基本放大电路演示幻灯片.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,*,华成英,hchya,第2章 基本放大电路,2.1,放大的概念与放大电路的性能指标,2.2 基本共射放大电路的工作原理,2.3 放大电路的分析方法,2.4,静态工作点的稳定,2.5,晶体管放大电路的三种接法,2.6 场效应管及其基本放大电路,2.7 基本放大电路的派生电路,1,2.1,放大的概念与放大电路的性能指标,一、放大的概念,二、放大电路的性能指标,2,一、,放大的概念,放大的对象：变化量,放大的本质：能量的控制,放大的特征：功率放大,放大的基本要求：不失真,放大的前提,判断电路能否放大的基本出发点,V,CC,至少一路直流电源供电,3,二、,性能指标,1.放大倍数,：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,信号源,信号源内阻,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,4,2.输入电阻和输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,空载时输出电压有效值,带,R,L,时的输出电压有效值,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的,等效电阻,5,3.通频带,4.最大不失真输出电压,U,om,：,交流有效值。,由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,下限频率,上限频率,5.最大输出功率,P,om,和效率,：功率放大电路的参数,6,2.,3,基本共射放大电路的工作原理,一、电路的组成及各元件的作用,二、设置静态工作点的必要性,三、波形分析,四、放大电路的组成原则,7,一、电路的组成及各元件的作用,V,BB,、,R,b,：使,U,BE,U,on,，且有合适的,I,B,。,V,CC,：使,U,CE,U,BE,，同时作为负载的能源。,R,c,：将,i,C,转换成,u,CE,(,u,o,)。,动态信号作用时：,输入电压,u,i,为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点,Q,，记作,I,BQ,、,I,CQ,（,I,EQ,）、,U,BEQ,、,U,CEQ,。,共射,输入回路,8,二、设置静态工作点的必要性,输出电压必然失真！,设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但,Q,点几乎影响着所有的动态参数！,为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？,9,三、基本共射放大电路的,波形分析,饱和失真,底部失真,截止失真,顶部失真,输出和输入反相！,动态信号驮载在静态之上,与,i,C,变化方向相反,要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！,10,四、放大电路的组成原则,静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。,动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。,对实用放大电路的要求：,共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,11,两种实用放大电路：,（1）,直接耦合放大电路,问题：,1.两种电源,2.信号源与放大电路不“共地”,共地，且要使信号驮载在静态之上,静态时，,动态时，,V,CC,和,u,I,同时作用于晶体管的输入回路。,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失,U,BEQ,12,两种实用放大电路：,（2）,阻容耦合放大电路,耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。,静态时，,C,1,、,C,2,上电压？,动态时，,C,1,、,C,2,为耦合电容！,U,BEQ,U,CEQ,u,BE,u,I,U,BEQ,，信号驮载在静态之上。,负载上只有交流信号。,13,练习：判断下面的电路有无放大作用？,14,2.,4,放大电路的分析方法,一、放大电路的直流通路和交流通路,二、图解法,三、等效电路法,15,一、放大电路的直流通路和交流通路,1.直流通路,：,U,s,=0，保留,R,s,；,电容开路；,电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。,2.交流通路,：大容量电容相当于短路；,直流电源相当于短路（内阻为0）。,通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。,16,基本共射放大电路的直流通路和交流通路,列晶体管输入、输出回路方程，将,U,BEQ,作为已知条件，令,I,CQ,I,BQ,，可估算出静态工作点。,V,BB,越大，,U,BEQ,取不同的值所引起的,I,BQ,的误差越小。,17,当,V,CC,U,BEQ,时，,已知：,V,CC,12V，,R,b,600k，,R,c,3k，,100。,Q,？,直流通路,阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,18,二、图解法,应实测特性曲线,输入回路负载线,Q,I,BQ,U,BEQ,I,BQ,Q,I,CQ,U,CEQ,负载线,1.静态分析,：图解二元方程,19,2.电压放大倍数的分析,斜率不变,20,（二）图解分析动态,1.分析的目的,2.步骤：1）根据输入信号,u,i,在输入特性曲线上求,i,B,在上图所示放大电路中，加上输入电压u,i,=0.02sin,t,的交流信号,则此三极管基-射间的总电压为,根据输入特性曲线，可对应画出,i,B,的波形，如图：,从图上读出电流值，得到,21,0.68,0.72,u,BE,i,B,t,Q,0,0,0.7,t,60,40,20,0,u,BE,/V,i,B,/A,u,BE,/V,i,B,U,BE,图2.4.5（a)输入回路工作情况,22,交流负载线,直流负载线,4.5,7.5,u,CE,9,12,t,0,I,CQ,i,C,/mA,0,I,B,=4 0 A,20,60,80,4,Q,2,6,0,u,CE,/V,i,C,/mA,0,t,u,CE,/V,U,CEQ,i,C,图 2.4.5,(,b,),输出回路工作情况分析,M,N,23,3.失真分析,截止失真,截止失真是在输入回路首先产生失真！,消除方法：增大,V,BB,，即向上平移输入回路负载线。,24,NPN 管截止失真时的输出,u,o,波形顶部失真,问题：,对于右图，如何消除截止失真？,25,饱和失真,饱和失真,R,b,或或,V,BB,R,c,或,V,CC,：饱和失真是输出回路产生失真。,26,(,二,),用图解法估算最大输出幅度,输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的,A,、,B,所限定的范围。,Q,尽量设在线段,AB,的中点。则,AQ,=,QB,，,CD,=,DE,O,i,B,=0,Q,u,CE,/V,i,C,/mA,A,C,B,D,E,交流负载线,（问题：CD和DE的电压值是什么？）,最大不失真输出电压,U,om,：比较,U,CEQ,与（,V,CC,U,CEQ,），取其小者，除以,。,27,(,三,),用图解法分析电路参数对静态工作点的影响,1.改变,R,b,，保持,V,CC,，,R,c,，,不变；,O,I,B,i,C,u,CE,Q,1,R,b,增大，,R,b,减小，,Q,点下移；,Q,点上移；,Q,2,O,I,B,i,C,u,CE,Q,1,Q,3,2.改变,V,CC,，保持,R,b,，,R,c,，,不变；,升高,V,CC,，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。,Q,2,图 2.4.9,(,a,),图 2.4.9,(,b,),U,CE,=,V,CC,I,C,R,c,28,3.改变,R,c,，保持,R,b,，,V,CC,，,不变；,4.改变,，,保持,R,b,，,R,c,，,V,CC,不变；,增大,R,c,，直流负载线斜率改变，则,Q,点向饱和区移近。,O,I,B,i,C,u,CE,Q,1,Q,2,O,I,B,i,C,u,CE,Q,1,Q,2,增大,，,I,CQ,增大，,U,CEQ,减小，则,Q,点移近饱和区。,图 2.4.9,(,c,),图 2.4.9,(,d,),U,CE,=,V,CC,I,C,R,c,29,讨论一,1.用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路,（习题2-5）,。,2.用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。,画出图示电路的直流通路和交流通路。,30,讨论,二,1.在什么参数、如何变化时,Q,1,Q,2,Q,3,Q,4,？,2.从输出电压上看，哪个,Q,点下最易产生截止失真？哪个,Q,点下最易产生饱和失真？哪个,Q,点下,U,om,最大？,3.设计放大电路时，应根据什么选择,V,CC,？,31,2.4.4微变等效电路法,晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内,用直线段近似地代替三极管的特性曲线,，三极管就可以,等效为一个线性元件,。这样就可以将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。,微变等效条件,研究的对象仅仅是,变化量,信号的,变化范围很小,32,一、简化的,h,参数微变等效电路,(,一,),三极管的微变等效电路,i,B,u,BE,晶体管的输入特性曲线,r,be,：晶体管的输入电阻。,在小信号的条件下，,r,be,是一常数。晶体管的输入电路可用,r,be,等效代替。,1.输入电路,Q,点附近的工作段,近似地看成直线,可认为,u,BE,与,i,B,成正比,Q,O,i,B,u,BE,图 2.4.10,(,a,),33,2.输出电路,假设在,Q,点附近特性曲线基本上是水平的,(,i,C,与,u,CE,无关,),，数量关系上，,i,C,比,i,B,大,倍；,i,B,i,B,从三极管输出端看，可以用,i,B,恒流源代替三极管；,该恒流源为受控源；,为,i,B,对,i,C,的控制。,u,CE,Q,i,C,O,图 2.4.10,(,b,),34,3.三极管的简化参数等效电路,注意：,这里忽略了,u,CE,对,i,C,与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小。,图 2.4.11,三极管的简化 h 参数等效电路,c,b,e,+,u,BE,+,u,CE,i,C,i,B,35,简化的,h,参数等效电路交流等效模型,查阅手册,基区体电阻,发射结电阻,发射区体电阻数值小可忽略,利用PN结的电流方程可求得,由,I,EQ,算出,在输入特性曲线上，,Q,点越高，,r,be,越小！,36,(,二,),r,be,的近似估算公式,r,bb,：,基区体电阻。,r,e,b,：,基射之间结电阻。,低频、小功率管,r,bb,约为 300,。,U,T,：温度电压当量。,c,b,e,i,B,i,C,i,E,图 2.4.13,37,4.电压放大倍数,A,u,；,输入电阻,R,i,、输出电阻,R,O,C,1,R,c,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,+,+,VT,+,R,i,=,r,be,/,R,b,，,R,o,=,R,c,图 2.4.12,单管共射放大电路的等效电路,输入电阻中不应含有,R,s,!,输出电阻中不应含有,R,L,!,38,C,1,R,c,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,+,+,VT,+,5.源电压放大倍数,39,例题1,：阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析,40,2.空载和带载两种情况下,U,om,分别为多少？,增强电压放大能力的方法？,讨论,三,已知,I,CQ,2mA，,U,CES,0.7V。,1.在空载情况下，当输入信号增大时，电路首先出现饱和失真还是截止失真？若带负载的情况下呢？,41,电流放大倍数,与电压放大倍数之间关系,讨论,1,.,当,I,EQ,一定时，,愈大则,r,be,也愈大，选用,值较大的三极管其,A,u,并不能按比例地提高；,因：,2.当,值一定时，,I,EQ,愈大则,r,be,愈小，可以得到较大的,A,u,，这种方法比较有效。,42,讨论四,：基本,直接耦合,放大电路的静态分析和动态分析,Q,I,BQ,35A,U,BEQ,0.65V,为什么用图解法求解,I,BQ,和,U,BEQ,？,验证,43,讨论,五,：波形分析,失真了吗？如何判断？原因？,饱和失真,44,二、微变等效电路法的应用,例：接有发射极电阻的单管放大电路，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。,C,1,R,c,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,+,+,VT,+,R,e,图 2.4.14,接有发射极电阻的放大电路,45,根据微变等效电路列方程,引入发射极电阻后，降低了。,若满足(1+,),R,e,r,be,与三极管的参数,、,r,be,无关。,46,2.放大电路的输入电阻,引入,R,e,后，输入电阻增大了。,3.放大电路的输出电阻,将放大电路的输入端短路，负载电阻,R,L,开路，忽略 c、e 之间的内电阻,r,ce,。,47,例2.4.4：在如下的放大电路中，已知三极管的,50，R,b,=240k,R,c,=R,L,=3k,Vcc=12v，R,e,820,试估算放大电路的静态工作点,估算放大电路的,C,1,R,c,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,+,+,VT,+,R,e,48,图解法,优点：动静态均能分析，直观形象，尤其适合分析大信号状态,缺点：实际与手册给定曲线有差别，作图繁琐有误差，无法求解较复杂电路,微变等效电路法,优点：无需作图，可以分析简单和较复杂的电路，分析过程简单,缺点：只能分析动态，不能分析非线型失真和最大输出幅度等。,49,2.,5,静态工作点的稳定,一、温度对静态工作点的影响,二、静态工作点稳定的典型电路,三、稳定静态工作点的方法,50,一、温度对,静态工作,点的影响,所谓,Q,点稳定，是指,I,CQ,和,U,CEQ,在温度变化时基本不变，这是靠,I,BQ,的变化得来的。,若温度升高时要,Q,回到,Q,，则只有减小,I,BQ,T,（）,I,CQ,Q,I,CEO,若,U,BEQ,不变,I,BQ,Q,51,二、,静态工作点稳定的,典型电路,直流通路？,C,e,为旁路电容，在交流通路中可视为短路,1,.,电路组成,52,2.稳定原理,为了稳定,Q,点，通常,I,1,I,B,，即,I,1,I,2,；因此,基本不随温度变化。,设,U,BEQ,U,BE,U,BE,，若,U,BQ,U,BE,U,BE,，则,I,EQ,稳定。,53,R,e,的作用,T,(),I,C,U,E,U,BE,（,U,B,基本不变）,I,B,I,C,R,e,起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，,Q,点越稳定。,关于反馈的一些概念：,将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。,直流通路中的反馈称为直流反馈。,反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。,R,e,有上限值吗？,I,C,通过,R,e,转换为,U,E,影响,U,BE,温度升高,I,C,增大，反馈的结果使之减小,54,3.,Q,点分析,分压式电流负反馈工作点稳定电路,R,b,上静态电压是否可忽略不计？,判断方法：,55,4.动态分析,利?弊?,无旁路电容,C,e,时：,如何提高电压放大能力？,56,补充：,稳定静态工作点的方法,引入直流负反馈,温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。,例如，,R,b1,或,R,b2,采用热敏电阻。,它们的,温度系数？,57,讨论一,图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？,若采用了措施，则是什么措施？,58,2.,6,晶体管放大电路的三种接法,一、基本共集放大电路,二、基本共基放大电路,三、三种接法放大电路的比较,59,2.6.1共集电极放大电路,(a)直流通路,(b)交流通路,60,一、静态工作点,由基极回路求得静态基极电流,则,61,二、动态分析,1、电压放大倍数,由交流通路得到微变等效电路,结论：电压放大倍数恒小于 1，而接近 1，且输出电压与输入电压同相，又称,射极跟随器。,62,2,、电流放大倍数,所以,3,、输入电阻,输入电阻较大。,R,i,63,4,、输出电阻,(难点）,输出电阻低，故带载能力比较强。,R,o,若考虑发射极电阻R,e,，则输出电阻为,三、,特点：,输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在一定条件下有电压跟随作用！,64,2.6.2共基极放大电路,(,a,),原理电路,V,EE,保证发射结正偏；,V,CC,保证集电结反偏；三极管工作在放大区。,(,b,),实际电路,实际电路采用一个电源,V,CC,，用,R,b1,、,R,b2,分压提供基极正偏电压。,C,1,C,2,+,+,+,_,+,_,R,e,V,EE,V,CC,R,c,R,L,VT,C,1,C,2,V,CC,R,b2,R,b1,+,+,+,+,+,_,_,R,e,C,b,R,L,R,c,问：它的静态工作点有可能稳定吗？,65,一、静态分析,直流通路如图示，,求：Q,点,(,I,BQ,I,CQ,U,CEQ,),66,二、动态分析,由交流通路得到微变等效电路,C,1,C,2,V,CC,R,b2,R,b1,+,+,+,+,+,_,_,R,e,C,b,R,L,R,c,67,二、,交流分析,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,R,o,R,C,=,R,L,/,r,be,68,1,、电流放大倍数,微变等效电路,由图可得：,所以,由于,小于 1,而近似等于 1，所以共基极放电电路没有电流放大作用。,图 2.6.4,共基极放大电路的等效电路,69,2,、电压放大倍数,由微变等效电路可得,共基极放大电路没有电流放大作用，但是,具有电压放大作用,。电压放大倍数与共射电路相等，但没有负号，说明该电路,输入、输出信号同相位。,70,3,、输入电阻,暂不考虑电阻,R,e,的作用,4,、输出电阻,暂不考虑电阻,R,e,的作用,R,o,=,r,cb,.,已知共射输出电阻,r,ce,，而,r,cb,比,r,ce,大 得多，可认为,r,cb,(1+,),r,ce,如果考虑集电极负载电阻，则共基极放大电路的输出电阻为,R,o,=,R,c,/,r,cb,R,c,若考虑Re，则,三、,特点,：,输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！,71,2.6.3三种基本组态的比较,大,(数值同共射电路，但同相),小,(小于、近于,1,),大,(,十几 一几百,),小,大,(,几十 一百以上,),大,(,几十 一百以上,),电,路,组态,性能,共 射 组 态,共 集 组 态,共 基 组 态,C,1,C,2,V,CC,R,b2,R,b1,+,+,+,+,+,_,_,R,e,C,b,R,L,C,1,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,R,e,+,+,+,C,1,R,b,+V,CC,C,2,R,L,+,+,+,+,R,c,72,三、三种接法的比较：,空载情况下,接法 共射 共集 共基,A,u,大,小于1,大,A,i,1,R,i,中,大,小,R,o,大,小,大,频带 窄 中 宽,73,电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。,1.,Q,为多少？,2.,R,e,有稳定,Q,点的作用吗？,3.电路的交流等效电路？,4.,V,变化时，电压放大倍数如何变化？,讨论二,74,讨论二,改变电压放大倍数,75,2.6,场效应管及其基本放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,76,一、场效应管（以,N,沟道为例）,场效应管有三个极：源极（,s,）,、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有,三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于,晶体,管的截止区、放大区、饱和区。,1.结型场效应管,符号,结构示意图,栅极,漏极,源极,导电沟道,单极型管,噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,77,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,沟道变窄,沟道消失称为夹断,u,GS,可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,U,GS（off）,78,漏-源电压对漏极电流的影响,u,GS,U,GS（off）,且不变，,V,DD,增大，,i,D,增大,。,预夹断,u,GD,U,GS（off）,V,DD,的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，,i,D,几乎不变，进入恒流区，,i,D,几乎仅仅决定于,u,GS,。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,u,GD,U,GS（off）,u,GD,U,GS（off）,79,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而,u,GS,U,GS（off）,且,u,GD,U,GS（off）,。,u,DG,U,GS（off）,80,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，,u,GD,U,GS（off）,可变电阻区,恒,流,区,i,D,几乎仅决定于,u,GS,击,穿,区,夹断区（截止区）,夹断电压,I,DSS,i,D,不同型号的管子,U,GS（off）,、,I,DSS,将不同。,低频跨导：,81,2.绝缘栅型场效应管,u,GS,增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,SiO,2,绝缘层,衬底,耗尽层,空穴,高掺杂,反型层,增强型管,大到一定值才开启,82,增强型,MOS,管,u,DS,对,i,D,的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,i,D,随,u,DS,的增大而增大，可变电阻区,u,GD,U,GS（th）,预夹断,i,D,几乎仅仅受控于,u,GS,，恒流区,刚出现夹断,u,GS,的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,83,耗尽型,MOS,管,耗尽型MOS管在,u,GS,0、,u,GS,0、,u,GS,0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO,2,绝缘层的存在，在,u,GS,0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,u,GS,=0时就存在导电沟道,84,MOS,管的特性,1)增强型MOS,管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,85,利用,Multisim,测试场效应管的输出特性,从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？,86,3.场效应管的分类,工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,u,GS,=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,87,二、场效应管静态工作点的设置方法,根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源,1.基本共源放大电路,88,2.自给偏压电路,由正电源获得负偏压,称为自给偏压,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置,Q,点？,89,3.分压式偏置电路,为什么加,R,g3,?其数值应大些小些？,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置,Q,点？,即典型的,Q,点稳定电路,90,三、场效应管放大电路的动态分析,近似分析时可认为其为无穷大！,根据,i,D,的表达式或转移特性可求得,g,m,。,与晶体管的,h,参数等效模型类比：,1.场效应管的交流等效模型,91,2.基本共源放大电路的动态分析,若,R,d,=3k，,R,g,=5k，,g,m,=2mS，则,与共射电路比较。,92,3.基本共漏放大电路的动态分析,若,R,s,=3k，,g,m,=2mS，则,93,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若,R,s,=3k，,g,m,=2mS，则,R,o,=?,94,2.7 派生电路,一、复合管,二、派生电路举例,95,一、复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T,1,管。,目的：增大,，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,i,B,方向决定复合管的类型,96,讨论一：,判断下列各图是否能组成复合管,在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。,97,R,i,=?,R,o,=?,讨论二,98,二、派生电路举例：,组合的结果带来什么好处？,99,