放大电路分析基础.ppt

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1、第6章 放大电路分析基础,6.1 共发射极基本放大电路 6.2 共发射极放大电路的分析 6.3 工作点稳定放大电路 6.4 其他类型放大电路 6.5 场效应管放大电路 6.6 多级放大电路 6.7 放大电路的频率特性 6.8 功率放大电路 6.9 集成运算放大器简介,6.1 共发射极基本放大电路,6.1.1 放大电路的组成原理 (1）必须保证BJT工作在放大区 （2）必须保证信号的放大,T：放大元件,T,UBB：保证发射结正偏,Rb：使输入信号能加到三极 管输入端,UCC：保证集电结反偏,Rc：使电流变化转换为电压 变化,C1、C2：通交隔直，一般选大 容量电解电容，对交 流可视为短路,T,6

2、.1.2 放大电路的工作原理,大,直流电流通过的电路直流通路,直流通路,对于直流通路来说，电容可视为开路，电感可视为短路；,6.1.3 直流通路和交流通路,1.直流通路,交流电流通过的电路交流通路。,交流通路,对于交流通路来说，电容可视为短路；电源对地的交流电压为0，可视为对地短路。,2.交流通路,动态分析：确定电压放大倍数Au、输 入电阻Ri、输出电阻R0,6.2 共发射极放大电路的分析,放大电路分析,静态分析：确定电路的静态工作点 Q (IBQ、ICQ、UCEQ),方法：图解法和解析法,方法：图解法和微变等效电路法,6.2.1静态分析,1.解析法,硅管 UBEQ = (0.6 0.7) V

3、 锗管 UBEQ = (0.2 0.3) V,ICQ = IBQ,UCEQ = UCC ICQ RC,静态分析依据：直流通路。,2.图解法,在三极管的输入、输出特性曲线上直接用作图的方法确定放大电路的静态工作点。,a. 先由输入回路计算IBQ；,b. 由IBQ确定出一条输出特性曲线；,uCE = UCC -iCRc,c. 用图解法确定输出回路静态值ICQ、 UCEQ。,Q,直流负载线,斜率,UCC,M,N,【例】图示单管共射放大电路及特性曲线中，已知 Rb = 280 k，Rc = 3 k ，集电极直流电源 UCC = 12 V，试用图解法确定静态工作点。,解：首先估算 IBQ,做直流负载线，

4、确定 Q 点,根据 uCE = UCC iC Rc,iC = 0，uCE = 12 V ；,uCE = 0，iC = 4 mA .,+UCC,0,iB = 0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.,uCE /V,由 Q 点确定静态值为：,iC /mA,3.图解法分析电路参数对静态工作点的影响,(1) Rb对Q点的影响,Rb 增大，,Rb 减小，,Q 点下移；,Q 点上移；,（2）Rc对Q点的影响,增大 Rc ，直流负载线斜率改变，则 Q 点向饱和区移近。,（3）UCC对Q

5、点的影响,升高 UCC，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。,Q2,（4） 对Q点的影响,Q2,增大 ，ICQ 增大，UCEQ 减小，则 Q 点移近饱和区。,6.2.2 动态分析,动态分析：确定电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,分析方法：图解法和微变等效电路法。,1.图解法动态分析,动态分析依据：交流通路,动态工作情况图解分析,电压放大倍数,2.图解法分析放大电路的非线性失真,非线性失真：由于三极管进入非线性区造成的输出波形的失真，称之为非线性失真。 产生的原因：静态工作点设置得不合适。 静态工作点设置过低产生的失真截止失真 静态工作点设置过高产生的失真饱和失真,a

6、. 静态工作点Q设置过低,ib,ui,结论：iB 波形失真,uo = uce,Q 点过低，引起的波形失真截止失真,uo 顶部失真,消除方法：减小Rb，提高Q点,截止失真,O,IB = 0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC / mA,uo = uce,ib(不失真),ICQ,UCEQ,b. 静态工作点Q设置过高,Q 点过高，引起 的波形失真饱和失真,uo波形底部失真,饱和失真,消除方法：增大Rb，降低Q点,用示波器观察NPN管共射单极放大器输出电压，得到下图所示三种削波失真的波形，试分别写出失真的类型。,截止失真,饱和失真,输入信号过大引起的削波失真,思考题,动态分析：确定

7、电压放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro 根据微变等效电路确定。,3.微变等效电路法分析动态,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,（1）三极管微变等效电路 1）三极管线性化条件 当输入信号变化范围很小（微小）时，三极管的特性曲线可近视看作为直线。因此，在小信号条件下，三极管可用线性电路等效替代，称之为微变等效电路。,晶体管的输入特性曲线 ,rbe ：晶体管的输入电阻。,在小信号的条件下，rbe是一常数。晶体管的输入电路可用 rbe 等效代替。,Q 点附近的工作段,近似地看成直线 ,可认为 uBE 与 iB 成正比,2）输入回路的线性等效电路,ube,+,3）输出回路的

8、线性等效电路,a. 近似水平，即iC 与 uCE无关电流源,由输出特性曲线确定。,输出特性曲线特点：,c. uce变化时会引起ic微小的变化 受控电流源具有一定内阻rce,b. iC = iB 受控电流源,4）三极管的微变等效电路,rce很大， 一般忽略。,（2）放大电路的微变等效电路,将交流通路中的三极管用微变等效电路代替。,（3）利用微变等效电路计算动态参数,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,1）电压放大倍数的计算,1. 当 IEQ 一定时， 愈大则 rbe也愈大，选用 值较大的三极管其 Au 并不能按比例地提高；,因：,2. 当 值一定时，IEQ 愈大则 rbe 愈小，可以得到较大的

9、Au ，这种方法比较有效。,源电压放大倍数,2）输入电阻Ri,一个放大器总是要从输入信号源 处或前一级的放大电路处取得电流的，所以，对于信号源(或前级放大电路)来说，放大器就相当于一个负载电阻，这个负载电阻就是放大器的输入电阻Ri。,Ri从放大器的输入端两端向右边看进去的等效电阻,3）输出电阻Ro,对于负载电阻RL或后一级的放大电路来说，放大器相当于是一个有内阻的信号源，这个内阻就是放大器的输出电阻Ro。,Ro就是从放大器的输出端向左边看进去的戴维南等效电阻。,其定义为,Ro的测量：,测出空载时输出电压 ，再测出有载时输出电压 。,（4） 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

10、，计算电压放大倍数和输入、输出电阻。,1）计算电压放大倍数Au,引入发射极电阻后， 降低了。,2)放大电路的输入电阻,引入 Re 后，输入电阻增大了,3)放大电路的输出电阻,6.3工作点稳定电路,温度对静态工作点的影响,三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：,1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 2 mV/C，即温度每升高 1C，UBE 约下降 2 mV 。,2. 改变。温度每升高 1C， 值约增加 0.5% 1 %， 温度系数分散性较大。,3. ICBO 改变。温度每升高 10C ，ICBO大致将增加一倍，说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。,温度升

11、高将导致 IC 增大，Q 上移。波形容易失真。,T = 20 C,T = 50 C,静态工作点稳定电路,1.电路特点,分压式偏置电路,（1） UB 电位固定,当 I1 IB时,（2）存在直流电流负反馈,电流负反馈式工作点稳定电路,UE = UB UBE,（3）稳定条件,要保证UB基本稳定，I1IB，则需要 Rb1、Rb2 小一些，但这会使电阻消耗功率增大，且电路的输入电阻降低。实际选用 Rb1、Rb2 值。取： I1 = (5 10)IB UB= (5 10)UBE,说明：,1.Re愈大，同样的 IE 产生的UE愈大，则温度稳定性愈好。但 Re 增大，UE增大，要保持输出量不变，必须增大 UC

12、C。,2. 接入Re ，电压放大倍数将大大降低。在Re两端并联大电容 Ce，交流电压降可以忽略，则 Au 基本无影响。 Ce 旁路电容,2.静态分析,3.动态分析,6.4其他类型放大电路,三种基本接法,共射组态,共集组态,共基组态,6.4.1共集电极放大电路,1.电路结构,b输入端 e输出端 c公共端,2.静态分析,3.动态分析,（1）电压放大倍数,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。,（2）输入电阻,输入电阻较大。,（3）输出电阻,输出电阻低，故带载能力比较强。,4.电路特点,（1）输入电阻高； （2）输出电阻低； （3）电压放大倍数1，且输出

13、与输入同相。,6.4.2共基极放大电路,(a)原理电路,UEE:保证发射结正偏 UCC: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UCC，用Rb1、Rb2 分压提供基极正偏电压。,1.静态工作点(IBQ , ICQ , UCEQ),2.动态分析,由微变等效电路可得,共基极放大电路具有电压放大作用。电压放大倍数与共射电路相等，但输出与输入信号同相位。,1）电压放大倍数,2）输入电阻,3）输出电阻,Ro = Rc,6.4.3三种基本组态的比较,三种基本组态的比较,频率响应,中 (几十千欧 几百千欧),小 (几欧 几十欧),中 (几十千欧几百千欧) RC,小 (几欧 几

14、十欧),大 (几十千欧以上),中 (几百欧几千欧) rbe,组态,性能,共 射 组 态,共 集 组 态,共 基 组 态,差,较好,好,6.6.1 概述 在实际应用中，往往需要把微弱的毫伏或微伏级输入信号放大到足够大的输出信号，例如，放大几千倍、甚至几万倍，以推动负载工作。因为单级放大电路的放大倍数只有几十一百多倍，输出的电压和功率不大，所以需要采用多级放大电路。一般多级放大电路的框图如下图所示。,6.6 多级放大电路,三种耦合方式,阻容耦合,直接耦合,变压器耦合,（1）阻容耦合,第 一 级,第 二 级,1.多级放大电路的耦合方式,优点：,前、后级静态工作点相互独立； (2)选择电容足够大，可使

15、前一级输出信号几乎不衰减地加到后一级，使信号得到充分利用。,不足：,(1) 不适合传送缓慢变化的信号； (2) 无法实现线性集成电路。,（2）直接耦合,优点：,(1) 可以放大交流和缓慢变化及直流信号； (2) 便于集成化。,(1)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随着级数增加而上升； (2)零点漂移。,缺点：,（3）变压器耦合,选择恰当的变比，可在负载上得到尽可能大的输出功率。,第二级VT2、VT3组成推挽式放大电路，信号正负半周 VT2、VT3 轮流导电。,优点：,(1) 能实现阻抗变换；,(2) 静态工作点互相独立。,缺点：,(1) 变压器笨重； (2) 无法集成化； (3) 直

16、流和缓慢变化信号不能通过变压器。,三种耦合方式的比较,2. 多级放大电路前后级关系,（1）前级是后级的信号源，后级是前级的负载。,（2）前级输出电阻相当于后级信号源内阻。,（3）后级的输入电阻是前级负载电阻。,3.直接耦合放大电路中的零点漂移现象,直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象零点漂移,原因：放大器件的参数受温度影响而使 Q 点不稳定。所以有时也称为温度漂移,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。放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。,一般用输出漂移

17、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。,衡量零点漂移的指标：,输入端的等效漂移电压,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。 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。,6.6.2多级放大电路分析,1.电压放大倍数,总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即,其中， n 为多级放大电路的级数。,电压放大倍数增益（dB）,多级,注意：计算前级放大电路放大倍数时，要讲后一级作为前一级的负载来考虑！,2. 输入电阻和输出电阻,输入电阻:输入级的输入电阻； 输出电阻:输出级的输出电阻。,具体计算时，有时它们不仅仅决定于本级参数

18、，也与后级或前级的参数有关。,注意： （1）若输入级是共集组态，计算输入电阻时，要将后一级作为前一级的负载来考虑；,（2）若输出级是共集组态，计算输出电阻时，要将前一级作为后一级的信号源来考虑；,放大电路如图所示。 试求,。,已知=50。,解：,例10 两级阻容耦合放大电路，如图所示。求： (1)各级的静态工作点； (2)简化微变等效电路； (3) 输入电阻和输出电阻； (4)各级电压放大倍数和两级总的电压放大倍数(设信号源s的内阻Rs=0)。 (5)如果信号源内阻Rs=100，试问当信号电压 =1mV(有效值)时，放大电路的输出电压 为多大?,例：如图电路，求 （1）静态工作点； （2）rb

19、e （3）电压放大倍数； （4）最大不失真输出电压； （5）若要使UCE=4V，求Rb1,解（1）,（2）,（4）,（5）,6.7 放大电路的频率特性,由于放大电路中存在电抗性元件，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。,6.7.1 频率特性的基本概念,1. 频率特性的概念,频率特性的表示方法：,幅频特性,相频特性,典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性,低频区,中频区,高频区,低频区特点：,（1）fAu；,（2）产生0900附加相移。,原因：耦合电容的存在。,中频区特点：,（1） Au 不随 f 变化；,（2）没有附加相移。,高频区特点：,（1）fAu；,（2）

20、产生0-900附加相移。,原因：级间电容和分布电容的存在。,下限截止频率fL：当电压放大倍数下降到0.707Au时所对应的低频频率。,上限截止频率fH：当电压放大倍数下降到0.707Au时所对应的高频频率。,通频带fBW：上限频率和下限频率之间的频率范围称为通频带。,fBW=fHfL,通频带fBW表征了放大电路能够正常放大信号的频率范围，是放大电路重要性能指标之一。,2.频率失真,由于放大电路对不同频率信号的放大倍数和相移不同产生的失真频率失真。,幅频失真和相频失真是线性失真。,频率失真,幅频失真：放大电路对不同频率信号的放大倍数 不同产生的失真。,相频失真：放大电路对不同频率信号的相移不同

21、产生的失真。,频率失真,(a)幅频失真,(b)相频失真,3.波特图（对数幅频特性）,1.RC低通电路的频率特性,令,则,6.7.2 简单RC电路的频率特性,幅值：,f=fH，,f fH，,f fH，,相角：,低通电路的波特图,上限截止频率,3.1.4 波特图,0.1 fH,fH,10 fH,f/Hz,2.RC高通电路的频率特性,幅值：,f fL ,f=fL ,ffL ,相角：,下限截止频率,高通电路的波特图,误差,低频电压放大倍数,单管共射放大电路频率特性,低频时间常数为：,下限(-3 dB)截止频率为：,则,高频时间常数：,上限(-3 dB)频率截止为：,高频电压放大倍数,：可从器件手册中查

22、到；并且,(估算，fT 要从器件手册中查到),6.7.3 三极管的频率参数,在低频和中频段， ;频率升高时， 值随之下降， 是 f 的函数。,f ：为 值下降至 时的频率。,0 ：低频共射电流放大系数；,1.共射截止频率f 值下降到0.7070时的频率。,2.特征频率fT 值下降为1时的频率。,f=fT 时， 1，20lg =0 f fT 时， 1，三极管失去放大作用。,可求出： fT0 f,3.共基截止频率f,f 值下降为0.7070时的频率。,三个频率的关系：,fT0 f,，共基接法的频率响应比共射接法的频率响应好。,6.7.4 多级放大电路的频率响应,多级放大电路总的电压放大倍数是各级的

23、乘积。,其对数幅频特性为：,多级放大电路总的相移为：,在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据。,功率放大电路的作用,扩音系统,用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。,6.8 功率放大电路,（1）输出功率要足够大,（2）效率要高,放大电路输出功率,直流电源提供的功率,6.8.1 功率放大电路概述 1.功率放大电路的主要特点,效率低，既浪费能源不经济，又会使功放管的结温 明显升高，以至损坏管子。,（3）非线性失真要小,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流

24、。管子工作在接近极限状态。,一般直接驱动负载，带载能力要强。,要解决的问题,提高效率,减小失真,输出大功率,管子的保护,提高效率的途径：,降低静态功耗，即减小静态电流。,2.功率放大电路的分类,1.按功放管工作状态不同分为：甲类、乙类、甲乙类等。 甲类：导通角 ;在正弦交流信号的一个周期内，三极管均导通，效率低，理想情况下。仅为50。 乙类：导通角 ；三极管在半个周期内导通，效率可达78.5%。 甲乙类：导通角 ，既可以减小功耗，又可以提高效率。,6.8.2 双电源互补对称功率放大电路,1. 电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成，采用正、负双电源供电。这种电路也称为OCL互补

25、功率放大电路。,2. 工作原理,静态时，两个管子处于截止状态乙类状态。 ui0时，T1导通，T2截止，io=ic1， uo=RLio=RLic1 ; ui0时，T2导通，T1截止，io=-ic2， uo=RLio=-RLic2 ; 在输入信号的正、负半周，两管轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,3. 分析计算,（1）输出功率Pomax,（2）直流电源供给的功率PV,IV流过直流电源的直流电流,iV的平均值：,当Po=Pom,Ucem=UCC时：,（3）效率,当Uom=UCC时，效率达到最大，其值为：,每个管子在半个周期内的管耗,（4）功放管的选择,管耗PT,当 时，PT达到最大值，此时,功率

26、放大电路中，三极管工作在大信号状态下，要防止三极管的工作点超出其安全工作区的范围。选择时必须使功放管不能超过它们的极限参数ICM、U(BR)CEO、PCM。,选管依据之一,集电极最大允许电流ICM,选择时：,集电极最大允许反向电压U(BR)CEO,选择时：,UCE1 + UEC2 = 2UCC,当T2导通时，T1截止，此时,UEC2 = UCES,UCE1 = 2UCC- UEC2 = 2UCC-UCES2UCC,U(BR)CEO2UCC,实际选择时要留有一定余量。此外，有些大功率三极管还必须根据手册要求安装规定尺寸的散热片。,4. 交越失真,死区电压,解决方法：采用甲乙类互补对称功率放大电路

27、。,产生的原因：静态时，管子工作在乙类，静态偏置电压为0。,甲乙类互补对称功率放大电路,R1、D1、D2为两管提供一小的静态偏置电压，使得在输入信号等于零时，管子微导通，以克服交越失真。,由于D1、D2动态电阻很小，动态电压可忽略不计，因此工作情况与乙类相同。,各项指标计算与乙类相同!,6.8.3 单电源互补对称功率放大电路（OTL）,C的作用：储存电能，代替负电源。,工作原理,静态时，电源通过T1向C充电，调整参数使得三极管发射极电位：,则,D1、D2提供静态偏置电压 工作在甲乙类状态,每个管子工作时的电源电压均为UCC/2，为保证工作时，电容电压始终保持UCC/2，要选择大容量电容。,ui

28、0时，T2导通，T1截止，电容C相当于负电源，提供能量，此时io=-iC2， uo=RLio =-RLiC2；,ui0时，T1导通，T2截止，io=iC1， uo=RLio =RLiC2 。,OTL各项指标计算：将OCL电路计算式中的UCC代之以UCC /2即可。,6.9 集成运算放大器简介,集成运放是一种高放大倍数、 高输入电阻、 低输出电阻的多级直接耦合放大电路。它是把晶体管、元件和导线制作在一块微小的半导体芯片上，能实现一定功能的电路。,集成电路分类,数字集成电路,模拟集成电路,模拟集成电路,集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压

29、器；集成数/模和模/数转换器等。,6.9.1 集成运算放大器框图及符号,1.集成运算放大器原理图,中间级： （主放大器） 要求：有足够的电压放大倍数。 电路：带有有源负载共射放大电路,输出级: 要求：输出电压范围宽，输出电阻小，非线性失真小。 电路：互补对称输出电路,偏置电路： 特点：用来设置集成运放各级放大电路的静态工作点。 电路：电流源电路,输入级： （前置级） 要求：输入电阻高，抑制温漂移能力强， 电路：一个高性能的差动放大器,2.集成运放外形及符号,(a)双列直插式,(b)圆壳式,反相输入端,同相输入端,输出端,6.9.2 集成运放电压传输特性,传输特性：输出与输入的关系特性。,正向最

30、大输出电压,负向最大输出电压,线性区：uo=A（u+- u-）,注意！线性区和非线性区输出与输入关系不同,非线性区：uoA（u+- u-）,6.9.3 集成运放的主要性能指标,1. 开环差模电压放大倍数Aud,Aud是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数, 即,对于集成运放而言, 希望Aud大, 且稳定。目前高增益集成运放的Aud可高达140dB(107倍) 。,通常用分贝表示，称为开环差模增益。,2. 共模抑制比KCMR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力, KCMR愈大愈好。 ,3. 差模输入电阻Rid Rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流

31、的大小。要求Rid愈大愈好, 一般集成运放Rid为几百千欧至几兆欧, 故输入级常采用场效应管来提高输入电阻Rid。 F007C的Rid2 M。,4. 输入失调电压UIO及温漂 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压， 它的大小反映了电路的不对称程度。 对集成运放我们要求输入信号为零时, 输出也为零, 但实际中往往输出不为零, 将此电压折合到集成运放的输入端的电压, 常称为输入失调电压UIO。其值在110mV范围, 要求愈小愈好。 输入失调电压UIO温漂用来衡量集成运放的温漂特性，其值越小，运放温漂越小。,5. 输入失调电流IIO及温漂 UIO是指运放的输出电压为零时，两个输入端静态

32、电流的差值。 输入失调电流IIO温漂也用来用来衡量集成运放的温漂特性，其值越小，运放温漂越小。,6. 输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指输入差动放大管的基极偏置电流的平均值，IIB愈小, 信号源内阻对运放静态工作点影响越小。,7. 最大差模输入电压UIdmax 是指允许加在集成运放两输入端的最大电压，超过此值，会造成一侧发射结击穿。如F007的UIdmax为30V。,8. 最大共模输入电压UIcmax 输入端共模信号超过一定数值后, 集成运放工作不正常, 失去差模放大能力。F007的UIcmax值为13V。,9. -3dB带宽fh 当开环差模增益Aud下降3dB时所对应的频率fH。,10. 单位增益带宽积f BWG 是指开环差模增益下降到0dB时所对应的信号频率。,11. 转换速率SR 集成运放工作输入大信号时，放大电路输出对时间的最大变化速率，表示运放对高速变化输入信号的响应速度，通常要求运放输入信号变化速率不能超过此值，否则会出现失真。,