放大电路动态分析课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第二章 放大电路动态分析,第二章 放大电路动态分析,1,本章从放大电路的,交流通路,入手，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，所以本章是电子电路分析的基础，要求熟练掌握。,本章从放大电路的交流通路入手，在输入低频小信号的条件,2,2.2.1,放大电路的动态性能指标,一、输入信号源和输出负载,1,、,输入信号源,适用于单端与地之间输入信号的放大电路,单端信号源,信号源为电压源,信号源为电流源,2.2.1 放大电路的动态性能指标 一、输入信号源和输出负,3,适用于双端输入信号的放大电路,双端信号源,(,对称信号源,),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双端对称输入的功能,电桥处于平衡状态：,受力后：,反映了材料受力的大小,适用于双端输入信号的放大电路双端信号源(对称信号源),4,（,2,）输入信号的波形,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波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几几十毫伏,（2）输入信号的波形 正弦稳态信号如音频信号，频率范围在几,5,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，切勿与静态值相混淆。, 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,6,瞬变信号,瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电路有快速的瞬态响应。, 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,7,2,、放大电路的负载,放大电路的负载种类很多，对不同的负载，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。,2、放大电路的负载 放大电路的负载种类很多，对不同的,8,(1),增益,又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号能力。最常用的是,电压增益,：,开路电压增益,：负载开路（即,R,L,=,）,时的电压增益。,源电压增益,：,二、放大电路的主要性能指标,(1)增益又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号能力。最常用的,9,增益常用分贝（,dB),作为单位，,1,分贝,1/10,贝尔，源于功率增益的对数：,“,0dB,”,相当于,A,v,1,；,“,20dB,”,相当于,A,v,10,；,“,40dB,”,相当于,A,v,100,；,“,-20dB,”,相当于,A,v,0.1,；,“,-40dB,”,相当于,A,v,0.01,；, ,分贝,当用于电压增益时 ：,增益常用分贝（dB)作为单位，1分贝1/10贝尔，源于功率,10,(2),输入电阻,R,i,输入电阻,R,i,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。,输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。,R,i,越大,，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。,输入电阻影响源电压增益,(2)输入电阻Ri输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效,11,(3),输出电阻,R,o,放大电路,负载开路,时从输出端看进去的等效电阻。,输出电阻,R,o,的大小，反映了放大电路带负载的能力。,R,o,越小,，则放大电路,带负载能力越强,，电路输出越接近恒压源输出。,V,o,I,o,R,o,小,R,o,大,V,oo,R,o,=0,放大电路负载特性,开路输出电压,V,oo,(3)输出电阻Ro放大电路负载开路时从输出端看进去的等效电阻,12,输出电阻,R,o,的确定：,分析电路时采用在输出端反加等效信号源的方法。,在实验室采用测量的方法。,输出电阻Ro的确定：分析电路时采用在输出端反加等效信号源的,13,(4),通频带,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管的,结电容和极间电容,的影响，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。,放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数的,(,即,0.707,倍,),时的频率分别称为上限频率和下限频率（也称,-3dB,频率）。,(4)通频带当放大电路的信号频率很低或很高时，由于电路中存在,14,上限频率,：,f,H,下限频率,：,f,L,通频带,：,通频带越宽,，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。,如对于扩音机电路，其通频带应大于音频范围,(20Hz20kHz),。,-3dB,频率,上限频率：fH下限频率：fL通频带：通频带越宽，表明放大电路,15,(5),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生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电压,(,或输出电流,),的峰值，用,V,om,(,或,I,om,),表示。,截止失真,：由于进入截止区而产生的失真。,饱和失真,：由于进入饱和区而产生的失真。,(5)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,16,工作点在交流负载线中点时的最大输出电流幅度,工作点在交流负载线中点时的最大输出电压幅度,i,C,/mA,0 5 10 15 20,v,C,E,/V,3,2,1,0,i,B,=0,u,A,15,u,A,35,u,A,55,u,A,Q,i,B,=,I,BQ,+,i,b,=35+20sint (A),A,B,i,C,/mA,t,I,CQ,t,v,C,E,/V,V,CEQ,工作点在交流负载线中点时的最大输出电流幅度工作点在交流负载线,17,工作点偏高,饱和失真时的电压波形,饱和失真：,由于进入饱和区而产生的失真,最大不失真输出幅度,i,B,=0,u,A,i,C,/mA,0 5 10 15 20,v,C,E,/V,3,2,1,0,30,u,A,50,u,A,70,u,A,80,u,A,35,u,A,Q,Q,i,C,/mA,t,v,C,E,/V,t,饱和失真时的电流波形,饱和失真的原因是： 静态工作点偏高， 输入信号幅度过大。,饱和压降,工作点偏高饱和失真时的电压波形饱和失真：由于进入饱和区而产生,18,Q,i,C,/mA,0 5 10 15 20,v,C,E,/V,3,2,1,0,i,B,=0,u,A,15,u,A,60,u,A,80,u,A,35,u,A,Q,i,C,/mA,t,v,C,E,/V,t,由于进入截止区而产生的失真,截止失真：,截止失真时的电压波形,最大不失真输出幅度,截止失真时的电流波形,截止失真的原因是： 静态工作点偏低， 小信号放大时，输入信号幅度太大。,QiC/mA0 5 10,19,2.2.2,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,(1),输入回路,b-e,之间等效为一,动态电阻,r,be,。,分析各,变化量,或,交流分量,之间的关系,全微分,:,2.2.2 半导体三极管和场效应管的低频小信号模型一、三极管,20,(2),输出回路,，集电极电流的变化,i,C,可以看作,i,B,和,v,CE,分别单独变化时引起的。,全微分,:,(2) 输出回路，集电极电流的变化iC可以看作iB和v,21,也可从图上看,集电极电流的变化,i,C,可以看作,i,B,和,v,CE,分别单独变化时引起。,当,v,CE,V,CEQ,不变,时，,当,i,B,I,BQ,i,B,不变,时,当,i,B,和,v,CE,同时作用,时，,所以，输出回路,c-e,间的模型由,受控电流源,“,i,B,”,和,c-e,间,动态输出电阻,r,ce,并联组成。,也可从图上看,集电极电流的变化iC可以看作iB和vCE,22,动态输出电阻,r,ce,一般,很大,，通常可以忽略。,b,e,+,-,c,e,+,-,也可用交流量表示,:,动态输出电阻rce一般很大，通常可以忽略。be+ce+也可用,23,只适用于,低频,小信号下。,讨论的是,变化量,或,交流分量,，不允许出现直流量或瞬时量符号。,微变参数，,与,Q,点有关,，不是固定常数。,电流源“,i,B,”,方向和大小由,i,B,决定。,无论对,NPN,型或,PNP,型都是如此。,r,be,可用公式估算 ：,在应用三极管低频小信号模型时应注意：,r,bb,约为,100300,V,T,26mV,只适用于低频小信号下。在应用三极管低频小信号模型时应注意：,24,由网络方程导出模型,v,BE,=,h,11,i,B,+,h,12,v,CE,i,C,=,h,21,i,B,+,h,22,v,CE,h,11,是输出端交流短路时的输入电阻,由网络方程导出模型vBE=h11iB+h12vCE,25,h,21,是输出端交流短路时的电流放大系数,h,22,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（,H,参数,）模型。当忽略,h,12,时，,H,参数等效模型与小信号模型是相同的,。,h,12,输出电压的变化对输入端电压的变化的影响，可忽略不计。,h,12,是输入端交流开路时的电压反馈系数,h21是输出端交流短路时的电流放大系数h22是输入端交流,26,二、场效应管的低频小信号模型,g,s,+,-,d,s,+,-,V,DD,V,DD,/R,d,Q,Q,二、场效应管的低频小信号模型gs+ds+VDDVDD/RdQ,27,输入回路,：由于场效应管的,栅极电流为零,，输入回路栅极源极之间可用开路来等效。,输出回路,：受控电流源“,g,m,v,GS,”,和动态电阻,r,ds,并联。,g,m,：低频跨导，它表征了,v,GS,对,i,D,的,控制能力,。,r,ds,：输出电阻（动态电阻），通常可忽略。,受控电流源方向：,对,6,种类型,FET,都适用,。,输入回路：由于场效应管的栅极电流为零，输入回路栅极源极之间可,28,2.2.3,基本放大电路的动态分析,交流通路,： 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，仅用于研究电路的动态性能指标。,动态分析是在放大电路的,交流通路,基础上，假定放大器件工作在,线性放大区,内，利用其,小信号模型,建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,动态性能指标,。,所有,耦合电容,和,旁路电容,当作交流短路；（,容量设计得很大，容抗很小，,可忽略不计。）,所有,直流电源,当作交流短路。（,理想电压源对交流信号而言，其交流变化量为零，,可交流短路。）,交流通路的画法,2.2.3 基本放大电路的动态分析交流通路 ： 是指放大电路,29,一、放大电路的三种基本组态,共射组态,(CE),一、放大电路的三种基本组态 共射组态(CE),30,共集组态,(CC),共集组态(CC),31,共基组态,(CB),共基组态(CB),32,FET,放大电路的三种基本组态,共源组态,(CS),FET放大电路的三种基本组态 共源组态(CS),33,共漏组态,(CD),共漏组态(CD),34,共栅组态,(CG),共栅组态(CG),35,二、基本放大电路的动态分析,求静态工作点，根据,Q,点计算小信号模型参数，如,r,be,；,确定交流通路；,画出,微变等效电路,；,计算动态性能指标（如,A,v,、,R,i,、,R,o,）。,放大电路分析的一般步骤：,二、基本放大电路的动态分析求静态工作点，根据Q点计算小信号,36,1,共射放大电路的动态分析,1共射放大电路的动态分析,37,求电压放大倍数,计算输入电阻,计算输出电阻,求电压放大倍数计算输入电阻计算输出电阻,38,2,共集放大电路的动态分析,求电压放大倍数,且,共集放大电路的电压放大倍数,近似为,1,，又称为,射极跟随器,。,2共集放大电路的动态分析求电压放大倍数且共集放大电路的电,39,计算输入电阻,计算输入电阻,40,计算输出电阻,计算输出电阻,41,求电压放大倍数,计算输入电阻,计算输出电阻,3,共基放大电路的动态分析,R,o,R,c,求电压放大倍数计算输入电阻计算输出电阻3共基放大电路,42,【,例,】,三极管,CE,放大电路如图,3.1.15,所示，设三极管在静态工作点附近的,50 ,r,bb,=200,W,。试计算：,（,1,）,A,v,、,R,i,、,R,o,；,（,2,）若改用,100,的三极管，重新计算,A,v,、,R,i,、,R,o,；,（,3,）若不接,C,e,，对电路的性能指标有何影响？,【例】三极管CE放大电路如图3.1.15所示，设三极管在静态,43,（,1,）,k,mA,mA,解：,R,b,R,e,（1）k mA mA解：RbRe,44,（,1,）,（1）,45,（,2,）若改用,100,的三极管,mA,mA,R,e,能,抑制温漂,，稳定静态工作点，,还允许,在一定范围内选择,。,=50,=100,I,EQ,1.3mA,1.36mA,A,v,-62,-71,r,be,1.2k,2.1k,（2）若改用100的三极管 mA mARe能抑制温漂，稳,46,（,3,）若不接,C,e,为什么需要,接旁路电容,C,e,？,（3）若不接Ce为什么需要接旁路电容Ce ？,47,【,例,】,由三极管构成的电流源电路如图,3.1.17,所示。设三极管的,50,，,r,ce,50 k,。要求：,（,1,）写出,I,C,与,V,Z,的关系式；,（,2,）计算电流源的输出电阻,R,o,；,（,3,）分析当负载电阻,R,L,改变时，电流源的静态工作条件。,解：,（,1,）,mA,【例】由三极管构成的电流源电路如图3.1.17所示。设三极管,48,（,2,）计算,R,o,（2）计算Ro,49,该电流源电路有,很高的输出电阻,，因而具有较理想的恒流源特性。,当 时，,（,3,）当负载电阻,R,L,增大到使,V,CEQ,0.7V,时，晶体管进入饱和区，,I,CQ,I,EQ,，因而,I,CQ,无法继续保持恒流。,该恒流源电路仅允许负载,R,L,在,0576,之间变化。,该电流源电路有很高的输出电阻，因而具有较理想的恒流源特性。（,50,4,FET,放大电路的动态分析,共源（,CS,）放大电路,4FET放大电路的动态分析共源（CS）放大电路,51,共漏（,CD,）放大电路,共漏（CD）放大电路,52,共栅（,CG,）放大电路,共栅（CG）放大电路,53,直流负载线方程,直流负载线,直流负载线方程直流负载线,54,+,-,R,b,+,-,v,i,交流负载线方程,直流负载线,直流负载线方程,交流负载线,截止失真,饱和失真,最大不失真输出幅度,+Rb+vi交流负载线方程直流负载线直流负载线方程交流负载线,55,三、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,56,2.2.4,、多级放大电路,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。,1,级间耦合,连接原则：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。,阻容耦合,优点是电路简单，各级静态工作点相不影响，在,分立元件电路,中应用广泛。缺点是不能放大频率较低的信号和直流信号，,低频响应较差,，且不便于集成化。,2.2.4、多级放大电路多级放大电路可以充分利用各个单级放大,57,优点是,低频特性好,，可以放大变化缓慢的信号，,易于集成化,。缺点是各级静态工作点相互影响，分析、设计和调试较困难；并且还存在,零点漂移,问题。,直接耦合,变压器耦合,优点是各级静态工作点互不影响，能实现,阻抗变换,。缺点是,频率特性不好,，且非常笨重。,优点是低频特性好，可以放大变化缓慢的信号，易于集成化。缺点是,58,光电耦合,抗干扰能力强,，数字电路中应用广泛。,光电耦合抗干扰能力强，数字电路中应用广泛。,59,2,多级放大电路的性能指标,应考虑,负载效应,：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。,2多级放大电路的性能指标应考虑负载效应：后一级放大电路的输,60,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,CC,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，当末级电路为,CC,电路时，应考虑末前级输出电阻的影响。,多级电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，当第一级为C,61,CE,（,T1,）和,CC,（,T2,）组成,交流通路,（,CE,组态，,R,i2,为第一级负载）,（,CC,组态，,T2,射极负载 ）,CE（T1）和CC（T2）组成 交流通路 （CE组态，Ri2,62,CE,（,T1,）和,CE,（,T2,）组成,交流通路,e,2,c,2,CE（T1）和CE（T2）组成 交流通路 e2c2,63,2,v,o1,v,o1,2vo1vo1,64,【,例,】,分析图示电路，画出交流通路，设,T,1,、,T,2,和,T,3,的,，,r,be,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,解,:,T1,为,CE,组态，输出与输入相差,180,，即,T2,为,CB,组态，输出与输入同相位，即,T3,为,CC,组态，输出与输入同相位，即,所以,输出,与,输入,之间的相位：,【例】 分析图示电路，画出交流通路，设T1、T2和T3,65,【,例,】,已知,1,2,5,，,r,bb,=300,，求,（,1,）电压放大倍数；,（,2,）输入电阻,【例】已知125，rbb=300，求,66,c,1,R,b,R,1,R,2,r,be1,R,e1,i,b1,i,b1,R,e2,r,be2,i,b2,i,b2,R,4,+,v,i,_,b,2,e,2,c,2,b,1,e,1,+,v,o,_,c1RbR1R2rbe1Re1ib1ib1Re2rbe2,67,解：,（,1,）,R,b2,R,e,R,b1,R,b,A,解：（1）Rb2ReRb1RbA,68,放大电路动态分析课件,69,c,1,R,b,R,1,R,2,r,be1,R,e1,i,b1,i,b1,R,e2,r,be2,i,b2,i,b2,R,4,+,v,i,_,b,2,e,2,c,2,b,1,e,1,+,v,o,_,R,i2,c1RbR1R2rbe1Re1ib1ib1Re2rbe2,70,（,2,）,c,1,R,b,R,1,R,2,r,be1,R,e1,i,b1,i,b1,R,e2,r,be2,i,b2,i,b2,R,4,+,v,i,_,b,2,e,2,c,2,b,1,e,1,+,v,o,_,R,i2,R,i,（2）c1RbR1R2rbe1Re1ib1ib1Re2rb,71,