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1、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、。,(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
3、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
4、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
5、.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
6、 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、, 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
12、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。
13、 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
14、),(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+(
15、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。
16、 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
17、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,
18、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
19、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ui
20、2。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
21、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,
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