《晶体管及其应用》PPT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,电工技术,第 6章,芜湖职业技术学院,一、基本放大电路的概念及工作原理,6.2 晶体管及其应用,二 基本放大电路的静态分析,三 基本放大电路的动态分析,了解放大电路的基本概念及结构组成；熟悉低频小信号放大电路及功率放大器的工作原理；理解静态工作点的图解法，掌握其微变等效电路的估算法；熟练掌握分压式偏置的共发射极放大电路静态情况下的特点、动态情况下的特点；理解反馈对放大电路性能的影响。,学习目的与要求,一、 基本放大电路的概念及工作原理,放大电路是电子技术中应用十分广泛的一种单元电路。,所谓“放大”，是指将一个微弱的电信号，通过某种装置，,得到一个波形与该微弱信号相同、但幅值却大很多的信号输,出。这个装置就是晶体管放大电路。,“放大”作用的实质是电,路对电流、电压或能量的控制作用,。,扬声器负载,输入信号源,扩音器中放大电路的组成,为放大器提供能量的直流电源,R,S,+,U,S,放大电路,+,u,0,i,0,话筒送来的微弱音频信号,u,i,放,大,电,路,微弱输入小信号,u,i,u,0,幅度大大增强的输出信号,u,0,放大电路的放大作用，实质是把直流电源,U,CC,的能量转移给输出信号。输入信号的作用则是控制这种转移，使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。,放大电路的核心元件是晶体管，因此，放大电路若要实现对输入小信号的放大作用，必须首先保证晶体管工作在放大区。,晶体管工作在放大区的外部偏置条件是：其发射结正向偏置、集电结反向偏置。此条件是通过外接直流电源，并配以合适的偏置电路来实现的。,三种基本组态的晶体管放大电路,晶体管放大电路一般有三种组态：,u,0,u,i,b,c,e,u,0,u,i,b,e,c,u,0,u,i,b,e,c,共发射极放大电路,共集电极放大电路,共基极放大电路,无论放大电路的组态如何，其,目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后，输出时其信号幅度显著增强。,必须清楚：幅度得到增强的输出信号，其能量并非来自于晶体管，而是由放大电路中的直流电源提供的。晶体管只是实现了对能量的控制，使之转换成信号能量，并传递给负载,。,1. 放大电路的组成原则,放大电路的作用是实现对微弱小信号的幅度放大，单凭晶,体管的电流放大作用显然无法完成。必须在放大电路中设置,直流电源，使其保证晶体管工作在线性放大区。因此，放大,电路的组成原则为：,(1) 核心元件晶体管必须发射结正偏，集电结反偏；,(2) 输入回路的设置应使输入信号耦合到晶体管输入电路，,以保证晶体管的以小控大作用；,(3) 输出回路的设置应保证晶体管放大后的电流信号能够转,换成负载需要的电压形式；,(4) 不允许被传输小信号放大后出现失真。,2. 共射放大电路的组成及各部分作用,共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式，其电路组成的一般形式为：,3DG6管,R,B,U,BB,C,1,+,R,C,U,CC,C,2,+,放大电路的核心元件三极管,耦合电容,基极电阻,基极电源,集电极电阻,集电极电源,耦合电容,上图所示为双电源组成的共发射极基本放大电路。,实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，各部分的作用分别如下：,晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用,向放大电路提供能量，并保证晶体管工作在放大区,基极偏置电阻的作用是为放大电路提供合适的静态工作点。,有极性电解电容的作用是隔离直流和让输入交流信号顺利通过。,有极性电解电容的作用是隔离直流和让放大的交流信号顺利输出。,R,C,的作用是将放大的集电极电流转换成晶体管的输出电压。,3DG6管,R,B,C,1,+,R,C,C,2,+,+,U,CC,3. 共射放大电路的工作原理,3DG6,R,B,C,1,+,R,C,C,2,+,+,U,CC,c,e,b,u,i,u,0,i,b,i,C,u,CE,i,B,I,B,基极固定偏置电流,放大后的集电极电流,i,C,通过,R,C,将放大的电流转换为放大的晶体管电压输出。,u,CE,经,C,2,滤掉了直流成分后的输出电压,信号电流和基极固定偏流的叠加,显然，放大电路内部各电流、电压都是,交直流共存,的。,u,i,t,0,输入交流信号电流,i,B,t,0,I,B,i,C,t,0,I,C,u,CE,t,0,I,C,R,C,u,0,t,0,反相！,输入信号电压,需放大的信号电压,u,i,通过,C,1,转换为放大电路的输入电流，与基极偏流叠加后加,到晶体管的基极，,基极电流,i,B,的变化,通过晶体管的以小控大作用,引起集电极电流,i,C,变化,；,i,C,通过,R,C,使电流的变化转换为,电压,的变化,，,即：,u,CE,=,U,CC,-,i,C,R,C,放大电路内部各电压、电流都是,交直流共存,的。其,直流分,量及其注脚均采用大写英文字母,；,交流分量及其注脚均采用,小写英文字母,；,叠加后的,总量,用,英文小写字母，,但其,注脚采,用大写英文字母,。例如：基极电流的直流分量用,I,B,表示；交,流分量用,i,b,表示；总量用,i,B,表示。,由上式可看出：,当,i,C,增大时，,u,CE,就减小，所以,u,CE,的变化正好与,i,C,相反,，这就是它们反相的原因,。,u,CE,经过,C,2,滤掉了直流成分,，,耦合到输出端的交流成分即为输出,电压,u,0,。若电路参数选取适当，,u,0,的幅度将比,u,i,幅度大很多，亦即,输入的微弱,小信号,u,i,被放大了，这就是放大电路的工作原理。,共射放大电路工作原理,放大电路中各电压、电流的符号有何规定?,你会做吗？,放大电路的基本概念是什么？放大电路中能量的控制与变换关系如何？,说明共发射极电压放大器输入电压与输出电压的相位关系如何？,如果共发射极电压放大器中没有集电极电阻,R,C,，能产生电压,放大吗？,检验学习结果,基本放大电路的组成原则是什么？以共射组态基本放大电路为例加以说明,二、 基本放大电路的静态分析,输入信号,u,i,=0,、只在直流电源,U,CC,作用下电路的状态称“,静态,”。静态分析就是要求出此时的,I,B,、,I,C,和,U,CE,三数值。,C,1,+,C,2,+,I,C,U,BE,放大电路的直流通道,U,CE,3DG6,R,B,R,C,U,CC,c,e,b,I,C,=,I,B,U,CE,=,U,CC,I,C,R,C,I,B,=,R,B,U,CC,-,U,BE,直流下耦合电容,C,1,、,C,2,相当于开路,由直流通道求工作点上的,I,B,：,I,B,由图可得,由晶体管放大原理可求得,I,C,：,由图又可求得工作点上,U,CE,：,式中,I,C,R,C,前面的负号表示输出电压与集电极电流,I,C,反相，即与输入电压反相。,1.放大电路静态分析的估算法,I,C,I,E,I,B,U,BE,U,CE,R,B,R,C,U,CC,c,e,b,已知图示电路中,U,CC,=10V，,R,B,=250K,，,R,C,=3K,，,=50，试求该放大电路的静态工作点,Q,。,I,B,=37.2,A,所以静态工作点,Q,：,I,C,=1.86mA,U,CE,=4.42V,注意：,计算中一定要弄明白各量的单位，不允许写错！,分析,U,BE,(V),I,B,0.5V,0.7V,死区,u,i,t,0,i,b,t,0,t,1,t,1,t,2,t,3,t,4,t,3,t,2,t,4,此时,u,i,小于死区的部分将无法得到传输，只有大于死区的部分才能转换成电流,i,b,通过晶体管。,由于输入信号大部分无法通过晶体管，,i,b,电流波形与,u,i,波形完全不一样了，造成输入信号输入时的“,截止失真,”。,输入信号,电压波形,假如不设置静态工作点,不设置静态工作点行吗？,结论：,为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。,利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法,称为图解法。其分析步骤一般为：,2. 用图解法求解静态工作点,(1)按已选好的管子型号在手册中查找、或从晶体管图示仪上,描绘出管子的输入、输出特性如下图所示：,u,BE,i,B,i,C,u,CE,(2)画出直流负载线。此步骤是图解法求静态工作点的关键。,由放大电路的直流通道可得：,U,CE,I,C,I,E,I,B,U,BE,R,B,R,C,U,CC,c,e,b,U,CE,=,U,CC,I,C,R,C,令,U,CE,=0，,可得：,I,C,=U,CC,/,R,C,令,I,C,=0,可得：,U,CE,=U,CC,I,C,U,CE,U,CC,R,C,U,CC,连接两点作出直流负载线,(3)确定静态工作点,只有,I,BQ,对应的交点才是,Q,点,Q,I,BQ,直流负载线上交点有多个,固定偏置的放大电路存在很,温度T,Q,点,I,C,U,CE,V,C,I,C,U,CE,Q,若 温度上升，将造成输出特性曲线上移。,静态工作点,Q,随之上移,Q,如果,V,C,I,B,的小信号条件。,C,2,C,1,C,E,R,C,3DG6,c,b,e,R,E,+,U,CC,R,B2,R,B1,I,1,I,2,I,B,V,B,V,B,的大小显然与温度无关。,分压式偏置共射放大电路的,直流通道,偏置电阻,R,B1,和,R,B2,应选择适当数值，使之符合：,I,1,I,2,I,B,的条件。在小信号条件下，,I,B,可近似视为0值。,忽略,I,B,时，,R,B1,和,R,B2,可以对,U,CC,进行分压。即：,分压式偏置共射放大电路的静态分析,上述分析步骤，就是分压式偏置的共发射极电压放大,电路的估算法。显然，基极电位,V,B,的高低对静态工作点,的影响非常大。,U,BE,R,C,c,b,e,R,E,+,U,CC,R,B2,R,B1,I,1,I,2,I,B,V,B,I,E,I,C,U,CE,I,C,U,CE,基极电位,V,B,的高低对静态工作点,Q,的影响,设置合适的静态工作点是对放大电路的基本要求。基极电位,V,B,选择偏高或偏低时，Q点随之上移或下行。设,V,B,较高时：,Q,i,b,u,0,Q,点的上移造成放大过程中信号的一部分进入饱和区，发生饱和失真，集电极电流,上削波,。,放大电路输出电压同样产生饱和失真。由于共射电路输入、输出反相，因此输出电压呈,下削波,。,结论：,输入信号波形,i,C,V,B,值大,Q,点高，,饱和,失真！,I,C,U,CE,基极电位,V,B,设置较低时对,Q,点的影响,V,B,设置的高低，取决于两个基极偏置电阻的数值选择，当,R,B1,太大时，,V,B,值就会较低，引起静态工作点Q下行：,Q,i,b,输入信号波形,Q,点下行造成放大过程中信号的一部分进入截止区，发生截止失真，集电极电流呈,下削波,。,i,C,u,0,放大电路输出电压同样产生截止失真。由于共射电路输入、输出反相，因此输出电压呈现,上削波,。,结论：,V,B,值小,Q,点低，,截止,失真！,V,B,的高低对放大电路的静态工作点影响很大。温度对,Q,点的影响也不能忽视。分压式偏置的共发射极放大电路由于加设了,负反馈环节,，因此当温度升高时，具有,自调节能力,。,设放大电路环境温度升高，此时:,由于电路具有对温度变化的自调节能力，因此集电极电流通常恒定，即:,温度变化,I,C,基本不受影响,I,1,I,2,I,B,V,B,I,E,+,U,CC,R,E,R,B1,R,B2,R,C,c,b,e,U,BE,U,CE,T,I,B,I,C,I,E,V,E,V,BE,I,C,只要基极电位和射极反馈电阻不变，集电极电流始终维持不变！,通过分析可知，交流放大电路中如果不设置静态工作点，输入的交流信号就无法全部通过放大电路，造成传输过程中信号的严重失真；若静态工作点设置不合适，同样会发生传输过程中的,饱和,失真和,截止,失真。,设置合适的静态工作点显然是放大电路保证传输质量的必要条件，其设置的原则是：保证正常的输入信号不失真的输出且保证静态工作点的相对稳定。,分压式偏置的共射放大电路显然可以实现上述原则。通过选择合适的分压电阻,R,B1,和,R,B2,，可获得一个恰当的基极电位,V,B,值，以确保晶体管的,发射结正偏,和,集电结反偏,。这样，在信号传输的过程中晶体管就会始终工作在放大区，使放大电路正常工作。电路中的反馈电阻,R,E,则起到了稳定工作点的作用，从而抑制了由于温度变化对放大电路产生的影响。,学习与归纳,放大电路中为什么要设置静态工作点？静态工作点不稳定对放大电路有何影响？,你会做吗？,放大电路的失真包括哪些？如何消除失真？两种失真下集电极电流的波形和输出电压的波形有何不同？,影响静态工作点稳定的因素有哪些？其中哪个因素影响最大？如何防范？,静态时耦合电容,C,1,、,C,2,两端有无电压？若有，其电压极性和大小如何确定？,检验学习结果,能否说出,R,E,和,C,E,在放大电路中所起的作用。,三 基本放大电路的动态分析,放大电路加入交流输入信号的工作状态称为,动态,。,动态时，放大电路输入的是交流微弱小信号；电路内部各电压、电流都是交直流共存的叠加量；放大电路输出的则是被放大的输入信号。,求解放大电路的动态输入电阻,r,i,、输出电阻,r,O,及电压放大倍数,A,u,等参量的过程称为,动态分析,。,1.共射放大电路的动态分析,C,E,R,C,+,U,CC,R,B1,R,B1,R,C,c,b,e,R,L,R,B2,T,R,S,u,S,C,2,C,1,R,E,分压式偏置共发射极放大电路,输入信号源,放大电路,负载,电源为0时可视为“,地,”,电容相当于“,交流短路,”,R,B1,相当于接于基极与“,地,”之间,R,C,相当于接于集电极与“,地,”之间,分压式偏置共发射极放大电路的交流通道,由于发射极为输入、输出回路的公共支路，因之而称为共,发射极组态的放大电路。,电容,C,E,在电路中起何作用？,+,U,CC,C,E,R,E,R,B1,R,B2,C,2,R,C,C,1,T,c,b,e,电容,C,E,的作用：交流通路中，射极电容将反馈电阻短路，则A,u,不受影响。,如果把射极电容去掉，对电路会产生何影响？,如果把射极电容,C,E,去掉，交流通道反馈电阻,R,E,仍起作用，则,I,E,减小，,r,be,增大，负载不变情况下，电压放大倍数A,u,降低。,2. 微变等效电路法,微变等效电路法就是在满足小信号条件下，将晶体管线性,化，把放大电路等效为一个近似的线性电路，然后应用线性,电路的求解方法求出r,i,、r,0,、A,u,的方法。,R,B1,R,C,c,b,e,R,B2,T,一般情况下，由高、低频小功率管构成的放大电路都符合小信号条件。因此其输入、输出特性在小范围内均可视为线性。,i,b,i,b,R,B1,R,C,R,B2,r,be,晶体管的微变等效电路。其中,r,be,是晶体管输入端的等效电阻，受控电流源相当晶体管的集电极电流。显然微变等效电路反映了晶体管电流的,以小控大,作用。,图中：,晶体管交流输入等效电阻,R,B1,R,C,R,B2,r,be,共射电压放大器的微变等效电路法,i,b,i,b,晶体管的微变等效电路,i,i,u,i,u,0,i,0,=0,i,C,基极电流,集电极电流,放大电路的输入电压和电流,放大电路的输出电压和电流,电路交流等效输入电阻：,r,i,=,r,be,/R,B1,/R,B2,由于小信号电路有,R,B1,和,R,B2,r,be,，,所以,r,i,r,be,显然交流等效输出电阻：,r,0,=,R,C,电路中电压放大倍数：,若电路接入负载，,R,L,此时电路放大倍数：,共发射极放大电路微变等效电路法的动态分析结果为：,式中负号反映了输出电压与输入电压的反相关系,显然，放大电路带上负载后，其电压放大倍数将降低 。负载越大，,R,L,等效电阻越小，放大倍数下降越多。,共发射极放大电路的主要任务是对输入的小信号进行电压,放大，因此电压放大倍数A,u,是衡量放大电压性能的主要指标,之一。,共射放大电路的电压放大倍数随负载增大而下降很多，说,明这种放大电路的带负载能力不强。,微,变,等,效,电,路,i,b,i,b,R,B1,R,C,R,B2,r,be,R,e,动态分析：,显然电路中加了交流反馈电阻,R,e,后，电路中的电压放大倍数进一步降低了。,共射放大电路中含有交流反馈电阻的动态分析,输入电阻,r,i,的大小决定了放大电路从信号源吸取电流的大小。为减轻信号源负担，总希望,R,i,大些。另外，较大的输入电阻,r,i,，也可降低信号源内阻,R,S,的影响，使放大电路获得较强的输入电压。在共发射极放大电路中，由于,R,B,比,r,be,大得多，,r,i,近似等于,r,be,，一般只有几百欧至几千欧，阻值比较低，即共射放大器,输入电阻不理想,。,输入、输出电阻对放大器,有何影响？,对负载而言，总希望放大电路的输出电阻越小越好。因为放大电路输出电阻,r,0,越小，负载电阻,R,L,的变化对输出电压的影响就越小，则放大电路的带负载能力就越强。而共射放大电路的输出电阻,r,0,在通常只有几千欧至几十千欧，因此共射放大器的,输出电阻也不理想,。,电压放大倍数与晶体管的电流放大倍数,、动态输入电阻,r,be,及集电极电阻,R,C,、负载电阻,R,L,均有关。由计算式可看出，当,r,be,和,R,L,一定时，,A,u,与,成正比。共射电压放大器由于自身的,特点,，较广泛地应用于放大电路的,输入级,、,中间级,和,输出级,。,想想 练练,1、下图中设,U,CC,和,R,C,为定值，当基极电流增加时，,I,C,能否成正比地增加？最后接近何值？此时,U,CE,=,？当基极电流减小时，,I,C,又如何变化？最后达到何值？这时的,U,CE,约等于多少？,i,c,(mA),u,CE,(V),U,CE,Q,U,CC,Q,2,Q,1,U,CC,R,C,80,A,60,A,40,A,20,A,I,B,=0,说一说下图所示各电路能否放大交流信号？为什么？,C,2,C,1,R,C,T,+,U,CC,R,B2,u,i,u,0,(,a,),C,2,C,1,R,C,T,R,E,+,U,CC,R,B2,R,B1,u,i,u,0,(,d,),C,2,C,1,R,C,T,+,U,CC,R,B1,u,i,u,0,(,b,),C,2,C,1,R,C,T,+,U,CC,R,B2,R,B1,u,i,u,0,(,c,),不能！,不能！,不能！,不能！,V,B,=U,CC,，饱和失真,V,B,=U,BE,，截止失真,NPN管的电路，电容极性接反且无反馈环节。,PNP管的电路，电源、电容极性均接反。,图示电路，已知,U,CC,=12V，,R,B1,=20k，,R,B2,=10k，,R,C,=3k，,R,E,=2k，,R,L,=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻,。,（1）用估算法计算静态工作点,(2),用微变等效电路法计算电压放大倍数A,u,及输入、输出电阻,R,B1,R,C,R,B2,r,be,试述放大电路输出电阻的概念。为什么总希望放大电路的输出电阻,r,0,尽量小一些呢？,你会做吗？,电压放大倍数的概念是什么?电压放大倍数是如何定义的？共发射极放大电路的电压放大倍数与哪些参数有关？,试述放大电路输入电阻的概念。为什么总是希望放大电路的输入电阻r,i,尽量大一些？,检验学习结果,何谓放大电路的动态分析？动态分析分析步骤？你能否说出微变等效电路法的思想？,频率特性的基本概念,频率特性的定性分析及其指标,放大电路的频率特性,对数频率特性曲线 波特图,2.8.1 频率特性的基本概念,f,O,A,u,m,一.幅频特性和相频特性,A,u,(,f,) ,幅频特性,(,f,) ,相频特性,0.707,A,u,m,f,O,A,u,f,L,下限,截止,频率,f,H,上限截止频率,二、 频带宽度,(带宽),BW,(,B,and,W,idth,),BW,=,f,H,-,f,L,f,H,f,L,f,H,对数频率特性曲线 ,波特图,波特图 ,将频率坐标用对数分度，电压放大倍数用电压增益（dB）表示的频率特性。,一、,放大倍数的分贝表示法,功率放大倍数,A,p,=,p,o,/,p,i,功率增益,A,p,(dB) = 10,lg,|,A,p,|,dB,电压放大倍数,A,u,=,U,o,/,U,i,电压增益,A,u,(dB) = 20,lg,|,A,u,|,dB,当输入量小于输出量时，分贝数为负值时，称为,衰减,。,表2.8.1 电压放大倍数,A,u,与分贝数的关系,二、阻容耦合基本共射电路的,波特图,6.3.1 集成运算放大器,6.3 集成运算放大器,6.3.2 集成运放的应用,6.3.1 集成运算放大器,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件,制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为,集成电路(英文简称,IC,)。集成电路的体积很小，但性能,却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只,不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日,常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、,战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪,表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电,视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用,了集成电路。,集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性,能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路,是工业的“食粮”和“原油”。,1. 集成运算放大器概述,集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。,常见集成电路的封装形式,圆壳式,双列,直插式,扁平式,单列,直插式,直插式,单列,扁平式,图示为常用,A741集成运放芯片产品实物图,A741集成运放的8个管脚排列图如下：,A741,1,2,4,3,8,7,6,5,调零端,反相输入端,同相输入端,负电源端,调零端,输出端,正电源端,空脚,反相输入端,A741集成运放图形符号,U,0,U,+,U-,A741集成运放外部接线图,同相输入端,12V,12V,输出端子,调零电位器,管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连,调零电位器的可调端与管脚4相连,6,5,1,3,7,2,4,(1)开环电压放大倍数,A,u0,其数值很高，一般约为10,4,10,7,。该值反映了输出电压,U,0,与输入电压,U,和,U,之间的关系。,(2)差模输入电阻,r,i,运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。,(3)闭环输出电阻,r,0,由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。,指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个,电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，,甚至造成器件损坏。,(4)最大共模输入电压,U,icmax,2. 集成运放的主要技术指标,为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：,开环电压放大倍数,A,u0,=,差模输入电阻,r,i,=,输出电阻,r,0,=0,共模抑制比,K,CMR,=,3. 理想集成运放及其传输特性,集成运放的电压传输特性,理想特性,U,0M,u,i,(mV),0,u,0,(V),线性区,实际特性,U,0M,根据集成运放的实际特性和理想特性，可分别画出其相应的电压传输特性。,集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系,饱和区,可以看出，当集成运放工作在线性区(,+,U,0M,U,0M,)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在,饱和状态,，使输出电压,保持稳定,。,集成运放工作在线性区的特点,由,可知，理想运放工作在线性区时，输,出电压,U,0,与输入电压,U,i,之间是线性放大关系。,因A,u0,=，所以可导出,运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 ，,即,理想运放的两个输入端电位相等,。,两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“,虚短,”。,又由于理想运放的差模输入电阻,r,i,=，所以可近似地认为,两个输入端均无电流流入,。这种现象称为“,虚断,”。,“,虚短,”和,“,虚断,”是运放工作在线性区的两个重要结论。,集成运放由哪几部分组成？各部分的主要作用是什么？,工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？试说明其概念？,你能说明理想运放的特点是什么吗？,检验学习结果,集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。,1. 集成运放的线性应用,负号说明输入输出反相,由“,虚断,”可推出：,i,2,=0，因此,u,+,=“,地,”,由图可知,所以,u,+,u,i,1,i,f,u,i,u,0,R,2,R,1,R,F,i,2,可得,根据“,虚短,”又可推出：,u,=,u,+,=,0,整理后可得,输出与输入的比例值,6.3.2 集成运放的应用,(1)反相比例运算电路,反相比例运算电路中，,R,2,是平衡电阻，其值应选择符合,(2)同相比例运算电路,由“虚断”可推出：,i,2,=0，因此,u,+,=,u,i,由图可知,所以,u,+,u,i,1,i,f,u,i,u,0,R,2,R,1,R,F,i,2,可得,根据“虚短”又可推出：,u,=,u,+,=,u,i,整理后可得,输出与输入的比例值,显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，,R,2,=,R,1,/,R,F,(3)反相加法运算电路,反相电路存在“,虚地,”现象，因此,因为,可得,u,=,u,+,=,“,地,”,将各电流代入,如果,整理上式可得,若再有,则,实现了,反相求和,运算,u,+,u,u,0,R,P,R,3,R,F,u,i1,R,2,R,1,u,i2,u,i3,i,1,i,2,i,3,i,f,(4)差分减法运算电路,u,+,u,i,1,i,f,u,i1,u,0,R,1,R,F,i,2,u,i2,R,2,R,3,若,R,2,=,R,3,，则,因为,不存在“,虚地,”现象,所以,整理得,若,R,1,=,R,F,，则,实现了,输出对输入的减法,运算。,(5)基本微分运算电路,微分电路也存在“,虚地,”现象，即,可知,u,=,u,+,=,“地”,微分电路可用于波形变换，将矩形波变换成尖脉冲；且,u,0,与,u,i,相位,反相,因为,所以,电路实现了输出电压正比于输,入电压对时间的微分。式中的比,例常数,R,F,C,1,称为电路的,时间常数,为保证电路的平衡，,R,F,=,R,2,u,i,t,0,u,0,t,0,u,+,u,i,1,i,f,u,i,u,0,C,1,R,F,u,C,i,f,u,0,R,F,R,2,(6)基本积分运算电路,u,+,u,i,1,i,f,u,i,u,0,i,f,u,0,R,1,R,2,积分电路也存在“,虚地,”现象，即,可知,u,=,u,+,=,“,地,”,因为,将,i,1,代入,u,0,表达式得,电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。式中的比例常数,R,1,C,1,称为电路的,时间常数,。,R,F,反相比例运放中的偏置电阻用电容代替即为积分电路,C,F,所以,2. 集成运放的非线性应用,集成运放工作在,非线性,区的,特点,集成运放应用在非线性电路时，处于开环或正反馈状态下。,非线性运用状态下，,U,+ ,U,，“,虚短,”概念不再成立。当同,相输入端信号电压,U,大于反相输入端信号电压,U,时，输出,端电压,U,0,=,U,OM,，当,U,小于,U,时，输出端电压,U,0,=,U,OM,。,非线性应用下的运放虽然同相输入端和反相输入端信号电压,不等，但由于其输入电阻很大，所以,输入端的信号电流仍可视,为零值,。因此，非线性应用下的运放,仍然具有,“,虚断,”的特点。,非线性区的运放，输出电阻仍可以认为是零值。此时运放的输出量与输入量之间为非线性关系，输出端信号电压或为正饱和值，或为负饱和值。,集成运放工作于非线性区的显著特点就是运行在开环或正反馈状态下；因运放的,开环电压放大倍数A,u,极高,，所以只要输入一个很小的信号电压，即可使运放进入非线性区。运放工作在非线性区时，输入和输出不成线性关系。,i,1,u,i,R,1,U,R,R,2,u,0,(1)单门限电压比较器,单门限电压比较器只有一个门限电平，当输入电压达到此门限值时，输出状态立即发生跳变。,电压比较器广泛应用于模/数,接口、电平检测及波形变换等领,域中。,u,i,u,0,0,U,0M,U,0M,U,R,门限电平值,电压比较器应用实例,利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。,U,R,=0,u,i,u,0,由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。,u,i,0,t,u,0,0,t,U,CM,U,CM,输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。,3、何谓“虚地”？何谓“虚短”？何谓“虚断”？“虚地”端是否可以真的接地？,1、你能画出电压比较器的电路图和说明滞回比较器的电压传输特性吗？,2、举例说明理想集成运放两条重要结论在运放电路分析中的作用？,检验学习结果,检验题解答1,利用理想集成运放“虚断”和“虚短”两个重要结论，无论是运放的线性分析还是非线性分析，都带来很大方便。,例如反相比例运算电路的分析：,由“虚断”可推出：,i,2,=0，因此,u,+,=“地”,由图可知,所以,u,+,u,i,1,i,f,i,2,可得,根据“虚短”又可推出：,u,=,u,+,=,0,整理后可得,输出与输入的比例值,u,i,u,0,R,2,R,1,R,F,检验题解答3,u,0,U,U,R,i,=,i,i,=0,虚断,运放近似符合理想条件,即：,R,i,虚短,u,0,输出电压,u,0,为有限值。运放近似符合理想条件。即：A,u,，,“虚地”是指并未真正接地，但具有“地”的电位。虚地点若真的接地，电路结构将发生变化，因此不行。,U,U,负反馈放大电路,6.4.1 反馈的概念,反馈的极性与类型,6.4反馈的基本概念,(,Feed Back,),反馈的概念,反馈,将电路的输出量,(,电压或电流,),的部分或全,部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回,路并影响输入量,(,电压或电流,),和,输出量的过程。,2.,信号的两种流向,正向传输：,输入, 输出,反向传输：,输,出 输入,开环,闭环,输入,输出,放大电路,反馈网络,输入,回路,输出,回路,+,C,1,R,S,+,u,i,R,e,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,u,s,+,u,o,+,+,u,id,R,e,介于输入输出回路，有反馈。,反馈使,u,id,减小，为负反馈。,既有直流反馈，又有交流反馈。,例如：,反馈的极性与类型,1. 正反馈和负反馈,正反馈,反馈使净输入电量增加，使输出量增大。,负反馈,反馈使净输入电量减小，使输出量减小。,判断法：,瞬时极性法,输入信号和反馈信号在不同端子引入，两者极性相同为负反馈，极性相反为正反馈。,当输入信号和反馈信号在同一节点引入时，两者极性相同为正反馈，极性相反为负反馈。,正反馈,负反馈,二、 直流反馈和交流反馈,直流反馈,直流信号的反馈。,交流反馈,交流信号的反馈。,直流反馈,无反馈,交直流反馈,交流反馈,直流负反馈的作用是稳定静态工作点；,交流负反馈能改善放大电路动态性能。,三、电压反馈和电流反馈,电压反馈,反馈信号取自输出电压。,负反馈稳定输出电压。,判别法：,使,u,o,= 0,(,R,L,短路,),，若,反馈消失为电压反馈,。,电流反馈,反馈信号取自输出电流。,负反馈稳定输出电流,判别法：,使,i,o,= 0,(,R,L,开路,),，若反馈消失为电流反馈。,A,F,R,L,u,o,电压,反馈,电流,反馈,i,o,u,o,F,A,R,L,i,o,四、串联反馈和并联反馈,串联反馈：,反馈信号与输入信号以,电压相比较的形式在输入端出现。,u,id,=,u,i,u,f,特点：,反馈信号和输入信号在不同节点引入。,并联反馈：,反馈信号与输入信号以,电流相比较的形式在输入端出现。,i,id,=,i,i,i,f,特点：,反馈信号和输入信号在同一节点引入。,A,F,i,i,i,f,i,s,i,id,R,S,R,S,A,F,u,i,u,id,u,f,u,s,R,S,+,u,s,例 1,+,C,1,+,u,i,R,e,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,u,o,+,+,u,id,+,u,f,R,L,u,o,u,f,u,id,u,o,稳定了输出电压，为电压反馈。,反馈信号和输入信号在不同节点引入，为串联反馈。,例 2,电压串联,正,反馈,电压并联负反馈,反馈组态判断 1,反馈组态判断 2,例 3,1. 两个反馈都是负反馈。,2.,R,f1,引入,电压反馈,；,R,f2,引入,电流反馈。,反馈消失,反馈仍存在,3.,R,f1,引入,串联反馈,；,R,f2,引入,并联反馈。,i,o,i,f,i,id,i,o,R,f1,所引反馈的作用：,R,f1,所引反馈,稳定了输出电流。,R,f2,所引反馈,稳定了输出电压。,电压串联负反馈,电流并联负反馈,6.3.2 负反馈放大电路的,方框图及增益分析方法,一、负反馈放大电路的方框图,A,基本放大电路,F,+,比较,环节,反馈网络,X,i,输入信号,(,I,i,或,U,i,),.,.,.,X,id,净输入信号,(,I,id,或,U,id,),.,.,.,X,o,输出信号,(,I,o,或,U,o,),.,.,.,X,f,反馈信号,(,I,f,或,U,f,),.,.,.,开环放大倍数,反馈系数,闭环放大倍数,二、 负反馈放大电路增益的一般表达式,A,F,+,AF,环路放大倍数,1,+,AF, 反馈深度,三、 负反馈对放大电路的影响,1、提高增益的稳定性,A,f,的相对变化量,A,的相对变化量,例如，1+,AF,=,101，d,A,/,A,=,10%,则， d,A,f,/,A,f,=,（,10,%）,101 ,0.1,%,放大倍数稳定性提高了100倍。,2、减少非线性失真,u,f,加入,负反馈,无负反馈,F,u,f,A,u,i,u,o,+,u,id,u,o,大,小,略大,略小,略小,略大,u,i,A,接近正弦波,改善了波形失真,减少非线性失真,3、扩展通频带,BW,无反馈时：,BW,=,f,H,f,L,f,H,引入反馈后，,f,A,(,f,),O,A,m,0707,A,m,f,L,f,H,BW,A,f,(,f,),A,mf,0707,A,mf,f,Lf,f,Hf,BW,f,可证明：,f,Hf,= (1 +,AF,),f,H,f,Lf,=,f,L,/,(1 +,AF,),=,(1 +,AF,),f,H,f,Hf,=,(1 +,AF,),BW,BW,f,=,f,Hf,f,Lf,4、对输入、输出电阻的影响,1. 对输入电阻的影响,R,if,深度负反馈：,并联负反馈使输入电阻减小,R,if,深度负反馈：,i,i,A,F,u,i,u,id,u,f,R,i,AFu,id,i,f,i,id,i,i,A,F,u,i,R,i,AFi,id,串联负反馈使输入电阻增大,2. 对输出电阻的影响,电压负反馈,F,与,A,并联，使输出电阻减小。,A,F,R,o,R,of,A,为负载开路时的源电压放大倍数。,深度负反馈：,电流负反馈,F,与,A,串联，使输出电阻增大,A,F,R,o,R,of,A,为负载短路时的源电压放大倍数。,深度负反馈：,表,总结：,反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能,使净输入信号增强的反馈,称为,正反馈,；,使净输入信号削弱的反馈,称为,负反馈,。放大电路中普遍采用的形式是负反馈。,根据反馈网络与基本放大电路在输出、输入端连接方式的不同，负反馈放大电路的反馈形式可分为四种类型：,1、电压串联负反馈；,2、电压并联负反馈；,3、电流串联负反馈；,4、电流并联负反馈。,2 负反馈的基本类型及其判别,判断反馈类型的方法：,凡反馈信号取自输出电压信号的称,电压反馈,；凡反馈信号取自输出电流信号的称,电流反馈,。凡,反馈信号在输入端与输入信号相串联的称为,串联反馈,，凡反,馈信号在输入端与输入信号相并联的称为,并联反馈,。,反馈形式判断举例,u,i,电压反馈,电压串联负反馈,u,0,R,L,F,A,串联反馈,u,i,电压反馈,电压并联负反馈,u,0,R,L,F,A,并联反馈,u,i,电流反馈,电流串联负反馈,i,0,串联反馈,R,L,F,A,u,i,电流反馈,电流并联负反馈,并联反馈,R,L,F,A,i,0,3. 负反馈对放大电路性能的影响,放大电路引入负反馈，一般都会造成电压放大倍数,A,u,的下,降，反馈电压,I,e,R,e,越大，电压放大倍数下降越多。虽然负反馈,引起,A,u,的下降，但换来的却是放大电路稳定性的提高。对放,大电路来讲，提高,稳定性至关重要,。,采用负反馈提高放大电路的稳定性，从本质上讲，是,利用失真的波形来改善波形的失真,。实际上并不能使波形失真完全消除。,引入负反馈，可,扩展放大电路的通频带,；若电路在深度负,反馈条件下且反馈网络为纯电阻性，又可,减小放大电路的非,线性失真,；负反馈还可,抑制反馈环内的噪声和干扰,。,注意：,并联负反馈减小输入电阻；串联负反馈提高输入电,阻；电压负反馈减小输出电阻；电流负反馈,增大,输出电阻。,应根据用途的不同合理选择适当的反馈形式。,放大电路输入信号本身就是一个已产生了失真的信号，引入负反馈后能否使失真消除？,上述问题希望课后认真归纳总结,放大电路一般采用的反馈形式是什么？如何判断放大电路中的各种反馈类型？,什么叫反馈？正反馈和负反馈对电路的影响,有何不同？ ？,检验学习结果,放大电路引入负反馈后，对电路的工作性能带来什么改善？,本章学习结束 Goodbye!,