考虑电路中不同的直流和交流成分,放大器的基本分析方法为什么和什么

泡在奶味里12个月前 (12-05)阅读数 5#综合百科

第2章放大电路的基本原理和分析方法,本章教学内容,2.1 放大的概念 2.2 放大电路的主要技术指标 2.3 单管共发射极放大电路 2.4 放大电路的基本分析方法 2.5 静态工作点的稳定问题 2.6 三极管放大电路的三种基本组态 2.7 场效应管放大电路 2.8 多级放大电路,2.1 放大的概念,放大的基本要求：不失真放大的前提放大的本质：能量的控制放大的对象: 变化量放大的核心元件：三极管和场效应管,电信号,足够强电信号,微弱,强得多,放大倍数放大电路输出信号与输入信号的比值。,信号源,内阻,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,2.2 放大电路的主要技术指标,输入电阻,从输入端看进去的等效电阻,输入电阻越大越好,衡量放大电路从信号源获取电流大小的参数。,输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,空载时输出电压有效值,带RL时的输出电压有效值,输出电阻越小，带负载能力愈强。,通频带,下限频率,上限频率,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,最大输出幅度,非线性失真系数,所有的谐波总量与基波成分之比:,无明显失真的最大输出电压(或电流)，一般指有效值，以Uom (或Iom )表示。,最大输出功率与效率,最大输出功率Pom：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率,效率：最大输出功率Pom与电源消耗的功率PV 之比,2.3 单管共发射极放大电路,共发射极放大电路的组成,晶体管：起放大作用的核心元件,Rc：将变化的电流iC转变为变化的电压uCE(uo) 。,Rb、VBB ：使发射结正偏，并提供合适的静态基极电流IB。,VCC：为输出信号提供能量，并与Rc一起保证集电结反偏。,放大电路的工作原理,UBE,UCE=VCCRCIC,静态工作点Q,UBEQ,IBQ,ICQ,UCEQ,当 ui=0,ui,uBE=UBEQ+ube,iB=IBQ+ib,ic= ib,uCE=UCEQ+uce,uo=uce,UCEQ=VCCRCICQ,iC=ICQ+ic,uce=RL|RCic,当 ui0,ib,ic,uce,反相放大,放大电路的工作波形,放大电路的组成原则,静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,问题：两种电源信号源与放大电路不“共地”,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失,2.4 放大电路的基本分析方法,静态工作点Q分析,动态参数分析,IBQ、ICQ、UCEQ、UBEQ,Au、Ri、Ro,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,直流通路与交流通路,直流通路,在直流电源作用下直流电流流经的通路。,电容开路，电感短路；,信号源短路；,交流通路,在输入交流信号的作用下，交流信号流经的通路。,大电容短路；,直流电源短路；,静态工作点的近似估算,晶体管的静态等效电路（放大状态）,放大电路静态等效电路,近似条件：UBE 0.7V(硅管)，或 0.3V(锗管),近似估算,检验晶体管是否处于放大状态,思考：如果BJT处于饱和区，如何调节使电路处于放大状态？,IBQRb+UBEQ=VCC,IBQ,ICQ,ICQRc+UCEQ=VCC,根据KVL：,再次根据KVL：,图解法,把输入输出回路分开处理,画出直流通路,列输入回路方程：,列输出回路方程：,UBE =UCCIBRB,UCE=UCCICRC,静态工作点的分析,输入回路分析,UBEQ,IBQ,输入特性曲线,输入回路直流负载线,输出回路分析,IBQ,UCEQ,ICQ,输出特性曲线,静态工作点,静态工作点,输出回路直流负载线,UBE =UCCIBRB,UCE=UCCICRC,由于输入特性不易准确测得，一般用估算法求IBQ和UBEQ 。,图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知Rb=280k，Rc=3k ，集电极直流电源VCC=12V，试用图解法确定静态工作点。,解：首先估算 IBQ,输出回路方程 UCE = VCC IC Rc,IB,例,0,iB = 0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.,uCE /V,由 Q 点确定静态工作点为：,iC /mA,UCE =12 3IC,电压放大倍数的分析,交流负载线,直流负载线,输入回路工作情况分析,输出回路工作情况分析,图解法的步骤,画输出回路的直流负载线估算 IBQ，确定Q 点，得到 ICQ和 UCEQ 画交流负载线求电压放大倍数,图解法的应用,分析非线性失真,由于静态工作点Q过低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真,iB,ui,截止失真,截止失真是在输入回路首先产生失真！,顶部失真,uo = uce,O,IB = 0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC / mA,uo = uce,ib(不失真),ICQ,UCEQ,Q 点过高，引起 iC、uCE的波形失真。,底部失真,饱和失真,估算最大输出幅度,Q尽量设在线段AB的中点,分析电路参数对静态工作点的影响,Q1,Q2,VCC,Rb1Rb2,Q1,Q2,VCC,Rc2Rc1,增大Rc ，Q点向饱和区靠近。,增大Rb ，Q点向截止区靠近。,Q1,Q2,VCC,21,Q1,Q2,VCC2,VCC2VCC1,VCC1,VCC升高时, Q点移向右上方,Uom增大，三极管静态功耗也增大。, 增大时，输出特性曲线上移，Q点移近饱和区。,图解法的特点,形象、直观；,适应于Q点分析、放大倍数分析、失真分析、最大不失真输出电压的分析；,能够用于大信号分析；,要求实测晶体管的输入、输出曲线；,定量分析的误差较大；,不能求解输入电阻、输出电阻、频带等参数；,直流负载线,交流负载线,微变等效电路法,适用条件：微小交流工作信号；三极管工作在线性区。解决问题：处理三极管的非线性问题。,输入回路,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。,晶体管的等效电路,利用PN结的电流方程可求得,基区体电阻,发射结电阻,发射区体电阻,查阅手册,rbb: 基区体电阻（常取300） UT: 温度电压当量. 常温(27C), UT =26mV,小功率三极管：,输出回路,三极管输出端可以等效为一个受控电流源：,iC=iB,等效电路,rbe,uBE,iC,iB,uCE,iB,e,c,b,动态参数分析,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,等效电路法的步骤,确定放大电路的静态工作点Q。,根据定义列出电路方程并求解。,画出放大电路的微变等效电路。,求出Q点处的和rbe 。,估算法,交流通路,微变等效电路,分析下图所示接有射极电阻的单管放大电路。,例,引入发射极电阻后，降低了。,若满足(1 + ) Re rbe,与三极管的参数、rbe 无关。,其中 RL=Rc/RL,放大倍数,输入电阻,引入Re后，输入电阻增大。,输出电阻,图示放大电路中, = 50。 1. 试估算放大电路的静态工作点； 2. 画出微变等效电路； 3. 求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,例,解:直流通路如图所示,IBQRb+UBEQ+IEQRe=VCC,ICQ=IBQ=500.04mA =2mAIEQ,UCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe =12-2(3+0.82)V =4.36V,Ri=rbe+(1+)Re/Rb=36.3k,RoRc=3k,微变等效电路如图所示,微变等效电路法的特点,简单方便；,适应分析任何基本工作在线性范围的简单或复杂的电路；,只能解决交流分量的计算问题；,不能分析非线性失真；,不能分析最大输出幅度；,静态工作点稳定的必要性,2.5 静态工作点的稳定问题,必要性,决定放大电路是否产生失真；,影响电压放大倍数、输入电阻等动态参数；,静态工作点的不稳定，将导致动态参数不稳定，甚至使放大电路无法正常工作。,影响静态工作点稳定的因素,电源电压波动；,元件老化；,环境温度变化；,温度对静态工作点的影响,T = 20 C,T = 50 C,工作点向饱和区移动,Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。,分压式偏置电路,分压式偏置电路,分压式偏置电路组成,RB2,CE,RE,VB,RE射极直流负反馈电阻,旁路电容，在交流通路中可视为短路,稳定静态工作点的原理,固定VB,VB不受温度变化的影响。,取适当的VB,使 VBUBE,I2=(510)IB,VB=(510)UBE,(IE),VB一定,稳定过程,(维持不变),RE的作用,采样：,直流负反馈：,静态分析,动态分析,其中：,旁路电容CE不影响放大电路的电压放大倍数。,若去掉CE,如图所示，VCC=12V，Rb1=5k，Rb2=15k，Re=2.3k，Rc=5.1k，RL=5.1k，=50，UBEQ= 0.7V。 (1) 估算静态工作点Q； (2) 分别求有、无Ce时的Au和Ri；,例,解： (1) 静态工作点:,(2) 求Au和Ri,当有Ce时,当无Ce时,可以看出，当无Ce时，电压放大倍数很低,2.6 三极管放大电路的三种基本组态,基本组态,共射组态CE,共集组态CC,共基组态CB,共集电极放大电路,电路组成,集电极交流接地共集电极电路发射极输出射极输出器,静态分析,UCC=IBQRB+UBEQ +IEQRE =IBQRB+UBEQ+(1+ )IBQRE =IBQ RB+ (1+ )RE + UBEQ,动态分析,电压放大倍数,输入电阻,非常高,输出电阻,信号源内阻,非常低,射极输出器的特点,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,电压放大倍数,1,输入电阻很大，从信号源取得的信号大。,输出电阻很小，带负载能力强。,所谓带负载能力强，是指当负载变化时，放大倍数基本不变。,射极输出器的用途,将射极输出器放在电路的首级，可以提高放大器的输入电阻，减少对前级的影响。,将射极输出器放在电路的末级，可以降低放大器的输出电阻，提高带负载能力。,将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的阻抗变换作用，这一级称为缓冲级或中间隔离级。,静态工作点分析：,动态分析：,共基极放大电路,电路组成,VEE：保证发射结正偏；,VCC：保证集电结反偏；,原理电路,实际电路,静态分析,动态分析,具有电压放大作用，没有倒相作用。,电压放大倍数,输入电阻,如不考虑Re的作用,如考虑 Re 的作用,输出电阻,如不考虑Rc的作用,Ro = rcb,如考虑Rc的作用,Ro = Rc / rcb Rc,三种基本组态的比较,频率响应,大 Rc,小,高 Rc,小 (几欧几十欧),大 (几十千欧以上),中 (几百欧几千欧) rbe,组态,性能,共射组态,共集组态,共基组态,差,较好,好,应用,低频电压放大,多级放大的输入级和输出级,宽频带放大电路,2.7 场效应管放大电路,场效应管的特点,场效应管是电压控制元件；,栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；,一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及辐射影响小；,制造工艺简单，有利于大规模集成；,存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止漏电击穿管子；,跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。,N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路为例,共源极放大电路,电路组成,工作在恒流区实现放大作用：,开启电压,静态分析,UGSQ 、 IDQ 、UDSQ,近似估算法,ui = 0,UGSQ = VGG,恒流区，转移特性为,式中IDO为uGS=2UGS(th)时的值。,图解法,uDS = VDD - iDRD,输出电压方程：,UGSQ = VGG,Q,UDSQ,VDD,IDQ,直流负载线,UGSQ,动态分析,微变等效电路,对于正弦信号，iD 的全微分为,gm 跨导(毫西门子 mS)。,0.1 20 mS,rDS 漏源之间等效电阻。,几百千欧,若RDrDS， rDS可视为开路,参数gm求法,用求导的方法计算 gm,在 Q 点附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，则,动态参数计算,Ro = RD,思考：输入电阻多大？,分压自偏压式共源放大电路,电路组成,提高放大电路的输入电阻,稳定静态工作点,VG,静态分析,近似估算法,UDSQ=VDDIDQ(RD+RS),图解法,Q,IDQ,UGSQ,VG,uDS = VDD iD(RD + RS),UDSQ,VDD,Q,IDQ,UGSQ,动态分析,基本共漏放大电路,电路组成,源极输出器,静态分析,VG,UDSQ=VDDIDQRS,动态分析,源极跟随器,Ri=RG+(R1/R2),d,2.8 多级放大电路,为获得足够大的放大倍数，需将单级放大器串接，组成多级放大器。,级间耦合,多级放大电路的耦合方式,变压器耦合,光电耦合,阻容耦合,直接耦合,阻容耦合,优点：各级Q点相互独立，便于分析、设计和调试。,缺点：低频特性差，不便于集成化。,直接耦合,优点：放大交流和直流信号，低频特性好，便于集成。,缺点：各级Q点相互影响，零点漂移较严重。,临近饱和区,合适静态工作点的解决方法,降低电压放大倍数,用二极管代替Re2。,发射极接一电阻Re2。,VB2,提高VB2,动态电阻小，对放大倍数影响小,用稳压管代替二极管。,使稳压管工作在稳压的范围里,后级集电极的有效电压变化范围减小；级数增多，集电极电位上升， +Vcc将无法承受；,新的问题：,可降低第二级的集电极电位，又不损失放大倍数。,稳压管噪声较大,采用NPN-PNP耦合方式,实现电平移动,利用PNP管集电极电位比基极电位低的特点可获得合适的合适的Q点。,例,图示两级直接耦合放大电路中，已知：Rb1=240 k，Rc1=3.9k，Rc2=500，稳压管VDz的工作电压UZ=4V，三极管T1的1=45，T2的2=40，VCC=24V，试计算各级静态工作点。如ICQ1由于温度的升高而增加1%，计算静态输出电压的变化。,解：设 UBEQ1=UBEQ2=0.7 V,则 UCQ1=UBEQ2+Uz=4.7 V,ICQ1 = 1 IBQ1 = 4.5 mA,IBQ2=IRc1ICQ1=(4.954.5)mA=0.45mA,ICQ2=2 IBQ2=(400.45)mA=18mA,Uo=UCQ2=VCCICQ2RC2=(24180.5)V=15V,UCEQ2=UCQ2UEQ2=( 154)V=11V,当 ICQ1 增加 1% 时，即,ICQ1=(4.51.01)mA=4.545mA,IBQ2=(4.95-4.545)mA=0.405mA,ICQ2=(400.405)mA=16.2mA,Uo=UCQ2=(2416.20.5)V=15.9V,比原来升高了 0.9 V，约升高6%,零点漂移,零点漂移,当输入信号为零时，输出电压不保持恒定，而是在某个范围随时间、温度不断地缓慢变化，称这种现象为零点漂移或“零漂”。,产生零漂的原因：,衡量零漂的指标,温度对晶体管参数的影响,电源的波动,输出端漂移电压,折合到输入端的等效漂移电压,克服零点漂移的途径:,引入直流负反馈以稳定Q点；,利用热敏元件补偿放大器的零漂；,采用差分放大电路。,变压器耦合,优点：各级Q点相互独立，能实现阻抗变换。,缺点：不能放大直流信号，笨重，不易集成。,光电耦合,优点：实现前后级电隔离，有效抑制电干扰。,缺点：放大能力较差。,分析方法,前一级的输出电压是后一级的输入电压。后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。总电压放大倍数等于各级放大倍数的乘积。总输入电阻即为第一级的输入电阻。总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,注意：对于阻容耦合电路，由于电容的隔直作用，各级放大器的Q点相互独立，分别估算。,静态分析,动态分析,第二级的输入电阻,Ri=Ri1= RB1/ RB2/ rbe1,Ri2=RB1/ RB2/ rbe2,Ro = RC2,总电压放大倍数,Au为正，输入输出同相,总放大倍数等于各级放大倍数的乘积,如图，R1=15k, R2=R3=5k, R4=2.3k, R5=100k, R6=RL=5k，VCC=12V，=50，rbe1=1.2k，rbe2=1k, UBEQ1 =UBEQ2=0.7V。求:Q点、Au、Ri和Ro,解：1、求静态工作点Q,例,2、求Au、Ri和Ro,作业,课后习题： P101，1（a、b、c、d、f）、2（a、b）、3、6,第一次：,课后习题： P105，10、11、14、15,第二次：,课后习题： P106，16、19(ad)、21、26,第三次：,

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