模拟电子电路第二章.ppt

第二章基本放大电路 2 1放大的概念和放大电路的主要性能指标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放大电路静态工作点的稳定2 5晶体管单管放大电路的三种基本接法2 6场效应管放大电路2 7基本放大电路的派生电路 本章要求 掌握 1 放大 静态工作点 饱和失真与截止失真 直流通路与交流通路 直流负载线与交流负载线 h参数等效模型 放大倍数 输入电阻和输出电阻 最大不失真输出电压 静态工作点的稳定 2 放大电路的组成原则和各种基本放大电路的工作原理及特点 3 放大电路的分析方法 能够正确估算基本放大电路的静态工作点和动态参数Au Ri R0 理解 派生电路的特点 电路输出波形产生截止失真和饱和失真的原因 了解 稳定静态工作点的必要性及稳定的方法 2 1放大的概念和放大电路主要性能指标 2 1 1放大的概念 电子学中的放大 放大的对象 变化量 表象 将信号的幅值由小变大 本质 实现能量的控制和转换 基本特征 是功率放大 有源元件 具有能量作用的元件 三极管 扬声器所获得的能量远大于话筒送出的能量 2 1 2放大电路的性能指标 1 放大倍数 Au 衡量放大电路放大能力的重要指标 其值为输出量 电压放大倍数 电流放大倍数 2 输入电阻Ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻 定义为输入电压有效值Ui和输入电 表明放大电路从信号源吸取电 或 与输入量 或 之比 流有效值Ii之比 即 号源吸取的电流愈小 反之则愈大 流大小的参数 Ri愈大放大电路从信 输出电阻是表明放大电路带负 3 输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效内阻 或 载的能力差 反之则强 载的能力 Ro大表明放大电路带负 4 通频带 图2 1 4放大电路的频率指标 当A f 下降到中频电压放大倍数Am的1 时 即 放大电路的增益A f 是频率的函数 在一定的频率范围内 fL 下限截止频率 fH 称为上限截止频率 fbw为通带频率 反应对不同频率的通过能力 5 非线性失真系数D 输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D A1为基波幅值 A2 A3为谐波幅值 6 最大不失真输出Uom 当输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压 7 最大输出功率与效率 在输出信号不失真的情况下 负载上能够获得的最大功率 记为Pom 直流电源能量的利用率称为效率 Pv为电源消耗的功率 2 2基本共射放大电路的工作原理 基本放大电路 22 1基本共射放大电路的组成及各元件的作用 基本组成如下 晶体管T 基极电阻Rb 集电极电源VCC 集电极电阻Rc 输入信号ui 基极电源VBB 核心元件 起放大作用 与基极电源一起共同决定基极电流IB 使晶体管b e间电压UBE Uon 使晶体管的集电结反向偏置 以保证晶体管工作在放大状态 将IC转换为c e间的电压UCE Vcc IcRc 正弦波电压 信号源 负载 由一个三极管所组成的简单放大电路 单电源供电时的习惯画法 共发射极基本电路 2 2 2 放大电路的工作特点 1 无输入信号 ui 0 时 0 UBE 2 有输入信号 ui 0 时 交直流信号共存 无输入信号 ui 0 时 有输入信号 ui 0 时 uCE VCC iCRC uo 0uBE UBE uiiB IB ibiC IC icuCE UCE uo 结论 1 加上输入信号电压后 各电极电流和电压的大小均发 2 若参数选取得当 输出电压可比输入电压大 即电路 3 输出电压与输入电压在相位上相差180 即共发射 极电路具有反相作用 具有电压放大作用 终不变 生了变化 都在直流量的基础上叠加了一个交流量 但方向始 uBE 0 三极管截止 2 2 3静态和静态工作点 1 静态和静态工作点 静态 时 放大电路的工作状态称为静态 直流工作状态 静态工作点 静态时电路中各电极电流和各电极之间的电压 2 为什么要设置静态工作点 图2 2 2没有设置合适的静态工作点 IBQ ICQ UBEQ UCEQ 1 ui 0时 Uon VCC 避免失真 不产生失真的条件 在输入信号一个周期内 直流分量 交流分量 uBE ui 2 Ui 0时 Uon 2 2 4放大电路的组成原则 1 组成原则 1 发射结正偏 集电结反偏 有适当的静态工作点 2 输入信号能顺利传递 3 失真度不超过允许范围 2 常见的两种共射放大电路 直接耦合共射放大电路 必不可少 若Rb1 0 则静态时 由于输入端短路 晶体管截止 电路不可能正常工作 2 阻容耦合共射放大电路 2 3放大电路的分析方法 分析的任务 求静态时的IBQ ICQ UCEQ 求动态时的 分析方法 估算法 求静态工作点 图解法 适用于动态和静态分析 微变等效法 适用于动态分析 2 3 1直流通路与交流通路 1 直流通路 在直流电源作用下直流电流流经的通路 画法 电容视为开路 电感视为短路 信号源视为短路 即静态电流流经的通路 用于研究静态工作点 但应保留其内阻 直流通路 断开 断开 2 交流通路 容量大的电容 如耦合电容 视为短路 画法 短路 短路 对地短路 交流通路 无内阻的直流电源 如 VCC 视为短路 用于研究动态参数 动态时 ui 0 交流信号电流流经的通路 P138 题2 2 画出如图所示各电路的直流通路和交流通路 所有电容对交流信号均可视为短路 在分析放大电路中 应遵循 先静态 后动态 的原则 求解静态工作点时应利用直流通路 求解动态参数时应利用 交流通路 两种通路切不可混淆 解 画出图示电路的交流通路 R1 R4 R3 R2 R5 T1 T2 ui u0 2 3 2估算法求静态工作点 求静态工作点 A B C 令ui RL 例 用估算法计算图示电路的静态工作点 由KVL可得 由KVL可得 Re 2 3 3图解法 在已知放大管的输入特性 输出特性以及放大电路中其它各元件参数的情况下 利用作图的方法对放大电路进行分析即为图解法 1 图解法分析静态静态值 当uI 0时 在输出回路 1 直流负载线 直流负载线 Q iB IBQ ICQ VCC VCC VCC RC UCEQ 2 确定iB IBQ 直流负载线方程 iC 0 uCE 0 3 参数对静态工作点的影响 Rb对Q点的影响 直流负载线不变 Q1 Q2 工作点在Q1 Q2间移动 Rc对Q点的影响 Q1 Q2 特性曲线不变 工作点在Q1 Q2 间移动 Vcc对Q点的影响 直流负载线斜率不变 工作点在直流负载线上移动 2 图解法分析动态 1 直流负载线 IBQ Q ICQ VCC UCEQ 直流负载线 1 Rc 2 交流负载线 ui 0信号遵循的负载线 在输出特性曲线上观察放大电路在ui 0的工作情况 斜率为 1 Rc RL 交流负载线的画法 A B 交流负载线 1 Rc RL 交流负载线应具备的两个特征 必过Q点 1 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹 2 空载时 交流负载线与直流负载线重合 注意 3 动态分析 RL uo比ui幅度大且相位相反 RL对uo的影响 在输入信号ui不变的情况下 输出电压uo的幅值变小 电压放大倍数变小 最大不失真输出电压也变小 RL 3 图解分析法的应用 1 图解分析法分析波形的非线性失真 三极管特性曲线的非线性引起的失真 非线性失真 截止失真 工作点太低 抑制失真的方法 2 饱和失真 工作点太高 抑制饱和失真的方法 或 退出饱和 o t 思考题在图所示电路中 由于电路参数不同 在信号源电压为正弦波时 测得输出波形如图 a b c 所示 试说明电路分别产生了什么失真 如何消除 b 截止失真 减小Rb 解 a 饱和失真 增大Rb 减小Rc c 同时出现饱和失真和截止失真 应减小ui或增大VCC 以UCEQ为中心 取VCC UCEQ和UCEQ UCES这两段距离中小的数值 就是能输出的最大不失真幅值 峰值 为使电路不失真输出幅值最大 Q点应设在负载线对应于uCE UCES和IB 0两点间的中点 1 若Q点已定 在放大区 能输出的不失真最大幅度是多大 2 Q点设在什么地方能使电路不失真输出幅值最大 4 图解法分析最大不失真电压 对于放大电路与负载直接耦合的情况 直流负载线与交 5 图解法的适用范围 在实际应用中 多用于分析Q点位置 最大不失真输出电压和失真情况 流负载线是同一条直线 而对于阻容耦合放大电路情况 只有在 空载情况下 两条直线才和二为一 结论 2 3 3等效电路法 1 晶体管简化h参数等效模型2 共射放大电路动态参数的分析 将晶体管的模型以电路的形式表达后 用解电路的方法来进行分析和计算的 输入端口 输出端口 在输入特性Q点附近 在输出特性Q点附近 与uCE无关 在共射接法放大电路中 在低频小信号作用下 将晶体管看成一个线性双口网络 利用网络的h参数来表示输入 输出的电压与电流的相互关系 便可得出等效电路 成为共射h参数等效模型 该模型只能用于放大电路动态小信号参数分析 1 简化h参数等效模型 1 晶体管简化h参数等效模型 2 rbe的近似表达式 或 该式表明 Q点愈高 即IEQ ICQ 愈大 rbe愈小 基区体电阻 发射区体电阻 2 共射放大电路动态参数的分析 us 号表示u0与ui相差1800 1 电压放大倍数的计算 2 输入电阻的计算 ri 3 输出电阻的计算 0 0 R0 Rs 例2 3 3 在图所示电路中 已知VCC 12V Rb 510k Rc 3k 晶体管的rbb 150 80 导通时的UBEQ 0 7V RL 3k 求 1 求出电路的 和 2 若所加信号源内阻RS为2k 求出 解 1 首先求出Q点和rbe UCEQ大于UBEQ 说明Q点在晶体管的放大区 画出交流等效电路如图所示 2 根据的定义 的数值总是小于的数值 输入电阻愈大 愈接近 也就愈接近 2 4放大电路静态工作点的稳定 2 4 1静态工作点稳定的必要性2 4 2典型的静态工作点稳定电路2 4 3稳定静态工作点的措施 2 4 1静态工作点稳定的必要性 放大电路的主要性能指标与静态工作点有关 影响静态工作点的因素 电源电压的波动 元件参数的老化 晶体管的温度特性 温度对静态工作点的影响 T 稳定Q点 是指在环境温度变化时静态集 措施 1 置放大电路于恒温槽中 2 从电路结构入手T IBQ 2 4 2典型的静态工作点稳定电路 UBQ B UEQ 1 电路的组成和Q点稳定原理 电极电流ICQ和管压降UCEQ基本不变 1 结构 2 稳定Q点原理 因此 I2 I1 因而B点电位 图 c 中 B点的电流方程为I2 I1 IBQ 若满足I1 IBQ 表明基极电位几乎仅决定于Rb1与Rb1对VCC的分压 而与环境温度无关 即当温度变化时 UBQ基本不变 T ICQ IEQ ICQ 射极电阻Re VCC通过电阻Rb1 Rb2分压接入三极管 UEQ 因为UBQ基本不变 UBEQ IBQ 该电路稳定Q点的原因 1 Re的直流负反馈作用 2 在I1 IBQ的情况下 UBQ在温度变化时基本不变 这种电路又称为分压式电流负反馈Q点稳定电路 从理论上讲 Re愈大 反馈愈强 Q点愈稳定 但是实际上 对于一定的集电极电流IC 由于VCC的限制 Re太大会使晶体管进入饱和区 电路将不能正常工作 2 静态工作点的估算 I1 IBQ 发射极电流 由于ICQ IEQ 管压降 基极电流 可以指出 不管电路参数是否满足I1 IBQ Re的反馈作用都存在 当 1 Re Rb时 I1 IBQ是成立 3 动态参数的估算 求放大倍数 输入电阻 输出电阻 实际阻容耦合Q点稳定电路 Ce 输入电阻 输出电阻 射极旁路电容 2 4 3稳定静态工作点的措施 节点 的电流方程为 二极管的反向电流 晶体管基极静态电流 IC IR T IC UE UD UB T UBE IC IB IC 2 5晶体管单管放大电路的三种基本接法 2 5 1基本共集放大电路2 5 2基本共基放大电路2 5 3三种接法的比较 2 5 1基本共集放大电路 1 电路组成 2 静态分析 电压放大倍数 3 动态分析 电压放大倍数Au 1且输入输出同相 输出电压跟 随输入电压 故称电压跟随器 但是输出电流Ie远 大于输入电流Ib 所以电路仍有功率放大作用 输入电阻 发射极电阻Re等效到基极回路时 将增大 1 倍 因此共 集放大电路输入电阻比共射放大电路的输入电阻大得多 可达几 十千欧到几百千欧 输出电阻 基极回路电阻 R s rbe 等效 结论 1 Ri大 从信号源索取的电流小 2 R0小 带负载能力强 3 Au 1 u0与ui同相 到发射极回路时 应减小到原 来的1 1 R0可小到几十欧 2 5 2基本共基放大电路 1 电路的组成 图2 5 4 a 基本共基放大电路 2 静态分析 b 基本共基交流通路 3 动态分析 电压放大倍数 2 Au R L rbe 有电压放大能力 从而实现功率放大 特点 1 无电流放大能力 输入电流为iE 输出电流为iC 3 输出电压与输入电压同相 4 频带宽 输入电阻 输出电阻 2 5 3三种接法的比较 大 1 大 频率响应 差 较好 好 小 阻容耦合共基放大电路 2 7晶体管基本放大电路的派生电路 2 7 1复合管放大电路2 7 2共射 共基放大电路2 7 3共集 共基放大电路 2 7 1复合管放大电路 一 复合管组成及其电流放大系数 由两只或两只以上三极管适当连接而成 T1 T2 组成原则 1 每只三极管均工作在放大状态 且各极电流均有合适的通路 2 前一只三极管的输出电流与后一只三极管的输入电流实际方向一致 1 同类型三极管复合 1 电流放大系数 2 输入电阻rbe 2 不同类型三极管复合 二 复合管共射放大电路 该式说明输入电阻比没有复合管时明显增大 即当相同时 从信号源 若 1 1 rbe2 rbe1 且 1 1 则 电压放大倍数与没用复合管时相当 索取的电流将明显减小 三 复合管共集放大电路 由于采用复合管 输入电阻Ri中与Rb相并联的部分大大提高 而输出电阻Ro中与Re相并联的的部分大大降低 使共集放大电路Ri大 Ro小的特点得到进一步的发挥 2 7 2共射 共基放大电路 由于T1管以输入电阻小的共基电路为负载 使T1管集电结电容对输入回路的影响减小 从而使共射电路高频特性得到改善 因为 2 1 即 2 1 2 1 所以 与单管共射放大电路的相同 2 7 3共集 共基放大电路 图所示为共集 共基放大电路的交流通路 它以T 管组成的共集电路作为输入端 故输入电阻较大 以T2管组成的共基电路作为输出端 故具有一定电压放大能力 由于共集电路和共基电路均有较高的上限截止频率 故电路有较宽的通频带 图中的哪些接法可以构成复合管 标出它们等效管的类型 如NPN型 PNP型 N沟道结型 及管脚 b e c d g s P144题2 18 c 构成NPN型管 上端为集电极 中端为基极 下端为发射极 解 a 不能 b 不能 d 不能 f PNP型管 上端为发射极 中端为基极 下端为集电极 g 构成NPN型管 上端为集电极 中端为基极 下端为发射极 e 不能 习题课 1 二极管 三极管伏安特性 2 二极管应用电路分析 3 三极管电极的确定及工作状态的判断 4 用基本放大电路的组成原则判断电路对信号是否具有放大作用 5 静态工作点的估算及图解法求静态工作点 6 放大电路的微变等效法 晶体管 场效应管 7 复合管特点 UGS th 0 UGS th 0 UGS off 0 UGS off 0 UGS off 0 UGS off 0 IG 0 ID IS a uGD UGS off b uGD UGS off c uGD UGS off 击穿电压U BR DS 指uDS增大到使iD开始急剧增加 发生雪崩击穿时的uDS值 使用时uDS不能超过此值 击穿电压U BR GS 指G S间P N结的反向击穿电压 若UGS超过此值 P N结将被击穿 击穿电压U BR DS 指uDS增大到使iD开始急剧增加 发生雪崩击穿时的uDS值 使用时uDS不能超过此值 击穿电压U BR GS 使绝缘层击穿的UGS 超过此值 绝缘层将被击穿 题1 12分别判断图示各电路中的场效应管是否有可能工作在恒流区 解 a 可能 c 不能 b 不能 d 可能 IG 0 ID IS uGS IDRS 0 uGS 0 uGS IDRS 0 uGS VGG 0 例 P137二试分析图所示各电路是否能够放大正弦交流信号 简述理由 设图中所有电容对交流信号均可视为短路 分析方法 1 画出直流通路 判断发射结和集电结偏置情况 2 若发射结正偏 集电结反偏 再画出交流通路判断 若ui 0时 u0 0且 1 则有放大作用 反之 则无放大作用 解 a 无放大作用 ui被VBB短路 不能顺利传输 c 无放大作用 图为共集电极电路 b 可能 偏置Rb可以使T导通 工作在放大区 d 无放大作用 VBB 1 2V 0 7V 使T饱和 e 无放大作用 ui被C2短路 不能顺利传输 d 无放大作用 u0恒为VCC 或ui 0 u0 0 例 电路如图所示 设三极管的 80 UBEQ 0 6V 试分析当开关分别置于A B C三个位置时 三极管工作在什么状态 并求出相应的输出电压 UCES 0 3V 解 三极管处于临界饱和状态时 开关置于A时 IBS 三极管处于饱和状态 分析方法 1 求临界饱和电流 2 求实际基极电流 3 若IB IBS三极管处于饱和状态若0 IB IBS三极管处于放大状态否则为截止状态 80 0 0228 1 824mA 开关置于B时 IBS 三极管工作在放大状态 12 1 824 4 4 7V 开关置于C时 三极管发射结反偏 所以工作在截止状态 IB 0 IC 0 U0 VCC 12V 3 在 1mV时 将Rw调到输出电压最大且刚好不失真 若此时增大输入电压 则输出电压波形将A 顶部失真B 底部失真C 为正弦波 P137四 已知图示电路中VCC 12V RC 3k 静态管压降UCEQ 6V 并在输出端加负载电阻RL 其阻值为3k 选择一个合适的答案填入空内 1 该电路的最大不失真输出电压有效值Uom A 2VB 3VC 6V 2 当 1mV时 若在不失真的条件下 减小RW 则输出电压的幅值将 A 减小B 不变C 增大 4 若发现电路出现饱和失真 则为消除失真 可将 A RW减小B Rc减小C VCC减小 直流负载线 交流负载线 VCC ICQRL UCEQ P138题2 4 电路如图 a 所示 图 b 是晶体管的输出特性 静态时UBEQ 0 7V 利用图解法分别求出RL 和RL 3k 时的静态工作点和最大不失真输出电压Uom 有效值 解 1 当RL开路且ui 0时 输出回路直流负载线方程为 直流负载线 Q 最大不失真输出电压 6 0 7 5 3V 12 6 6V UCES 2 当RL 3K 且ui 0时 等效为 输出回路直流负载线方程为 Q UCEQ 3 0 7 2 3V 6 3 3V 例题 设图所示电路所加输入电压为正弦波 试问 2 画出输入电压和输出电压ui uo1 uo2的波形 解 1 交流等效电路为 Re 2 两个电压放大倍数说明uo1 ui uo2 ui 波形如解所示 3 求静态工作点 ICQ 4 求Ri R01 R02 2 6 1场效应管放大电路的三种接法2 6 2场效应管放大电路静态工作点的设置方法及其分析估算2 6 3场效应管放大电路的动态分析 2 6场效应管放大电路 2 6 1场效应管放大电路的三种接法 一 基本共源放大电路 静态时 UGSQ VGG 共射 共集 共基 ui 0 IG 0 2 6 2场效应管放大电路静态工作点的设置方法及其分析估算 二 自给偏压电路 静态时 IGQ 0 因而UGQ 0 由于结型场效应管的电流方程为 所以静态时 管压降为 源极电位为USQ IDQRs 三 分压式偏置电路 Rg1与Rg2对电源VDD分压来设置偏压 故称为分压式偏置电路 Rs稳定静态工作点 Rg3提高输入电阻 静态时 栅极电位 源极电位 栅 源电压 2 7 3场效应管放大电路的动态分析 1 场效应管的低频小信号等效模型 因场效应管iG 0 g s视为断路 对上式两端求全微分 得 令式中 当信号幅值较小时 可以认为在Q点附近的特性是线性的 gm与rds近 1 低频小信号等效模型 似为常数 用有效值Id Ugs和Uds取代变化量diD duGD和duDS 交流等效模型 2 gm的求解 在小信号作用时IDQ iD 得出 该式表明 gm与Q点紧密相关 Q点愈高 gm愈大 因此 场效应管放大电路与晶体管放大电路相同 Q点不仅影响电路是否会产生失真 而且影响电路的动态参数 对耗尽型场效应管 2 共源放大电路的动态分析 不考虑电容时 考虑电容时 输入电阻 输出电阻 与共射放大电路类似 共源放大电路具有一定的电压放大能力 且输 出电压与输入电压反相 只是共源电路比共射电路的输入电阻大得多 3 共漏放大电路的动态分析 交流等效电路 输入电阻 输出电阻 已知图P2 15 a 所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图 b c 所示 1 利用图解法求解Q点 2 利用等效电路法求解 Ri和Ro 解 1 Q 由特性曲线 b 可知 Q 2 2 6 4场效应管放大电路的特点 场效应管 单极型管 与晶体管 双极型管 相比 最突出的优点是可以 组成高输入电阻的放大电路 此外 由于它还有噪声低 温度稳定性好 抗 辐射能力强等优于晶体管的特点 而且便于集成化 所以被广泛地应用于各 种电子电路中 场效应管的放大能力比晶体管差 共源放大电路的电压放大倍数的数值 只有几到几十 而共射放大电路电压放大倍数的数值可达百倍以上 另外 由于场效应管栅源之间的等效电容只有几皮法到几十皮法 而栅源电阻又很 大 若有感应电荷则不易释放 从而形成高压 以至于将栅源间的绝缘层击 穿 造成永久性损坏 使用时应注意保护