUgs+-UgsRoRiRi第62页/共82页第63页/共82页5.6 放大器的级联 获得较高的放大倍数及合适的输入、输出电阻，将多个基本放大电路级联，组成“多级放大电路”。一、级间耦合方式耦合方式：多级放大器各级之间的连接方式级间耦合的要求：1 各级放大器有合适的直流工作点；2 前级输出信号尽

25、可能不衰减地加到后级输入。单级放大电路中存在电路与信号源以及负载之间的耦合。耦合方式：阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。第64页/共82页阻容耦合：通过电容器将后级电路与前级相连接，如图：阻容耦合特点：1、各级的Q点相互独立2、电容适当大，低频信号可以实现无衰减的传递，但不宜集成化。3、电路的温漂小阻容耦合举例：第65页/共82页变压器耦合：变压器通过磁耦合将原边的交流信号传送到副边，可作耦合元件，实现级联。特点：1、各级Q点相互独立，基本上没有温漂现象。2、变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。3、低频应用时变压器体积大，笨重，不利于小型化。但在高频电路中应用广泛。第66

26、页/共82页直接耦合：前级的输出端直接或通过恒压器件连接到下级的输入端。特点：可使缓变信号获得逐级的放大，利于集成。特点是电路简单，能放大交、直流信号。存在问题：1、Q点互相影响，须考虑各级间直流电平的配置问题。2、零点漂移严重。前级电路的温漂会逐级放大，输出端的温漂电压很大，因此采用同种类型的管子，放大器的级数不能太多。第67页/共82页直接耦合中的电平配置实例：垫高后级的发射极电位稳压管电平移位电阻和恒流源电平移位NPN、PNP级联第68页/共82页二、级联放大器的性能指标计算分析方法：通过计算每一单级指标来分析多级指标。在级联放大器中，计算前级输出时，其负载为后级的输入电阻，则该级的输出

27、信号就是后级的输入信号。一个n级放大器的总电压放大倍数Au为 级联放大器的输入电阻就是第一级的输入电阻Ri1：级联放大器的输出电阻就是最末级的输出电阻Ron：第69页/共82页例图（a）为NPN和PNP管构成的两极直接耦合共射极放大器，其交流通路见图（b）。分析其交流性能指标。解：第70页/共82页三、组合放大器 根据放大倍数、Ri、Ro及其它性能的要求，三种基本放大电路组合，获得各具特点的组合放大器。1、共集共射(CCCE)和共射共集(CECC)组合放大器 CC：Ri大，Ro小，作输入级构成CCCE组合，电路的Ri很高，源电压增益近似为后级CE的电压增益。CC电路作为输出级，构成CECC电路

28、，放大器具有低的输出电阻，增强在电压放大时带重负载的能力（尤其容性负载的能力）。第71页/共82页CCCECECC第72页/共82页例 电路如图。已知晶体管=100,rbe1=3k,rbe2=2k,rbe3=1.5k，试求放大器的输入电阻、输出电阻及源电压放大倍数。CCCECC第73页/共82页解：电路的组态及其特点分析：CCCECC 电路采用正、负电源，保证输入和输出端的直流电位为零，用稳压管VZ和二极管VD1分别垫高V2，V3管的射极电位。在交流分析时，动态电阻很小而视为短路。输入电阻输出电阻第74页/共82页 源电压放大倍数 Au：第75页/共82页2、共射共基(CECB)组合放大器 C

29、B电路的输入电阻很小，使得共射放大器只有电流增益而没有电压增益。共基电路只是将共射电路的输出电流接续到输出负载上。CECB组合放大器的增益相当于负载为RL(=RCRL)的一级共射放大器的增益。第76页/共82页结论：接入低阻共基电路使得共射放大器电压增益减小，也大大减弱了共射放大管内部的反向传输效应。好处：1、提高了电路高频工作时的稳定性；2、明显改善了放大器的频率特性。因而在高频电路中CECB组合放大器获得广泛应用。第77页/共82页 欢 迎 提任 何 问 题第78页/共82页题解1：下列电路可否放大交流信号，简述理由（图中所有电容对交流信号短路）可以放大直流电源作用于信号源,Rs很小,信号源易烧毁12V作用下,T的发射结电压过大,极易烧毁C2短路,Vcc交流对地短路,输入信号不能正常接入三极管第79页/共82页题解2：电路如图示，求Au、Ri和Ro，的表达式。设静态时R2中的电流远大于T2管的基极电流，且R3中的电流远大于T1管的基极电流。题解2 电路题解2 直流通路题解2 交流通路第80页/共82页解：第81页/共82页感谢您的观看！第82页/共82页