电子技术-第15章-基本放大电路.ppt

下一页,返回,上一页,退出,章目录,第,15,章 基本放大电路,15.1,共发射极,放大电路的组成,15.2,放大电路的静态分析,15.4,静态工作点的稳定,15.6,射极输出器,*,15.9,互补对称功率放大电路,*,15.10,场效晶体管及其放大电路,15.3,放大电路的动态分析,*,15.5,放大电路中的频率特性,*,15.8,差分放大电路,*,15.7,多级放大电路及其级间耦合方式,本章要求：,1.,理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、,共集电极放大电路的性能特点；,掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等,效电路分析法；,3.,了解放大电路输入、输出电阻和多级放大的概念，,了解放大电路的频率特性、互补功率放大电路的,工作原理；,4.,了解差分放大电路的工作原理和性能特点；,5.,了解场效晶体管的电流放大作用、主要参数的意义。,第,15,章 基本放大电路,放大的概念,:,放大的目的是将微弱的,变化信号,放大成较大的信号。,放大的实质,:,用小能量的信号通过晶体管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。,对放大电路的基本要求：,1.,要有足够的放大倍数,(,电压、电流、功率,),。,2.,尽可能小的波形失真。,另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路，同时介绍功率放大电路。,15.1,基本放大电路的组成,15,1.1,共发射极基本放大,电路组成,共发射极基本电路,15.1,基本放大电路的组成,15,.,1.2,基本放大电路各元件作用,晶体管,T,放大元件,i,C,=,i,B,。,要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。,基极电源,E,B,与基极电阻,R,B,使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,15.1,基本放大电路的组成,15,.,1.2,基本放大,电路各元件作用,集电极电源,E,C,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,C,1,、,C,2,隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入输出。,共发射极基本电路,负载,信号源,15.1,基本放大电路的组成,单电源供电时常用的画法,共发射极基本电路,补充：放大电路的性能指标,一、电压放大倍数,A,u,U,i,和,U,o,分别是输入和输出电压的有效值。,u,i,u,o,A,u,A,u,是复数，反映了输出和输入的幅值比与相位差。,二、输入电阻,r,i,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。,输入电阻,是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,A,u,U,S,定义：,即：,r,i,越大，,I,i,就越小，,u,i,就越接近,u,S,三、输出电阻,ro,A,u,U,S,放大电路对其,负载,而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,r,o,U,S,四、通频带,f,A,u,A,um,0.7,A,um,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,符号规定,U,A,大写字母、大写下标，表示直流量。,u,A,小写字母、大写下标，表示全量。,u,a,小写字母、小写下标，表示交流分量。,u,A,u,a,全量,交流分量,t,U,A,直流分量,15,.,1,.,3,共发射极放大电路的电压放大作用,U,BE,I,B,I,C,U,CE,无输入信号,(,u,i,=0),时,u,o,=,0,u,BE,=,U,BE,u,CE,=,U,CE,u,BE,t,O,i,B,t,O,i,C,t,O,u,CE,t,O,I,C,U,CE,O,I,B,U,BE,O,结论：,(1),无输入信号电压时，晶体管各电极都是恒定的,电压和电流,:,I,B,、,U,BE,和,I,C,、,U,CE,。,(,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，称为,静态工作点,。,Q,I,B,U,BE,Q,U,CE,I,C,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,15,.,1,.,3,共发射极放大电路的电压放大作用,u,i,+,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,结论：,(2),加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大,小均发生了变化，都在直流量的基础上叠加了,一个交流量，但方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,i,C,t,O,i,C,t,I,C,O,i,Ct,i,c,O,静态分析,结论：,(3),若参数选取得当,输出电压可比输入电压大,即电路具有电压放大作用。,(4),输出电压与输入电压在相位上相差,180,即共发射极电路具有反相作用。,u,i,t,O,u,o,t,O,1.,实现放大的条件,(1),晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电,结反偏。,(2),正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。,(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，经电容耦合只输出交流信号。,2.,直流通路和交流通路,因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交、直流所走的通路是不同的。,直流通路：,无信号时电流（直流电流）的通路，用来,计算静态工作点。,交流通路：,有信号时交流分量（变化量）的通路，用,来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电,阻等动态参数。,例：,画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点,Q,(,I,B,、,I,C,、,U,CE,),对直流信号电容,C,可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,对交流信号,(,有输入信号,u,i,时的交流分量,),X,C,0,C,可看作短路。忽略电源的内阻,电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路。,交流通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。,短路,短路,对地短路,15.2,放大电路的静态分析,静态：,放大电路无信号输入（,u,i,=,0,）,时的工作状态。,分析方法：,估算法、图解法。,分析对象：,各极电压电流的直流分量。,所用电路：,放大电路的直流通路。,设置,Q,点的目的：,(1),使放大电路的放大信号不失真；,(,2),使放大电路工作在较佳的工作状态,静态是动态的基础。,静态工作点,Q,：,I,B,、,I,C,、,U,CE,静态分析：,确定放大电路的静态值。,15.2.1,用估算法确定静态值,1.,直流通路估算,I,B,根据电流放大作用,2.,由直流通路估算,U,CE,、,I,C,当U,BE,U,CC,时，,U,CC,=,I,B,R,B,+,U,BE,由KVL:,U,CC,=,I,C,R,C,+,U,CE,所以,U,CE,=,U,CC,I,C,R,C,例,1,：,用估算法计算静态工作点。,已知：,U,CC,=12V,，,R,C,=4k,，,R,B,=300k,，,=37.5,。,解：,注意：,电路中,I,B,和,I,C,的数量级不同,例,2,：,用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例,1,、例,2,可知，当电路不同时，计算,静态值的公式也不同。,由,KVL,可得出,由,KVL,可得：,R,B,:,偏置电阻；,I,B,:,偏置电流（给三极管正常工作提供所需要的基级电压、电流）,以后在很多地方，都会提到的,2,个术语。,15.2.2,用,图解法确定静态值,用作图的方法确定静态值,步骤：,1.,用估算法确定,I,B,优点：,能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。,2.,由输出特性确定,I,C,和,U,CC,U,CE,=U,CC,I,C,R,C,直流负载线方程,15.2.2,用图解法确定静态值,直流负载线斜率,I,C,Q,U,CE,Q,U,CC,U,CE,=U,CC,I,C,R,C,直流负载线,由,I,B,确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是,Q,点,Q,15.3,放大电路的动态分析,动态：,放大电路有信号输入,(,u,i,0),时的工作状态。,分析方法：,微变等效电路法，图解法。,所用电路：,放大电路的交流通路。,动态分析,:,计算电压放大倍数,A,u,、,输入电阻,r,i,、,输出电阻,r,o,等。,分析对象：,各极电压和电流的交流分量。,目的：,找出,A,u,、,r,i,、,r,o,与电路参数的关系，为设计打,基础。,15.3.1,微变等效电路法,微变等效电路：,把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。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：,晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法：,利用放大电路的微变等效电路分析,计算,放大电路,电压放大倍数,A,u,、,输入电阻,r,i,、,输出电阻,r,o,等。,晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。,1.,晶体管的微变等效电路,U,BE,I,B,对于小功率晶体管：,r,be,一般为几百欧到几千欧。,15.3.1,微变等效电路法,(1),输入回路,Q,输入特性,晶体管的,输入电阻,晶体管的输入回路,(B,、,E,之间,),可用,r,be,等效代替,即由,r,be,来,确定,u,be,和,i,b,之间的关系。,(2),输出回路,r,ce,愈大，恒流特性愈好,因,r,ce,阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的输出电阻,输出特性,输出特性在线性工作区是,一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路,(C,、,E,之,间,),可用一受控电流源,i,c,=,i,b,等效代替，即由,来确定,i,c,和,i,b,之间的关系。,一般在,20,200,之间，在手册中常用,h,fe,表示。,i,b,i,c,i,c,B,C,E,i,b,i,b,晶体晶体管,微变等效电路,u,be,+,-,u,ce,+,-,u,be,+,-,u,ce,+,-,1.,晶体管的微变等效电路,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.,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。,交流通路,微变等效电路,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,微变等效电路,2.,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。,3.,电压放大倍数的计算,输出端开路时,因,r,be,与,I,E,有关,故放大倍数与静态,I,E,有关。,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。,例,1,：,3.,电压放大倍数的计算,例,2,：,由例,1,、例,2,可知，当电路不同时，计算,电压放大倍数,A,u,的公式也不同。,要根据微变等效电路找出,u,i,与,i,b,的关系、,u,o,与,i,c,的,关系。,4,.,放大电路输入电阻的计算,放大电路对信号源,(,或对前级放大电路,),来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。,定义：,输入电阻是对交流信号而言的,是动态电阻。,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。,电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。,例,1,：,r,i,r,i,5.,放大电路输出电阻的计算,放大电路,对负载,(,或对后级放大电路,),来说,是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,+,_,R,L,r,o,+,_,定义：,输出电阻是动态电阻，与负载无关。,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。,电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,R,S,R,L,+,_,A,u,放大,电路,+,_,共发射极极放大电路特点：,1.,放大倍数高；,2.,输入电阻低；,3.,输出电阻高。,例,3,：,求,r,o,的步骤：,(1),断开负载,R,L,(3),外加电压,(4),求,外加,(2),令 或,例,4,：,求,r,o,的步骤：,(1),断开负载,R,L,(3),外加电压,(4),求,(2),令 或,外加,15.3.2,图解法,1.,交流负载线,交流负载线反映动态时电流,i,C,和,电压,u,CE,的变化关系。,交流负载线斜率,D,交流负载线,直流负载线,C,2.,图解分析,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.,非线性失真,如果,Q,设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成,非线性失真,。,若,Q,设置过高,晶体管进入饱和区工作,造成饱和失真。,解决办法：适当减小基极电流可消除失真。,3.,非线性失真,若,Q,设置过低,晶体管进入截止区工作,造成截止失真。,解决办法：适当增加基极电流可消除失真。,使放大电路的工作范围超出晶体管特性曲线上的线性范围所引起的失真，称为非线性失真。,如果,Q,设置合适，,信号幅值过大,也可产生失真,减小信号幅值,可消除失真。,15.4,静态工作点的稳定,合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动。,前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、晶体管老化、电源电压波动等外部因素的影响下，将引起静态工作点的变动，严重时将使放大电路不能正常工作，其中影响最大的是温度的变化。,15.4.1,温度变化对静态工作点的影响,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。,温度升高时，输出特性曲线上移,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，甚至引起过热烧坏晶体管。,15.4.2,分压式偏置电路,1.,稳定,Q,点的原理,基极电位,V,B,与晶体管的参数无关，不受温度的影响。,15.4.2,分压式偏置电路,1.,稳定,Q,点的原理,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,从,Q,点,稳定的角度来看似乎,I,2,、,V,B,越大越好。,但,I,2,越大，,R,B1,、,R,B2,必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。,而,V,B,过高必使,V,E,也增高，在,U,CC,一定时，势必使,U,CE,减小，从而减小放大电路输出电压的动态范围。,在估算时一般选取：,I,2,=(5 10),I,B,，,V,B,=(5 10),U,BE,R,B1,、,R,B2,的阻值一般为几十千欧,参数的选择,Q,点稳定的过程,V,E,V,B,T,U,BE,I,B,I,C,V,E,I,C,V,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,。,2.,静态工作点的计算,估算法,:,V,B,3.,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,。,旁路电容,如果去掉,C,E,，,A,u,，,r,i,，,r,o,?,去掉,C,E,后的微变等效电路,短路,对地,短路,如果去掉,C,E,，,A,u,，,r,i,，,r,o,?,无旁路电容,C,E,有旁路电容,C,E,A,u,减小,分压式偏置电路,r,i,提高,r,o,不变,例,1,：,在分压式偏置电路中,已知：,V,CC,=,2V,，,R,B1,=30 k,R,B2,=10 k,R,C,=4k,R,E,=2.2k,R,L,=4 k,C,E,=100,F,C,1,=,C,2,=20 F,晶体管,的,=,50,。,试,求：,(1),计算静态值,I,B,、,I,C,和,U,CE,;,(2),计算,A,u,、,r,i,和,r,o,。,解：,(1),可用估算法求静态值,V,B,=,V,CC,R,B1,R,B2,R,B2,+,=12,10,30+10,=3V,=,V,B,U,BE,R,E,=,3 0.6,2.2,=1.09,mA,I,B,=,=,I,C,1.09,50,=,21.8 A,U,CE,=,V,CC,I,C,(,R,C,+,R,E,),=121.09(4+2.2),=5.24V,I,C,I,E,(2),由微变等效电路求,A,u,、,r,i,、,r,o,。,A,u,=,R,C,/,R,L,r,be,=,50,4/4,1.52k,=,65.8,r,i,=,R,B1,/,R,B2,/,r,be,=,30/10/1.42=1.12,k,r,o,=,R,C,=,4,k,r,be,=,300,+,(1,+,),26,I,E,=300+51,26,1.09,=1.52k,_,r,be,R,B,R,C,R,L,E,B,C,+,-R,S,例,2:,在图示放大电路中，已知,U,CC,=12V,R,C,=6k,R,E1,=300,R,E2,=2.7k,R,B1,=60k,R,B2,=20k,R,L,=6k,，,晶体管,=50,，,U,BE,=0.6V,试求,:,(1),静态工作点,I,B,、,I,C,及,U,CE,；,(2),画出微变等效电路；,(3),输入电阻,r,i,、,r,o,及,A,u,。,解,:,(1),由直流通路求静态工作点,。,直流通路,(2),由微变等效电路求,A,u,、,r,i,、,r,o,。,微变等效电路,*,15.5,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、发射极旁路电容及晶体管的结电容等，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,通频带,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。,晶体管结电容、,造成,f,270,180,90,相频特性,f,|A,u,|,O,在中频段,所以,，,在中频段可认为电容不影响交流信号的传送,放大电路的放大倍数与信号频率无关。,(,前面所讨论的放大倍数及输出电压相对于输入电压的相位移均是指中频段的,),晶体管的极间电容和导线的分布电容很小，可认为它们的等效电容,C,O,与负载并联。由于,C,O,的电容量很小,它对中频段信号的容抗很大，可视作开路。,由于耦合电容和发射极旁路电容的容量较大,故对,中频段信号的容抗很小，可视作短路,。,在低频段：,所以，在低频段放大倍数降低和相位移越前的主要原因是耦合电容和发射极旁路电容的影响。,C,O,的容抗比中频段还大，仍可视作开路。,由于信号的频率较低，耦合电容和发射极旁路电容的容抗较大，其分压作用不能忽略。以至实际送到晶体管输入端的电压,比输入信号,要小，故放大倍数降低，并使 产生越前的相位移,(,相对于中频段,),。,由于信号的频率较高，耦合电容和发射极旁路电容的容抗比中频段还小，仍可视作短路。,在高频段：,高频段放大倍数降低和相位移滞后的主要原因是晶,体管电流放大系数,、,极间电容和导线分布电容的影响。,C,O,的容抗将减小，它与负载并联，使总负载阻抗减小，在高频时晶体管的电流放大系数,也,下降，因而使输出电压减小，电压放大倍数降低，并使 产生滞后的相位移（相对于中频段）。,15.6,射极输出器,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,。,交流通路,因从发射极输出，所以称射极输出器。,求,Q,点：,15.6.1,静态分析,直流通路,15.6.2,动态分析,微变等效电路,交流通路,(1),电压放大倍数,电压放大倍数,A,u,1,且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，,故称电压跟随器。,2.,输入电阻,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。,r,i,与负载有关,3.,输出电阻,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,共集电极放大电路,(,射极输出器,),的特点：,1.,电压放大倍数小于,1,，约等于,1;,2.,输入电阻高；,3.,输出电阻低；,4.,输出与输入同相。,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。,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,。,解,:,(1),由直流通路求静态工作点,。,直流通路,(2),由微变等效电路求,A,u,、,r,i,、,r,o,。,微变等效电路,*,15.7,多级放大电路及其级间耦合方式,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。,常用耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,动态,:,传送信号,减少压降损失,静态：保证各级有合适的,Q,点,波形不失真,多级放大电路的框图,对耦合电路的要求,第二级,推动级,输入级,输出级,输入,输出,1.,耦合方式,(1),阻容耦合,第一级,第二级,负载,信号源,特点：,每级的静态工作点互相独立,互不影响,便于静态值的分析、设计和调试,。,缺点：,不利于传递缓慢变化的信号。在集成电路中由于难以制造大容量的电容器,因而受到很大限制。,第一级,第二级,(2),变压器耦合,特点：,隔离直流,在传递交流信号的同时实现阻抗变换,。,缺点：,变压器比较笨重，无法实现集成，而且也不能传递缓慢变化的信号，目前很少采用。,优点：,既能放大交流信号，也能,放大缓慢变化的信号和直流信号。,(3),直接耦合,存在问题：,前后级静态工作点相互影响,。,零点漂移。,2,.,多级放大电路的分析,第二级,2,.,多级放大电路的分析,+,-,r,be,R,C2,R,L,+,-,第一级,r,be,R,B2,R,C1,+,-,+,-,R,S,R,B1,第二级,(,动态分析,),例1:,如图所示的两级电压放大电路,已知,1,=,2,=50,T,1,和,T,2,均为,3DG8D,。,(1),计算前、后级放大电路的静态值,(,U,BE,=0.6V);,(2),求放大电路的输入电阻和输出电阻；,(3),求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。,解,:,(1),两级放大电路的静态值可分别计算。,第一级是射极输出器,第二级是分压式偏置电路,解,:,第二级是分压式偏置电路,解,:,(2),计算,r,i,和,r,0,(3),求电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,(3),求电压放大倍数,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,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。,*,15.8,差分放大电路,(2),零点漂移,零点漂移：,指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,u,o,t,O,产生的原因：,晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。,直接耦合存在的两个问题：,(1),前后级静态工作点相互影响,零点漂移的危害：,直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。,严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有,效信号电压还是漂移电压。,一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电压作为衡量零点漂移的指标。,输入端等效,漂移电压,输出端,漂移电压,电压,放大倍数,只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放大后的有用信号才能被很好地区分出来。,由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。,通频带,f,|A,u,|,0.707,|,A,u,o,|,O,f,H,|,A,u,o,|,幅频特性,抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。,适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。,差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,差分放大原理电路,两个输入、两个输出；,两管,静态工作点相同。,15.8.1,静态分析,1.,零点漂移的抑制,u,o,=,V,C1,V,C2,=0,u,o,=(,V,C1V,C1,),(,V,C2,+,V,C2,)=0,静态时，,u,i1,=,u,i2,=0,当温度升高时,I,C,V,C,(,两管变化量相等,),对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。若采用单端输出,无法抑制零点漂移。,典型差分放大电路,R,E,的作用：,稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,E,E,：,用于补偿,R,E,上的压降，以获得合适的工作点。,电位器,R,P,:,起调零作用。,2,.,静,态分析,在静态时，设,I,B1,=,I,B2,=,I,B,，,I,C1,=,I,C2,=,I,C,，,忽略阻值很小的,R,P,可列出,上,式中前两项较,第三项小得多略去，,则每管的集电极电流,发射极电位,V,E,0,每管的基极电流,每管的集,射极电压,单管,直流通路,两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即,对共模信号没有放大能力,。,1.,共模信号,u,i1,=,u,i2,大小相等、极性相同,差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,+,+,+,+,+,+,共模信号,需要抑制,15.8.2,动态分析,2.,差模信号,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，,u,i1,=,u,i2,大小相等、极性相反,u,o,=(,V,C1,V,C1,),(,V,C2,+,V,C,)=,2,V,C1,即,对差模信号有放大能力,。,+,+,差模信号,是有用信号,单管,差模信号通路,由于差模信号使两管的集电极电流一增一减，其变化量相等，通过,R,E,的电流近于不变，,R,E,上没有差模信号压降，故,R,E,对差模信号不起作用，可得出下图所示的单管差模信号通路。,单管差模电压放大倍数,同理可得,双端,输入,双端输出差分电路的差模电压放大倍数为,当在,两管的,集电极之间接入负载电阻时,式中,两,输入端之间的差模输入电阻为,两,集电极之间的差模输出电阻为,例,1,:,在,前图所示的差分放大电路,中,已知,U,CC,=12V,，,E,E,=12V,=50,R,C,=10 k,R,E,=10 k,R,B,=20 k,，,R,P,=100,并在输出端接负载电阻,R,L,=20k,试求,电路的静态值和差模电压放大倍数,。,解,:,式中,单端输出时差分电路的差模电压放大倍数为,即：单端输出差分电路的电压放大倍数只有双端输出,差分电路的一半。,双端输入分双端输出和单端输出两种。此外，还,有单端输入的,即将,T,1,输入端或,T,2,输入端接“地”,而另,一端接输入信号,u,i,。,同样单端输入也分为双端输出和,单端输出两种。四种差分放大电路的比较见表,15.7.1,。,3.,比较输入,u,i1,、,u,i2,大小和极性是任意的。,例1,:,u,i1,=10 mV,u,i2,=6 mV,u,i2,=8 mV 2 mV,例2,:,u,i1,=20 mV,ui2,=16 mV,可分解成,:,u,i1,=18 mV +2 mV,u,i2,=18 mV 2 mV,可分解成,:,u,i1,=8 mV +2 mV,共模信号,差模信号,放大器只放,大两个输入,信号的差值,信号,差分,放大电路。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,(Common Mode Rejection Ratio),全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,K,CMR,越大，说明差放分辨,差模信号的能力越强，而抑制,共模信号的能力越强。,15.8.3,共模抑制比,共模抑制比,对于双端输出差分放大电路，,若电路完全对称,理想情况下共模放大倍数,A,c,=0,，,若电路不完全对称，则,A,c,0,，,实际输出电压,u,o,=,A,c,u,ic,+,A,d,u,id,即共模信号对输出有影响。,输出电压,u,o,=,A,d,(,u,i1,u,i2,)=,A,d,u,id,*,15.9,互补对称功率放大电路,15.9.1,对功率放大电路的基本要求,功率放大电路的作用：,是放大电路的,输出级,，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。,(1),在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。,(2),由于功率较大，要求提高效率。,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。,放大电路的工作状态,15.9.2,互补对称放大电路,互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器,(,Output Trans,formerless,),电路，简称,OTL,电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容,(,Output,Capacitorless,),电路，简称,OCL电路。,OTL,电路采用单电源供电，,OCL,电路采用双电源供电。,1.,OTL,电路,(1),特点,T,1,、,T,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。,(2),静态时,(,u,i,=,0,),I,C1,0,，,I,C2,0,OTL,原理电路,B,由于,T,1,、,T,2,对称使,(3),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,；,i,c,1,流过负载，并向电容充电,T,2,导通,、,T,1,截止,；,i,c,2,流过负载，,同时电容放电，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,正,半周,输入交流信号,u,i,负,半周,(4),交越失真,当输入信号,u,i,为正弦波时，,输出信号在过零前后出现的,失真称为交越失真。,交越失真产生的原因,由于晶体管特性存在非线性，,u,i,0,时，,P,型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；,当,U,GS,U,GS,（,th,）,时，还在表面形成一个,N,型层，称反型层，即勾通源区和漏区的,N,型导电沟道，将,D-S,连接起来。,U,GS,愈高，,导电沟道,愈宽。,(2)N,沟道增强型管的,工作原理,I,D,当,U,GS,U,GS,(th,）,后，场效晶体管才形成导电沟道,开始导通，,若漏,源之间加上一定的电压,U,DS,则有漏极电流,I,D,产生。,在一定的漏,源电压,U,DS,下,使管子由不导通变为,导通的临界栅源电压称为开启电压,U,GS(,th,）,。,在一定的,U,DS,下,漏极电,流,I,D,的大小与栅源电压,U,GS,有关。所以，,场效,应管是一种电压控制电,流的器件。,I,D,/,mA,U,DS,/V,1V,2V,3V,4V,o,无沟道,有沟道,U,GS,/V,U,GS,(th,),U,DS,=,常数,I,D,/,mA,O,(3),特性曲线,转移特性曲线,漏极特性曲线,恒流区,可变电阻区,截止区,开启电压,U,GS,(th,）,N,型衬底,P,+,P,+,符号：,结构,(4),P,沟道增强型,S,i,O,2,绝缘层,加电压才形成,P,型导电沟道,增强型场效晶体管只有当,U,GS,U,GS,(th,）,时才形成导电沟道。,2.,耗尽型绝缘栅场效晶体管,符号：,如果,MOS,管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效晶体管。,(1)N,沟道耗尽型管,S,i,O,2,绝缘层中,掺有正离子,予埋了,N,型,导电沟道,2.,耗尽型绝缘栅场效晶体管,由于耗尽型场效晶体管预埋了导电沟道，所以在,U,GS,=0,时，,若漏,源之间加上一定的电压,U,DS,，,也会有漏极电流,I,D,产生。,当,U,GS,0,时，使导电沟道变宽，,I,D,增大；,当,U,GS,0,时，使导电沟道变窄，,I,D,减小；,U,GS,负值愈高，沟道愈窄，,I,D,就愈小。,当,U,GS,达到一定负值时，,N,型导电沟道消失，,I,D,=0,，,称为场效晶体管处于夹断状态（即截止）。这时的,U,GS,称为夹断电压，用,U,GS(off,）,表示。,这,时的,漏极电流,用,I,DSS,表示，称为,饱和漏极电流,。,转移特性曲线,O,I,D,/,mA,U,GS,/V,-1,-2,-3,4,8,12,16,1,2,U,DS,=,常数,(2),耗尽型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,夹断电压,耗尽型的,MOS,管,U,GS,=0,时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。,U,GS(off),漏极特性曲线,I,DSS,U,GS,=0,1V,U,DS,O,I,D,/,mA,16,20,12,4,8,12,16,4,8,1V,2V,2.,耗尽型绝缘栅场效晶体管,(3)P,沟道耗尽型管,符号：,予埋了,P,型,导电沟道,S,i,O,2,绝缘层中,掺有负离子,耗尽型,增强型,G,、,S,之间加一定电压才形成导电沟道,在制造时就具有原始,导电沟道,3.,场效晶体管的主要参数,(1),开启电压,U,GS(th,),：,是增强型,MOS,管的参数,(2),夹断电压,U,GS(off),：,(3),饱和漏电流,I,DSS,：,是结型和耗尽型,MOS,管的参数,(4),低频跨导,g,m,：,表示栅源电压对漏极电流,的控制能力,极限参数：,最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。,场效晶体管与晶体管的比较,电流控制 电压控制,控制方式,电子和空穴两种载,流子同时参与导电,载流子,电子或空穴中一种,载流子参与导电,类 型,NPN,和,PNP N,沟道和,P,沟道,放大参数,双极型晶体管 单极型场效晶体管,r,ce,很高,r,ds,很高,输出电阻,输入电阻,较低,较高,热稳定性,差,好,制造工艺,较复杂,简单，成本低,对应电极,B,E,C,G,S,D,15.10.3,场效晶体管放大电路