实用模拟电子技术教程第5章电子.ppt

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1、实用模拟电子技术教程主编：徐正惠副主编：刘希真 张小冰第二篇 分立元器件组成的放大电路 本篇着重介绍有关放大电路的基础知识；由分立元器件组成的常用基本放大电路的结构、工作原理、性能指标和分析方法；放大电路中的负反馈及其对放大电路性能的影响；常用基本放大电路应用电路设计；介绍直接耦合放大电路的零点漂移及差分放大电路的结构、工作原理、性能指标。通过讨论，为模拟集成电路的学习和应用打下基础。第5章 放大电路的基础知识 学习要求：掌握放大电路放大倍数、输入阻抗、输出阻抗和最大输出幅度等主要性能指标的定义；学会在信号源内阻不等于零的情况下，运用输入电阻计算放大电路输入端电压；学会运用输出阻抗计算负载电阻

2、两端的电压；掌握放大电路幅频特性、相频特性的定义；了解上限频率和下限频率的含义；了解放大电路效率的定义；了解基本放大电路的含义。第二篇分立元器件组成的放大电路1、放大电路的组成 5.1 放大电路的组成和分解 各种电子设备，从收录机、电视机、摄象机、电冰箱、空调机等家用电子设备，直至各种工业检测、控制设备等，一般都需要有一个部件来将微弱的电信号（电压、电流或功率）放大到所需要的强度。这一部件或装置即称为放大电路。用方框图来表示放大电路，如上图所示，它有四个端口，两个是信号输入端，两个是信号输出端，习惯上将输入端画在方框的左边，输出端画在方框的右边。放大电路的基本功能是对输入量进行放大，使输出量的

3、强度比输入量大。2、放大电路的分解 5.1 放大电路的组成和分解 实际的放大电路千变万化，品种繁多，为了设计和应用上的方便，一个复杂的放大电路常可以分解为若干个“级”，电路对信号的放大是逐级进行的，如下图所示。基本放大电路的概念：按照放大电路组成和结构上的特点，又可以将复杂的放大电路分解为若干基本的单元，每一个单元都具有独立的放大功能，我们将这些单元称为基本放大电路。复杂放大电路的每一级都由某种基本放大电路或由基本放大电路演变而来的单元电路组成。2、放大电路的分解 5.1 放大电路的组成和分解 基本放大电路分类 每个基本放大电路一般都由一只具有放大功能的晶体管或场效应管和若干电阻、电容、电感等

4、线性元件组成。常见的基本放大电路有以下5种：（1）基本共射极放大电路；（2）基本共集电极放大电路；（3）基本共基极放大电路；（4）基本共源极放大电路；（5）基本共漏极放大电路。前三种基本放大电路中具有放大功能的是晶体管，每种电路都包含一只晶体管；后两种基本放大电路具有放大功能的器件是场效应管，每一种电路都包含一只场效应管。本篇重点介绍(1)、(2)、(4)、(5)等基本放大电路。3、放大电路的静态和动态 5.1 放大电路的组成和分解静态输入信号等于零时，放大电路仍需通电，这时放大电路所处的状态称为放大电路的静态。处于静态时，放大电路中各元器件都会有电压或有电流通过，我们将静态情况下晶体管、场效

5、应管等元器件所通过的电流、所具有的电压，称为静态电流、电压。动态输入信号不等于零时放大电路所处的状态，称为放大电路的动态。处于动态时，放大电路中晶体管、场效应管等元器件所通过的电流及所具有的电压，在原来静态值的基础上，还要考虑输入信号引起的变动部分，实际的电流、电压是静态值和变动部分的总和。静态值是不随时间变化的，因此也称晶体管、场效应管等元器件电流、电压的直流成分，变动部分则称为交流成分。5.1 放大电路的组成和分解我们将求解放大电路中电流、电压静态成分的过程称为放大电路的静态分析或直流分析；将求解电流、电压变动（交流）部分的过程称为动态、或交流分析。下面以扩音机放大电路为例说明上述概念。静

6、态分析：就是求出无话音信号输入时，各级放大电路中晶体管、场效应管等元器件所通过的静态电流及所具有的电压。动态分析：就是求出有话音信号输入时，各级放大电路中晶体管、场效应管等元器件所通过的交流电流及所具有交流电压。各元器件所通过的总电流、电压，是静态直流成分和交流成分之和。5.2.1电路符号规定 5.2 放大电路的性能指标在对放大电路进行分析时，为了有效地区分电路的静态电压、电流和动态（交流）的电压、电流信号，需要对电流、电压的符号作些规定。表中的规定可归纳为以下几个要点：电流、电压符号规定 1、电压、电流的瞬时值（直流成分和交流成分之和）用小写的字母i、u加大写的下标来表示，如iC表示流过集电

7、极的电流的瞬时值。5.2 放大电路的性能指标 2、电压、电流的直流分量用大写的字母I、U加大写的下标来表示，如IC表示集电极电流的直流分量。晶体管、场效应管静态时的电流、电压，则在下标后面再加大写字母“Q”。3、电压、电流交流分量的符号部分，表示瞬时值时用小写字母，表示有效值、峰值时用大写字母；交流分量的下标部分一律用小写字母表示。例如Ic表示集电极电流交流分量的有效值，Im表示集电极电流交流分量的峰值。4、电源电压用字母“V”加下标表示，VCC表示正电源。5.2.1电路符号规定 5.2 放大电路的性能指标表示集电极电流t时刻的总瞬时值iC等于静态直流ICQ和交流分量ImSin(t+)之和，交

8、流分量(正弦波)的峰值为Im，角频率为，初位相为。例如，三极管集电极电流表达式 5.2.1电路符号规定Im iC ICQ t 集电极电流交流分量的有效值Ic和峰值Im的关系是5.2.2 放大电路的主要性能指标 5.2 放大电路的性能指标 放大电路品质的优劣由一系列性能指标来表征。放大电路的基本功能是放大电信号，因此这些指标的作用，主要是评价放大电路的放大能力和信号保真能力。常用的放大电路性能指标有放大倍数、输入输出电阻等等。这些指标可以通过一系列实验来测定，测试时通常在放大电路的输入端加上一个输入信号ui，然后测量输出端的信号uo，计算输出量和输入量的关系，最后就可以确定放大电路的各项技术指标

9、，测试技术指标的示意图如下：5.2.3 输入电阻 5.2 放大电路的性能指标 从放大电路输入端看进去的等效电阻称为放大电路的输入电阻，用符号Ri表示。在放大电路输入端测得的电压ui的有效值为Ui，测得流入放大电路的电流ii的有效值为Ii，则放大电路输入电阻为：由于电流的测量比较复杂，在已知信号源内阻RS信号源开路电压US的情况下也可以通过下面的公式计算放大电路内阻Ri5.2.3 输入电阻 5.2 放大电路的性能指标 例5-1已知一信号源的内阻RS=10k，信号源电压有效值US=20mV，将这一信号加到放大电路的输入端，试计算：（1）设放大电路输入电阻Ri1=1 k，求放大电路输入端得到的输入信

10、号电压Ui1=？（2）假设放大电路输入电阻改变为Ri2=100 k，求这时放大电路输入端得到的输入信号电压Ui2=？解：放大电路输入端得到的信号电压，是信号电压US在放大电路内阻Ri上的分压，因此：5.2.3 输入电阻 5.2 放大电路的性能指标 第二种情况下放大电路输入端得到的信号是第一种情况的十倍。原因是信号加到放大电路的输入端时，放大电路要从信号源索取电流，输入电阻越大，从信号源所取的电流越小，输入端的信号电压就越高。因此，通常希望放大电路的输入电阻大一些好。5.2.4 放大倍数 5.2 放大电路的性能指标 将一个较小的正弦波信号电压加到放大电路的输入端，在输出端就可测得放大了的正弦信号

11、，放大电路的这种功能称为放大电路的放大作用。但要注意，正弦波信号有三个要素：幅度、角频率和相位，一个正弦波电压经过放大电路放大的同时，一般说，相位也可能发生变化。因此，为了全面反映放大电路对于正弦波信号的放大作用，需要将放大电路的电压放大倍数 定义为输出电压相量 和输入电压相量 的比值，即：用相量的指数表达式，上式可表示为：U0、Ui各为输出和输入电压的有效值 为电压放大倍数的幅度 反映输出电压与输入电压相位关系。5.2 放大电路的性能指标 由上式可知，电压放大倍数的定义既反映了放大电路对于输入电压幅度的放大作用，同时也反映输出电压与输入电压之间的相位关系。一般情况下，这种关系比较复杂，但在以

12、下两种情况下，上述表达式将变得较为简单：1、如果放大后，输出电压的相位与输入电压相同，这时反映相位关系的指数因子等于1，电压放大倍数等于：2、如果放大后，输出电压的相位与输入电压相差180，即输出电压与输入电压在相位上存在倒相的关系，则反映相位关系的指数因子等于1，电压放大倍数等于：5.2.4 放大倍数 5.2 放大电路的性能指标工程上常用分贝（dB）来表示放大倍数，称为增益。增益和相对应的放大倍数之间的关系如以下各式所示：除电压放大倍数以外，放大电路的放大作用还可以通过电流放大倍数、源电压放大倍数 和功率放大倍数 来描述，其定义分别为：电压增益：电流增益：功率增益：注意放大倍数和增益之间是对

13、数关系，放大倍数每增大10倍，增益增加20 dB。5.2.5 输出电阻 5.2 放大电路的性能指标式中Uo、Io为电压uo及电流io的有效值。放大电路输出电阻Ro定义为输入端信号短路（即us=0，但保留Rs），输出端负载开路（即RL=）时，输出端外加一个电压uo 与由此产生的输出端电流io 的比值，即输出电阻Ro等于：为了测量放大电路的输出电阻，可采用以下的方法：将信号源电压加到放大电路输入端，使放大电路输入端的电压ui维持不变，先使输出端负载开路，测得的输出电压以Uo1表示，然后接上阻值为RL的负载电阻，这时测得的输出电压以Uo2表示 输出电阻测量 5.2 放大电路的性能指标由此解得：为了测

14、量放大电路的输出电阻，可采用以下的方法：将信号源电压加到放大电路输入端，使放大电路输入端的电压ui维持不变，先使输出端负载开路，测得的输出电压以Uo1表示，然后接上阻值为RL的负载电阻，这时测得的输出电压以Uo2表示，则得：输出电阻的大小反映放大电路带负载的能力，输出电阻越小，放大电路带负载的能力越强，因此放大电路的输出电阻越小越好。例5-2已知放大电路的负载电阻RL=8，不接负载的情况下电压放大倍数Au=50（放大倍数的负号表示输出电压与输入电压之间有图5-6所示的倒相关系），测得输入电压有效值Ui=0.05V，试求：（1）放大电路输出电阻R01=100时，负载两端的电压U01=？（2）放大

15、电路输出电阻R02=0.1时，负载两端的电压U02=？5.2 放大电路的性能指标接负载后，U01是U0经输出电阻R01和负载RL分压所得的结果，因此：解：根据式（5-5），求得负载开路情况下输出端电压U0等于：U02是U0经输出电阻R02和负载RL分压所得的结果，因此：5.2.6 最大输出幅度 5.2 放大电路的性能指标 在放大电路的输入端输入正弦波电压ui，放大后，其输出端就有放大了的正弦波信号uo输出。逐渐加大输入信号ui的幅度，输出信号uo的幅度也随之增大。用示波器观测输出信号uo的波形，可以得到以下各图所示的结果：在输出波形没有失真的情况下放大电路能够提供的最大输出信号的峰峰值称为放大

16、电路的最大输出幅度，有时候也用输出电压的有效值表示，通过实验测量放大电路最大输出幅度的办法如图所示。5.2 放大电路的性能指标输入信号小，输出信号没有失真 输入信号加大，输出信号顶部被削平 截止失真 输入信号加大，输出底部被削平饱和失真 继续加大输入信号，输出波形的顶部和底部均被削平 逐渐加大输入信号，在出现波形失真之前测得的最大输出信号的峰峰值，称为放大电路的最大输出幅度。5.2.7 频率特性和通频带 5.2 放大电路的性能指标 所谓附加相移，是指相对于中频信号来说，输出电压对于输入电压所增加的位相移动。以共射极基本放大电路为例，这种电路的输出电压与输入电压的位相有倒相关系，即输出电压相对于

17、输入电压有180的位相移动。如果输入信号的频率过高或过低，输出电压相对于输入信号的相移就不等于180，其相差的部分即称为附加相移。放大电路的频率特性，反映的是输入信号频率变化时，放大电路的性能随之发生变化的情况。信号频率过高或过低时，放大电路的性能会在以下两方面发生变化：（1）电压放大倍数下降；（2）输出信号与输入信号之间将产生附加的位相移动。5.2.7 频率特性和通频带 5.2 放大电路的性能指标 放大电路的幅频特性：放大电路放大倍数（或增益）随频率变化的特性称为放大电路的幅频特性；由于频率变化时放大电路的特性在放大倍数和输出信号相移两方面发生变化，因此，放大电路的频率特性由放大电路的幅频特

18、性和放大电路相频特性两项指标描述：放大电路的相频特性：放大电路输出信号相对于输入信号相位移动随频率变化的特性称为放大电路的相频特性。首先讨论放大电路的幅频特性 5.2 放大电路的性能指标 检测放大电路幅频特性的实验装置如下图所示，将某种频率的信号输入放大电路，用示波器测量输入、输出信号的幅度，求出两者的比值，该比值即为对应于这一频率的电压放大倍数。输入信号频率从低到高逐渐变化，测出不同频率下的放大倍数，以频率f为横坐标（习惯使用对数坐标），电压放大倍数Au为纵坐标画图，即可画出放大电路放大倍数随频率变化的曲线，即为幅频特性曲线。首先讨论放大电路的幅频特性 5.2 放大电路的性能指标 典型的幅频

19、特性曲线如下图所示：在中频段放大倍数是常数，称为中频放大倍数，用Aum表示。频率下降时，放大倍数下降，放大倍数下降到Aum/0.7Aum时所对应的频率称为放大电路的下限频率，用fL表示；频率升高时放大倍数也下降，放大倍数下降到Aum/0.7Aum时所对应的频率称为放大电路的上限频率，用fH表示。fH和fL之差即称为放大电路的通频带BW：下限频率为0.9kHz，上限频率为1.1MHz，通频带等于1.0991 MHz。现在讨论放大电路的相频特性 5.2 放大电路的性能指标 检测放大电路的相频特性，需要使用双踪示波器同时观察输入和输出信号的波形，测量各种输入信号频率下输出、输入信号之间的相位差。下面

20、是一些典型的测量结果：测量相位差 5.2 放大电路的性能指标信号频率比上限频率高得多时输入、输出信号波形间的相移为3/4（270）输入信号频率比下限频率低得多时输入、输出信号相位彼此相差/4（90）。中频段输入波形ui 和输出波形uo之间的相位彼此相差（180）5.2 放大电路的性能指标5.2.9 放大电路的效率 在输出信号不产生明显失真的情况下，能够向负载提供的最大输出功率称为放大电路的最大输出功率P0max。5.2.8 最大输出功率P0max 在放大电路中，很小的输入信号功率经过放大以后可以得到较大的输出功率，能量是由直流电源提供的，放大电路的作用是将电源的能量转换为输出信号的能量，放大的实质是能量的控制和转换，因此就存在转换效率的问题。特别是对于功率放大电路。输出功率比较大时，就更加讲究效率。放大电路的效率定义为：式中P0为输出信号功率，PDC为直流电源提供的平均功率。第5章讲授到此结束 谢谢大家！