模拟电路分析 2.3 基本放大电路

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,*,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,*,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,*,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,*,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,2,章,基本放大电路,第,2,章 基本放大电路,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,2.2 基本共射放大电路的工作原理,2.3 放大电路的分析方法,2.4 静态工作点的稳定,2.5 晶体管放大电路的三种接法,2.6 场效应管,基本,放大电路,2.7 基本放大电路的派生电路,课程构思：,BJT放大电路分析,物理模型及概念,典型放大电路分析,基本电路结构;,技术指标的物理概念,;,1.分析方法及步骤;,2.,直流分析;,3.交流分析;,4.典型电路分析;,5.改进电路分析；,6. 实际电路分析;,例题及小结,作业及网络资源,2,.1 放大的,概念和,放大电路的,主要性能,指标,1 放大的概念,所谓“放大”，是指将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管/场效应管），得到一个波形相似（不失真）、但幅值却大很多的交流大信号的输出。这个装置通常就是晶体管/场效应管放大电路。,因此，放大作用的实质是晶体管的电流、电压或功率的控制作用。,电压放大电路可以用有输入口和输出口的双端口网络表示，如图：,u,i,u,o,A,u,2.1.2,放大电路的,性能指标,（重点）,本节讨论,衡量交流,小信号放大器的基本,技术,指标:,电压放大倍数A,v,（电压增益），源,电压放大倍数A,vs,（源电压增益），交流,输入电阻R,i,，交流输出电阻R,o,，功率增益等A,P,；,基本放大电路：共射，共基，共集。,R,i,信号源,负载,放大电路,R,o,v,s,+,-,R,s,R,i,v,o,+,.,R,o,R,L,i,i,i,o,v,o,v,i,+,-,+,-,放大电路技术指标测试示图,1,2,一.主要技术指标:,(符号书写请参照教材）,根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型,-,电压放大,电流放大互阻放大互导放大。,1.放大倍数(增益),表示放大器的放大能力;,（1）电压放大倍数(增益)定义为: A,v,=v,o,/v,i,（重点）,（,2,）电流放大倍数定义为: A,i,=i,o,/i,i,（3）互阻增益定义为: A,r,=v,o,/i,i,（4）互导增益定义为: A,g,=i,o,/v,i,四种放大倍数:,2、源电压放大倍数,（,源电压增益）,A,vs,A,vs,=v,o,/v,s,=（v,o,/v,i,）（v,i,/v,s,）A,v,R,i,/(R,s,+R,i,),A,vs,=v,o,/v,s,3. 输入电阻R,i,从放大电路输入端看进去的,等效电阻;,输入电阻：,R,i,=v,i,/ i,i,意义：,表征放大电路从信号源获取信号的能力。,3. 输入电阻R,i,从放大电路输入端看进去的,等效电阻;,输入电阻：,R,i,=v,i,/ i,i,对于电压信号源,， R,i,越大越好。,（1）R,i,越大，v,i,就越大，从信号源索取的电压越大。,（2）当信号源有内阻时， R,i,越大， v,i,就越接近v,S,。,一般规律(总结):,4. 输出电阻,R,o,从放大电路输出端看进去的等效电阻。,A,v,v,S,输出端,R,o,v,so,输出端,意义：输出电阻是一个表征放大器带负载能力的参数。,对于电压放大器，,即负载变化时放大器输出给负载的电压基本上保持不变；,越小，则放大器带负载的能力越强，,而对于电流放大器，,越大，则带负载能力越强，,即负载变化时放大器输出给负载的电流基本上保持不变。,A,v,v,S,输出端,一般规律:,如何确定电路的输出电阻,R,o,？,步骤：,1）. 所有的电源置零 (将独立电压源短路，独立电流源断路，保留受控源)。,2）. 加压求流法。,U,I,方法一：外加电源法,计算,Ro=U/I,。,方法二：,开路电压和负载电压法,。,U,o,1）. 求开路电压。,R,o,U,s,2）. 求接入负载后的输出电压。,R,o,U,s,R,L,U,o,步骤：,3. 计算。,方法三：开路电压和短路电流法,。,U,o,1. 求开路电压,U,oc,。,R,o,U,s,2. 求短路电流,I,sc,。,步骤：,3. 计算。,R,o,=U,oc,/ I,sc,7,. 通频带,8,. 最大不失真输出电压,U,om,：,交流有效值。,由于（耦合）电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。,衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。,下限频率,上限频率,9,. 最大输出功率,P,om,和效率,：功率放大电路的参数,2.2 基本共射放大电路的工作原理,一、电路的组成及各元件的作用,二、设置静态工作点的必要性,三、波形分析,四、放大电路的组成原则,四、,放大器的组成原则：,直流偏置电路（即直流通路）要保证器件工作,在放大模式。,交流通路要保证信号能正常传输，即有输入信,号,u,i,时，应有,u,o,输出。,四、,放大器的组成原则：,判断一个电路是否具有放大作用，关键就是看它的直流通路与交流通路是否合理。若有任何一部分不合理，则该电路就不具有放大作用。,元件参数的选择要保证信号能不失真地放大。,即电路需提供合适的,Q,点及足够的放大倍数。,放大器的工作原理,基本,放大电路的组成,V,CC,R,c,u,i,+,-,u,o,+,-,R,b,V,BB,简化：,1. 两个电源用一个V,CC,，去掉V,BB,，R,b,改接由V,CC,供电，输入、输出端加上耦合电容。,2. 公共端接地，设其电位为0V，其他各点电位以它做参考点。因此可不画V,CC,只标出极性和大小。,u,o,u,i,+V,CC,u,o,u,i,V,CC, （1）,基本,放大电路的组成,放大器的工作原理,基本组成如下：,三 极 管,T,负载电阻,R,L,偏置电路,V,CC,、 R,C 、,R,b,耦合电容,C,1,、C,2,起放大作用,将变化的集电极电流,转换为电压输出,使三极管工作在线性区,给输出信号提供能量,起隔直作用,对交流起耦合的作用,2.,3 放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变（小信号）等效电路法,图解法,计算机仿真,静态 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,放大管的直流电流电压称为放大器的静态工作点Q。,静态工作点Q,由直流通路求解。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,放大器工作时，信号（电流、电压）均叠加在静态工作点上，只反映信号电流、电压间关系的电路称为交流通路。,u,o,u,i,V,CC,放大器中的电压参考点称为“地” 。,放大电路建立正确的静态工作点，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。,u,o,u,i,V,CC,基本思想,非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，,利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。,分析三极管电路的基本思想和方法,直流通路,(,u,i,= 0,),分析静态。,交流通路,(,u,i,0,),分析动态，只考虑变化的电压和电流。,u,o,u,i,V,CC,直流通路和交流通路,直流通路：,只考虑直流信号的分电路。,交流通路：,只考虑交流信号的分电路。,u,o,u,i,V,CC,直流通路和交流通路,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,u,o,u,i,V,CC,直流通路：,只考虑直流信号的分电路。,画直流通路时应将,电容开路（电容不通直流），电感短路（电感上直流电压为零）,。,u,o,u,i,V,CC,直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到。,u,o,u,i,V,CC,直流通路：,只考虑直流信号的分电路。,画直流通路时应将,电容开路（电容不通直流），电感短路（电感上直流电压为零）,。,V,CC,I,BQ,I,CQ,U,CEQ,直流通路：,只考虑直流信号的分电路。(求静态工作点Q:I,BQ,I,CQ,U,CEQ,),画直流通路时应将,电容开路（电容不通直流），电感短路（电感上直流电压为零）,。,u,o,u,i,V,CC,交流通路：,只考虑交流信号的分电路。,（请同学画）,画交流通路时应将,电压源短路（无交流电压），电流源开路（无交流电流）；耦合、傍路电容短路（无交流电压）,。,u,o,u,i,V,CC,u,o,u,i,V,CC,工作原理,. 放大电路的交流通路,u,o,u,i,i,c,b,交流通路：,只考虑交流信号的分电路。,画交流通路时应将,恒压源短路（无交流电压），恒流源开路（无交流电流）；耦合、傍路电容短路（无交流电压）,。,(一),放大电路的静态分析,工作原理,静态,i,=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值I,BQ,、I,CQ,、U,CEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量.,静态分析方法,计算法,图解分析法,1. 计算法,借助于放大电路的直流通路来求,直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到。,o,i,放大电路的静态分析,工作原理,1. 估算法（重点）,E,C,I,BQ,I,CQ,U,BEQ,U,CEQ,Si管：U,BEQ,=0.7V,Ge管:U,BEQ,=0.3V,（2）求静态值,I,BQ,、I,CQ,和U,CEQ,（1） 首先画出直流通路,求解顺序是先求I,BQ,I,CQ,U,CEQ,R,b,+V,CC,R,C,(1)直流通路,用估算法分析放大器的静态工作点,（ I,BQ,、I,CQ,、U,CEQ,）,（2）估算I,BQ,（ U,BEQ,0.7V),R,b,+V,CC,R,C,I,BQ,U,BEQ,R,b,称为偏置电阻，I,BQ,称为偏置电流。,（3）估算U,CEQ,、I,CQ,R,b,+V,CC,R,C,I,CQ,U,CEQ,I,CQ,=,I,BQ,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：V,CC,=12V，R,C,=4K,，,R,B,=300K ，=37.5。,开路,开路,R,B,+,V,CC,R,C,C,1,C,2,T,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：V,CC,=12V，R,C,=4K,，,R,B,=300K ，=37.5。,解：,请注意电路中I,B,和I,C,的数量级,U,BEQ,0.7V,R,b,+V,CC,R,C,放大电路的静态分析,工作原理,2. 图解法,放大电路的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求I,BQ、,U,BEQ,V,CC,I,B,I,C,U,BE,U,CE,U,BE,=V,CC,-I,B,R,b, 直流负载线,i,B,u,BE,V,CC,/R,b,V,CC,I,BQ,U,BEQ,Q,- 1/R,b,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定I,BQ、,U,BEQ,U,CE,=V,CC,-I,C,R,c, 直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求I,BQ、,U,BEQ,放大电路的静态分析,工作原理,2. 图解法,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求I,CQ、,U,CEQ,V,CC,I,B,I,C,U,BE,U,CE,求两点,I,C,=0 U,CE,=V,CC,U,CE,=0 I,C,=V,CC,/R,c,作出直流负载线，直流负载线和输出特性曲线的有多个交点。,只有与i,B,=I,BQ,对应的那条曲线的交点才是静态工作点Q。,放大电路的静态分析,2. 图解法,工作原理,由图可见：,如改变I,BQ,的数值，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量.,1.由直流负载列出方程 U,CE,=U,CC,I,C,R,c,2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可,画出直流负载线。,关键,：,直流负载线的确定方法,.,3.在输入回路列方程式U,BE,=U,CC,I,B,R,b,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两,线的交点即是Q。,5.得到静态工作点Q点的参数I,BQ,、I,CQ,和U,CEQ,。,放大电路的静态分析,2. 图解法,工作原理,V,CC 、,V,CC,/,R,c,(二),放大电路交流（动态）分析,工作原理,动态,有输入信号U,i,0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态,放大电路的交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数A,U,或A,I,输入电阻r,i,和输出电阻r,o,画交流通路原则：,1. 固定不变的电压源都视为短路；,2. 固定不变的电流源都视为开路；,3. 视电容对交流信号短路,+V,CC,R,C,C,1,C,2,T,U,o,U,i,E,C,放大电路交流（动态）分析,工作原理,1. 放大电路的交流通路,U,o,U,i,I,i,I,c,I,b,2. 放大电路的工作过程,当有交流信号u,i,加到放大器的输入端时，晶体管各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量，此时电路中的信号,既,有直流，又有交流。,放大电路的图解分析方法,通过作图的方法求A,U,、A,I,及放大电路的最大不失真电压,交流负载线：放大器工作时动态工作点的运动轨迹。,交流负载线确定方法：,1. 通过输出特性曲线上过Q点做一条斜率为1/R,L,直线。,2.交流负载电阻R,L,= R,L,R,c,3.交流负载线是有交流输入信号时，放大器工作时动点(v,CE, i,C,)的运动轨迹。,u,o,u,i,i,i,i,c,i,b,比直流负载线要陡,图解分析方法,图解分析,1. 求出静态工作点Q,2. 画出交流通路，求出交流负载电阻,R,L,=Rc/R,L,3. 以Q为基准，在输入特性曲线上，根据u,i,的变化波形求出i,b,的波形及幅值I,bm,作出交流负载线,U,o,U,i,E,C,U,o,U,i,I,i,I,c,I,b,放大电路交流（动态）分析,R,b,+V,CC,R,C,C,1,C,2,T,R,L,为什么要,设置静态,工作点Q？,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。,I,bm,I,cm,U,om, A,合适的静态工作点Q,图解分析,不截止,U,cm1,不饱和,U,cm2,i,C,u,CE,i,b,输入波形,u,o,输出波形,B. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生,饱和失真,i,C,u,CE,输入波形,i,b,C. Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生,截止失真,输出波形,I,bm,I,cm,U,om, D,双向失真,不截止,U,cm1,不饱和,U,cm2,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点,达到了三极管的饱和区,而引起的非线性失真。,由于放大电路的工作点,达到了三极管的截止区,而引起的非线性失真。,波形的失真,双向失真,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,2.要有合适的交流负载线。,3. 输入信号的幅度不能太大.,工作点位置合适,信号过大,而引起的非线性失真。,4. 放大倍数不能太大.,图解分析方法,图解分析,确定放大器的最大工作范围-最大不失真电压,U,cm,=min(U,cm1,U,cm2,),通过图解分析，可得如下结论：,1.,可确定输出信号的动态范围；,2.可以计算出放大电路的电压放大倍数；,3.可以确定最大不失真输出幅度。,三、等效电路法,半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。所谓等效就是：基于线性元件建立器件模型，从而近似地描述非线性器件的特性。,1. 直流模型,：适于,Q,点的分析,理想二极管,利用估算法求解静态工作点，实质上是利用了直流模型。,输入回路等效为恒压源,输出回路等效为电流控制的电流源,2. 晶体管的,h,参数等效模型（交流等效模型）,在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。,低频小信号模型,简化的,h,参数等效电路交流等效模型,查阅手册,基区体电阻,发射结电阻,发射区体电阻数值小可忽略,利用PN结的电流方程可求得,由I,EQ,算出,在输入特性曲线上，Q点越高，r,be,越小！,i,C,T,i,B,-,T,i,C,+,i,B,-,+,C,1,R,b,R,c,R,L,R,b,R,c,+V,CC,C,2,u,i,u,BE,+V,CC,+,-,-,u,CE,+,u,o,U,BE,-,+,U,CE,（a） （b）,+,放大电路的直流通路,（a）共射基本放大电路 （b）直流通路,3、,放大电路,分析方法,分析直流电路，求出,“,Q,”,，计算,r,be,。,静态工作点,近似计算法,三极管的发射结导通时，B、E两端的导通压降U,BE,基本不变（硅管约为0.7V，锗管约为0.3V），因此有,I,CQ,=I,BQ,U,CEQ,= V,CC, I,CQ,R,c,图 共射基本放大电路,V,CC,R,C,R,b,I,B,I,C,分析直流电路，求出,“,Q,”,，计算 r,be,。,放大电路的交流通路,（a）基本放大电路 （b）交流通路,画电路的交流通路 。,u,be,i,b,u,ce,i,c,i,c,三极管的微变等效电路,r,be,i,b,i,b,b,c,e,等效,c,b,e,在交流通路上把三极管画成,参数等效模型。,三极管的,简化,微变等效电路（重点）,等效,e,b,c,e,b,c,r,be,i,c,=i,b,请注意如下问题：, 电流源为一受控源，而不是独立的电源。, 电流源的流向不能随意假定，而是由i,b,决定。, 该模型仅适用于交流小信号，不能用于静态分析和大信号。,放大电路的微变(交流)等效电路（小信号模型）,将交流通道中的三极管用微变(交流)等效电路代替:,交流通路,R,b,R,C,R,L,u,i,u,o,u,i,r,be,i,b,i,b,i,i,i,c,u,o,R,b,R,C,R,L,交流等效电路:,对于小功率三极管(重点),P61 2.42更正,：,r,be,=r,bb,+(1+,) V,T,/I,EQ,=r,bb,+,V,T,/I,BQ,(,静态工作点),r,bb,=200/300欧,（典型值）,V,T,=26mV(常温下）,r,be,的量级从几百欧到几千欧。,u,i,r,be,i,b,i,b,i,i,i,c,u,o,R,B,R,C,R,L,（通常）,（1）电压放大倍数定义为: A,v,=v,o,/v,i,（重点）,（,2,）电流放大倍数定义为: A,i,=i,o,/i,i,（3）互阻增益定义为: A,r,=v,o,/i,i,（4）互导增益定义为: A,g,=i,o,/v,i,四种放大倍数:,分析计算,放大电路的主要技术参数,。,共射基本放大电路的交流等效电路分析法,v,i,=i,b,r,be,，v,o,=i,b,(R,c,/R,L,）=,R,L,i,b,，故电压放大倍数,分析计算,放大电路的主要技术参数,。,式中R,L,=R,C,R,L,，负号表示共射电路的倒相作用。,源电压放大倍数,（,源电压增益）,A,vs,A,vs,=v,o,/v,s,=（v,o,/v,i,）（v,i,/v,s,）A,v,R,i,/(R,s,+R,i,),. 输入电阻R,i,从放大电路输入端看进去的,等效电阻;,输入电阻：,R,i,=v,i,/ i,i,意义：,表征放大电路从信号源获取信号的能力。,又由该图得：v,i,=i,i,(R,b,/r,be,)，故输入电阻考虑到R,b,r,be,，则,分析计算,放大电路的主要技术参数,。,. 输出电阻R,o,从放大电路输出端看进去的等效电阻。,A,v,v,S,输出端,R,o,v,so,输出端,意义：输出电阻是一个表征放大器带负载能力的参数。,分析计算,放大电路的主要技术参数,。,输出电阻R,o,的求法：(,外加电源法,计算),令u,s,=0（电压源置零）；移去R,L,（或开路） ；,在输出端加一信号电压v,o,，求i,o,，再求R,o,。,v,i,r,be,i,b,i,b,i,i,i,c,v,o,R,b,R,C,R,L,分析计算,放大电路的主要技术参数,。,输出电阻R,o,的求法：,由于u,s,=0，i,b,=0，因此i,c,=i,b,=0，于是v,o,=i,c,R,c,，输出电阻,v,i,r,be,i,b,i,b,i,i,i,c,v,o,R,B,R,C,R,L,分析计算,放大电路的主要技术参数,。,共射交流等效电路,总结: 共射基本放大电路,基本技术参数:,v,i,r,be,i,b,i,b,i,i,i,c,v,o,R,B,R,C,R,L,图 共射基本放大电路,3,.,放大电路的动态分析,放大电路的,交流等效电路,输入阻抗,输出阻抗,直流耦合电路,阻容耦合共射放大电路的动态分析,输入电阻中不应含有R,s,!,输出电阻中不应含有R,L,!,交流等效电路,例（2.3.3）已知：,试求：,解,：（1）,由,（2）,可求得静态Q点!,交流等效模型,作业： P1,38,2.4 2.9,单周,三,: 交作业,答疑: 学校统一安排(考试前),课件下载网址：,http:/202.115.21.138/wlxt,(本校的网络学堂）,（光电信息学院,模拟电路基础，钟建 教案 密码：502 ）,