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1、一、放大电路分析基础1、放大的概念及放大电路的性能指标将微弱的电信号通过放大电路(也称放大器)放大到具有足够大的功率去推动负载,这就是放大。放大的本质是能量的控制和转换;即在输入信号作用下,通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量,使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。(衡量放大电路性能的优劣)任何放大电路均可看成为二端口网络。1、放大倍数(直接衡量放大电路放大能力的重要指标)电压放大倍数:输出电压 与输入电压 之比 , 即 A电流放大倍数: 输出电流 与输入电流 之比, 即 2、输入电阻输入电阻 是从放大电路输入端看进去的交流等效电阻,定义为输入电压有效值 和输入电流有效值
2、 之比,即越大,表明放大电路所得到的输入电压 越接近信号源电压 ;即信号源内阻上的电压越小,信号电压损失越小。3、输出电阻输出电阻 就是负载开路时从放大电路输出端看进去的交流等效内阻。输出电阻 越小,负载电阻 变化时,输出电压 的变化越小,称为放大电路的带负载能力越强。4、通频带(衡量放大电路对不同频率信号的放大能力) 由于电容、电感及半导体器件PN结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。图为某放大电路放大倍数的数值与信号频率的关系曲线,称为幅频特性曲线,图中 为中频放大倍数的数值。之间形成的频带称为放大电路的通频带通频带越宽,表明放大电路对不同频率信号
3、的适应能力越强。5、非线性失真系数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 。设基波幅值为 、谐波幅值 则6、最大不失真输出电压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。此时,输出电压达到最大不失真输出电压。直流电源能量的利用率称为效率 ,设电源消耗的功率为 则效率 等于最大输出功率 与 之比,即 2、放大电路的组成及工作原理一、组成原则(1)电源极性必须使放大管处于放大状态,即e结正偏,c结反偏。(2)输入回路应使交流信号电压能加到管子上,使产生交流电流(3)输出回路应使输出电流 尽可能
4、多地流到负载上,减少其他分流;(4)为了保证放大电路不失真地放大信号,必须在没有外加信号时使放大管有一个合适的静态工作点,称之为合理的设置静态工作点。设置静态工作点的必要性?为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压?输出电压必然失真!设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但Q点几乎影响着所有的动态参数!静态工作点Q设置得不合适,会对放大电路的性能造成影响。若Q点偏高,当ib按正弦规律变化时,Q进入饱和区,造成ic和uce的波形与ib(或ui)的波形不一致,输出电压uo(即uce)的负半周出现平顶畸变,称为饱和失真;若Q点偏低,则Q进入截止区,输出电压uo
5、的正半周出现平顶畸变,称为截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。二、基本共射放大电路VBB、Rb:使UBE Uon,且有合适的IB。VCC:使UCEUon,同时作为负载的能源。Rc:将iC转换成uCE(uo) 。C1 C2 :隔直耦合电容动态信号作用时: 基本共射放大电路的工作原理三、工作点稳定电路的分析方法1、静态工作点稳定的必要性静态工作点不但决定了电路是否会产生失真,而且还影响着电压放大倍数、输入电阻等动态参数。晶体管在不同环境温度下的输出特性曲线实际上,电源电压的波动、元件的老化以及温度变化所引起晶体管参数的变化,都会造成静态工作点的不稳定,从而使动态参数不稳定,有时电路甚至无
6、法正常工作。在引起Q点不稳定的诸多因素中,温度对晶体管参数的影响是最为主要的。二、典型的静态工作点稳定电路1、固定分压式工作点稳定电路的形式Rb1 Rb2为固定分压偏置电阻,Re为射极电阻,Ce为旁路电容,在交流通路中可视为短路2、Q点稳定原理电路中,B点的电流方程为I2=I1+IBQ为了稳定Q点,通常情况下,参数的选取应满足I1IBQ因此,I1I2I2,因而B点电位公式表明基极电位几乎决定于 与 对 的分压,而与环境温度无关,即当温度变化时, 基本不变。 2、多级放大电路各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点:各级静态工作点互不影响,可以单独调整到合适位置;且不存在零点漂移问题。缺点:
7、不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号;且由于需要大容量的耦合电容,因此不能在集成电路中采用。中频段:电压放大倍数近似为常数。低频段:耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大,以致不可视为短路,因而造成电压放大倍数减小。高频段:晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小,以致不可视为开路,也会使电压放大倍数降低。除了电压放大倍数会随频率而改变外,在低频和高频段,输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内,电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特性,相位移与频率的函数关系称为相频特性,二者统称为频率特性或频率响应。放大电路呈现带通特性。
8、图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率,分别称为上限频率和下限频率,其差值称为通频带。一般情况下,放大电路的输入信号都是非正弦信号,其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同,相位移也不一样,所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时,若谐波频率超出通频带,输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关,故称为频率失真。2.1多级放大电路概述多级放大电路的放大倍数2.2耦合形式 多级放大电路的连接,产生了单元电路间的级联问题,即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输,且保证各级的静态工
9、作点正确。直接耦合,耦合电路采用直接连接或电阻连接,不采用电抗性元件。直接耦合电路可传输低频甚至直流信号,因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。电抗性元件耦合级间采用电容或变压器耦合。电抗性元件耦合,只能传输交流信号,漂移信号和低频信号不能通过。根据输入信号的性质,就可决定级间耦合电路的形式。 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响,应认真加以解决。零点漂移 三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的影响,所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。一般将在一
10、定时间内,或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数,即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如 mV/C 或 mV/min 。2.3直接耦合放大电路1、直接耦合放大电路的构成直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响,这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。优点:能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号;且由于没有耦合电容,故非常适宜于大规模集成。缺点:各级静态工作点互相影响;且存在零点漂移问题。零点漂移:放大电路在无输入信号的情况下,输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多,其中最主要的是温度影响。直接耦合放大电路:用于传输低频信号和集
11、成电路。集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式。为了有效地抑制零漂,其输入级均采用差动放大电路。如果将基本放大电路去掉耦合电容,前后级直接连接,如图于是 VC1=VB2 VC2= VB2+ VCB2VB2( VC1 )这样,集电极电位就要逐级提高,为此后面的放大级要加入较大的发射极电阻,从而无法设置正确的工作点。这种方式只适用于级数较少的电路。2、NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路 级间采用NPN管和PNP管搭配的方式,如图07.03所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位,PNP管集电极电位低于基极电位,它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。3、电流源电平移动放大电路在模拟集成电
12、路中常采用一种电流源电平移动电路,如图 电流源在电路中的作用实际上是个有源负载,其上的直流压降小,通过R1上的压降可实现直流电平移动。但电流源交流电阻大,在R1上的信号损失相对较小,从而保证信号的有效传递。同时,输出端的直流电平并不高,实现了直流电平的合理移动。5、阻容耦合阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接,其方框图如下图所示。阻容耦合放大电路:主要用于中高频交流信号的放大。优点:各级的直流工作点相互独立。由于电容隔直流通交流,所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的,这样就给设计、调试和分析带来很大方便。电路的温漂小。体积小,成本低。缺点:无法集成;低频特性差;只能使信号直接通过,而不
13、能改变其参数。4、变压器耦合变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧,因此可以作为耦合元件。为什么要采用变压器耦合?因为变压器在传送交流信号的同时,以实现电流、电压以及阻抗变换。采用变压器耦合也可以隔除直流,传递一定频率的交流信号,因此各放大级的Q互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配,以获得有效的功率传输。变压器耦合阻抗匹配的原理见图。变压器耦合放大电路:主要用于功率放大与阻抗匹配。在理想条件下,变压器原副边的安匝数相等,即 可以通过调整匝比n来使原、副端阻抗匹配。当变压器的原端作为谐振回路使用时,为了使较小的三极管输出电阻不影响谐振回路的Q值,在原端采用抽
14、头的方式以实现匹配。此时将V1接在ab之间就可以减轻三极管对Q值的影响。如图所示;本电路可实现选频放大功能。变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立、互不影响的。因为变压器不能传送直流信号。变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。变压器在传送交流信号的同时,可以实现电流电压以及阻抗变换。高频和低频性能都很差,体积大,成本高,无法集成。2、差分放大电路合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因诸如温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响而产生变动,严重时将使放大电路无法正常工作。其中影响最大的是温度的变化。2.1差分放大电路的组成抑制零
15、漂的方法有多种,如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。一、零点漂移现象及其产生的原因1. 什么是零点漂移现象:uI0,uO0的现象。产生原因:温度变化,直流电源波动,元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因,故也称零漂为温漂。克服温漂的方法:引入直流负反馈,温度补偿。 典型电路:差分放大电路差分放大电路一般有两个输入端:同相输入端,反相输入端。根据规定的正方向,在一个输入端加上一定极性的信号,如果所得到的输出信号极性与其相同,则该输入端称为同相输入端。反之,如果所得到的输出信号的极性与其相反,则该输入端称为反相输入端。信号的
16、输入方式:若信号同时加到同相输入端和反相输入端,称为双端输入; 若信号仅从一个输入端对地加入,称为单端输入。差分放大电路可以有两个输出端,一个是集电极C1,另一个是集电极C2。从C1 和C2输出称为双端输出,仅从集电极 C1或C2 对地输出称为单端输出。2.3差动放大电路的工作原理差模信号和共模信号差模信号是指在两个输入端加上幅度相等,极性相反的信号。共模信号是指在两个输入端加上幅度相等,极性相同的信号。差分放大电路仅对差模信号具有放大能力,对共模信号不予放大。温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。1抑制零点漂移的原理温度变化时两个
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