《模拟电路》第2章：基本放大器.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,:,A,U,=,u,o,/,u,i,（,2,）电流放大倍数,定义为,:,A,I,=,i,o,/,i,i,（,3,）互阻增益,定义为,:,A,r,=,u,o,/,i,i,（,4,）互导增益,定义为,:,A,g,=,i,o,/,u,i,2.,输入电阻,R,i,从放大电路输入端看进去的等效电阻,R,i,=,u,i,/,i,i,一般来说，,R,i,越大越好。,（,1,）,R,i,越大，,i,i,就越小，从信号源索取的电流越小。,（,2,）当信号源有内阻时，,R,i,越大，,u,i,就越接近,u,S,。,3.,输出电阻,R,o,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,，,R,o,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,f,A,A,m,0.7A,m,f,L,下限截止频率,f,H,上限截止频率,通频带：,f,bw,=,f,H,f,L,放大倍数随频率变化曲线,幅频特性曲线,3dB,带宽,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。,U,CE,（,-,I,C,R,c,）,放大原理：,U,BE,I,B,I,C,（,b,I,B,）,电压放大倍数：,u,o,u,i,放大元件,i,C,=,i,B,，,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,I,B,和,U,BE,。,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,R,C,，,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,10,F50,F,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,U,i,=0,时电路的工作状态,三,.,静态工作点,u,i,=0时,由于电源的存在，电路中存在一组直流量。,I,C,I,E,I,B,+,U,BE,-,+,U,CE,-,由于,(,I,B,U,BE,),和,(,I,C,U,CE,),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,。,I,B,U,BE,Q,I,B,U,BE,Q,U,CE,I,C,I,C,U,CE,I,B,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。,开路,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：,开路,画直流通路：,R,b,称为,偏置电阻,，,I,B,称为,偏置电流,。,用估算法分析放大器的静态工作点（,I,B,、,U,BE,、,I,C,、,U,CE,）,I,C,=,I,B,例：用估算法计算静态工作点。,已知：,V,CC,=12V,，,R,C,=4K,，,R,b,=300K,，,=37.5,。,解：,请注意电路中,I,B,和,I,C,的数量级,一,.,用图解法分析放大器的静态工作点,U,CE,=,V,CC,I,C,R,C,V,CC,I,C,U,CE,直流负载线,由,估算法求出,I,B,，,I,B,对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点,Q,Q,I,B,静态,U,CE,静态,I,C,2.3,放大电路的图解分析法,i,B,u,BE,Q,u,i,i,b,i,c,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,u,i,i,b,静态工作点,二,.,用图解法分析放大器的动态工作情况,i,C,u,CE,u,ce,注意：,u,ce,与,u,i,反相！,u,i,i,B,i,C,u,CE,u,o,各点波形,u,o,比,u,i,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,u,o,与输入,u,i,相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。,u,i,t,u,BE,t,i,B,t,i,C,t,u,CE,t,u,o,t,对交流信号,(,输入信号,u,i,),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。,短路,短路,置零,交流通路,3.,交流负载线,输出端接入负载,R,L,：,不影响,Q,影响动态！,交流负载线,i,c,其中：,u,ce,=-,i,c,（,R,C,/,R,L,）,=-,i,c,R,L,交流量,i,c,和,u,ce,有如下关系：,即：交流负载线的斜率为：,u,ce,=-,i,c,（,R,C,/,R,L,）,=-,i,c,R,L,或,i,c,=,（,-1/,R,L,）,u,ce,交流负载线的作法：,斜 率为,-,1/,R,L,。（,R,L,=,R,L,R,c,）,经过,Q,点。,交流负载线的作法：,i,C,i,CE,V,CC,Q,I,B,交流负载线,直流负载线,斜 率为,-,1/,R,L,。,（,R,L,=,R,L,R,c,）,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。,i,C,u,CE,u,o,可输出的最大不失真信号,（,1,）合适的静态工作点,i,b,4,非线性失真与,Q,的关系,i,C,u,CE,u,o,（,2,）,Q,点过低信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,i,C,u,CE,u,o,（,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：,i,B,u,BE,u,BE,i,B,输出端交流短路时的,输入电阻，用,r,be,表示。,输入端开路时的电压反馈系数，,用,r,表示。,i,B,u,BE,u,BE,u,CE,i,C,i,B,i,C,u,CE,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,/r,ce,表示。,i,C,u,CE,i,C,u,CE,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,）,r,10,-3,，,忽略。,（,2,）,r,ce,10,5,，,忽略。,得三极管简化的,h,参数等效电路。,3,、,r,be,的计算：,由,PN,结的电流公式：,（常温下）,其中：,r,bb,=200,所以：,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：,0,+,-,例,2.4.1,共射放大电路如图所示。设：,V,CC,12V,，,R,b,=300k,R,c,=3k,R,L,=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,R,i,和输出电阻,R,o,。,解：画微变等效电路,R,i,=,r,be,/,R,b,r,be,=993,R,o,=,R,c,=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,R,b,。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由,U,BE,、,和,I,CEO,决定，这三个参数随温度而变化。,Q,变,U,BE,I,CEO,变,T,变,I,C,变,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,U,BE,的影响,i,B,u,BE,25 C,50C,T,U,BE,I,B,I,C,2,、温度对,值及,I,CEO,的影响,T,、,I,CEO,I,C,i,C,u,CE,Q,Q,温度上升时，输出特性曲线上移，造成,Q,点上移。,总之：,T,I,C,动画演示,I,1,I,2,I,B,2.,静态工作点稳定的放大器,选,I,2,=（510）,I,B,I,1,I,2,I,C,I,E,（,1,）结构及工作原理,静态工作点,稳定过程：,T,U,BE,I,C,I,C,I,E,U,E,U,BE,=,U,B,-,U,E,=,U,B,-,I,E,R,e,U,B,稳定,I,B,由输入特性曲线,演示,I,1,I,2,I,B,I,C,I,E,（,2,）直流通道及静态工作点估算,:,I,B,=,I,C,/,U,CE,=,V,CC,-,I,C,R,C,-,I,E,R,e,I,C,I,E,=,U,E,/,R,e,=（,U,B,-,U,BE,）/,R,e,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：,R,L,=,R,C,/,R,L,输入电阻：,输出电阻：,思考：,若在,R,e,两端并电容,C,e,会对,A,u,、,R,i,、,R,o,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：,I,B,I,E,U,BE,U,CE,3.,动态分析,（,1,）交流通道及微变等效电路,（,2,）电压放大倍数：,（,2,）输入电阻,3,、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,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,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。,U,BE,I,C,I,C,U,E,I,B,I,c,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,r,ce,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,R,i,=,R,i,（,最前级）,(,一般情况下）,R,o,=,R,o,（,最后级）,(,一般情况下）,设：,1,=,2,=,=100,，,U,BE1,=,U,BE2,=0.7,V,。,举例,1,：两级放大电路如下图示，求,Q,、,A,u,、,R,i,、,R,o,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,R,i,=R,i1,=r,be1,/R,b1,/R,b2,=2.55 k,（,4,）求输出电阻,R,O,=R,C2,=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：,f,0.1,f,H,0,f,H,10,f,H,100,f,H,-20,-40,-20dB/,十倍频程,相频响应,可见：当频率较低时，,A,U,1,，,输出与输入电压之间的相位差,=0,。随着频率的提高，,A,U,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,90,o,。,其中,f,H,是一个重要的频率点，称为,上限截止频率,。,f,0.1,f,H,0,f,H,10,f,H,100,f,H,-20,-40,-20dB/,十倍频程,f,0.1,f,H,0,f,H,10,f,H,100,f,H,-45,-90,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,f,0.01,f,L,0,0,.,1,f,L,f,L,10,f,L,-20,-40,最大误差,-3dB,斜率为,-20dB/,十倍频程,的直线,幅频响应：,20dB/,十倍频,可见：当频率较高时，,A,U,1,，,输出与输入电压之间的相位差,=0,。随着频率的降低，,A,U,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,90,o,。,其中，,f,L,是一个重要的频率点，称为,下限截止频率,。,f,0.01,f,L,0,0,.,1,f,L,f,L,10,f,L,-20,-40,20dB/,十倍频,相频响应,f,0.01,f,L,0,0,.,1,f,L,f,L,10,f,L,90,45,二,.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。,r,bb,基区的体电阻,1.,BJT,的混合,型模型,r,be,发射结电阻,b,是假想的基区内的一个点。,C,be,发射结电容,r,bc,集电结电阻,C,bc,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,g,m,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,r,bc,很大，可以忽略。,r,ce,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：,又因为,从手册中查出,所以,5.BJT,的频率参数,f,、,f,T,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,f,f,0,0,-20dB/,十倍频程,f,T,当,f,T,f,时,可得：,f,T,0,f,f,共发射极截止频率,f,T,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,C,1,、,C,2,不能忽略,。,为方便分析，现在只考虑,C,1,，,将,C,2,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：,f,0.01,f,L,-180,0,.,1,f,L,f,L,10,f,L,-90,-135,f,0.01,f,L,0,.,1,f,L,f,L,10,f,L,20dB/,十倍频,在高频段，耦合电容,C,1,、,C,2,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,C,N,，,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：,f,0.1,f,H,-180,f,H,10,f,H,100,f,H,-225,-270,f,0.1,f,H,f,H,10,f,H,100,f,H,-20dB/,十倍频程,4.,完整的共射放大电路的频率响应,f,-180,f,H,f,L,-225,-270,f,f,H,f,L,-20dB/,十倍频程,-135,-90,20dB/,十倍频程,（,1,）通频带：,（,2,）带宽,-,增益积：,f,bw,A,um,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：,f,-180,f,H,f,L,-225,-270,f,f,H,f,L,-20dB/,十倍频程,-135,-90,20dB/,十倍频程,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,A,U,较大，,R,i,、,R,o,适中，常用作电压放大。,（,2,）共集,A,U,1,，,R,i,大、,R,o,小，适用于信号跟随、信号隔离等。,（,3,）共基,A,U,较大，,R,i,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：,A,U,=A,U1,A,U2,A,Un,6,频率响应,两个截止频率,下限截止频率,f,L,频率下降，使,A,U,下降为,0.707A,um,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,f,H,频率上升，使,A,U,下降为,0.707A,um,所对应的频率，由电路中三极管的极间电容所决定。,