放大器组成与工作原理课件

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1、第二章第二章 放大器基础放大器基础l 什么是放大？什么是放大？l 组成放大电路的原则是什么？组成放大电路的原则是什么？l 晶体管的三种基本放大电路各有何特点？晶体管的三种基本放大电路各有何特点？l 场效应管场效应管放大电路与晶体管放大电路有何放大电路与晶体管放大电路有何 不同之处？不同之处？l 在不同场合下，应如何选用基本放大电路？在不同场合下，应如何选用基本放大电路？21 放大器的组成及工作原理放大器的组成及工作原理1放大器的功能及组成放大器的功能及组成 一、放大的概念：一、放大的概念：话筒话筒扬声器扬声器声音声音声音声音放大电路放大电路图2.1.1 扩音机示意图由分析可知：放大电路的放大本

2、质是能量的控制和转换 放大放大：在输入信号作用下，通过放大电路放大电路将直流电源的能量转换成负载负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。这样在放大电路中必须存在能能够控制能量够控制能量的元件，即有源元件。如晶体管晶体管和场效应管场效应管等。放大器的主要功能功能是放大信号，即将微弱的电信号（电压、电流或功率）通过电子器件的控制作用，将直流电源功率转换成一定幅度的、随输入信号变化的输出信号。二、放大器的功能：二、放大器的功能：RLRSVS图2.1.2 放大器的基本组成直流电源

3、及相应的偏置电路输入信号源半导体器件输出负载+-三、放大器的组成：三、放大器的组成：组成：组成：晶体管、基极直流电源VBB、基极电阻RB、集电极直流电源VCC、集电极电阻RC、耦合电容C。VIIBRBVBEVBBVCC 图图2.1.2 共发射极基本放大器共发射极基本放大器RCTCICV 0V0工作原理：工作原理：输入回路加入信号VI时，VBB变为VBB+VI，IB变为IB+IB；2 共发射极放大器共发射极放大器+IB+IC+V0通过晶体管将基极电流放大hfe倍，IC变为IC+IC，V0变为V0+V0；只要适当的选取RC的大小，就可以使V0比VI大很多倍 电容C是耦合电容并起隔直作用。所以在输出

4、端只存在变化的电压V。结论：结论：在输入回路加入一个能量微小的信号，通过基极电流的改变量去 控制集电极电流，从而将直流电源VCC所提供的能量转化为与输入 信号变化规律相同而能量较大的输出信号传给负载。IB+IBRBVIVBEVBBVCC 图图2.1.2 共发射极基本放大器共发射极基本放大器RCTCIC+ICV 0+V0V03 放大器的性能指标放大器的性能指标 任何一个放大电路均可表示为有源线性四端网络。A 左边为输入端口。右边为输出端口，图2.1.4 放大器的双口网络模型 +Vi -当内阻为RS的正弦波信号源VS作用时，放大电路得到输入电压Vi，同时产生输入电流Ii。+Vo -Ii输出电压Vo

5、，同时产生输 出电流Io，RL为负载电阻。IoRs+Vs -RL一、放大倍数一、放大倍数 电压放大倍数：电流放大倍数：ioVVVA=ioiIIA电流对电压放大倍数：电压对电流放大倍数：ioViIVAioiVVIA二、输入电阻二、输入电阻Ri Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻。iiiIVR Ri不是一个实际电阻，而是一个等效的视在电阻。对信号源而言，Ri可视为它的负载。三、输出电阻三、输出电阻Ro 从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻。A+Vi -+Vo -IiIoRsRoRL+Vs -+Vo -图2.1.5 放大器示意图 输出电阻输出电阻Ro的求法：的求法：在放大器输入端施加一正

6、弦信号电压，在放大不失真的情况下，分别测出负载开路的输出电压和带上负载的输出电压，可求得输出电阻。具体求法如下。+Vo -RL ARo+Vo -Ro未接负载时测得输出电压：ooVV接入负载时测得输出电压：Vo 并有回路电流 LooooRVRVVI=-=Ro越小，负载电阻变化时输出电压的变化越小。称为放大电路的带负载能力越强。LooLooooRVVRVVVR1)(图2.1.6 放大器的输出等效电路 输入电阻输入电阻与输出电阻输出电阻是描述电子电路在相互连接时所产生的影响而引入的参数。如图2.1.7所示。当两个放大电路互相连接时，放大电路的输入电阻Ri2是放大电路的输出电阻，而放大电路可看成放大电

7、路的信号源；内阻就是放大电路输出电阻Ro1。因此，输入电阻和输出电阻均会直接影响或间接地影响放大电路的放大能力。A2+Vo -Ri2Ro2RL +Vo2 -A1+Vi -+Vo1=Vi2 -Ri1Ro1 +Vo1 -图2.1.7 两个放大器相连接的等效电路 0 fBWfL20AVAVMAVMA707.0fH图2.1.8 放大器的幅频特性 四、通频带四、通频带 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。图2.1.8所示为某放大电路放大倍数的数值与信号频率的关系曲线。下限截止频率下限截止频率fL；上限截止频率上限截止频率fH。通频带（中频带通频带（中频带）fBW。通频带越宽，表明放大电路对不

8、同频率的适应能力越强。五、非线性失真系数五、非线性失真系数 非线性失真系数是衡量放大器非线性失真程度的指标。22 放大器的图解分析法放大器的图解分析法用作图的方法定量的分析放大器的基本性能称为放大器的图解分析法。放大器的图解分析法。重要特点：交流和直流共存于电路之中。重要特点：交流和直流共存于电路之中。放大器的图解分析法图解分析法：1、先找出直流分量（确定静态工作点）。2、确定交流分量（给出各电流、电压波形）。在分析放大电路时，应遵循“先静态，后动态先静态，后动态”的原则，求解静态工作点时应利用直流通路直流通路，求解动态参数时应利用交流通路交流通路。两种通路切不可混淆。对放大器进行分析时，可分

9、成直流通路和交流通路。1直流通路和交流通路直流通路和交流通路直流通路直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的路径。交流通路交流通路是在输入信号作用下交流信号流经的路径。直流通路可确定出晶体管的静态工作点。对于直流通路：1、电容视为开路；2、电感线圈视为短路，即忽略线圈电阻；3、信号源视为短路，但应保留其内阻。1、容量大的电容（耦合电容）视为短路；2、无内阻的直流电源（如+VCC)视为短路；交流通路可分析电路中各交流信号的关系，并可以用公式表示出放大器的性能指标。对于交流通路：VIIBRBVBEVBBVCC 图图2.2.1 共发射极基本放大器共发射极基本放大器RCTICVCEV0+IB+IC+V

10、CE由图图2.2.1画出其直流通路和交流通路画出其直流通路和交流通路。IBQRBVBEQVBBVCC 直流通路直流通路RCTICQVCEQIBRB 交流通路交流通路RCTIC V0VI例例1：单管放大电路，绘出其直流通路和交流通路。RB2RB1+VCC （a）直流通路）直流通路RCTVORsRLRB2RB1+VCC 共发射极放大电路共发射极放大电路RCTVOvsRsRLRB2RB1 （b）交流通路）交流通路TVOvsRsRCRL例例2：阻容耦合放大电路，绘出其交直流通路。RB+VCC （a）直流通路）直流通路RCTRBC1+VCC 阻容耦合共发射极放大电路阻容耦合共发射极放大电路RCTVOVI

11、RLC2RB （b）交流通路）交流通路TVORCRLVI静态静态工作状态：没有输入信号时，放大器所处的状态，如图2.2.2所示。在未加VI时，输入回路由于静态工作点对放大器的放大倍数、失真和管耗都有影响，所以，分析静态工作点的目的就在于选择合适的静态工作点，使放大器工作在较佳的状态。放大器工作在较佳的状态。根据基尔霍夫定理基尔霍夫定理可列方程：输入回路：VBE=VBB-IBRB 输出回路：VCE=VCC-ICRC IBRBVBEVBBVCC 图图2.2.2 共发射极基本放大器共发射极基本放大器RCTCICV 0V0VCE2用图解法确定静态工作点用图解法确定静态工作点（直流分析）（直流分析）解决

12、VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ 值的问题。图2.2.3 输入、输出特性曲线已知晶体三极管的输入和输出特性曲线如2.2.3所示。0 IB VBE0 ICVCE通过IB、VBE、IC、VCE来确定静态工作点。输入回路方程输入回路方程：VBE=VBB-IBRB，在输入特性曲线上作直线 VBE=0时，IB=VBB/RB 令：IB=0时，VBE=VBB 图2.2.4 输入回路图解VBEQIBQVBBVBB/RB vBEiB0 QVBBRBVBETVCEVBE RC VCCVCE 负载线与输入特性曲线的交点Q即为输入回路的静态工作点。此式代表一直线负载线负载线，其斜率：-1/RB。Q点坐标VBEQ和I

13、BQ分别为晶体管静态时的发射极电压和基极电流。（负载线）输出回路方程输出回路方程：VCE=VCC-ICRC 在输出特性曲线上作直线 VCE=0时，IC=VCC/RC 令：IC=0时，VCE=VCC RC VCCVCE 负载线与IB一条输出特性曲线的交点Q即为输出回路的静态工作点。此式为输出回路的负载线负载线方程，其斜率：-1/RC。Q点对应的坐标VCEQ和ICQ分别为晶体管静态时的集电极发射极电压和集电极电流。（负载线）IBIB+IBiCVCE(V)图2.2.5 输出回路图解VCCVCC/RC QVCEQICQIB-IB3用图解法分析动态工作情况用图解法分析动态工作情况（交流分析）（交流分析）

14、在图2.2.6电路的输入回路中，接入一个输入信号电压VI，则有：输入回路方程为：BBIBBBERiVVv)()()(BEBEBBBIBBVVRIIVV令：0BiIBBBEVVv0BEvBIBBBRVViVIIBRBVBEVBBVCC 图图2.2.6 共发射极基本放大器共发射极基本放大器RCTCICV 0V0+IB+VBE=vBEBBBIBBBEBERIIVVVV)()(=iB 输入回路方程为：BBIBBBERiVVv)(BBBIBBBEBERIIVVVV)()(令：0BiIBBBEVVv0BEvBIBBBRVViVBEIBVBBVBB/RB vBEiB0 QVBB+VI VBB+VI RBQ在

15、输入特性曲线上负载线。负载线与输入特性曲线交点Q即为输入回路的静态工作点。图中Q点坐标VBE+VBE和IB+IB分别为晶体管加入信号电压VI时后的发射极电压和基极电流。图2.2.7 输入回路图解VBE+VBE IB+IB 输出回路负载线方程输出回路负载线方程：VCE=VCC-ICRC iC=IC+IC 此时：vCE=VCE+VCE 基极电流由IB变为IB+IB，所以，应由IB+IB即iB的输入特性曲线与输出回路的负载线的交点Q来确定其工作状态。若VI负值，则输出回路的工作点将从Q点沿负载线下移。QVCE+VCE IC+IC IBIB+IBiCvCE(V)图2.2.8 输出回路图解VCCVCC/

16、RC QVCEIC0 若输入信号为一正弦电压，则同样可按上述方法进行图解分析。作负载线图2.2.9 输入回路图解VBB-VI VBB-VI RBVBBVBB/RB vBEiB0 QVBB+VI VBB+VI RBQ1Q2VBQvi0 若输入信号为一正弦电压，则分析图如2.2.9图所示 0 IBIBQvBEVBEQQQ2Q1BBEQRvVBBEQRvVvVBEQvVBEQIBQib0vi0 VBEQ0 vBE（1）根据vi在输入特性上绘出iB的波形。图2.2.10 由输入特性上绘出iB的波形vCEVCEQ0 iC0ICQib0 ICvCEVCCIB5IB4IB3IBQIB1ICQVCEQQQ2Q

17、1CCCRV（2）根据iB的摆动范围绘出iC的vCE的波形。图2.2.11 由输出特性上绘出iC的vCE的波形ic（3）各极电流、电压波形的特点和相位关系。vi0t图2.2.12 vi的波形 如图2.2.6所示的基本放大电路中，静态时IBQ、ICQ、VCEQ如图2.2.13中虚线所标注。当有输入电压vi时，基极电流是在直流分量IB的基础上叠加一正弦交流电流ib，因而基极总电流iB=IB+ib，见图中实线波形。图2.2.13 iB 和和iC波形分析iB0tIBQiC0tICQ 同理可得：iC=ICQ+ic；因为 ic=hfeiB，所以：iC=ICQ+hfeiB ；电路的实际电压和电流是静态值与动

18、态值之“和”。vCE0tVCEQ图2.2.14 iB 和和iC波形分析图2.2.13 iB 和和iC波形分析iB0tIBQiC0tICQvi0t 由晶体管的非线性引起的波形失真，称为非线性失真。原因：4、用图解法分析放大器的非线性失真、用图解法分析放大器的非线性失真（1）晶体管的非线性；（2）静态工作点的位置；（3）输入信号的大小。在放大区内，晶体管的非线性表现在输入特性曲线的间距不均，若输入信号较大，将使其各波形不对称，产生非线性失真。工作点偏低工作点偏低截止失真截止失真。工作点偏高工作点偏高饱和失真饱和失真。在不产生非线性失真的条件下，输出电压所能摆动的最大范围称为放大器的动态范围动态范围。最大不失真输出电压的峰-峰值为：VOP-P。vBEiB0 Q2Q1100 80 60 40 20 5vi ib1 ib2图2.2.15 输入图解静态工作点不合适引起的失真iCvCE0Q1Q2图2.2.16 输出图解 vce2 ic2 ic1 vce1 ib2 ib1 vBEiB0 Q2Q1vi ib1 ib2iCvCE0Q1Q2 ic1 ic2 vce1 ib2 ib1 vce2图2.2.15 输入图解图2.2.16 输出图解休息一会儿！准备上课吧！