1、第2章 放大電路的基本原理和分析方法,本章教學內(nèi)容,2.1 放大的概念 2.2 放大電路的主要技術指標 2.3 單管共發(fā)射極放大電路 2.4 放大電路的基本分析方法 2.5 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題 2.6 三極管放大電路的三種基本組態(tài) 2.7 場效應管放大電路 2.8 多級放大電路,2.1 放大的概念,放大的基本要求：不失真放大的前提 放大的本質：能量的控制 放大的對象: 變化量 放大的核心元件：三極管和場效應管,電信號,足夠強電信號,微弱,強得多,放大倍數(shù) 放大電路輸出信號與輸入信號的比值。,信號源,內(nèi)阻,輸入電壓,輸入電流,輸出電壓,輸出電流,2.2 放大電路的主要技術指標,輸入電阻,從輸入

2、端看進去的 等效電阻,輸入電阻越大越好,衡量放大電路從信號源獲取電流大小的參數(shù)。,輸出電阻,將輸出等效成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻。,空載時輸出電壓有效值,帶RL時的輸出電壓有效值,輸出電阻越小，帶負載能力愈強。,通頻帶,下限頻率,上限頻率,衡量放大電路對不同頻率信號的適應能力。,最大輸出幅度,非線性失真系數(shù),所有的諧波總量與基波成分之比:,無明顯失真的最大輸出電壓(或電流)，一般指有效值，以Uom (或Iom )表示。,最大輸出功率與效率,最大輸出功率Pom：在輸出信號不失真的情況下，負載上能夠獲得的最大功率,效率：最大輸出功率Pom與電源消耗的功率PV 之比,2.3 單管共發(fā)射極放大

3、電路,共發(fā)射極放大電路的組成,晶體管：起放大作用的核心元件,Rc：將變化的電流iC轉變?yōu)樽兓碾妷簎CE(uo) 。,Rb、VBB ：使發(fā)射結正偏，并提供合適的靜態(tài)基極電流IB。,VCC：為輸出信號提供能量，并與Rc一起保證集電結反偏。,放大電路的工作原理,UBE,UCE=VCCRCIC,靜態(tài)工作點Q,UBEQ,IBQ,ICQ,UCEQ,當 ui=0,ui,uBE=UBEQ+ube,iB=IBQ+ib,ic= ib,uCE=UCEQ+uce,uo=uce,UCEQ=VCCRCICQ,iC=ICQ+ic,uce=RL|RCic,當 ui0,ib,ic,uce,反相放大,放大電路的工作波形,放大電

4、路的組成原則,靜態(tài)工作點合適：合適的直流電源、合適的電路參數(shù)。 動態(tài)信號能夠作用于晶體管的輸入回路，在負載上能夠獲得放大了的動態(tài)信號。 對實用放大電路的要求：共地、直流電源種類盡可能少、負載上無直流分量。,問題： 兩種電源 信號源與放大電路不“共地”,將兩個電源合二為一,有直流分量,有交流損失,2.4 放大電路的基本分析方法,靜態(tài)工作點Q分析,動態(tài)參數(shù)分析,IBQ、ICQ、UCEQ、UBEQ,Au、Ri、Ro,估算法,圖解法,微變等效電路法,圖解法,直流通路與交流通路,直流通路,在直流電源作用下直流電流流經(jīng)的通路。,電容開路，電感短路；,信號源短路；,交流通路,在輸入交流信號的作用下，交流信號

5、流經(jīng)的通路。,大電容短路；,直流電源短路；,靜態(tài)工作點的近似估算,晶體管的靜態(tài)等效電路（放大狀態(tài)）,放大電路靜態(tài)等效電路,近似條件：UBE 0.7V(硅管)，或 0.3V(鍺管),近似估算,檢驗晶體管是否處于放大狀態(tài),思考： 如果BJT處于飽和區(qū)，如何調(diào)節(jié)使電路處于放大狀態(tài)？,IBQRb+UBEQ=VCC,IBQ,ICQ,ICQRc+UCEQ=VCC,根據(jù)KVL：,再次根據(jù)KVL：,圖解法,把輸入輸出回路分開處理,畫出直流通路,列輸入回路方程：,列輸出回路方程：,UBE =UCCIBRB,UCE=UCCICRC,靜態(tài)工作點的分析,輸入回路分析,UBEQ,IBQ,輸入特性曲線,輸入回路 直流負載

6、線,輸出回路分析,IBQ,UCEQ,ICQ,輸出特性曲線,靜態(tài)工作點,靜態(tài)工作點,輸出回路 直流負載線,UBE =UCCIBRB,UCE=UCCICRC,由于輸入特性不易準確測得，一般用估算法求IBQ和UBEQ 。,圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知Rb=280k，Rc=3k ，集電極直流電源VCC=12V，試用圖解法確定靜態(tài)工作點。,解：首先估算 IBQ,輸出回路方程 UCE = VCC IC Rc,IB,【例】,0,iB = 0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V

7、.,uCE /V,由 Q 點確定靜態(tài)工作點為：,iC /mA,UCE =12 3IC,電壓放大倍數(shù)的分析,交流負載線,直流負載線,輸入回路工作情況分析,輸出回路工作情況分析,圖解法的步驟,畫輸出回路的直流負載線 估算 IBQ，確定Q 點，得到 ICQ和 UCEQ 畫交流負載線 求電壓放大倍數(shù),圖解法的應用,分析非線性失真,由于靜態(tài)工作點Q過低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真,iB,ui,截止失真,截止失真是在輸入回路首先產(chǎn)生失真！,頂部失真,uo = uce,O,IB = 0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC / mA,uo = uce,ib(不失真),ICQ,UC

8、EQ,Q 點過高，引起 iC、uCE的波形失真。,底部失真,飽和失真,估算最大輸出幅度,Q盡量設在線段AB的中點,分析電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響,Q1,Q2,VCC,Rb1Rb2,Q1,Q2,VCC,Rc2Rc1,增大Rc ，Q點向飽和區(qū)靠近。,增大Rb ，Q點向截止區(qū)靠近。,Q1,Q2,VCC,21,Q1,Q2,VCC2,VCC2VCC1,VCC1,VCC升高時, Q點移向右上方,Uom增大，三極管靜態(tài)功耗也增大。, 增大時，輸出特性曲線上移，Q點移近飽和區(qū)。,圖解法的特點,形象、直觀；,適應于Q點分析、放大倍數(shù)分析、失真分析、最大不失真輸出電壓的分析；,能夠用于大信號分析；,要求實測晶體管

9、的輸入、輸出曲線；,定量分析的誤差較大；,不能求解輸入電阻、輸出電阻、頻帶等參數(shù)；,直流負載線,交流負載線,微變等效電路法,適用條件：微小交流工作信號；三極管工作在線性區(qū)。 解決問題：處理三極管的非線性問題。,輸入回路,uBE,對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻rbe。,晶體管的等效電路,利用PN結的電流方程可求得,基區(qū)體電阻,發(fā)射結電阻,發(fā)射區(qū)體 電阻,查閱手冊,rbb: 基區(qū)體電阻（常取300） UT: 溫度電壓當量. 常溫(27C), UT =26mV,小功率三極管：,輸出回路,三極管輸出端可以等效為一個受控電流源：,iC=iB,等效電路,rbe,uBE,iC,iB,uCE,iB,

10、e,c,b,動態(tài)參數(shù)分析,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,輸出電阻,等效電路法的步驟,確定放大電路的靜態(tài)工作點Q。,根據(jù)定義列出電路方程并求解。,畫出放大電路的微變等效電路。,求出Q點處的和rbe 。,估算法,交流通路,微變等效電路,分析下圖所示接有射極電阻的單管放大電路。,【例】,引入發(fā)射極電阻后， 降低了。,若滿足(1 + ) Re rbe,與三極管的參數(shù) 、rbe 無關。,其中 RL=Rc/RL,放大倍數(shù),輸入電阻,引入Re后，輸入電阻增大。,輸出電阻,圖示放大電路中, = 50。 1. 試估算放大電路的靜態(tài)工作點； 2. 畫出微變等效電路； 3. 求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。,【例】,

11、解:直流通路如圖所示,IBQRb+UBEQ+IEQRe=VCC,ICQ=IBQ=500.04mA =2mAIEQ,UCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe =12-2(3+0.82)V =4.36V,Ri=rbe+(1+)Re/Rb=36.3k,RoRc=3k,微變等效電路如圖所示,微變等效電路法的特點,簡單方便；,適應分析任何基本工作在線性范圍的簡單或復雜的電路；,只能解決交流分量的計算問題；,不能分析非線性失真；,不能分析最大輸出幅度；,靜態(tài)工作點穩(wěn)定的必要性,2.5 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題,必要性,決定放大電路是否產(chǎn)生失真；,影響電壓放大倍數(shù)、輸入電阻等動態(tài)參數(shù)；,靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定，將導

12、致動態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定，甚至使放大電路無法正常工作。,影響靜態(tài)工作點穩(wěn)定的因素,電源電壓波動；,元件老化；,環(huán)境溫度變化；,溫度對靜態(tài)工作點的影響,T = 20 C,T = 50 C,工 作 點 向 飽 和 區(qū) 移 動,Q點穩(wěn)定，是指ICQ和UCEQ在溫度變化時基本不變，這是靠IBQ的變化得來的。,分壓式偏置電路,分壓式偏置電路,分壓式偏置電路組成,RB2,CE,RE,VB,RE射極直流負反饋電阻,旁路電容，在交流通路中可視為短路,穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理,固定VB,VB不受溫度變化的影響。,取適當?shù)腣B,使 VBUBE,I2=(510)IB,VB=(510)UBE,(IE),VB一定,穩(wěn)定過程,(維持

13、不變),RE的作用,采樣：,直流負反饋：,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,其中：,旁路電容CE不影響放大電路的電壓放大倍數(shù)。,若去掉CE,如圖所示，VCC=12V，Rb1=5k，Rb2=15k，Re=2.3k，Rc=5.1k，RL=5.1k，=50，UBEQ= 0.7V。 (1) 估算靜態(tài)工作點Q； (2) 分別求有、無Ce時的Au和Ri；,【例】,解： (1) 靜態(tài)工作點:,(2) 求Au和Ri,當有Ce時,當無Ce時,可以看出，當無Ce時，電壓放大倍數(shù)很低,2.6 三極管放大電路的三種基本組態(tài),基本組態(tài),共射組態(tài)CE,共集組態(tài)CC,共基組態(tài)CB,共集電極放大電路,電路組成,集電極交流接地 共集電極電路

14、 發(fā)射極輸出 射極輸出器,靜態(tài)分析,UCC=IBQRB+UBEQ +IEQRE =IBQRB+UBEQ+(1+ )IBQRE =IBQ RB+ (1+ )RE + UBEQ,動態(tài)分析,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,非常高,輸出電阻,信號源內(nèi)阻,非常低,射極輸出器的特點,輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。,電壓放大倍數(shù),1,輸入電阻很大，從信號源取得的信號大。,輸出電阻很小，帶負載能力強。,所謂帶負載能力強，是指當負載變化時，放大倍數(shù)基本不變。,射極輸出器的用途,將射極輸出器放在電路的首級，可以提高放大器的輸入電阻，減少對前級的影響。,將射極輸出器放在電路的末級，可以降低放大器的輸出

15、電阻，提高帶負載能力。,將射極輸出器放在電路的兩級之間，可以起到電路的阻抗變換作用，這一級稱為緩沖級或中間隔離級。,靜態(tài)工作點分析：,動態(tài)分析：,共基極放大電路,電路組成,VEE：保證發(fā)射結正偏；,VCC：保證集電結反偏；,原理電路,實際電路,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,具有電壓放大作用， 沒有倒相作用。,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,如不考慮Re的作用,如考慮 Re 的作用,輸出電阻,如不考慮Rc的作用,Ro = rcb,如考慮Rc的作用,Ro = Rc / rcb Rc,三種基本組態(tài)的比較,頻率響應,大 Rc,小,高 Rc,小 (幾歐 幾十歐),大 (幾十千歐以上),中 (幾百歐幾千歐) rbe,組態(tài),

16、性能,共 射 組 態(tài),共 集 組 態(tài),共 基 組 態(tài),差,較好,好,應用,低頻電壓放大,多級放大的輸入級和輸出級,寬頻帶放大電路,2.7 場效應管放大電路,場效應管的特點,場效應管是電壓控制元件；,柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；,一種極性的載流子導電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響?。?制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成；,存放管子應將柵源極短路，焊接時烙鐵外殼應接地良好，防止漏電擊穿管子；,跨導較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。,N 溝道增強型 MOS 場效應管組成的放大電路為例,共源極放大電路,電路組成,工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用：,開啟電壓,靜態(tài)分析,UGSQ 、 IDQ 、UDSQ,近似

17、估算法,ui = 0,UGSQ = VGG,恒流區(qū)，轉移特性為,式中IDO為uGS=2UGS(th)時的值。,圖解法,uDS = VDD - iDRD,輸出電壓方程：,UGSQ = VGG,Q,UDSQ,VDD,IDQ,直流負載線,UGSQ,動態(tài)分析,微變等效電路,對于正弦信號，iD 的全微分為,gm 跨導(毫西門子 mS)。,0.1 20 mS,rDS 漏源之間等效電阻。,幾百千歐,若RDrDS， rDS可視為開路,參數(shù)gm求法,用求導的方法計算 gm,在 Q 點附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，則,動態(tài)參數(shù)計算,Ro = RD,思考：輸入電阻多大？,分壓自偏壓式共源放大電路,電路組成,

18、提高放大電路的輸入電阻,穩(wěn)定靜態(tài)工作點,VG,靜態(tài)分析,近似估算法,UDSQ=VDDIDQ(RD+RS),圖解法,Q,IDQ,UGSQ,VG,uDS = VDD iD(RD + RS),UDSQ,VDD,Q,IDQ,UGSQ,動態(tài)分析,基本共漏放大電路,電路組成,源極輸出器,靜態(tài)分析,VG,UDSQ=VDDIDQRS,動態(tài)分析,源極跟隨器,Ri=RG+(R1/R2),d,2.8 多級放大電路,為獲得足夠大的放大倍數(shù)，需將單級放大器串接，組成多級放大器。,級間耦合,多級放大電路的耦合方式,變壓器耦合,光電耦合,阻容耦合,直接耦合,阻容耦合,優(yōu)點：各級Q點相互獨立，便于分析、設計和調(diào)試。,缺點：低

19、頻特性差，不便于集成化。,直接耦合,優(yōu)點：放大交流和直流信號，低頻特性好，便于集成。,缺點：各級Q點相互影響，零點漂移較嚴重。,臨近飽和區(qū),合適靜態(tài)工作點的解決方法,降低電壓放大倍數(shù),用二極管代替Re2。,發(fā)射極接一電阻Re2。,VB2,提高VB2,動態(tài)電阻小，對放大倍數(shù)影響小,用穩(wěn)壓管代替二極管。,使穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓的范圍里,后級集電極的有效電壓變化范圍減??； 級數(shù)增多，集電極電位上升， +Vcc將無法承受；,新的問題：,可降低第二級的集電極電位，又不損失放大倍數(shù)。,穩(wěn)壓管噪聲較大,采用NPN-PNP耦合方式,實現(xiàn)電平移動,利用PNP管集電極電位比基極電位低的特點可獲得合適的合適的Q點。,【

20、例】,圖示兩級直接耦合放大電路中，已知：Rb1=240 k，Rc1=3.9k，Rc2=500，穩(wěn)壓管VDz的工作電壓UZ=4V，三極管T1的1=45，T2的2=40，VCC=24V，試計算各級靜態(tài)工作點。如ICQ1由于溫度的升高而增加1%，計算靜態(tài)輸出電壓的變化。,解：設 UBEQ1=UBEQ2=0.7 V,則 UCQ1=UBEQ2+Uz=4.7 V,ICQ1 = 1 IBQ1 = 4.5 mA,IBQ2=IRc1ICQ1=(4.954.5)mA=0.45mA,ICQ2=2 IBQ2=(400.45)mA=18mA,Uo=UCQ2=VCCICQ2RC2=(24180.5)V=15V,UCEQ2=UCQ2UEQ2=( 154)V=11V,當 ICQ1 增加 1% 時，即,ICQ1=(4.51.01)mA=4.545mA,IBQ2=(4.95-4.545)mA=0.405mA,ICQ2=(400.405)mA=16.2mA,Uo=UCQ2=(2416.20.5)V=15.9V,比原來升高了 0.9 V，約升高6%,零點漂移,零點漂移,當輸入信號為零時，輸出電壓不保持恒定，而是在某個范圍隨時間、溫度不斷地緩慢變化，稱這種現(xiàn)象為零點漂移或