放大电路的基本原理和分析方法.ppt

第2章放大电路的基本原理和分析方法,2.1放大的概念,放大的目的：是将微弱的变化信号放大成较大的变化信号。本章所涉及的主要是电压放大电路。,放大的本质：实现能量的控制。放大器放大的实质是实现小能量对大能量的控制和转换作用。根据能量守恒定律，在这种能量的控制和转换中，直流电源为输出信号提供能量。,放大的对象：信号的放大的对象是变化量，放大倍数是指输出信号与输入信号的变化量之比；信号放大时，放大的是信号的幅度，信号的频率不变。,2.2放大电路的主要技术指标,1.放大倍数,放大倍数是衡量放大电路对信号放大能力的主要技术参数。,（1）电压放大倍数输出电压与输入电压的变化量之比。,（2）电流放大倍数输出电流与输入电流的变化量之比。,2.最大输出幅度,最大不失真的输出电压UOM或输出电流IOM。,一般用有效值表示，当信号为正弦量时，也可以用正弦信号的峰-峰值或幅值来表示。,3.非线性失真系数D,式中U1、U2、U3等分别表示输出信号中的基波、二次谐波、三次谐波等的幅值，则,4.输入电阻Ri,从放大电路的输入端看进去的等效电阻称为放大电路的输入电阻。,对于一定的信号源电路，输入电阻Ri越大，放大电路从信号源得到的输入电压ui就越大，放大电路向信号源索取电流ii的能力也就越小。,5.输出电阻RO,从放大电路的输出端看进去的等效电阻称为放大电路的输出电阻。,输出电阻的求法,RO愈小，说明放大电路带动负载能力愈强。,通常将放大倍数在高频段和低频段分别下降为中频段放大倍数的时所包括的频率范围，定义为放大电路的通频带。,6.通频带,指在输出信号不产生明显失真的前提下，放大电路能够向负载提供的最大输出功率。,放大电路的效率定义为最大输出功率与直流电源消耗的功率PV之比，即,7.最大输出功率Pom,8.效率,2.3单管共发射极放大电路,1.三极管VT：核心元件，处于放大状态，即发射结正偏、集电结反偏。,2.3.1单管共发射极放大电路的组成,2.基极直流电源VBB：使发射结正向偏置。,3.基极直流偏置电阻Rb：配合VBB设置合适的基极静态直流偏置电流IB。,4.集电极直流电源VCC：使集电结反向偏置，提供直流电能。,5.集电极负载电阻Rc：将集电极电流iC的变化转换成集电极电压uCE的变化，再传送到放大电路的输出端。,2.3.2单管共发射极放大电路的工作原理,当输入电压有一个微小的变化量时，在输出端将得到一个放大了的变化量，从而实现放大作用。,组成放大电路必须遵循的原则：,1.外加直流电源应能保证：发射结正偏、集电结反偏，设置三极管工作在放大状态（iC=iB）。,2.输入回路的接法应使ui能传到三极管的基极回路并产生iB。,3.输出回路的接法应使iC能转化为uCE，并传到放大电路的输出端。,放大电路的改进,2.4放大电路的基本分析方法,1.分析的任务,2.常用分析方法,（1）静态分析,静态:放大器未加入交流输入信号时的直流工作状态,（2）动态分析,动态：输入端加上交流输入信号，放大器各点电压、各支路电流将随输入信号在静态基础上变化,（1）图解法,（2）微变等效电路法,静态是放大电路正常工作的基础和前提条件；动态则是放大电路工作的直接目的。分析电路的步骤：先静态，后动态。,2.4.1直流通路和交流通路,1.直流通路,电容开路,2.交流通路,电容、直流电源短路,2.4.2静态工作点的近似估算,1.静态工作点Q的概念,2.单管共射放大电路Q的估算方法,UBEQ=(0.60.8)伏硅管UBEQ=(0.10.3)伏锗管,例2.4.1,2.4.3图解法,图解法就是在放大电路的输入、输出特性曲线上，直接用作图的方法求解放大电路的工作情况。,1.图解的基本方法,IBQ、UBEQ的求法,a.输入特性曲线上作图,（1）图解分析静态,b.估算法（一般情况下使用）,UBEQ=(0.60.8)伏硅管UBEQ=(0.10.3)伏锗管,ICQ、UCEQ的求法,输出特性曲线上作图,a.直流通路,b.直流通路的输出回路,c.直流负载线,两个特殊点,斜率,d.输出特性曲线,e.静态工作点Q,直流负载线与iB=IBQ的一条输出特性的交点。,f.ICQ、UCEQ,（2）图解分析动态,a.交流通路,b.交流通路的输出回路,c.等效交流负载电阻,d.交流负载线,当输入信号电压ui0时，放大电路的工作点即在交流负载线上，又在静态工作点Q上。,交流负载线过Q点,斜率,交流负载线,比直流负载线陡,图解分析动态的一般步骤,a.在输出特性曲线上作出直流负载线；,b.得到IBQ，可用估算法或在输入特性曲线上用作图的方法得到；,c.确定静态工作点Q，即iB=IBQ的一条输出特性曲线与直流负载线之交点,求出的值ICQ和UCEQ值；,d.在输出特性曲线上作出交流负载线，即过Q点作斜率为的直线；,e.分析计算放大电路的各个动态性能指标；,例：求电压放大倍数,单管共射放大电路的电压、电流波形,a.设置合适的静态工作点；,b.输入端加入uI；,c.各处电压、电流处于交直流并存状态；,d.放大：微小的uI可引起较大的uO；,e.倒相：uO与uI反相。,例：2.4.2,估算IBQ,直流负载线经过输出特性曲线直角坐标系上两个特殊点,作一条直线，即为直流负载线。,与直流负载线的交点即为Q。,经Q点作一条斜率为的直线，即为交流负载线。,2.图解法的应用,（1）用图解法分析非线性失真,当放大电路的静态工作点Q选取比较低时，IBQ较小，输入信号的负半周进入截止区而造成的失真称为截止失真。输出电压uCE出现顶部削平失真。,截止失真,当放大电路的静态工作点Q选取比较高时，IBQ较大，UCEQ较小，输入信号的正半周进入饱和区而造成的失真称为饱和失真。输出电压uCE出现底部削平失真。,饱和失真,输出电压uCE顶部、底部同时出现顶部削平失真。,输入信号过大出现饱和-截止失真,（2）用图解法估算最大输出幅度,VCC愈大，工作点的动态范围愈大，最大输出幅度愈大；在VCC一定的情况下，应将Q设在交流负载线的中央。,最大输出幅度是指输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够输出的最大电压（有效值）。,（3）用图解法分析电路参数对Q的影响,2.4.4微变等效电路法,在信号变化范围很小（微变）的情况下，可用一个线性电路来等效非线性的三极管，这样的电路称为三极管的微变等效电路。,1.简化的h参数微变等效电路,a.输入端等效为,（1）三极管的等效电路,b.输出端等效为,a.单管共射放大电路交流通路,（2）单管共射放大电路的微变等效电路,b.交流通路微变等效电路,画出微变等效电路的方法、步骤,单管共射放大电路,交流通路,微变等效电路,a.电压放大倍数,b.输入电阻,动态性能指标的求法,c.输出电阻,教材60页：用微变等效电路分析放大电路的步骤。,（3）rbe的近似估算公式,那么，增大，能否按比例增大？,问题：,对单管共射放大电路有：,对单管共射放大电路，如何调整IEQ，而得到较大得？,，,例2.4.1&2.4.3,估算Q；用微变等效电路法估算如欲提高，可采用何种措施，应调整电路中哪些参数？,解：,a.直流通路,b.估算Q,UBEQ=0.7V,a.估算rbe,b.交流通路,c.微变等效电路,d.计算,e.,f.,因为,所以,例如将IEQ增至3mA，则,在VCC、RC等电路参数不变的情况下，可通过减小Rb来增大IEQ，但要防止产生饱和失真。,2.微变等效电路法的应用,例：2.4.4,静态分析,a.直流通路,b.估算Q,UBEQ0.7V,动态分析,a.,b.交流通路,c.微变等效电路,d.动态性能指标计算,3.图解法与微变等效电路法主要优、缺点的比较表2-1,2.5静态工作点的稳定问题,1.温度对UBE的影响,Q点的影响因素有很多，如电源波动、偏置电阻的变化、管子的更换、元件的老化等等，不过最主要的影响则是环境温度的变化。三极管是一个对温度非常敏感的器件，随温度的变化，三极管参数会受到影响，具体表现在以下几个方面。,2.5.1温度对静态工作点的影响,UBE的温度系数约为-2.2mV/oC，即温度每升高1，UBE大约减小2mV。,2.温度对的影响,总的效果,固定偏置电路的Q点是不稳定的。Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。,温度升高，三极管的电流放大系数增大。使各条输出特性曲线之间的间距加大。,3.温度对反向电流的影响,温度升高，使ICBO、ICEO急剧增大。使各条输出特性曲线同时明显上移。,1.电路的组成,2.5.2分压静态工作点稳定电路,（电流负反馈式工作点稳定电路）,2.静态分析,3.稳定静态工作点Q原理,静态工作点Q基本稳定！,电流负反馈式工作点稳定电路？,4.动态分析,比较图2.4.14及例2.4.4,发射极旁路电容Ce的作用？,例2.5.1,2.6双极型三极管放大电路的三种基本组态,2.6.1共集电极放大电路,（共射组态、共集组态、共基组态）,（射极输出器）,1.静态分析,2.动态分析,电压放大倍数,注意：电压放大倍数恒小于1，但接近于1。,电压跟随器,输入电阻,较之于基本共射电路，输入电阻增大了。,输出电阻,考虑信号源内阻时的电压放大倍数,电流放大系数,a.不考虑Rb、Re,b.考虑Rb、Re,例：2.6.1,2.6.2共基极放大电路,1.静态分析,2.动态分析,电流放大倍数,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,例：2.6.2,2.6.3三种基本组态的比较,Ai,Au,Ri,Ro,频率响应,大,-(1+)大,-小,-RL/rbe大,1小,RL/rbe大,rbe中,rbe+(1+)RL大,rbe/(1+)小,Rc中,(rbe+Rs)/(1+)小,Rc中,较差,较好,好,2.7场效应管放大电路,场效应管是电压控制器件，双极型三极管是电流控制器件。场效应管栅源输入电阻高，双极型三极管b、e间输入电阻较小。场效应管只利用多数载流子导电，噪声小、受外界温度及辐射影响小。场效应管电路便于大规模集成。在相同负载下，电压放大倍数比双极型三极管低。(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。三种接法共源放大器、共栅放大器、共漏放大器分析方法：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。,2.7.1共源极放大电路,1.静态分析,为了保证场效应管工作在恒流区，以实现放大作用，VGG、VDD应使uGS和uDS满足：,2.动态分析,场效应管的微变等效电路,在Q点附近，可用IDQ表示上式中的iD,则,动态性能指标,a.交流通路,b.微变等效电路,c.电压放大倍数,d.输入电阻Ri,e.输出电阻Ro,例：2.7.1,2.7.2分压自偏压式共源极放大电路,1.静态分析,静态时，栅极电位VGQ值由VDD经电阻R1、R2分压得到，源极电位VSQ值等于ID流过电阻Re所产生的自偏压，场效应管的静态偏置电压UGSQ由VGQ和VSQ相减决定。,故称为分压自偏压共源极放大电路,近似估算法,联立,可求得UGSQ和IDQ，,由,可求得UDSQ。,图解法,先由,在转移特性,曲线上作直流负载线，得Q点，得UGSQ和IDQ。,再由,在输出特性曲线上,作直流负载线，得Q点，得UDSQ和IDQ。,2.动态分析,交流通路共源极,输出电阻,微变等效电路,电压放大倍数,输入电阻,例：2.7.2,2.7.3共漏极放大电路,1.静态分析,源极输出器，源极跟随器，输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数小于1且接近于1。,联立,可求得UGSQ和IDQ，,由,可求得UDSQ。,2.动态分析,交流通路共漏极,输出电阻,微变等效电路,电压放大倍数,输入电阻,例：2.7.3,2.8多级放大电路,实际应用中，放大电路的输入信号通常很微弱（毫伏或微伏数量级），为了使放大后的信号能够驱动负载，仅仅通过单级放大电路进行信号放大，很难达到实际要求，常常需要采用多级放大电路。采用多级放大电路可有效地提高放大电路的各种性能，如提高电路的电压增益、电流增益、输入电阻、带负载能力等。,多级放大电路是指两个或两个以上的单级放大电路所组成的电路。通常称多级放大电路的第一级为输入级。对于输入级，一般采用输入阻抗较高的放大电路，以便从信号源获得较大的电压输入信号并对信号进行放大。中间级主要实现电压信号的放大，一般要用几级放大电路才能完成信号的放大。通常把多级放大电路的最后一级称为输出级，主要用于功率放大，以驱动负载工作。,2.8.1多级放大电路的耦合方式,在多级放大电路中，各级放大电路输入和输出之间的连接方式称为耦合方式。常见的连接方式有三种：阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。,1.阻容耦合,各单级放大电路之间通过隔直耦合电容连接。阻容?,优点：1）各级静态工作点相互独立，设计调试方便。2）传送中交流信号损失小，放大倍数大。,缺点：1）不能放大缓慢变化及直流信号，低频特性差。2）不便于集成化。,2.变压器耦合,各级放大电路之间通过变压器耦合传递信号。如图，通过变压器T1把前级的输出信号uo1，耦合传送到后级，作为后一级的输入信号ui2。变压器T2将第二级的输出信号耦合传递给负载RL。,优点：1）各级工作点相互独立。2）进行阻抗变换，可获得较大的输出功率。,缺点：1）不能放大变化缓慢的信号，低频特性差。2)体积重量大，不能集成化。,2.直接耦合,各级放大电路之间通过导线直接相连接。如图所示为直接耦合两级放大电路。前级的输出信号uo1，直接作为后一级的输入信号ui2。,优点：1）可放大交流和直流信号，低频特性好。2）便于集成化。,缺点：1）各级工作点互相影响。2）有零点漂移现象。,各级工作点互相影响及解决方法,关于零点漂移,三极管受温度、光照等因素影响，静态工作点发生变化，使得输入为零时，仍有缓慢变化（接近直流）输出信号存在，称为零点漂移现象。,零漂信号较小且频率较低，故对单级放大器、多级阻容耦合放大器和变压器耦合放大器的影响很小，不必考虑。但在多级直接耦合放大器中，该零漂信号会逐级传输并放大，最终有较大零漂信号输出，干扰了有效信号，必须加以抑制。,抑制零点漂移的方法：引入直流负反馈稳定静态工作点，减小零点漂移；采用温控元件进行温度补偿，抑制零点漂移；采用差动放大器，抵消零点漂移信号。,表2-3三种耦合方式的比较,例：2.8.1,2.8.2多级放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻,1.电压放大倍数,2.输入电阻、输出电阻,多级放大电路的输入电阻Ri等于从第一级放大电路的输入端所看到的等效输入电阻Ri1。即：Ri=Ri1,多级放大电路的输出电阻Ro等于从最后一级（末级）放大电路的输出端所看到的等效电阻Ro末。即：Ro=Ro末,注意：求解多级放大电路的动态参数Au、Ri、Ro时，一定要考虑前后级之间的相互影响。（1）要把后级的输入阻抗作为前级的负载电阻；（2）前级的开路电压作为后级的信号源电压，前级的输出阻抗作为后级的信号源阻抗。,例：2.8.2,