二章基本放大器.ppt

第二章 基本放大器,2.2 单管共射放大电路的工作原理,2.3 放大电路的图解分析法,2.4 放大电路的模型分析法,2.5 共集和共基放大电路及BJT电流源电路,2.6 多级放大电路,2.7 BJT放大电路的频率响应,2.1 放大电路的基本概念及性能指标,2.1 放大电路的基本概念及性能指标,一.放大的基本概念,放大把微弱的电信号的幅度放大。 一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。,二.放大电路的主要技术指标,1.放大倍数表示放大器的放大能力,根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。,（1）电压放大倍数定义为: AU=uo/ui,（2）电流放大倍数定义为: AI=io/ii,（3）互阻增益定义为: Ar=uo/ii,（4）互导增益定义为: Ag=io/ui,2. 输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电阻,Ri=ui / ii,一般来说， Ri越大越好。 （1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。 （2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。,3. 输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻,输出电阻是表明放大电路带负载能力的，Ro越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。,输出电阻的定义：,4. 通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,2.2 单管共射放大电路的工作原理,一三极管的放大原理 三极管工作在放大区： 发射结正偏， 集电结反偏。,UCE（-IC×Rc）,放大原理：,UBE,IB,IC（bIB）,电压放大倍数：, uo,ui,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,二.单管共射极放大电路的结构及各元件的作用,各元件作用：,使发射结正偏，并提供适当的静IB和UBE。,基极电源与基极电阻,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC，将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容： 电解电容，有极性， 大小为10F50F,作用：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,+,+,各元件作用：,基本放大电路的习惯画法,1.静态工作点Ui=0时电路的工作状态,三. 静态工作点,ui=0时,由于电源的存在，电路中存在一组直流量。,IC,+ UBE -,+ UCE -,由于(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，所以称为静态工作点。,为什么要设置静态工作点？,放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。,画出放大电路的直流通路,2. 静态工作点的估算,将交流电压源短路，将电容开路。,直流通路的画法：,画直流通路：,Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,用估算法分析放大器的静态工作点（ IB、UBE、IC、UCE）,IC= IB,例：用估算法计算静态工作点。,已知：VCC=12V，RC=4K，Rb=300K ，=37.5。,解：,请注意电路中IB和IC的数量级,一. 用图解法分析放大器的静态工作点,UCE=VCCICRC,直流负载线,由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q,IB,静态UCE,静态IC,2.3 放大电路的图解分析法,1. 交流放大原理（设输出空载）,假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 ui,静态工作点,二. 用图解法分析放大器的动态工作情况,注意：uce与ui反相！,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,工作原理演示,结论：（1）放大电路中的信号是交直流共存，可表示成：,虽然交流量可正负变化，但瞬时量方向始终不变,（2）输出uo与输入ui相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。,对交流信号(输入信号ui),2.放大器的交流通路,交流通路分析动态工作情况 交流通路的画法：,将直流电压源短路，将电容短路。,交流通路,3.交流负载线,输出端接入负载RL：不影响Q 影响动态！,交流负载线,其中：,交流量ic和uce有如下关系：,即：交流负载线的斜率为：,交流负载线的作法： 斜 率为-1/R'L 。（ R'L= RLRc ）,经过Q点。,交流负载线的作法：,IB,交流负载线,直流负载线,斜 率为-1/R'L 。 （ R'L= RLRc ）,经过Q点。,注意： （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。,uo,可输出的最大不失真信号,（1）合适的静态工作点,4非线性失真与Q的关系,uo,（2）Q点过低信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,uo,（3）Q点过高信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,动画演示,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,EWB演示放大器的饱和与截止失真,2.4 放大电路的交流模型分析法,思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路,条件：交流小信号,1、三极管的h参数等效电路,一 . 三极管的共射低频h参数模型,根据网络参数理论：,求变化量：,在小信号情况下：,各h参数的物理意义：,输出端交流短路时的 输入电阻，用rbe表示。,输入端开路时的电压反馈系数， 用r表示。,输出端交流短路时的电流放大 系数， 用表示。,输入端开路时的输出电导，用1/rce表示。,该式可写为：,由此画出三极管的h参数等效电路：,2、简化的h参数等效电路,（1）r10-3，忽略。,（2）rce105，忽略。,得三极管简化的h参数等效电路。,3、rbe的计算：,由PN结的电流公式：,（常温下）,其中：rbb=200,二. 放大器的交流分析,1. 画出放大器的微变等效电路,动画演示,（1）画出放大器的交流通路,（2）将交流通路中的三极管用h参数等效电路代替,2、电压放大倍数的计算：,负载电阻越小，放大倍数越小。,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,3、输入电阻的计算：,根据输入电阻的定义：,定义：,当信号源有内阻时：,由图知：,所以：,所以：,4、输出电阻的计算：,根据定义：,例2.4.1 共射放大电路如图所示。设：VCC12V，Rb=300k,Rc=3k, RL=3k,BJT的b =60。,1、试求电路的静态工作点Q。,解：,2、估算电路的电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。,解：画微变等效电路,Ri=rbe/Rbrbe=993,Ro=Rc=3k,3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ，是截止还是饱和 失真？应调节哪个元件？如何调节？,解：为截止失真。 应减小Rb。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化。,三. 静态工作点的稳定,1. 温度对静态工作点的影响,1、温度对UBE的影响,2、温度对值及ICEO的影响,动画演示,2. 静态工作点稳定的放大器,选I2=（510）IB I1 I2,（1） 结构及工作原理,静态工作点 稳定过程：,UBE=UB-UE =UB - IE Re,UB稳定,演示,（2）直流通道及静态工作点估算:,IB=IC/,UCE = VCC - ICRC - IERe,IC IE =UE/Re = （UB- UBE）/ Re,电容开路,画出直流通道,将电容短路,直流电源短路，画出电路的交流小信号等效电路,（3）动态分析：,电压放大倍数：,输入电阻：,输出电阻：,思考：若在Re两端并电容Ce会对Au、Ri、Ro有什么影响？,一. 共集电极放大电路,1. 结构：,2.5 共集和共基放大电路、电流源,2. 直流通道及静态工作点分析：,3. 动态分析,（1）交流通道及微变等效电路,（2）电压放大倍数：,（3）输入电阻,（4）输出电阻,射极输出器的特点：电压放大倍数=1， 输入阻抗高，输出阻抗小。,演示：,射极输出器的应用,1、放在多级放大器的输入端，提高整个放大器的输入电阻。,2、放在多级放大器的输出端，减小整个放大器的输出电阻。,2、放在两级之间，起缓冲作用。,二. 共基极电路,1. 静态工作点,直流通路：,2. 动态分析,画出电路的交流小信号等效电路,（1）电压放大倍数,（2）输入电阻,（3）输出电阻,3. 三种组态的比较,共集,共基,共射,三. BJT电流源电路,用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。射极偏置放大电路就具有这一功能。,Ic电流是恒定的：,联立方程组：,用等效电路来求该电路的内阻,可以解出：,可见三极管电流源的内阻比三极管的输出电阻rce还要大。,2.6 多级放大电路,一. 多级放大器的耦合方式,1.阻容耦合,优点：,各级放大器静态工作点独立。,输出温度漂移比较小。,缺点：,不适合放大缓慢变化的信号。,不便于作成集成电路。,2.直接耦合,优点：,各级放大器静态工作点相互影响。,输出温度漂移严重。,缺点：,可放大缓慢变化的信号。,电路中无电容，便于集成化。,二. 多级放大器的分析, 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗, 后级的输入阻抗是前级的负载,1. 两级之间的相互影响,2. 电压放大倍数（以两级为例）,注意：在算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载！,扩展到n级：,3. 输入电阻,4. 输出电阻,Ri=Ri（最前级） (一般情况下）,Ro=Ro（最后级） (一般情况下）,设：1=2=100，UBE1=UBE2=0.7 V。,举例1：两级放大电路如下图示，求Q、Au、Ri、Ro,解：（1）求静态工作点,（2）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,画微变等效电路：,电压增益：,（3）求输入电阻,Ri =Ri1 =rbe1 / Rb1 / Rb2 =2.55 k,（4）求输出电阻,RO =RC2 =4.3 k,2.7 BJT放大电路的频率响应,频率响应放大器的电压放大倍数 与频率的关系,下面先分析无源RC网络的频率响应,其中： 称为放大器的幅频响应,称为放大器的相频响应,1. RC低通网络,（1）频率响应表达式：,一. 无源RC电路的频率响应,令：,则：,幅频响应：,相频响应：,（2） RC低通电路的波特图,最大误差 -3dB,0分贝水平线,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,相频响应,可见：当频率较低时，AU 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高， AU 下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。,这种对数频率特性曲线称为波特图,2. RC高通网络,（1）频率响应表达式：,令：,则：,幅频响应：,相频响应：,（2） RC高通网络的波特图,最大误差 -3dB,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,可见：当频率较高时，AU 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低， AU 下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。 其中，fL是一个重要的频率点，称为下限截止频率。,相频响应,二.BJT的混合型模型,混合型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。,rbb' 基区的体电阻,1.BJT的混合型模型,rbe发射结电阻,b'是假想的基区内的一个点。,Cbe发射结电容,rbc集电结电阻,Cbc集电结电容,受控电流源，代替了,（2）用 代替了 。因为本身就与频率有关，而gm与频率无关。,2.BJT的混合等效电路,特点：（1）体现了三极管的电容效应,rbc很大，可以忽略。 rce很大，也可以忽略。,3、简化的混合等效电路,低频时，忽略电容，混合模型与H参数模型等效,所以,4. 混合参数的估算,由：,所以,5. BJT的频率参数f、 fT,根据定义：,将c、e短路。,得：,其中：,做出的幅频特性曲线：,当=1时对 应的频率,当20lg下降3dB 时对应的频率,fT,当fT f 时, 可得： fT 0 f,f共发射极截止频率 fT特征频率,三. 阻容耦合共射放大电路的频率响应,对于如图所示的共射放大电路，分低、中、高三个频段加以研究。,1 .中频段 所有的电容均可忽略。可用前面讲的h参数等效电路分析,中频电压放大倍数：,2. 低频段,在低频段，三极管的极间电容可视为开路，耦合电容C1、C2不能忽略。 为方便分析，现在只考虑C1，将C2归入第二级。画出低频等效电路如图所示。,可推出低频电压放大倍数：,该电路有 一个RC高通环节。 有下限截止频率：,共射放大电路低频段的波特图,幅频响应 ：,相频响应 ：,在高频段，耦合电容C1、C2可以可视为短路，三极管的极间电容不能忽略。 这时要用混合等效电路，画出高频等效电路如图所示。,3. 高频段,用“密勒定理”将集电结电容单向化。,用“密勒定理”将集电结电容单向化：,其中：,用戴维南定理将C左端的电路进行变换：,忽略CN，并将两个电容合并成一个电容: 得简化的高频等效电路。,其中：,可推出高频电压放大倍数：,其中：,其中：,该电路有 一个RC低通环节。 有上限截止频率：,共射放大电路高频段的波特图,幅频响应 ：,相频响应 ：,4. 完整的共射放大电路的频率响应,（1）通频带：,（2）带宽-增益积：fbw×Aum,BJT 一旦确定，带宽增益积基本为常数,5. 频率失真由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。,频率失真动画演示,两个频率响应指标：,本章小结,1基本放大电路的组成。 BJT加上合适的偏置电路（偏置电路保证BJT 工作在放大区）。 2交流与直流。正常工作时，放大电路处于交直流共存的状态。为了分析方便，常将两者分开讨论。 直流通路：交流电压源短路，电容开路。 交流通路：直流电压源短路，电容短路。 3三种分析方法。 （1）估算法（直流模型等效电路法）估算Q。 （2）图解法分析Q（Q的位置是否合适）；分析动态（最大不失真输出电压）。 （3）h参数交流模型法分析动态（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等）。,4三种组态。 （1）共射AU较大，Ri、Ro适中，常用作电压放大。 （2）共集AU1，Ri大、Ro小，适用于信号跟随、信号隔离等。 （3）共基AU较大，Ri小，频带宽，适用于放大高频信号。 5多级放大器。 两种耦合方式：阻容耦合与直接耦合。 电压放大倍数：AU=AU1×AU2××AUn 6频率响应两个截止频率 下限截止频率fL频率下降，使AU下降为0.707Aum所对应的频率.由电路中的耦合电容和旁路电容所决定。 上限截止频率fH频率上升，使AU下降为0.707Aum所对应的频率，由电路中三极管的极间电容所决定。,