基本放大电路.ppt

放大电路（也叫放大器）是模拟电路中应用最为广泛的电路。 基本任务是将微弱的电信号放大到负载（如喇叭、显示仪表等）所需要的数值。,第二章 基本放大电路,放大的概念,Au,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,电压放大倍数-电压增益，无量纲。 考虑电压增益的电路称为电压放大电路,放大电路的源电压放大倍数,电流放大倍数-电流增益，无量纲。 只考虑电流增益的电路称为电流放大电路。,放大电路的互阻增益，具有电阻量纲，这是一种广义的增益 ，不同于前述的电压增益和电流增益。这种电路称为互阻放大电路。,放大电路的互导增益，它具有电导量纲S。这种电路被称为互导放大电路。,综上所述，根据实际的输入信号和输出信号是电压或者是电流，放大电路可分为四种类型：电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。 四种电路只是考虑问题的侧重点不同，没有本质区别。 同一个放大电路可分别作四种不同的类型来考虑，并且不同类型的电路之间可以相互转换。 一般来说，电压放大电路应用最为普遍，所以重点讨论电压放大电路,§ 2.1 基本放大电路的组成,三极管放大电路有三种形式,共发射极放大器,共基极放大器,共集电极放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,一、组成,共发射极单管电压放大电路,各元件的作用,1、晶体管,放大元件,2、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。,、使发射结正偏，并提供适当的静态IB和UBE。,各元件作用：,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：,二、基本放大电路的习惯画法,当放大电路没有输入信号(ui=0)时，电路中各处的电压、电流是不变的直流，称为直流工作状态或静止工作状态，简称静态。 静态时的直流电压、电流值，将在管子的特性曲线上确定一点，这点称为静态工作点。 放大电路输入交流信号时，电路中各处的电压、电流随交流信号而变化，电路处于变动状态，简称动态。,§ 2.2 基本放大电路的静态和动态分析,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法（小信号模型分析法）,图解法,计算机仿真,IBQ,ICQ,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),一、静态分析,Ui=0时,确定IB、UBE、IC、UCE等值,1 . 直流通道和交流通道,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,但是,电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,这样就有了交流通道（只考虑交流信号的分电路）和直流通道（只考虑直流信号的分电路）。不同的信号可以分别在不同的通道分析。,直流通道（只考虑电路中的直流成分）,画直流通路：,Rb称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,2、用估算法分析放大器的静态工作点（求 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,3. 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,(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )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。,uCE怎么变化,二、动态分析（图解法）,假设uBE有一微小的变化,uCE的变化沿一条直线,uCE与uBE反相！,各点波形,结论：（1）放大电路中的信号是交直流共存，可表示成：,（2）输出uo与输入ui相比，幅度被放大，频率不变，但相位相反。,放大条件,1、晶体管偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,2、正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,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，经电容滤波只输出交流信号。,直流、交流信号是共存的，而两种信号的作用不同。 直流信号是基础，它为三极管提供正确的偏置，保证三极管工作在放大状态，并同时为三极管提供合适的直流工作点，以保证放大电路不失真地放大交流信号； 交流信号是被放大的量。为方便分析，我们总是分别讨论两种信号的工作状况。,符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流量。,uA,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,大写字母、小写下标，表示交流分量有效值。,Ua,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,uo,可输出的最大不失真信号,1、合适的静态工作点,三、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,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,§ 2.3 放大器微变等效电路法分析法,所谓微变等效电路，就是把非线性元件晶体管线性化，将放大电路等效成一个线性电路。,步骤1.、画出放大器的微变等效电路 2、动态性能分析,一、三极管的微变等效电路,1、输入回路,uBE,对输入的小交流信号而言，三极管输入端相当于电阻rbe。,对于小功 率三极管：,2、输出回路,输出端相当于一个受ib 控制的电流源。,iC,uCE,近似平行，当UCE为常数时,40 A,50 A,30 A,一般在20到200之间手册中常用hfe表示,三极管的微变等效电路,等效,c,把非线性的器件化为一个等效的线性电路,再代回交流通路,用求解线性电路的方法来作动态分析.,二、放大电路的微变等效电路,1、交流通路-只考虑电路中的交流成分,C1、C2短路,直流电源视为交流短路,交流通路（只考虑电路中的交流成分）,uo,ui,2、交流通路中的三极管用其微变等效电路代 替，得到放大电路的微变等效电路,电压、电流均为交流分量，箭头表示正方向,1、电压放大倍数的计算：,负载电阻越小，放大倍数越小。,三、放大器的动态性能分析Au、Ri、Ro,Rc,RL,RB,（1）电压放大倍数Au,（2）空载电压放大倍数Auo-负载断开时的电压放大倍数，即未接RL时,Rc,RL,RB,（2）源电压放大倍数Aus-信号源有内阻时，放大器输出电压和信号源源电压的比值,Rc,RL,RB,输入回路的分压比：,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。,2、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：,3、输出电阻的计算：,根据定义：,1)输入信号为零,2)负载电阻开路,3)在1、2所列的前提下 输出端口的等效电阻。,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,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。,§ 2.4 静态工作点的稳定,一、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,二、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,2、直流通道及静态工作点估算:,IB=IC/,IC IE =UE/Re = （UB- UBE）/ Re,电容开路,画出直流通道,UCE = VCC - ICRC - IERe,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？,有电容Ce：交流信号短路，使Au不会减小，但Ri小,无电容Ce：Au将会减小，但Ri大,也叫射极输出器,一、 结构：,§ 2.5 共集电极放大电路,二、 直流通道及静态工作点分析：,IE=(1+)IB,三、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。,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。,两种组态的比较,共集,共射,§ 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）,射极输出器的主要特点是：电压放大倍数接近 1；输入电阻高；输出电阻低。因此，它常被用作多级放大电路的输入级或输出级。,例 1 用射极输出器和分压式偏置放大电路组成两级放大电路，如下图所示。已知：UCC = 12 V，1 = 60，RB1 = 200 k，RE1 = 2 k ，RS = 100 。后级的数据同例 10.3.1，即 RC2 = 2 k， RE2 = 2 k， RB1 = 20 k， RB2 = 10 k， RL = 6 k， 2 = 37.5，试求：(1)前后级放大电路的静态值；(2)放大电路的输入电阻 ri 和输出电阻 ro ；(3)各级电压放大倍数 Au1， Au2 及两级电压放大倍数 Au。,解 由于电容有隔直作用，各级放大电路的静态值可以单独考虑。同时耦合电容上的交流压降可以忽略不计，使前级输出信号电压差不多无损失地传送到后级输入端。,(1) 前级静态值为,后级静态值：,(2)放大电路的输入电阻,式中,为前级的负载电阻，其中 ri2 为后级的输入电阻，可求得， ri2 = 0.79 k，于是,输出电阻,(3) 计算电压放大倍数,前级,后级,两级电压放大倍数,§ 2.7 集成运放基本知识,一、通用型集成运放(Operational Amplifier)的组成,1. 模拟集成电路的特点,1) 直接耦合：,采用差分电路形式，元件相对误差小；,2) 大电阻用恒流源代替，大电容外接；,3) 二极管用三极管代替(B、C 极接在一起)；,4) 高增益、高输入电阻、低输出电阻。,2. 组成方框图,输入级：,差分电路，大大减少温漂。,中间级：,采用有源负载的共发射极电路，增益大。,输出级：,射极输出器，带负载能力强,偏置电路：,微电流源。,二、集成运算放大器电路符号及理想化条件,1. 运放的符号,习惯用符号,国家标准符号,直流电源接法,(VCC = VEE ),等效电路,u+ 同相端输入电压,u- 反相端输入电压,uid 差模输入电压,uid = u u+,Aud 开环差模电压放大倍数,uo = Aud(u+ u),1) Aud ,2. 运放特性的理想化,理想 运放：,4) KCMR ,2) Rid ,3)Ro 0,传输特性,理想,线 性 区,实际,3. 理想运放工作在线性区的两个特点,1) u+ u(虚短),证：,uo = Aud (u+ u) = Aud uid,u+ u = uo/Aud 0,2) i+ i 0 (虚断),证：,i+ = uid / Rid 0,同理 i 0,4. 理想运放工作在非线性区的两个特点,1)u+ u时， uo = Uomax,u+ u 时, uo= UOmax,2)i+ i 0 (虚断),