15电工学第七版第15章基本放大电路.ppt

第15章 基本放大电路,15.1 共发射极放大电路的组成,15.2 放大电路的静态分析,15.4 静态工作点的稳定,15.6 射极输出器,15.8 互补对称功率放大电路,15.3 放大电路的动态分析,15.5 放大电路中的频率特性,15.7 差动放大电路,本章要求：,1. 理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、 共集电极放大电路的性能特点； 掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等 效电路分析法； 3. 了解放大电路输入、输出电阻和多级放大的概念， 了解放大电路的频率特性、互补功率放大电路的 工作原理； 4. 了解差动放大电路的工作原理和性能特点；,第15章 基本放大电路,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信号。,放大的实质: 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放 大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。,对放大电路的基本要求 ： 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路，同时介绍功率放大电路。,15.1 基本放大电路的组成,15.1.1 共发射极基本放大电路组成,共发射极基本电路,15.1 基本放大电路的组成,15.1.2 基本放大电路各元件作用,晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,15.1 基本放大电路的组成,15.1.2 基本放大电路各元件作用,集电极电源EC -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C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。,信号源,共发射极基本电路,负载,15.1 基本放大电路的组成,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,15.1.3 共射放大电路的电压放大作用,无输入信号(ui = 0)时,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,结论：,(1) 无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,15.1.3. 共射放大电路的电压放大作用,结论：,(2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大 小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量，但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,结论：,(3) 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大， 即电路具有电压放大作用。,(4) 输出电压与输入电压在相位上相差180°， 即共发射极电路具有反相作用。,1. 实现放大的条件,(1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集 电结反偏。 (2) 正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。 (3) 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。 (4) 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。,2. 直、流通路和交流通路,因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。,直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路， 用来计算静态工作点。,交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路， 用来计算电压放大倍数、输入电阻、 输出电阻等动态参数。,例：画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,对交流信号(有输入信号ui时的交流分量),XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,短路,短路,对地短路,15.2 放大电路的静态分析,静态：放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。,分析方法：估算法、图解法。 分析对象：各极电压电流的直流分量。 所用电路：放大电路的直流通路。,设置Q点的目的： (1) 使放大电路的放大信号不失真； (2) 使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。,静态工作点Q：IB、IC、UCE 。,静态分析：确定放大电路的静态值。,15.2.1 用估算法确定静态值,1. 直流通路估算 IB,根据电流放大作用,2. 由直流通路估算UCE、IC,当UBE UCC时，,由KVL: UCC = IB RB+ UBE,由KVL: UCC = IC RC+ UCE,所以 UCE = UCC IC RC,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k， =37.5。,解：,注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。,由KVL可得出,由KVL可得：,15.2.2 用图解法确定静态值,用作图的方法确定静态值,步骤： 1. 用估算法确定IB,优点： 能直观地分析和了解静 态值的变化对放大电路 的影响。,2. 由输出特性确定IC 和UCE,直流负载线方程,15.2.2 用图解法确定静态值,直流负载线斜率,直流负载线,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,15.3 放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态。,分析方法： 微变等效电路法，图解法。 所用电路： 放大电路的交流通路。,动态分析: 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析对象： 各极电压和电流的交流分量。,目的： 找出Au、 ri、 ro与电路参数的关系，为设计 打基础。,15.3.1 微变等效电路法,微变等效电路： 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件： 晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法： 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。,1. 晶体管的微变等效电路,UBE,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,15.3.1 微变等效电路法,(1) 输入回路,Q,输入特性,晶体管的 输入电阻,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系。,(2) 输出回路,rce愈大，恒流特性愈好 因rce阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的输出电阻,输出特性,输出特性在线性工作区是 一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路(C、E之 间)可用一受控电流源 ic= ib 等效代替，即由来确定ic和 ib之间的关系。,一般在20200之间，在手册中常用hfe表示。,ib,晶体三极管,微变等效电路,1. 晶体管的微变等效电路,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶 体管用晶体管微变等 效电路代替即可得放 大电路的微变等效电 路。,交流通路,微变等效电路,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,微变等效电路,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶 体管用晶体管微变等 效电路代替即可得放 大电路的微变等效电 路。,3.电压放大倍数的计算,当放大电路输出端开路(未接RL)时,因rbe与IE有关，故放大倍数与静态 IE有关。,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。,例1：,3.电压放大倍数的计算,例2：,由例1、例2可知，当电路不同时，计算电压放大倍数 Au 的公式也不同。要根据微变等效电路找出 ui与ib的关系、 uo与ic 的关系。,4.放大电路输入电阻的计算,放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。,定义：,输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。,例1：,5. 放大电路输出电阻的计算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,定义：,输出电阻是动态电阻，与负载无关。,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,共射极放大电路特点： 1. 放大倍数高； 2. 输入电阻低； 3. 输出电阻高。,例3：,求ro的步骤： (1) 断开负载RL,(3) 外加电压,(4) 求,外加,(2) 令 或,外加,例4：,15.3.2 图解法,D,C,1. 交流负载线,交流负载线反映 动态时电流 iC和电 压uCE的变化关系。,交流负载线斜率,2. 图解分析,RL=,由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大电路的电压放大倍数。,3. 非线性失真,如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。,若Q设置过高，,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,若Q设置过低，,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,3. 非线性失真,15.4 静态工作点的稳定,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外界条件的变化而发生变动。,前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、三极管老化、电源电压波动等外部因素的影响下，将引起静态工作点的变动，严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。,15.4.1 温度变化对静态工作点的影响,在固定偏置放大电路中，当温度升高时， UBE、 、 ICBO 。,上式表明，当UCC和 RB一定时， IC与 UBE、 以及 ICEO 有关，而这三个参数随温度而变化。,温度升高时， IC将增加，使Q点沿负载线上移。,iC,uCE,Q,温度升高时，输出特性曲线上移,固定偏置电路的工作点 Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使 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。,结论： 当温度升高时， IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使晶体管 T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。,O,15.4.2 分压式偏置电路,1. 稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,VB,15.4.2 分压式偏置电路,1. 稳定Q点的原理,VB,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,从Q点稳定的角度来看似乎I2、VB越大越好。 但 I2 越大，RB1、RB2必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。 而VB过高必使VE也增高，在UCC一定时，势必使UCE减小，从而减小放大电路输出电压的动态范围。,在估算时一般选取： I2= (5 10) IB，VB= (5 10) UBE， RB1、RB2的阻值一般为几十千欧。,参数的选择,VE,VB,Q点稳定的过程,VE,VB,VB 固定,RE：温度补偿电阻 对直流：RE越大,稳定Q点效果越好； 对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。,2. 静态工作点的计算,估算法:,VB,3. 动态分析,对交流：旁路电容 CE 将RE 短路， RE不起作用， Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,如果去掉CE ， Au，ri，ro ？,旁路电容,去掉CE后的 微变等效电路,如果去掉CE ， Au，ri，ro ?,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,分压式偏置电路,ri 提高,ro不变,对信号源电压的放大倍数？,信号源,考虑信号源内阻RS 时,例1:,在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 6k, RE1= 300， RE2= 2.7k， RB1= 60k， RB2= 20k RL= 6k ，晶体管=50， UBE=0.6V, 试求: (1) 静态工作点 IB、IC 及 UCE； (2) 画出微变等效电路； (3) 输入电阻ri、ro及 Au。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。,15.5 放大电路的频率特性,阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容、发射极旁路电容及三极管的结电容等，它们的容抗随频率变化，故当信号频率不同时，放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化。,频率特性,幅频特性：电压放大倍数的模|Au|与频率 f 的关系,相频特性：输出电压相对于输入电压的 相位移 与频率 f 的关系,通频带,f,|Au |,fL,fH,| Auo |,幅频特性,下限截止频率,上限截止频率,耦合、旁路电容造成。,三极管结电容、 造成,O,在中频段,所以，在中频段可认为电容不影响交流信号的传送，放大电路的放大倍数与信号频率无关。 (前面所讨论的放大倍数及输出电压相对于输入电压的相位移均是指中频段的),三极管的极间电容和导线的分布电容很小，可认为它们的等效电容CO与负载并联。由于CO的电容量很小，它对中频段信号的容抗很大，可视作开路。,由于耦合电容和发射极旁路电容的容量较大，故对中频段信号的容抗很小，可视作短路。,由于信号的频率较低，耦合电容和发射极旁路电容的容抗较大，其分压作用不能忽略。以至实际送到三极管输入端的电压 比输入信号 要小，故放大倍数降低，并使 产生越前的相位移（相对于中频段）。,在低频段：,所以，在低频段放大倍数降低和相位移越前的主要原因是耦合电容和发射极旁路电容的影响。,CO的容抗比中频段还大，仍可视作开路。,由于信号的频率较高，耦合电容和发射极旁路电容的容抗比中频段还小，仍可视作短路。,在高频段：,所以，在高频段放大倍数降低和相位移滞后的主要原因是三极管电流放大系数 、极间电容和导线的分布电容的影响。,CO的容抗将减小，它与负载并联，使总负载阻抗减小，在高频时三极管的电流放大系数 也下降，因而使输出电压减小，电压放大倍数降低，并使 产生滞后的相位移（相对于中频段）。,15.6 射极输出器,因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。 因从发射极输出，所以称射极输出器。,求Q点：,15.6.1 静态分析,直流通路,15.6.2 动态分析,1. 电压放大倍数,电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,微变等效电路,2. 输入电阻,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。 ri 与负载有关,3. 输出电阻,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,1. 电压放大倍数小于1，约等于1; 2. 输入电阻高； 3. 输出电阻低； 4. 输出与输入同相。,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1. 因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2. 因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3. 利用 ri 大、 ro小以及 Au 1 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,例1:,.,在图示放大电路中，已知UCC=12V, RE= 2k, RB= 200k， RL= 2k ，晶体管=60， UBE=0.6V, 信号源内阻RS= 100，试求: (1) 静态工作点 IB、IE 及 UCE； (2) 画出微变等效电路； (3) Au、ri 和 ro 。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro。,微变等效电路,直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,15.7 差分放大电路,(2) 零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压 波动、电路元件参数的变化。,直接耦合存在的两个问题：,(1) 前后级静态工作点相互影响,零点漂移的危害： 直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。 严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。,一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电 压作为衡量零点漂移的指标。,输入端等效 漂移电压,输出端 漂移电压,电压 放大倍数,只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。,由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。,抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。,适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,差分放大原理电路,两个输入、两个输出,两管静态工作点相同,15. 7. 1 差分放大电路的工作原理,1. 零点漂移的抑制,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,静态时，ui1 = ui2 = 0,当温度升高时ICVC （两管变化量相等）,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,2. 信号输入,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。,(1) 共模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相同,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,共模信号 需要抑制,2. 信号输入,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,(2) 差模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相反,uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1,即对差模信号有放大能力。,差模信号 是有用信号,(3) 比较输入,ui1 、ui2 大小和极性是任意的。,例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV,可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV,ui2 = 18 mV 2 mV,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,共模信号,差模信号,放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号差动 放大电路。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,15. 7. 2 典型差分放大电路,RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,电位器 RP : 起调零作用。,(Common Mode Rejection Ratio),全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差放分辨 差模信号的能力越强，而抑制 共模信号的能力越强。,15.7.4 共模抑制比,共模抑制比,若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压 uo = Ad （ui1 ui2 ） = Ad uid,若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压 uo = Ac uic + Ad uid 即共模信号对输出有影响 。,15.8 互补对称功率放大电路,15.8.1 对功率放大电路的基本要求,功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。,(1) 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。,(2) 由于功率较大，要求提高效率。,晶体管的工作状态,甲类工作状态 晶体管在输入信号 的整个周期都导通, 静态IC较大，波形好, 管耗大效率低。,乙类工作状态 晶体管只在输入信号 的半个周期内导通， 静态IC=0，波形严重失真, 管耗小效率高。,甲乙类工作状态 晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC 0，一般功放常采用。,15.8.2 互补对称放大电路,互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电路。 OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源供电。,1. OTL电路,(1) 特点,T1、T2的特性一致； 一个NPN型、一个PNP型 两管均接成射极输出器； 输出端有大电容； 单电源供电。,(2) 静态时(ui= 0), IC1 0， IC2 0,OTL原理电路,电容两端的电压,(3) 动态时,设输入端在UCC/2 直流基础上加入正弦信号。,T1导通、T2截止； 同时给电容充电,T2导通、T1截止； 电容放电，相当于电源,若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。,ic1,ic2,交流通路,uo,输入交流信号ui的正半周,输入交流信号ui的负半周,(4) 交越失真,当输入信号ui为正弦波时， 输出信号在过零前后出现的 失真称为交越失真。,交越失真产生的原因 由于晶体管特性存在非线性， ui 死区电压晶体管导通不好。,采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。,克服交越失真的措施,(5) 克服交越失真的OTL互补对称放大电路,两个晶体管T1 (NPN型)和T2(PNP 型)的特性基本相同。,静态时, 调节 R3 ,使 A 点的电位 为 ；,输出电容CL上 的电压也等于 ；,R1 和 D1、D2 上的压降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。,OTL互补对称放大电路,15.8.3 集成功率放大器,相位补偿, 消除 自激振荡, 改善 高频负载特性。,去耦，滤掉 高频交流,消振，防止高频自激,集成功放LM386接线图,特点: 工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。,