模块基本放大电路

,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模 拟 电 子 技 术应 用 基 础,王川主编,模块,2,基本放大电路,课题,1,基本放大电路的应用,3,电子助听器的设计,课题,2,负反馈放大电路的应用,4,集成运放电压放大器的设计,课题,1,基本放大电路的应用,任务,3,电子助听器的设计,3.1,任务目标,3.2,知识积累,3.3,任务实施过程,3.4,知识链接,3.5,阶段小结,3.1,任务目标,掌握基本放大电路的组成及工作原理，,了解静态工作点对放大器工作点的影响。,熟悉分压式偏置电路的结构及工作原理。,了解三种组态放大器的基本特点及应用。,完成电子助听器的设计。,3.2,知识积累,3.2.1,放大器的基本概念,3.2.2,放大电路的主要性能指标,3.2.3,基本放大电路,3.2.4,放大电路静态工作点的稳定,3.2.5,共集电极放大电路,扩音机示意图,1),输入量控制输出量,2),把直流能量转换成按输入量变化的交流能量,3.2.1,放大器的基本概念,“,放大,”,，是指用一个小的变化量去控制一个较大量的变化，使变化量得到放大。,不能,“,失真,”,，即要求大的变化量和小的变化量成比例，实现所谓的,“,线性放大,”,。,放大电路的四端网络表示,1,2,2,+,u,s,放大,电路,R,S,+,u,i,+,u,o,R,L,i,o,i,i,u,s,信号源电压,R,s,信号源内阻,R,L,负载电阻,u,i,输入电压,u,o,输出电压,i,i,输入电流,i,o,输出电流,3.2.2,放大电路的主要性能指标,1,1,2,2,+,u,s,放大,电路,R,S,+,u,i,+,u,o,R,L,i,o,i,i,电压增益,A,u,(dB) = 20lg |,A,u,|,放大倍数,电压放大倍数,A,u,=,u,o,/,u,i,电流放大倍数,A,i,=,i,o,/,i,i,电流增益,A,i,(dB) = 20lg |,A,i,|,功率放大倍数,A,P,=,P,O,/,P,i,功率增益,A,P,(dB) = 20lg |,A,P,|,输入电阻,1,+,u,s,R,S,+,u,i,i,i,R,i,R,i,越大，,u,i,与,u,s,越接近,可见，,R,i,的大小反映了放大电路对信号源的影响程度。,、输出电阻,放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。,计算,：,以上所讨论的放大电路输入电阻和输出电阻不是直流电阻，而是在线性运用情况下的交流电阻,、 通频带,电抗元件,(,主要是电容,),使放大电路对不同频率输入信号的放大能力不同，反映在：,A,u,(,f,),幅频特性,(,f,),相频特性,幅频特性和相频特性,f,A,u,(,f,),O,f,O,频带宽度,(,带宽,),BW,A,u,m,f,L,f,H,下限,频率,上,限,频率,中频段,低频段,高频段,BW,0,.,7,BW,0.7,=,f,H,f,L,(,B,and,W,idth,),1.,共射基本放大电路的组成,3.2.3,基本放大电路,图,3-6,共发射极放大电路,电路中各元件,的作用,三极管,VT,VT,是放大电路中的核心元件，起电流放大作用。, 直流电源,V,CC,一方面与,R,b,R,c,相配合，保证三极管的发射结正偏和集电结反偏，保证三极管工作在放大状态；另一方面为输出信号提供能量。数值一般为几至几十伏。, 基极偏置电阻,R,b,与,U,cc,配合，决定了放大电路基极电流,I,BQ,的大小。阻值一般为几十至几百千欧。, 集电极电阻,R,C,将三极管集电极电流的变化量转换为电压的变化量，反映到输出端，从而实现电压放大。阻值一般为几至几十千欧。, 耦合电容,C,1,和,C,2,起,“,隔直通交,”,作用，一方面隔离放大电路与信号源和与负载之间的直流通路；另一方面使交流信号在信号源、放大电路、负载之间能顺利地传送。一般为几至几十微法的电解电容。,放大电路中电流电压符号使用规定,直流量：字母大写，下标大写。如,I,B,、,I,C,、,U,BE,、,U,CE,。, 交流量：字母小写，下标小写。如,i,b,、,i,c,、,u,be,、,u,ce,。, 交、直流叠加量：字母小写，下标大写。如,i,B,、,i,C,、,u,BE,、,u,CE,。, 交流量的有效值：字母大写，下标小写。如,I,b,、,I,c,、,U,be,、,U,ce,。,2.,放大电路静态工作点的设置,u,i,=0,电路的工作状态称为直流状态，简称静态,.,习惯上把静态时的各电流和电压表示为,I,BQ,、,I,CQ,、,U,BEQ,、,U,CEQ,。,对应于这四个数值，可在三极管的输入和输出特性曲线上各确定出一个点，称为放大电路的静态工作点。用,Q,表示。,Q,点过高或过低都将产生非线性失真，所以必须设置合适的,Q,点。对于三极管来说，有信号时的电压、电流是以,Q,点的直流数值为基础，在上面叠加一个交流信号得到的。,构成一个放大电路，必须遵循以下原则：, 晶体管应工作在放大状态。即发射结正向偏置，集电结反向偏置。, 信号电路应畅通。输入信号能从放大电路的输入端加到晶体管的输入极上，信号放大后能顺利地从输出端输出。, 放大电路静态工作点应选择合适且稳定，输出信号的失真程度（即放大后的输出信号波形与输入信号波形不一致的程度）不能超过允许的范围。,R,b,+V,CC,R,C,C,1,C,2,T,R,L,为什么要,设置静态,工作点？,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区以保证信号不失真。,3.,放大电路的基本分析方法,共发射极放大电路中，因为有直流电源和交流输入信号，所以电路中既有直流量又有交流量。,开路,将交流电压源短路,将电容开路。,直流通路的画法：,开路,R,B,+V,CC,R,C,C,1,C,2,R,L,U,i,=0,（1）,直流通路与交流通路,R,B,+V,CC,R,C,直流通路,对交流信号,(,输入信号,u,i,),短路,短路,置零,1/,C,0,将直流电压源短路，将电容短路。,交流通路的画法,R,B,R,C,R,L,u,i,u,o,交流通路,R,B,+V,CC,R,C,静态工作点（,I,B,、,U,BE,、,I,C,、,U,CE,）,（2）,静态工作点估算,（,A,）估算,I,BQ,（,U,BE,0.7V),R,b,+,V,CC,R,C,I,BQ,U,BEQ,R,b,称为,偏置电阻,，,I,B,称为,偏置电流,。,（,B,）估算,U,CE,、,I,C,I,CQ,=,I,BQ,I,C,R,b,+,V,CC,R,C,U,CE,+,-,例,3-1,：用估算法计算静态工作点。,已知：,V,CC,=12V,，,R,C,=4K,，,R,b,=200K ,，,=30,。,解：,请注意电路中,I,B,和,I,C,的数量级,U,BE,0.7V,R,b,+V,CC,R,C,当放大电路工作在小信号范围内时，可利用微变等效电路来分析放大电路的动态指标，即输入电阻,r,i,，输出电阻,r,o,和电压放大倍数,A,u,。,（3）,微变等效电路法,输入电阻,r,i,三极管输入端（即基极与发射极之间）等效为一个电阻,r,i,，常用下式估算,r,i,=300+,（,1+,）,I,EQ,是发射极电流的静态值（,mA,）,三极管的微变等效电路,三极管的输出特性曲线，线性工作区是一组近似等距离的平行直线。这表明集电极电流,i,c,的大小与集电极电压,u,ce,的变化无关，这就是三极管的恒流特性；,i,c,的大小仅取决于,i,b,的大小，这就是三极管的电流放大特性。由这两个特性，可以将等效为一个受控制的恒流源，其内阻,r,ce,=,，,i,c,=,i,b,。,三极管的集电极与发射极之间可用一个受控恒流源代替。因此，三极管电路可等效为一个由输入电阻和受控恒流源组成的线性简化电路，如下图所示。但应当指出，在这个等效电路中，忽略了对及输入特性的影响，所以又称为三极管简化的微变等效电路。,微变等效电路法的应用,电压放大倍数的计算,负载电阻越小，放大倍数越小。,r,be,R,b,R,C,R,L,定义,由图有,不接,R,L,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,输入电阻的计算：,根据输入电阻的定义：,所以：,输出电阻的计算：,根据定义,r,be,R,b,R,C,0,0,【例,3-2,】在图,3-12,所示电路中，若已知,R,b,=200k,，,Rc,=4k,，,Ucc,=12V,，,=30,，,R,L,=4k,，求,A,u,，,r,i,，,r,o,。,解：由【例,3-1,】已知该电路的,I,cQ,=1.8mA,，因为,I,EQ,I,cQ,=1.8mA,，则由式（,3-4,）可求出,r,be,=300,+(1+,)26mV/,I,EQ,=300+(1+30)26/1.8,748,而,R,L,=,R,c,/,R,L,=(4,4)/(4+4)=2 k,则,3.2.4,放大电路静态工作点的稳定,温度变化对静态工作点的影响,T,I,CBO,温度每升高,10,o,C,I,CBO,一倍,T,U,BE,温度每升高,1,o,C,U,BE,2.5,mv,T,温度每升高,1,o,C,/, 0.5,1%,主要原因是三极管特性参数（,U,BE,、,、,I,CEO,）随温度的变化而变化，造成静态工作点偏离原来的数值。,2.,稳定静态工作点的措施,利用电阻,R,b1,和,R,b2,分压来稳定基极电位,I,1,=I,2,+I,BQ,I,1,I,BQ,U,BQ,=R,b2,/(R,b1,+R,b2,)U,CC,基本不随温度变化,由发射极电阻,R,e,实现静态工作点的稳定,T,（）,I,CQ,I,EQ,U,EQ,U,BEQ,I,BQ,I,CQ,U,B,U,BEO,集电极电流,(3-12),【,例,3-3】,电路如图,3-14,所示，已知晶体管,=40,U,CC,=12,V,，,R,b1,=20,k,，,R,b2,=10,k,，,R,L,=4,k,，,R,c,=2,k,，,R,e,=2,k,，,R,e,足够大,试求：静态值,I,CQ,和,U,CEQ,；电压放大倍数,A,u,；输入电阻,r,i,，输出电阻,r,o,。,3.2.5,共集电极放大电路,1.,电路组成,集电极是输入回路与输出回路的公共端，所以又称为共集放大电路。,2.,射极输出器的特点,静态工作点稳定,3-13,3-14,3-15,3-16,（,a,）直流通路 （,b,）微变等效电路,电压放大倍数近似等于,1,式中,R,L,=R,e,/R,L,，,（,1+,）,r,be,，,A,u,1,(3-18),(3-17),可见输出电压随着输入电压的变化而变化，大小近似相等，且相位相同，因此，射极输出器又称为射极跟随器。,.,输入电阻高,r,i,=,R,i,/,r,i,=,R,b,/,r,be,+,（,1+,）,R,L,（,3-19,）,由于,R,b,和（,1+,）值都较大，因此，射极输出器的输入电阻很高，可达几十几百千欧。,.,输出电阻低,由于射极输出器,u,o,u,i,，当,u,i,保持不变时，,u,o,就保持不变。可见，输出电阻对输出电压的影响很小，说明射极输出器带负载能力很强。,（,3-20,）,【,例,3-4】,放大电路如图,3-15,（,a,）所示，图中三极管为硅管，,=100,，,r,be,=1.2k,，,R,b,=200k,，,R,e,=2k,，,U,CC,=12V,，试求：静态工作点,I,CQ,和,U,CEQ,；输入电阻,r,i,和输出电阻,r,o,。,解： 静态工作点,U,CEQ,U,CC,-I,CQ,R,e,=,（,12-2.82,）,V=6.4V,输入电阻和输出电阻,3.,射极输出器的应用,（,1,）用做输入级。在要求输入电阻较高的放大电路中，常用射极输出器做输入级，利用其输入电阻很高的特点，可减少对信号源的衰减，有利于信号的传输。,（,2,）用做输出级。由于射极输出器的输出电阻很低，常用作输出级。可使输出级在接入负载或负载变化时，对放大电路的影响小，使输出电压更加稳定。,（,3,）用做中间隔离级。将射极输出器接在两级共射电路之间，利用其输入电阻高的特点，可提高前级的电压放大倍数；利用其输出电阻低的特点，可减小后级信号源内阻，提高后级的电压放大倍数。由于其隔离了前后两级之间的相互影响，因而也称为缓冲级。,3.3,任务实施过程,3.3.1,任务分析,传声器,三级放大器,耳机,3.3.2,任务设计,晶体管,VT1,，,VT2,为共发射极放大器，,VT3,为共集电极放大器。,3.3.3,任务实现,1.,传声器,驻极体话筒,B1,把环境声音转变为音频电流。,2.,三级放大器,三极管,VT1,与电阻,R2,和可变电阻,RP,组成单管放大器，驻极体话筒,B1,传出的音频信号，经电容,C1,传到,VT1,基极，经放大后从,VT1,集电极输出，再经过电容,C2,送到,VT2,基极，,VT2,和,VT3,组成直接耦合式放大器，把信号进一步放大，推动耳机发声。,3.4,知识链接,3.4.1.,共基极放大电路,基极为输入与输出回路的公共端，故称为共基极放大电路。,共基极放大电路具有输出电压与输入电压同相，电压放大倍数高，输入电阻小。输出电阻大等特点，由于共基极电路具有较好的高频特性，故广泛用于高频或宽带放大电路中。,3.4.2.,多级放大电路,1.,放大电路的级间耦合方式,多级放大电路中级与级之间的连接方式称为耦合。级间耦合应满足下面两点要求：一是静态工作点互不影响；二是前级输入信号应尽可能多地传送到后级。,直接耦合,直接耦合放大电路既能放大直流与缓慢变化的信号，也能放大交流信号。由于没有隔直电容，前后级的静态工作点互相影响，使调整发生困难,集成电路中因无法制作大容量电容而必须采用直接耦合。右图为集成运放的符号。,“,”,表示信号的传输方向，,“,”,表示理想条件，两个输入端中，,N,成为反相输入端，用符号,“,-,”,表示，说明如果输入信号由此端加入，由它产生的输出信号与输入信号反相。,P,称为同相输入端，用符号,“,+,”,表示，说明如果输入信号由此端加入，由它产生的输出信号与输入信号同相。,集成电路采用直接耦合方式,图,3-20,集成运算放大器电路符号,阻容耦合,级间通过耦合电容与下级输入电阻连接的方式称为阻容耦合。由于耦合电容有,“,隔直通交,”,作用，可使各级的静态工作点彼此独立，互不影响；若耦合电容的容量足够大，对交流信号的容抗则很小，前级输出信号就能在一定频率范围内几乎无衰减地传输到下一级。但阻容耦合放大电路不能放大直流与缓慢变化的信号，不适于集成电路。,变压器耦合,级与级之间采用变压器原、副边进行连接的方式称为变压器耦合，这种放大电路的静态工作点也是彼此独立的。而变压器具有阻抗变换的特点，可以起到前后级之间的阻抗匹配。变压器耦合放大电路主要用于功率放大电路。,2.,多级放大电路的分析,电压放大倍数,输入电阻和输出电阻,r,i,=r,i1,r,o,=,r,on,3.4.3.,基本放大电路的频率特性,当输入信号幅度一定而频率改变时，输出电压也将随频率变化，使输出电压不能完全重现输入电压的波形，即在放大过程中产生了失真。放大器对不同频率的输入信号的响应特性简称为频率特性。,图,3-23,从图,3-23,可知,在中频的范围内，电压放大倍数最大，输出电压与输入电压之间的相位差刚好是,C1,、,C2.,在低频区，,A,u,随,f,降低而减小，,也偏离,180,0,在高频区，,A,u,随,f,的增高而减小，,也偏离,180,0,在下限截止频率和上限截止频率之间的频率范围称为通频带,f,BW,，即,f,BW,=f,H,-f,L,。若放大的输入信号频率在通频带的范围内，,A,u,是常数，, = 180,0,，此时各种频率分量都能得到同样的放大，而输入信号经过放大就可以不失真地传到输出端。,超出通频带范围，则放大倍数会降低，同时产生附加相移,3.5,阶段小结,基本放大电路有共射、共集、共基三种组态。,共射电路的电压放大倍数和电流放大倍数均较大，应用较广泛。,共集电路的输入电阻大，输出电阻小，电压放大倍数接近于,1,，适用于前置和驱动级。,在分析放大电路时，应选择合适的静态工作点，在合适的静态偏置下采用微变等效电路法对放大电路进行交流分析。为克服温度和其他因素对工作点的影响，常采用分压式偏置电路来稳定工作点。,多级放大电路常见的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。多级放大电路的电压放大倍数是各单级电压放大倍数的乘积，其带宽小于构成它的任一单级放大器的带宽。,课题,2,负反馈放大电路的应用,任务,4,集成运放电压放大器的设计,4.1,任务目标,4.2,知识积累,4.3,任务实施过程,4.4,知识链接,4.5,阶段小结,4.6,边学边议,4.7,知识阅读,4.1,任务目标,理解反馈的概念。,掌握负反馈性质及类型的判别。,了解负反馈对放大器性能的影响。,了解深度负反馈条件下闭环增益的计算。,设计集成运放电压放大器。,4.2,知识积累,4.2.1.,反馈,反馈的概念,将放大电路中的输出量的一部分或全部按一定的方式并通过一定的电路送回输入回路来影响输入量，这种电量的反送过程就称为反馈。,T,（）,I,CQ,I,EQ,U,EQ,（,=I,EQ,R,e,）,U,BQ,固定,U,BEQ,I,BQ,I,CQ,2.,反馈放大器的组成,A,+,比较,环节,基本放大电路,F,反馈网络,x,i,输入信号,(,i,i,或,u,i,),x,i,净输入信号,(,i,i,或,u,i,),x,o,输出信号,(,i,o,或,u,o,),x,f,反馈信号,(,i,f,或,u,f,),负反馈所确定的基本关系式有如下几项：,输入端各量的关系式 （,4-1,）, 开环增益 （,4-2,）, 反馈系数 （,4-3,）, 闭环增益,（,4-4,）,4.2.2,反馈性质的判别,正反馈,反馈使净输入电量增加，从而使输出量增大。,负反馈,反馈使净输入电量减小，从而使输出量减小。,判断法：瞬时极性法,4.2.3.,负反馈的类型,1 .,直流反馈和交流反馈,直流反馈,电路引入的反馈量仅包含有直流成分。,交流反馈,电路引入的反馈量仅包含有交流成分。,交直流反馈,如果电路引入的反馈量既有交流成分又有直流成分。,（,a,）直流负反馈（,b,）交流负反馈,2.,电压反馈和电流反馈,电压反馈,反馈信号取自输出电压的部分或全部。,判别法：,使,u,o,= 0 (,R,L,短路,),， 若反馈消失则为电压反馈,。,电流反馈,反馈信号取自输出电流。,判别法：,使,i,o,= 0(,R,L,开路,),， 若反馈消失则为电流反馈。,3.,串联反馈和并联反馈,串联反馈,反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在输入端出现。,u,i,=,u,i,u,f,并联反馈：,反馈信号与输入信号以电流相加减的形式在输入端出现。,i,i,=,i,i,i,f,（,a,）串联反馈（,b,）并联反馈,4.2.4,负反馈放大器的四种组态,负反馈放大有四种组态：电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。,1,电压串联负反馈,图,4-5,电压串联负反馈电路,在输入端，放大电路的净输入信号 ，输入信号与反馈信号以电压形式相加减，故为串联反馈。在输出端，由输出短路法可知，假设,uo,对地短路后，即,uo=0,时， ，故为电压反馈。,综上所述，该反馈为电压串联负反馈。,2,电流串联负反馈,在输入端，放大电路的净输入信号,u,i,=,u,be,=,u,i,-u,f,，输入信号与反馈信号以电压形式相加减，故为串联反馈。在输出端，当,u,o,=0,时，反馈电压,u,f,=,i,e1,R,e1,仍然存在，故为电流反馈。综上所述，该反馈为电流串联负反馈。,图,4-7,电流串联负反馈,3,电压并联负反馈,在输入端，放大电路的净输入信号，,输入信号与反馈信号以电流形式相减，故为并联反馈。在输出端，当 时， ，故为电压反馈，,综上所述，该反馈为电压并联负反馈。,图,4-9,电压并联负反馈,4,电流并联负反馈,图,4-11,电流并联负反馈,如图,4-11,所示电路，,R,f,和,R,e2,为反馈支路，由瞬时极性法判断可知，,i,i,=i,i,-i,f,，故该反馈为负反馈。在输入端，放大电路的净输入信号,i,i,=i,i,-i,f,，输入信号与反馈信号以电流形式相加减，故为并联反馈。在输出端，由输出短路法可知，若假设,u,o,对地短路后，,VT2,发射极仍然存在，故为电流反馈。综上所述，该反馈为电流并联负反馈。,4.2.5,负反馈对放大电路性能的影响,1,提高闭环增益的稳定性,负反馈可使闭环增益的相对变化量减小到开环增益相对变化量的，这说明负反馈提高了闭环增益,A,f,的稳定性,其稳定程度比开环增益,A,提高了（,1+AF,）倍。,2,减小非线性失真,3,展宽通频带，减小频率失真,4,改变输入电阻和输出电阻,（,1,）对输入电阻的影响,串联负反馈使输入电阻增大,(1+AF),倍, 并联负反馈使输入电阻减小,（,2,）对输出电阻的影响, 电压负反馈使输出电阻减小, 电流负反馈使输出电阻增大,(1+AF),4.3,任务实施过程,4.3.1,任务分析,图,4-15,中所示框图包括传声电路、负反馈电路、集成运放电路,4.3.2,任务设计,图,4-16,集成运放电压放大电路,4.3.3,任务实现,驻极体式话筒,BM,输出的微弱电压信号经耦合电容,C1,输入集成运放,IC,，放大后的电压信号经,C3,耦合输出。电压放大倍数由集成运放外接电阻,R4,、,R3,决定，该电路电压放大倍数,A,=100,倍（,40dB,）。,