模拟电子技术基本放大电路.ppt

,Home,内容简介,习题解答,2.基本放大电路,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,2.2 基本放大电路的工作原理,2.3 放大电路的分析方法,2.4 放大电路静态工作点的稳定,2.5 晶体管放大电路的三种组态,2.6 晶体管放大电路的派生电路,2.7 场效应管放大电路,本章是学习电子技术的基础，因此是学习的重点之一。其主要内容有：放大的基本概念、放大电路的组成原则、放大电路的主要性能指标、放大电路的分析方法（静态分析和动态分析）、晶体管放大电路的三种基本组态（共射、共集、共基）、场效应管基本放大电路（共源、共漏、共栅），以及基本放大电路的派生电路。,Home,内容简介,2.基本放大电路,Home,1.放大的概念,Next,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,放大的对象：变化量。,放大的本质：能量的控制和转换。,放大电路的特征：功率放大。,放大电路的必备元件：有源器件（晶体管或场效应管）。,放大的前提：不失真。,放大的原则：能量守恒,2.放大电路的性能指标,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,Back,输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以等效成电压源或电流源,放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。,Home,Next,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,（1）放大倍数及增益,电压放大倍数：（无量纲）,互阻放大倍数：（欧姆）,电流放大倍数：（无量纲）,互导放大倍数：（西门子S),对于小功率放大电路，人们往往只关心上述单一指标的放大倍数，而不研究其功率放大能力。本章着重讨论电压放大倍数。,需要注意的是，在实际应用时，只有在波形不失真的情况下，测试的放大倍数才有意义。,Back,Home,Next,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,（2）输入电阻：,对电压源形式的信号源，放大电路的输入电压：,所以，输入电阻越大，信号电压损失越小。,对电流源形式的信号源，放大电路的输入电流：,所以，输入电阻越小，信号电流损失越小。,Back,Home,Next,（3）输出电阻：,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,输出电阻的大小，影响到输出到负载信号的大小。当放大电路输出端等效为电压源时，输出电阻越小，则负载获得的输出电压越大；当放大电路输出端等效为电流源时，输出电阻越大，则负载获得的输出电流越大。,可以按照 如图 所示方法求解输出电阻。,输入电阻和输出电阻，都描述了电子电路相互连接时对信号所产生的影响。输入电阻描述了放大电路对输入信号源的影响，输出电阻描述了放大电路的带负载能力（当负载变化时，输出信号保持稳定的能力）。它们都是交流电阻，直接或间接地影响到放大电路的放大能力。,Back,Home,Next,（4）通频带：用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。如图 所示。,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,Back,Home,Next,（5）非线性失真：由元器件非线性特性引起的失真。如图 所示。,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,设输出信号中的基波幅值为A1、谐波波幅值为A2、A3，则非线性失真系数：,Back,Home,Next,（6）最大不失真输出电压Vom：,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,（7）最大输出功率Pom与效率：,式中，PV为电源消耗的功率。,Back,Home,Next,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,思考题 某放大电路的输入信号为10pA，输出为500mV，其增益为多少？属于哪一类放大器？,解答,Back,Home,Next,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：放大的基本概念：放大的对象是动态信号（变化量）、放大的本质是能量的控制与转换、其特征是功率放大、放大的前提是不失真、放大的必备元件是有源器件（晶体管、场效应管等）放大电路的组成原则：合适的静态工作点；正常的交流信号的传输途径。放大电路的主要性能指标：放大倍数、输入电阻、输出电阻；最大不失真输出电压；非线性失真系数；上、下限截止频率和通频带；最大输出功率和效率等。,Back,Home,2.1 放大的概念及放大电路的性能指标,1.放大电路的组成及各元件的作用,2.2 基本共射放大电路的工作原理,晶体管：起放大作用的核心元件。,Rc、VCC：集电极电阻和集电极电源，提供输出回路的静态工作点。同时，Rc 还是集电极负载电阻，VCC 还提供输出所需的能量。,Rb、VBB：基极电阻和基极电源，提供输入回路的静态工作点。,Home,Next,2.放大电路的工作原理,2.2 基本共射放大电路的工作原理,ui=0 静态工作情况,Back,Home,Next,2.2 基本共射放大电路的工作原理,(b)ui=sint 动态工作情况,iB=IBQ+ib,iC=ICQ+ic,uCE=UCEQ+uce,uo=uce,Back,Home,Next,3.设置静态工作点的必要性,2.2 基本共射放大电路的工作原理,（1）静态工作点 ui=0时，输入特性曲线上的点（UBEQ,IBQ)和输出特性曲线上的点（UCEQ,ICQ)，称之为静态工作点Q。,（2）设置静态工作点的必要性 放大的对象是动态信号，但前提是不失真。若去掉直流偏置，根据图2.2.2(b)所示动态工作情况，在ui负半周以及ui正半周其幅值小于晶体管发射结的导通电压时，晶体管截止，输出电压不变，即动态电压为0，所以造成了严重的失真，从这个意义上讲，选择合适的静态工作点是十分必要的。此外，静态工作点的选择，还会影响到其它动态参数，这将在以后各节再进行说明。,Back,Home,Next,4.放大电路的组成原则,2.2 基本共射放大电路的工作原理,（1）组成原则,根据所用放大管的类型设置合适的静态工作点Q。晶体管工作于线性放大区；场效应管工作于恒流区。,必须保证从输入到输出信号的正常流通途径。输入信号能有效地作用于放大电路的输入回路。,Back,Home,Next,必须保证输出信号能够有效地作用于负载。使负载获得远大于输入信号的信号电流或信号电压。,2.2 基本共射放大电路的工作原理,（2）常见的两种共射放大电路,(a)直接耦合共射放大电路（如图所示）,直接耦合：电路通过直接连接传递信号的方式。,Back,Home,Next,2.2 基本共射放大电路的工作原理,(b)阻容耦合共射放大电路（如图所示）,阻容耦合：电路通过电容连接传递信号的方式。起连接作用的电容称之为耦合电容。耦合电容的容量一般很大，为电解电容，起隔直通交的作用。,思考题：为什么耦合电容可以起隔直通交的作用？,解答,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：放大电路的基本组成及各元件的作用：晶体管是放大的核心元件；RB，VBB提供输入回路的静态工作点；RC，VCC提供输出回路的静态工作点。放大电路的工作原理：分为静态（ui=0）和动态（ui=sint）两种工作状态。放大电路的组成原则：合适的静态工作点；正常的交流信号的传输途径；输出信号能有效作用于负载。两种常见的共射放大电路：直接耦合和阻容耦合共射放大电路。,2.2 基本共射放大电路的工作原理,Back,Home,1.直流通路与交流通路,2.3 放大电路的分析方法,放大电路的分析：（1）静态分析；（2）动态分析。,（1）直流通路：直流电流流经的通路，用于静态分析。对于直流通路：电容视为开路；电感视为短路；交流信号源视为短路，但保留其内阻。,（2）交流通路：交流电流流经的通路，用于动态分析。对于交流通路：大容量电容（耦合电容、旁路电容等）视为短路；大容量电感视为开路；直流电源视为短路。,思考题：（1）为什么直流通路中“电容视为开路、电感视为短路、信号源视为短路”？（2）为什么交流通路中“大容量电容视为短路、大容量电感视为开路、直流电源视为短路”？,解答,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,Back,Home,Next,思考题：试分析图所示各电路是否可能不失真地放大交流信号，简述理由。设所有电容对交流信号均可视为短路。,2.3 放大电路的分析方法,解答,Back,Home,Next,2.图解分析法,2.3 放大电路的分析方法,（1）直流分析,图解分析法，必须已知三极管的输入、输出特性曲线。,首先，画出直流通路，如图所示。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,在输入特性曲线上，作直线 VBE=VCCIBRb，两线的交点即是Q点，得到VBE，IBQ。如图所示。,列输入回路方程：VBE=VCCIBRb,图2.3.5 输入回路中的Q点,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。如图所示。,图2.3.6 输出回路中的Q点,列输出回路方程：VCE=VCCICRc,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,思考题：用图解分析法在晶体管特性曲线上作出图所示直接耦合放大电路的静态工作点Q。,解答,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,（2）交流分析,首先，画出交流通路，如图所示。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,由交流通路得纯交流负载线：vce=-ic(Rc/RL)=-ic RL,因为交流负载线必过Q点，即 VCEQ=-ICQ RL,则交流负载线为:vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,即 iC-ICQ=(-1/RL)(vCE VCEQ),Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,思考题：图所示直接耦合放大电路的交流负载线是否和图所示的相同？,解答,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,动态工作情况如图所示。,思考题：（1）动态工作时，iB、iC的实际电流方向是否改变？vCE的实际电压极性是否改变？（2）是否可以从图中求出电压放大倍数？,图2.3.9 动态工作情况,解答,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,（3）非线性失真分析和最大不失真输出电压,波形的失真：如图所示,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,放大电路动态范围如图所示,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；要有合适的交流负载线。,Vom=minVom1，Vom2,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,（4）图解法的适用范围,图解法的特点是直观、形象，但要求实测晶体管的输入、输出曲线，而且用图解法进行定量分析的误差较大。图解法适于分析输出幅值较大、频率较低的情况。实际应用中，常用于静态工作点位置、最大不失真输出电压和失真情况分析，另外在大信号工作时，往往也采用图解法。,思考题：在图 2.3.12 所示阻容耦合放大电路中：（1）增大Rc 时，交流负载线将如何变化？Q点怎样变化？（2）增大Rb时，交流负载线将如何变化？Q点怎样变化？（3）减小VCC时，交流负载线将如何变化？Q点怎样变化？（4）减小RL时，交流负载线将如何变化？Q点怎样变化？,解答,Back,Home,Next,3.等效电路分析法,2.3 放大电路的分析方法,（1）直流分析,等效电路分析法，必须已知三极管的 值。,首先，画出直流通路，以直接耦合共射放大电路为例。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,IBQ=IB1-IB2=(VCC-VBEQ)/Rb2-VBEQ/(Rs+Rb2)(2.3.1),ICQ=IBQ(2.3.2),ICQ=IC1-IC2=(VCC-VCE)/Rc-VCE/RL,VCEQ=(VCC/Rc-IC Q)(Rc/RL)(2.3.3),思考题：图2.3.14 所示阻容耦合放大电路的Q点表达式如何？,VBEQ=VBE(on)，硅管：；锗管：,解答,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,（2）交流分析,(a)晶体管的小信号模型,建立小信号模型的意义：由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,建立小信号模型的思路：当放大电路的输入信号电压足够小时，晶体管工作于线性区，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,(b)晶体管共射h参数的引出,对于BJT双口网络，可以根据输入输出特性曲线得到：,在小信号情况下，对上两式取全微分得,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,用小信号交流分量表示：,输出端交流短路时的输入电阻；,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。,输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；,输入端交流开路时的反向电压传输比；,输入端交流开路时的输出电导。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,据此可得小信号模型（如图所示）,h 参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h 参数与工作点有关，在放大区基本不变。h 参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,(c)h 参数简化模型,一般采用习惯符号，即 rbe=hie=hfe；,hre很小，一般为10-310-4；,ib 是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。,于是得到简化电路（如图所示）,rce=1/hoe很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响；,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,(d)rbe的近似计算,rbe 与Q点有关，可用图示仪测出。,其中对于低频小功率管 rbb200,一般也用公式估算:rbe=rbb+(1+)rbe,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,(e)微变等效电路法进行共射放大电路的动态分析,首先，画出交流通路，如图所示。,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,画出放大电路的微变等效电路如图所示。,Back,Home,Next,解：,（1）,（2）,2.3 放大电路的分析方法,Back,Home,Next,2.3 放大电路的分析方法,解答,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了晶体管放大电路的分析方法：放大的分析包括两个方面：静态分析（直流分析）和动态分析（交流分析）。静态分析就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，点（UBEQ,IBQ）和点（UCEQ,ICQ）称之为静态工作点。可以用图解法和估算法求解，是在直流通路上进行的。动态分析就是求解放大电路的动态参数和进行波形分析。通常利用h 参数等效模型计算放大倍数、输入电阻、输出电阻；用图解法求解最大不失真输出电压和进行失真分析。是在交流通路上进行的。,2.3 放大电路的分析方法,Back,Home,作业：P128-131：2.5；2.6；2.7；2.8；2.10；2.11。,1.静态工作点稳定的必要性,2.4 放大电路静态工作点的稳定,（1）必要性静态工作点决定放大电路是否产生失真；静态工作点影响电压放大倍数、输入电阻等动态参数；静态工作点的不稳定，将导致动态参数不稳定，甚至使放大电路无法正常工作。,（2）影响静态工作点稳定的因素 电源电压波动、元件老化、环境温度变化等，都会引起晶体管和电路元件参数的变化，造成静态工作点的不稳定。其中，温度对晶体管参数的影响是最为主要的。,Home,Next,2.4 放大电路静态工作点的稳定,（3）温度对静态工作点的影响（如图所示）,(a)温度变化对ICBO的影响,(b)温度变化对输入特性曲线的影响,温度T 输出特性曲线上移,温度T 输入特性曲线左移,(c)温度变化对 的影响,温度每升高1 C，要增加0.5%1.0%,温度T 输出特性曲线族间距增大,Back,Home,Next,2.4 放大电路静态工作点的稳定,2.典型的静态工作点稳定电路,（1）电路组成,Back,Home,Next,2.4 放大电路静态工作点的稳定,（2）Q点稳定原理,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，b点电位能基本不变，是实现静态工作点稳定的必要条件。其次是必须引入负反馈,IB1 IB，VB VBE，则,（一般取 IB1=(510)IB，VB=3V5V）,Back,Home,Next,2.4 放大电路静态工作点的稳定,（3）Q点的估算,Back,Home,Next,2.4 放大电路静态工作点的稳定,（4）动态参数的估算,图2.4.4 微变等效电路,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了静态工作点的稳定问题：静态工作点不仅决定了波形是否失真，还影响动态参数的稳定性。影响静态工作点最主要的因素是温度。温度变化对静态工作点的影响集中表现在Ic 的变化上，采用射极偏置电路，利用直流负反馈可以稳定静态工作点。射极偏置放大电路的静态分析和动态分析在方法上与固定偏置放大电路没本质的区别，但在计算的具体过程是不同的，不仅如此，当电路的形式稍作变化，各放大电路的计算过程都有区别，所以不能死记公式，生搬硬套。,2.4 放大电路静态工作点的稳定,Back,Home,作业：P131-132：2.13，2.14,1.共集电极放大电路,2.5 晶体管放大电路的三种组态,（1）电路组成,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,（2）静态分析,IBQ=(VBB-VBEQ)/Rb+(1+)Re,ICQ=IBQ,VCEQ=VCC-IE Q Re VCC-IC Q Re,VBEQ=VBE(on)硅管：0.6-0.7V锗管：,Back,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,（3）动态分析,Back,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,Back,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,解答,Back,Home,Next,2.共基极放大电路,2.5 晶体管放大电路的三种组态,（1）电路组成,Back,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,（2）静态分析,IBQ=(VBB-VBEQ)/(1+)Re,ICQ=IBQ,VCEQ=VCC-IC Q Rc-VE=VCC-IC Q Rc+VBEQ,Back,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,（3）动态分析,Back,Home,Next,2.5 晶体管放大电路的三种组态,Back,Home,Next,只能放大电压，不能放大电流，,输入电阻小,频率特性好,2.5 晶体管放大电路的三种组态,解答,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了晶体管放大电路的三种组态：共发射极放大电路既能放大电压，也能放大电流，输入电阻居中，输出电阻较大，频带较窄。常作低频电压放大。共集电极放大电路只能放大电流，不能放大电压。输入电阻最大、输出电阻最小，具有电压跟随的特点常用于多级放大的输入级和输出级，有时还用作中间隔离级（缓冲级），起阻抗变换的作用。共基极放大电路只能放大电压，不能放大电流。输入电阻最小，频率特性最好。,2.5 晶体管放大电路的三种组态,作业：P1322.15，2.17，2.18，2.19,Back,Home,1.复合管放大电路,2.6 晶体管放大电路的派生电路,（1）复合管的组成及其电流放大系数,组成原则：各管工作于放大区，且各极电流有合适的通路；第一只管子的射极（或集电极）接第二只管子的基极。,Home,Next,2.6 晶体管放大电路的派生电路,（2）复合管共射放大电路,Back,Home,Next,2.6 晶体管放大电路的派生电路,复合管共射放大电路特点：电压放大倍数基本不变；电流放大倍数增加，减小了对信号源驱动电流的要求；输入电阻增加。,Back,Home,Next,2.6 晶体管放大电路的派生电路,（3）复合管共集放大电路,Back,Home,Next,2.6 晶体管放大电路的派生电路,复合管共集放大电路特点：电压跟随特点不变；电流放大倍数增加；输入电阻显著增加，输出电阻显著减小。,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了复合管放大电路：复合管的组成原则和电流放大系数。复合管放大电路的分析方法。,2.6 晶体管放大电路的派生电路,2*.共射-共基放大电路,3*.共集-共基放大电路,作业：P132 2.16，P135 2.24(a)、(c)、(d)、（f)、(g),Back,Home,1.场效应管放大电路的三种组态,2.7 场效应管放大电路,uGS控制iD；工作于恒流区；gb、se、dc,Home,Next,2.场效应管放大电路的静态分析,2.7 场效应管放大电路,场效应管具有放大作用的条件是：工作于恒流区。对于N沟道场效应管：（1）JFET，VGS VGS(th)0.对于P沟道场效应管，与上述条件相反。,（1）基本共源放大电路,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,（a）图解法（必须知道场效应管的输出特性曲线）,因为IGQ=0，则VGSQ=VGG。输出回路直流负载线方程：VDS=VDD-ID Rd，作此负载线，交VGS=VGG于Q点，对应的ID、VDS 即为IDQ、VDSQ。,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,（b）解析法（必须知道场效应管的IDO和VGS(th),对于JFET和耗尽型MOSFET,必须知道场效应管的IDSS和VGS(OFF)。其电流方程为：,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,（2）自给偏压电路,联立(1)、(2)可解得VGSQ和IDQ。当然，有两个解，取其中有物理意义的解。,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,（3）分压式偏置电路,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,联立(1)、(2)可解得VGSQ和IDQ。当然，有两个解，取其中有物理意义的解。,Back,Home,Next,3.场效应管放大电路的动态分析,2.7 场效应管放大电路,（1）场效应管的低频小信号模型,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,（2）共源放大电路的动态分析,Back,Home,Next,2.7 场效应管放大电路,（3）共漏放大电路的动态分析,Back,Home,Next,小 结 本讲主要介绍了场效应管放大电路：场效应管放大电路的三种组态；场效应管放大电路静态工作点的设置；共源、共漏场效应管放大电路的分析；场效应管放大电路的特点：输入阻抗高、噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强、易于集成化。但其放大能力比BJT差，易损坏。,作业：P133 2.20，2.21，2.22，2.23，P135 2.24(b)、(e),2.7 场效应管放大电路,Back,Home,