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1、第2章 放大电路分析基础,2.1 基本放大电路的组成及工作原理 2.2 图解分析法 2.3 等效电路法 2.4 放大电路静态工作点的稳定 2.5 共集电极和共基极电路 2.6 多级放大电路,2.1 基本放大电路的组成及工作原理,2.1.1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用 图2.2.1 基本共射放大电路,uS,T,ui,uo,uCE,图2.2.1所示基本共射放大电路中,晶体管T是起放大作用的核心元件。输入信号为正弦波信号ui(源uS)。 图中晶体三极管是NPN型硅管,处于放大状态时具有电流放大作用,IC=IB。 当放大电路处于静态,即ui=0时,直流电压源VBB使晶体管b-e间电压UBE大
2、于开启电压Uon,并与基极电阻Rb(又称偏流电阻)配合决定基极电流IB,使晶体管能工作在特性曲线的线性部分;直流电压源VCC的电压足够高(VBBVCC),使晶体管的集电结反向偏置,保证晶体管处于放大状态,因此集电极电流IC=IB;流过集电极电阻Rc的电流就是IC,于是Rc上的电压为ICRc,根据KVL, c-e间电压UCE=VCC ICRc。,图中C1用于连接信号源与放大电路,C2用于连接放大电路与负载(电阻RL)。电子线路中起连接作用的电容称为耦合电容,利用电容连接的电路称为阻容耦合。由于电容的容抗与信号频率成反比,它们把信号源与放大电路之间,放大电路与负载之间的直流隔开,起 “隔离直流,通
3、过交流”的作用。在图2.1所示电路中,C1左边、C2右边只有交流而无直流,中间部分为交直流共存。由于耦合电容的容量较大,一般多采用电解电容器。在使用时,应注意它的极性与加在它两端的工作电压极性相一致,正极接高电位,负极接低电位。ui=0时, C1两端的电压为UBE,C2两端的电压为UCE,极性如图所示。RL为负载电阻,无RL,空载。,当放大电路处于动态,即ui0时,由于电容两端电压不能突变,b-e间电压在直流电压UBE的基础上叠加一正弦电压ui,因而基极电流在直流电流IB的基础上叠加一正弦电流ib,基极总电流为iB=IBib;根据晶体管处于放大状态时的电流分配关系,集电极电流也在直流电流IC的
4、基础上叠加一正弦电流ic,ic=ib,集电极总电流为iC=ICic;正弦电流ic在集电极电阻Rc(空载)上产生与ic波形相同的正弦电压icRc,集电极电阻Rc将集电极电流的变化转变成电压的变化,使管压降uCE产生变化,uCE=VCCiCRc=VCCICRcicRc=UCEicRc=UCEuce,所以管压降是在静态电压UCE的基础上叠加一正弦电压uce,且uce与ic反相。经C2输出的电压uo就是正弦电压uce 。,放大电路的各极间波形,图2.2.3 基本共射放大电路的波形,输出和输入反相!,得到两方面的结论:放大电路的工作原理和组成原则 2.1.2 放大电路的工作原理 基本共射放大电路的工作原
5、理是,对于处于放大状态的晶体管,当ui作用于晶体管的发射结使基极电流在直流电流IB的基础上叠加一正弦电流ib时,由于晶体管处于放大状态时的电流分配关系,集电极电流也在直流电流IC的基础上叠加一正弦电流ic,ic=ib,ic在集电极电阻Rc(空载)上产生与ic波形相同的正弦电压icRc,集电极电阻Rc将集电极电流的变化转变成电压的变化,在放大电路输出端得到与ui反相且幅值放大的输出电压uo=uce=icRc。,在基本共射放大电路中,电压和电流都得到放大(ic=ib,uoui),即功率得到放大。需要提醒大家的是,输出功率并非来自输入信号(信号源),而是来自直流电源VCC。正是由于iB或iE对iC的
6、控制作用,使得在ui的作用下直流电源VCC输出的电流中包含与ui同样变化且被放大的分量,即放大电路的输出功率是在输入信号的作用下通过晶体管将直流电源的能量转换而来。因此,放大电路放大的实质是能量的控制和转换,放大的量是变化量。能控制能量的元件称为有源元件,在放大电路中一定有有源元件,如晶体管等。,2.1.3 晶体管放大电路的组成原则 静态工作点合适:极性、电压合适的直流电源、合适的电阻参数,使晶体管有合适的静态电流,保证晶体管工作在放大区。 输入信号能够作用于晶体管的发射结,使产生iB或iE;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:输入输出信号、直流电源共地、直流电源种类尽可
7、能少。常见的两种共射放大电路。,两种实用放大电路 阻容耦合放大电路,问题:两个电源 解决方案:将两个电源合二为一,ui,T,uCE,uS,uo,静态时,C1、C2上电压?,两种实用放大电路 直接耦合放大电路,问题:若信号频率较低,则不能用阻容耦合。 解决方案:采用直接耦合去掉耦合电容,为避免ui直接接在b-e两端,原C1处接一电阻。,静态时,,动态时,b-e间电压是uI与Rb1上电压之和。,放大电路的耦合方式 耦合方式即连接方式。 常见的输入、输出信号与放大电路的连接方式除了阻容耦合和直接耦合外,还有变压器耦合和光电耦合。 光电耦合利用光电耦合器件连接,通常用于信号源与放大电路相距较远无法共地
8、(由于导线电阻)的情况。 变压器耦合可实现阻抗变换。 4种藕和方式中,阻容耦合和变压器耦合不能用于缓变信号 4种藕和方式中,直接耦合放大电路的静态工作点受信号源和负载的影响,其余的静态工作点独立于信号源和负载,因为它们之间的直流通路是互相隔离的。,其它耦合方式,变压器耦合,图9.1.2(a) 变压器耦合共射放大电路,理想变压器情况下,负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,从变压器原边看到的等效电阻,其它形式的放大电路 放大电路是一个二端口网络 晶体管是一个三端器件,若分别以基极、发射极、集电极作为输入、输出的公共端,其余两端作为输入端和输出端,则最多可有6种接法。但是,根据组成原则,集电极不能
9、作为输入端,基极不能作为输出端,因此放大电路有三种接法。,晶体管的三种基本接法 (a)共发射极;(b)共集电极;(c)共基极,分析放大电路的基本原则 放大电路放大的是动态信号,但是,由前面关于放大原理的分析可知,对动态信号的放大是在静态的基础上实现的。因此分析放大电路时,须先静态后动态。分析静态时,用放大电路的直流通路;分析动态时,用含交流分量的电路。 一、放大电路的直流通路和交流通路 二、图解法 三、等效电路法,一、直流通路和交流通路,1. 直流通路: Us=0,保留Rs;电容开路; 电感相当于短路(线圈电阻近似为0)。 2. 交流通路:大容量电容相当于短路; 直流电源相当于短路(内阻为0)
10、。,通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化分析,将它们分开作用,引入直流通路和交流通路。,VBB越大,UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。,基本共射放大电路的直流通路和交流通路,列晶体管输入、输出回路方程,将UBEQ作为已知条件,令ICQIBQ,可估算出静态工作点。,当VCCUBEQ时,,已知:VCC12V, Rb600k, Rc3k , 100。 Q?,直流通路,阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,讨论一,画图示电路的直流通路和交流通路。,二、图解法 应用实测特性曲线 1. 静态分析:图解二元方程组,输入回路负载线,Q,IBQ,U
11、BEQ,Q,IBQ,ICQ,UCEQ,负载线,2、电压放大倍数的分析,斜率不变,3、失真分析,截止失真,消除方法:增大VBB,即向上平移输入回路负载线。,截止失真是在输入回路首先产生失真!,减小Rb能消除截止失真吗?,饱和失真,饱和失真产生于晶体管的输出回路!,截止失真、饱和失真是由于器件的非线性产生的,属于非线性失真,产生新的频率成分。,消除饱和失真的方法,消除方法:增大Rb,减小VBB,减小Rc,减小,增大VCC。,Rb或或 VBB ,Rc或VCC,最大不失真输出电压Uom :比较(UCEQ UCES)与( VCC UCEQ ),取其小者,除以 。,4、图解法的特点,形象直观; 适应于Q点
12、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; 不易准确求解; 不能求解输入电阻、输出电阻、频带等等参数。,直流负载线和交流负载线,Uom=?Q点在什么位置Uom最大?,交流负载线应过Q点,且斜率决定于(RcRL),讨论二(例2.3.1 P.93),1当Q点作Q1 Q2 Q3 Q4的变化时,是哪个参数的变化造成的,是如何变化的? 2从输出电压上看,哪个Q点下最易产生截止失真?哪个Q点下最易产生饱和失真?哪个Q点下Uom最大? 3设计放大电路时,应根据什么选择VCC?,讨论三,2空载和带载两种情况下Uom分别为多少? 3在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而带上负载后这
13、种失真消除?,已知ICQ2mA,UCES0.7V。 1在空载情况下,当输入信号增大时,电路首先出现饱和失真还是截止失真?若带负载情况呢?,直流负载线 uCE=1223=6V,Ucem4V ;基本同时 交流负载线过Q点和uCE=9V,Ucem2V;先出现截止失真。 若VCC变为9V,其余参数不变,则对于同样幅值的输入可出现空载时输出电压饱和失真,而带上负载后这种失真消除。,讨论三(CONTINUE),三、等效电路法,将晶体管的特性曲线折线化,建立线性模型,用于直流分析。,1直流模型:适于Q点的分析,输入回路等效为恒压源,输出回路等效为电流控制的电流源,利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模
14、型。,2、晶体管的h参数等效模型(交流等效模型),在交流通路中可将晶体管看成为一个两端口网络,输入回路、输出回路各为一个端口。,在低频、小信号作用下的关系式,交流等效模型(按式子画模型),电阻,无量纲,无量纲,电导,正弦信号,微变信号,h参数的物理意义,b-e间动态电阻,内反馈系数,电流放大系数,c-e间电导,分清主次,合理近似!什么情况下h12和h22的作用可忽略不计?,简化的h参数等效电路交流等效模型,查阅手册,基区体电阻,发射结电阻,发射区体电阻数值小可忽略,利用PN结的电流方程可求得,在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小!,3、放大电路的动态分析,放大电路的 交流等效电路,输入电阻和
15、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。,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的 等效电阻,令输入信号为0(保留信号源内阻),负载开路,输出端施加电压uo,产生电流io,Uo与Io之比即为输出电阻。,实验实测输入电阻和输出电阻,空载时输出电压有效值,带RL时的输出电压有效值,输入电压与输入电流有效值之比。,首先测空载输出电压(开路电压),然后接上已知负载,测带负载的输出电压。,阻容耦合共射放大电路的动态分析,讨论四:基本共射放大电路的静态分析,IBQ35A,UBEQ0.65V,为什么用图解法求解IBQ和UBEQ?,讨论四:基本共射放大电路的动态分析,讨论五:阻容耦合共
16、射放大电路的静态分析,为什么可忽略?,讨论五:阻容耦合共射放大电路的动态分析,第七讲 2.4静态工作点的稳定,一.温度对静态工作点的影响,二.静态工作点稳定的典型电路,三.稳定静态工作点的方法,一温度对Q点的影响,所谓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。,T( )ICQ,若温度升高时要Q回到Q,则只有减小IBQ,图2.10 静态工作点对输出波形失真的影响,二.典型电路 1.电路组成,Ce为旁路电容,在交流通路中可视为短路,2.稳定原理,为了稳定Q点,通常I1 IB,即I1 I2;因此,基本不随温度变化。,T()IC,UE ,UBE,UB基本不变, IB
17、IC,Re 的作用,Re起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。,关于反馈的一些概念: 将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施,称为反馈。 在直流通路中的反馈,称为直流反馈。 反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈,反之称为正反馈。,Re值的增大受限制吗?,3.Q点分析,分压式电流负反馈工作点稳定电路,什么条件下成立?,利用戴维南定理等效变换后求解Q点,Rb上静态电压可忽略不计!,稳定Q点主要是Re的负反馈,即使Rb1开路Q点仍稳定。Example2.4.1/第八讲讨论一,分压/固定偏置电路Q点稳定程度对比,4.动态分析,利?弊?,无旁路电容Ce时:,既有直流反馈又有交
18、流反馈,折中方案(Problem2.11),三.稳定静态工作点的方法,引入直流负反馈 温度补偿:利用对温度敏感的元件,在温度变化时直接影响输入回路。 例如,Rb1或Rb2采用热敏电阻。 Rb1应具有负温度系数, Rb2应具有正温度系数,讨论,图示两个电路中是否采用措施来稳定静态工作点?,若采用了措施,则是什么措施?,第八讲 2.5 晶体管放大电路的三种接法,一基本共集放大电路,二基本共基放大电路,三三种接法放大电路的比较,四三种接法的组合形式,一、基本共集放大电路 1、静态分析,2、动态分析:电压放大倍数,故称之为射极跟随器,2、动态分析:输入电阻的分析,Ri与负载有关!,带负载电阻后,施加I
19、i ,则产生Ui, Ui=Ii(Rb+rbe)+(1+)IiRe,2、动态分析:输出电阻的分析,Ro与信号源内阻有关!,3、特点,输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电压;一定条件下有电压跟随作用!,令Us为零,保留Rs,在输出端加Uo,得:,二、基本共基放大电路 1、静态分析,2、动态分析,3、特点:,输入电阻小,频带宽!只放大电压,不放大电流!,讨论一 TO BE CONTINUD 判断图示电路为哪种基本接法的放大电路,它们的静态工作点有可能稳定吗?求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。,讨论一 (TO BE CONTINUD) 图示电路为阻容耦合共基放大电路,它
20、的直流通路就是分压偏置电路,即静态工作点稳定电路。,(b)交流通路;(c)微变等效电路,共基极放大电路的电压放大倍数在数值上与共射极电路相同,但共基极放大电路的输入与输出是同相位的。 输入电阻:当不考虑Re的并联支路时,,与Re并联即得,输出电阻 roRc 共基极放大电路的特点是输入电阻很小,电压放大倍数较高。这类电路主要用于高频电压放大电路。 ,三、三种接法的比较:空载情况下,接法 共射 共集 共基 Au 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 频带 窄 中 宽,四、三种接法的组合形式TO BE CONTINUD,为使单级放大电路具有多方面的优良性能,有时采用组合接法。
21、例如: 共集共基形式:输入电阻高、电压放大倍数较大、频带宽;,四、三种接法的组合形式TO BE CONTINUD,共射共基形式:电压放大倍数较大、频带宽;,具有什么特点?是为了增强电压放大能力吗?,四、三种接法的组合形式,共集共射形式:输入电阻高、电压放大倍数较大;,上列图均为交流通路。 组合电路多见于集成运放中。,电路如图,所有电容对交流信号均可视为短路。,1、Q为多少? 2、Re有稳定Q点的作用吗? 3、电路的交流等效电路? 4、V 变化时,电压放大倍数如何变化?,讨论二,讨论二(Continue),第十讲 2.6 多级放大电路的耦合方式及分析方法,一、多级放大电路的耦合方式,二、多级放大
22、电路的动态分析,一、耦合方式,利用各种单级放大电路的不同性能,连接成多级放大电路,则较易满足对于放大倍数、输入电阻、输出电阻等多方面性能的要求。多级放大电路中各单级放大电路的耦合方式和单级放大电路与输入输出的耦合方式相同,即有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合等。 事实上,若原单级放大电路的输入信号是前级放大电路或其负载是后级放大电路,则组成多级放大电路。 直接耦合多级放大电路在集成运算放大电路一章详细讨论。 变压器耦合多级放大电路在功放一章有所讨论。 本节以阻容耦合多级放大电路为例讨论多级放大电路的动态分析方法。,阻容耦合 利用电容器连接信号源与放大电路、放大电路的前级和后级、放大电路
23、与负载,称为阻容耦合。这个电容器称为耦合电容。图示电路第一级的输出信号通过电容器C2和第二级的输入端相连接。 ,优点:Q点相互独立 缺点:不能放大变化缓慢的信号,低频特性差,不能集成化。,共射放大电路,共集放大电路,变压器耦合 变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的输入端连接起来,这种耦合方式称为变压器耦合,可能是实际的负载,也可能是下级放大电路,优点:由于变压器不能传输直流信号,因此具有隔直作用,各级静态工作点相互独立,互不影响。变压器在传输信号的同时还能够进行阻抗变换。 缺点:低频特性差,不能放大变化缓变信号,不能集成。,二、 多级放大电路的动态分析,1、电压放大倍数,2、输入电阻,
24、3、输出电阻,注意:分析各级电压放大倍数时,须考虑级间负载效应。通常的做法是把后级的输入电阻作为前级的负载。,分析举例,讨论一 失真分析:由NPN型管组成的两级共射放大电路,共射放大电路,共射放大电路,饱和失真?截止失真?,首先确定在哪一级出现了失真,再判断是什么失真。,比较Uom1和Uim2,则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。,在前级均未出现失真的情况下,多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。,讨论二 放大电路的选用,下列要求组成两级放大电路 Ri12k,Au 的数值3000; Ri 10M,Au的数值300; Ri100200k,Au的数值150; Ri 1
25、0M ,Au的数值10,Ro100。,共射、共射;共源、共射;共集、共射;共源、共集。OVER,1.饱和失真 静态工作点设置在Q1点,这时虽然iB正常,但iC的正半周和uCE的负半周出现失真。这种失真是由于Q点过高,使其动态工作进入饱和区而引起的失真,因而称作“饱和失真”。 2. 截止失真 当静态工作点设置在Q2点时,iB严重失真,使iC的负半周和uCE的正半周进入截止区而造成失真,因此称作“截止失真”。饱和失真和截止失真都是由于晶体管工作在特性曲线的非线性区所引起的,因而叫作非线性失真。适当调整电路参数使Q点合适,可降低非线性失真程度。,(1)只有I1IBQ才能使UBQ=UCCRb2/(Rb
26、1+Rb2) 基本不变。一般取,(硅管),(锗管),(2)当UB太大时必然导致UE太大,使UCE减小,从而减小了放大电路的动态工作范围。因此,UB不能选取太大。一般取,(硅管),(锗管),图2.18分压式偏置电路的分析电路 (a)直流通路;(b)微变等效电路;(c)微变等效电路(C-e开路),图2.18分压式偏置电路的分析电路 (a)直流通路;(b)微变等效电路;(c)微变等效电路(C-e开路),图2.18分压式偏置电路的分析电路 (a)直流通路;(b)微变等效电路;(c)微变等效电路(C-e开路),2.5 共集电极和共基极电路,2.5.1 共集电极电路组成及分析 共集电极放大电路如图2.19
27、(a)所示,它是从基极输入信号,从发射极输出信号。从它的交流通路图2.19(b)可看出,输入、输出共用集电极,所以称为共集电极电路。,图2.19 共集电极放大电路 (a)共集电极放大电路; (b)直流通路,图2.19 共集电极放大电路 (c)交流通路; (d)微变等效电路,共集电极电路分析: 1) 静态分析 由图2.19(b)的直流通路可得出:,即得,2) 动态分析 (1)电压放大倍数可由图2.19(d)所示的微变等效电路得出。 因为,所以,由于式中的(1+)RLrbe,因而 略小于1,又由于输出、输入同相位,输出跟随输入,且从发射极输出,故又称射极输出器或射极跟随器,简称射随器。 (2)输入
28、电阻ri可由微变等效电路得出,由 ri=Rb/rbe+(1+)RL可见,共集电极电路的输入电阻很高,可达几十千欧到几百千欧。 (3)输出电阻ro可由图2.20的等效电路来求得。将信号源短路,保留其内阻,在输出端去掉RL,加一交流电压 ,产生电流 ,则:,图2.20 计算ro等效电路,式中,所以,通常,故,由上式可见,射极输出器的输出电阻很小,若把它等效成一个电压源,则具有恒压输出特性。 3)射极输出器的特点及应用 虽然射极输出器的电压放大倍数略小于1,但输出电流 是基极电流的(1+)倍。它不但具有电流放大和功率放大的作用,而且具有输入电阻高、输出电阻低的特点。 由于射极输出器输入电阻高,向信号
29、源汲取的电流小,对信号源影响也小,因而一般用它作输入级。又由于它的输出电阻小,负载能力强,当放大器接入的负载变化时,可保持输出电压稳定,适用于多级。,同时它还可作为中间隔离级。在多级共射极放大电路耦合中,往往存在着前级输出电阻大,后级输入电阻小而造成的耦合中的信号损失,使得放大倍数下降。利用射极输出器输入电阻大、输出电阻小的特点,可与输入电阻小的共射极电路配合,将其接入两级共射极放大电路之间,在隔离前后级的同时,起到阻抗匹配的作用。,2.5.2 共基极电路组成及分析 1. 静态分析 在图2.21所示的共基极放大电路中,如果忽略IBQ对Rb1、Rb2分压电路中电流的分流作用,则,图2.21 共基极放大电路 (a)共基极放大电路;(b)交流通路;(c)微变等效电路,图2.21 共基极放大电路 (a)共基极放大电路;(b)交流通路;(c)微变等效电路,图2.21 共基极放大电路 (a)共基极放大电路;(b)交流通路;(c)微变等效电路,表2.1 三极管放大电路三种基本组态的比较,
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