模块二--分立元件放大电路.ppt

模块二 分立元件放大电路,模块二 分立元件放大电路路,放大电路概述,共射放大电路,共集放大电路,MOS管及放大电路,本 模 块 主 要 内 容,多级放大电路,功率放大电路,2.1放大电路概述,2.1.1 放大电路的概念,放大电路是由三极管（或场效应管）、电阻器、电容器及电源等一些元件组成的。主要功能是对输入信号进行放大,。,三种三极管放大电路,(三种组态),共射极放大电路,共基极放大电路,共集电极放大电路,2.1.2 放大电路的主要性能指标,1放大倍数,2输入电阻,i,3输出电阻R,O,最大输出功率和效率,2.2 共射放大电路,2.2.1 放大电路的组成,与元件作用,1.放大电路的组成,2.放大电路中各元件的作用,三极管VT 电源,偏置电阻和,集电极电阻 耦合电容C1和C2,2.2.2 放大电路中电流、电压的符号及波形,1.电路中电流、电压的符号规定,名 称,总电流,或总电压,直 流 量,（静态值）,交 流 量,基 本,关 系 式,瞬时值,有效值,基极电流,集电极电流,基射电压,集射电压,I,B,大写字母、大写下标，表示直流量。,i,B,小写字母、大写下标，表示总量。,i,b,小写字母、小写下标，表示交流量。,交直流量,i,B,交流分量,i,b,t,I,B,直流分量,举例:,放大电路中既含有直流又含有交流，是交直流共存的电路,。,2放大电路中电流、电压的波形,U,BE,I,B,无输入信号,(,u,i,=0),时:,u,o,=0,u,BE,=,U,BE,u,CE,=,U,CE,？,有输入信号,(,u,i,0),时,u,CE,=U,CC,i,C,R,c,u,o,0,u,BE,=,U,BE,+,u,i,u,CE,=,U,CE,+,u,o,I,C,+,U,CC,R,b,R,c,C,1,C,2,T,+,+,u,i,+,u,o,+,+,+,u,BE,u,CE,i,C,i,B,i,E,u,BE,t,O,i,B,t,O,i,C,t,O,u,CE,t,O,u,i,t,O,U,CE,u,o,t,O,例：,对直流信号（只有+U,CC,）,开路,开路,R,b,+U,CC,R,c,C,1,C,2,VT,直流通路,+U,CC,R,b,R,c,VT,由直流通路可知:,（1）直流通路 指放大电路中直流电流通过的路径。计算放大电路的静态工作点时用直流通路。,2.2.3 放大电路分析,1.放大电路中的直流通路与交流通路,（2）交流通路 交流通路是指放大电路中交流电流通过的路径。,计算放大倍数、输入电阻、输出电阻等时用交流通路。,例:对交流信号(输入信号,u,i,),短路,短路,置零,R,b,+U,CC,R,c,C,1,C,2,VT,R,b,R,c,R,L,u,i,u,o,交 流 通 路,VT,2.图解分析法,1.,三极管的输出特性。,2.,U,CE,=U,CC,I,C,R,C,。,I,C,U,CE,直 流 通 道 路,R,b,+U,CC,R,c,I,C,U,CE,U,CC,Q,直流,负载线,与输出特性的交点就是,Q,点,I,B,（1）静态分析,先估算,I,B,，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与,I,B,对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是,Q,点。,I,C,U,CE,Q,U,CC,I,CQ,U,CEQ,I,BQ,在左图中,通过Q点分别作横轴与纵轴的平行线,可求得I,CQ,与U,CEQ,.,例：用估算法计算静态工作点。,已知：U,CC,=20V，,R,C,=6.8,，,R,B,=500k，,=45。,解：,请注意电路中,I,BQ,和,I,CQ,的数量级。,(2)动态工作情况分析,动态分析的目的:,了解放大电路各极电流、电压的波形，并求出输出电压的幅值，从而确定放大电路的电压放大倍数。,等效负载电阻为:，故,交流负载线的斜率为 。,因为，,所以交流负载线比,直流负载线要陡一些。,交流负载线是一条经过Q点，斜率为 的直线。,动态图解分析的过程是：,首先在输入特性曲线上，根据输入信号画出基极电,流的波形，然后在输出特性曲线上，由画出和的波形。,动态工作情况如下图所示:,动态分析图解法,Q,u,CE,/V,t,t,i,B,/,A,I,B,t,i,C,/mA,I,C,i,B,/,A,u,BE,/V,t,u,BE,/V,U,BE,U,CE,i,C,/mA,u,CE,/V,O,O,O,O,O,O,Q,i,c,Q,1,Q,2,i,b,u,i,u,o,由,u,o,和,u,i,的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,（3）静态工作点与波形失真的关系,当Q点位置选得太高，容易出现饱和失真,。,当Q点位置选得太低，容易出现截止失真,。,演示数据比较,R,b,适当,R,b,增大,R,b,减小,项目,输入,输出,波形,0V,0V,0V,E,3.48V,4.99V,0.3V(小),C,0.76V,0.63V,0.8V,B,三极管各极电压,3.微变等效电路分析法,从输入回路看当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,对输入的小交流信号而言，三极管的发射极可以等效为一个电阻,r,be,。,对于小功率三极管：,(1)三极管的微变等效电路,i,B,u,BE,u,BE,i,B,0,从上式可见,r,be,与静态工作点有关。一般的值在几百欧到几千欧之间，对,于常用高频小功率管，当12mA时，,r,be,为左右。,从输出回路看,所以：,由于三极管的电流放大作用，在输出回路将有，即集电极电流只受基极电流控制。因此，从输出端C、E间看三极管是一个受控电流源。,考虑,u,CE,对,i,C,的影响，输出端还要并联一个大电阻,r,ce,。,r,ce,的含义,i,C,u,CE,i,C,u,CE,i,b,i,c,i,c,B,C,E,i,b,i,b,晶体三极管,微变等效电路,u,be,+,-,u,ce,+,-,u,be,+,-,u,ce,+,-,r,be,B,E,C,晶体管的B、E之间可用,r,be,等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源,i,c,=,i,b,等效代替。,(2),共射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。,i,b,i,c,e,S,r,be,i,b,R,b,R,c,R,L,E,B,C,u,i,+,-,u,o,+,-,+,-,R,S,i,i,交流通路,微变等效电路,R,b,R,c,u,i,u,O,R,L,+,+,-,-,R,S,e,S,+,-,i,b,i,c,B,C,E,i,i,（3）指标计算,a电压放大倍数,设放大电路的输入信号是正弦波信号，所以图中的各电量均用相量表示。,b.放大电路的输入电阻,对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。,输入电阻的定义：,是动态电阻。,r,b,e,R,b,R,c,R,L,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。,c放大电路的输出电阻,先将输入端信号源 短接，并保留信号源内阻RS，再将输出端的负载,拿掉，然后在输出端加入探察电压 ，在 的作用下，输出端将产生一相应的探察电流 ,则输出电阻为:,求输出电阻的方法:,(所有独立电源置零，保留受控源，加压求流法),由图可知，当 0时，0，0（电流源开路），由,得,的大小反映了放大器带负载的能力。越小，带负载的能力就越强。,2.2.4 分压式偏置稳定电路,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,在固定偏置放大电路中，,当温度升高时，,U,BE,、,、,I,CBO,。,上式表明，当,U,CC,和,R,b,一定时，,I,C,与,U,BE,、,以及,I,CEO,有关,，而这三个参数随温度而变化。,温度升高时，,I,C,将增加，使,Q,点沿负载线上移。,i,C,u,CE,Q,温度升高时，输出特性曲线上移,Q,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,I,C,增加时，能够自动减少,I,B,，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，,I,C,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,常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点,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。,U,B,R,b,1,R,c,C,1,C,2,R,b,2,C,e,R,e,R,L,I,1,I,2,I,B,+,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,I,C,R,s,u,S,+,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,R,b,1,R,c,C,1,C,2,R,b,2,C,e,R,e,R,L,I,1,I,2,I,B,+,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,I,C,R,s,u,S,+,Q,点稳定的过程,T,U,BE,I,B,I,C,U,E,I,C,U,B,固定,R,e,：温度补偿电阻,对直流：,R,e,越大,稳定,Q,点效果越好；,对交流：,R,e,越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容,C,e,。,R,b,1,R,c,C,1,C,2,R,b,2,C,e,R,e,R,L,I,1,I,2,I,B,+,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,I,C,R,s,u,S,+,静态工作点的估算,R,b,1,R,c,C,1,C,2,R,b,2,C,e,R,e,R,L,I,1,I,2,I,B,+,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,I,C,R,s,u,S,+,动态分析,对交流：,旁路电容,C,E,将,R,E,短路，,R,E,不起作用，,A,u,，,r,i,，,r,o,与固定偏置电路相同。,如果去掉,Ce,，,A,u,，,r,i,，,r,o,？,旁路电容,R,b1,R,c,C,1,C,2,R,b2,C,e,R,e,R,L,+,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,R,S,u,S,+,去掉,C,e,后的微变等效电路,如果去掉,C,E,，,A,u,，,r,i,，,r,o,?,R,b1,R,c,C,1,C,2,R,b2,C,e,R,e,R,L,+,+,+,+,U,CC,u,i,u,o,+,+,R,S,u,S,+,短路,对地,短路,r,be,R,b,R,c,R,L,E,B,C,+,-,+,-,+,-,R,s,R,e,无旁路电容,C,e,有旁路电容,C,e,A,u,减小,R,i,提高,R,o,不变,2.3 共集放大电路,共集放大电路的组成,1静态工作点比较稳定,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。,u,s,R,b,+,U,CC,C,1,C,2,R,e,R,L,u,i,+,u,o,+,+,+,+,R,S,+,U,CC,R,e,R,e,+,U,CE,+,U,BE,I,E,I,B,I,C,直流通路,微变等效电路,r,be,R,b,R,L,E,B,C,+,-,+,-,+,-,R,s,R,e,2.电压放大倍数小于1（近似为1）,电压放大倍数,A,u,1且输入输出同相,r,be,R,b,R,L,E,B,C,+,-,+,-,+,-,R,s,R,e,3.,输入电阻高,r,be,R,b,R,L,E,B,C,+,-,+,-,+,-,R,S,R,e,4输出电阻低,由输出端看进去，有三条支路并联：即发射极支路、基极支路和受控源支路。,发射极支路电阻为,基极支路电阻为,受控源支路的电流是基极电流的倍，所以此支路的等效电阻应为基极支路电阻的/倍。,若不计信号源内阻（RS0），则有,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,r,i,大、,r,o,小以及,A,u,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。,射极输出器的应用举例,例1:,在图示放大电路中，已知,U,CC,=12V,R,E,=2k,R,b,=200k，,R,L,=2k，晶体管,=60，,U,BE,=0.6V,信号源内阻,R,S,=100，,试求:,(1),静态工作点,I,B,、,I,E,及,U,CE,；,(2),画出微变等效电路；,(3),A,u,、,r,i,和,r,o,。,R,b,+,U,CC,C,1,C,2,R,e,R,L,u,i,+,u,o,+,+,+,u,s,+,R,S,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,+,U,CC,R,e,R,e,+,U,CE,+,U,BE,I,E,I,B,I,C,(2),由微变等效电路求A,u,、,r,i,、,r,o,。,r,be,R,b,R,L,E,B,C,+,-,+,-,+,-,R,S,R,e,微变等效电路,2.4 场效应管基本放大电路,(1),共源放大电路,MOS场效应管构成的放大电路也要建立合适的静态工作点，即,栅偏压,。,产生栅偏压的偏置电路有两种：自偏压电路和分压式偏置电路。,因流过,R,g,的电流为零,所以有:,、是栅极分压电阻，适当选择和的阻值，就可获得正、负及零三种栅偏压。,分压式共源放大电路如右图所示,。,性能指标估算,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,R,g,是为了提,高输入电阻,R,i,而设置的。,从图中不难求出放大电路的,三个动态指标,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,(2)共漏放大电路,+,U,DD,R,S,C,2,C,1,R,g,1,R,g2,R,g,+,R,L,u,i,u,o,+,+,R,g1,R,S,R,g2,R,g,+,R,L,+,S,D,G,T,+,交流通路,电压放大倍数,特点与晶体管的,射极输出器一样,2.5 多级放大电路,耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。,常用的耦合方式,第二级,推动级,输入级,输出级,输入,输出,多级放大电路的框图,2.5.1 级间耦合方式,直接耦合,阻容耦合,变压器耦合,(1)阻容耦合,第一级,第二级,负载,信号源,阻容耦合：,两级之间通过耦合电容,C,2,与,R,C1,电阻连接,R,11,R,C1,C,1,C,2,R,12,C,e1,R,e1,+,+,+,+,+,R,S,+,R,C2,C,3,C,e2,R,e2,R,L,+,+,+,U,CC,+,T,1,T,2,(2)直接耦合,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。,但各级静态工作点相互牵制，,使静态工作点调整困难。,（3）变压器耦合,变压器耦合：,两级之间通过变压器连结起来。变压器可以隔断直流量，又可传递交流信号。,变压器比较笨重，体积大，成本高，无法集成，应用范围较窄。,2.5.2 多级放大电路的分析方法,第一级,第二级,r,be,R,12,R,C1,E,B,C,+,-,+,-,+,-,R,S,r,be,R,C2,R,L,E,B,C,+,-,R,11,推广到,级放大电路，总的电压放大倍数为,通 频 带,f,|A,u,|,0.707,|A,u,o,|,f,L,f,H,|A,u,o,|,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,单级共射放大电路的幅频特性曲线如下图所示。,BW,f,H,f,L,由于一般有,f,L,f,H,故,BW,f,H,（3）多级放大电路的频率响应,多级放大电路的通频带总是比单级的通频带要窄。,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,|,A,u,|,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,（2）单级共射放大电路的频率特性,（1）基本概念,2.6 功率放大电路,2.6.1 概述,(1)功率放大电路的功能和特点,功率放大电路输入的是大信号电压，以获得尽可能大而失真又较小的输出功率为主，讨论的主要指标有,输出信号功率,、功率放大电路的,效率,、三极管的,管耗,等。,(2),对功率放大电路的基本要求,a.在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。,b.由于功率较大，就要求提高效率。,I,C,U,CE,O,Q,i,C,t,O,I,C,U,CE,O,Q,i,C,t,O,I,C,U,CE,O,Q,i,C,t,O,(3)功率放大器的分类,甲类工作状态,晶体管在输入信号的整个周期都导通,静态,I,C,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,I,C,=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,I,C,0，一般功放常采用。,2.6.2 互补对称射极输出功率放大电路,(1)OCL乙类互补对称电路,u,i,u,o,+,U,CC,VT,1,VT,2,+,U,CC,R,L,i,c1,i,c2,静态时：,u,i,=0V,i,C1,0,，,i,C2,0,u,o,=0V。,动态时：,u,i,0V,T,1,导通，,T,2,截止,特点：双电源供电、输出无电容器。,u,o,OCL原理电路,电路组成,分析计算,确输出功率:,最大输出功率：,VT1的管耗P,T1,：,两管的管耗为,：,直流电源供给的功率,电源供给的最大功率为,效率,78.5,当,U,om,U,CC,时，则,这个结论是理想值，实际效率比这个数值要低。,由于该电路工作在乙类状态，所以它不能使输出波形很好地反映输入的变化,产生了失真。,交越失真,当输入信号,u,i,为正弦波时，输出波形在信号过零附近衔接不好出现的失真称为交越失真。,交越失真产生的原因是,由于,晶体管特性存在非线性，,u,i,死区电压晶体管导通不好。,交越失真,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,u,i,t,O,u,o,t,O,动态时，设,u,i,加入正弦信号。正半周,T,2,截止，,T,1,基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。负半周,T,1,截止，,T,2,基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。,静态时,T,1,、T,2,两管发射结电压分别为二极管,D,1,、D,2,的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。,克服交越失真的,电路,R,1,R,L,u,I,VT,1,VT,2,+,U,CC,C,A,u,o,+,+,-,+,-,VR,2,VD,1,VD,2,(2)OTL乙类互补对称电路,1.,OTL,电路,特点,VT,1,、VT,2,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。,静态时(,u,i,=,0,),I,C1,0,，,I,C2,0,OTL原理电路,电容两端的电压,R,L,u,I,VT,1,VT,2,+,U,CC,C,A,u,o,+,+,-,+,-,R,L,u,i,VT,1,VT,2,A,u,o,+,-,+,-,动态时,设输入端在,U,CC,/2,直流基础上加入正弦信号。,T,1,导通,、T,2,截止,；,同时给电容充电,T,2,导通,、T,1,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。,i,c1,i,c2,交流通路,u,o,输入交流信号,u,i,的正半周,输入交流信号,u,i,的负半周,电路的最大输出功率为,忽略,时，则有,对于单电源供电的乙类功放电路,与乙类对称功放分析类似，将乙类功放所有公式中的V,CC,替换成V,CC,/2即可。,OTL甲乙类互补对称,功放如左图所示,2.6.3 集成功率放大电路,集成功率放大电路是在集成运算放大器的基础上发展起来的，是一种单片集成电路，应用十分广泛。其内部结构也由,前置放大级、中间级、输出级和偏置电路,等四大部分组成。,芯片如图所示。,(1)LM386集成功率放大器,LM386是一种小功率通用型集成功率放大器。下图所示是它的引脚排列图，它采用双列直插式塑料封装。其典型参数为：电源电压范围,；额定输出功率660mW；带宽,输入电阻为50,，（管脚和开路）。,LM386引脚排列图,LM386实用电路,用LM386组成的OTL实用电路如上图所示。,是输入耦合电容，,、,为电源去耦电容,，,、,音圈电感在高频下的不良影响，改善功放的高频特性，防止自激。,是频率补偿电路，以抵消扬声器,(2)TDA2040集成功率放大器,TDA2040是一种质量较好的音频集成功率放大器。,主要参数,电源电压:,频率响应：,输入阻抗：,电源电流小于,输入信号为零时：,开环增益80dB,；,。,当电源电压为,，负载,时：,输出功率达22W，失真度小于0.5%,TDA2040引线端子排列及应用电路,TDA2040引线端子排列图,TDA2040构成OCL电路,思考：,该电路的最大输出功率,为多少？,这是理论值，实际值要小些。,该电路的最大输出功率为：,主,要,公,式,缺点,优点,OTL,OCL,结构简单，效率高，,频率响应好，易集成,结构简单，效率高，频率,响应好，易集成，单电源,双电源，,电源利用率不高,输出需大电容，,电源利用率不高,最大输出功率,直流电源消耗功率,效率,最大管耗,比 较,本 章 小 结,交流放大电路是在直流基础上放大交流信号的电路，是交直流共存的电路。放大的实质是能量的控制和转换作用，即用小能量的输入信号控制输出信号，将直流电源提供的能量转换为交流电能输出。,组成放大电路的基本原则是：要有极性连接正确的直流电源和合理的元件参数，确保三极管发射结正偏、集电结反偏和合适的静态工作点，使三极管工作在放大区。,放大电路有三种基本组态：半导体三极管和场效应管分别为共射、共集、共基和共源、共漏、共栅几种形式。,放大电路的基本分析方法有两种：图解分析法和微变等效电路分析法。图解分析可以直观地、全面地了解放大电路的工作状态，适用于信号动态范围较大的场合。微变等效电路法只能用于分析放大电路的动态情况，不能确定静态工作点。主要分析的指标有,、,和,MOS场效应管（又称单极型器件）是电压控制元件，而双极型三极管是电流控制元件。MOS管具有输入电阻高、噪声小、集成度高等优点，但跨导较低。,多级放大电路的级间耦合方式有三种：阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。,功率放大器分为甲类、乙类和甲乙类三种工作状态。由单管组成的功放电路中，甲类失真最小，但静态功耗大，效率最低；乙类、甲乙类电路虽然减小了静态功耗，提高了效率，但又都现了严重失真。采用互补对称电路解决了上述矛盾。乙类互补对称电路存在交越失真。克服交越失真的办法是采用甲乙类电路。,集成功放的主要优点是：体积小、功耗低、工作电压范围宽、外接元件少、调整方便。,休息一会儿!,