第3章基本放大电路.ppt

第2章 基本放大电路,2.1 放大电路的基本概念 2.2 基本放大电路的分析方法 2.3 场效应三极管放大电路的 分析方法,2.1 放大电路的基本概念,2.1.1 放大的概念2.1.2 放大电路的主要技术指标2.1.3 基本放大电路的工作原理,2.1.1 放大的概念,基本放大电路一般是指由一个三极管与相应元件组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,共发射极、共集电极、共基极,放大电路的结构示意框图见图03.01。,图03.01 放大概念示意图,2.1.2 放大电路的主要技术指标,(1)放大倍数(2)输入电阻Ri(3)输出电阻Ro(4)通频带,(1)放大倍数,输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图03.02所示。,图03.02 放大倍数的定义,(2)输入电阻 Ri,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ri大放大电路从信号源吸取的电流小，反之则大。Ri的定义见图03.03和式(03.04),(03.04),图 03.03 输入电阻的定义,(3)输出电阻Ro,输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。Ro的定义见图03.04和式(03.05)。,(03.05),图(a)是从输出端加假想电源Vo求Ro，图(b)是通过放大电路的负载特性曲线求Ro。,Ro=Vo/Io=(VoVo)/Io=(VoVo)RL/Vo=(Vo/Vo)1 RL(03.06),(a)从假想的 求Ro(b)从负载特性曲线求Ro图 03.04 输出电阻的定义,注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。,(4)通频带,(03.06),相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率。,图 03.05 通频带的定义,放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的 1/时，即,2.1.3 基本放大电路的工作原理,(1)共发射极组态交流基本放大电路的 组成(2)静态和动态(3)直流通道和交流通道(4)放大原理,基本组成如下：三 极 管T 负载电阻Rc、RL 偏置电路VCC、Rb 耦合电容C1、C2,起放大作用。,将变化的集电极电流转换为电压输出。,提供电源，并使三极管工作在线性区。,输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。,(1)共发射极组态交流基本放大电路的组成,图 03.06 共发射极组态交流基本放大电路,(2)静态和动态,静态 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,直流通道 交流通道 直流电源和耦合电容对交流相当于短路,即能通过直流的通道。从C、B、E向外看，有直流负载电阻，Rc、Rb。,能通过交流的电路通道。如从C、B、E向外看，有等效的交流负载电阻，Rc/RL和偏置电阻Rb。,若直流电源内阻为零，交流电流流过直流电源时，没有压降。设C1、C2 足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零。在交流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。,(3)直流通道和交流通道,(4)放大原理,输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程：,三极管放大作用,变化的 通过 转变为变化的输出,2.2 双极型三极管放大电路 的 基 本 分 析 方 法,2.2.1 放大电路的静态分析2.2.2 放大电路的动态图解分析2.2.3 三极管的低频小信号模型2.2.4 共射组态基本放大电路微变等效 电路分析法2.2.5 放大器工作点稳定问题2.2.6 共集、共基组态基本放大电路,2.2.1 放大电路的静态分析,静态分析有计算法和图解分析法两种。（1）静态工作状态的计算分析法（2）静态工作状态的图解分析法,静态工作状态的计算分析法,IB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的静态工作状态。,根据直流通道可对放大电路的静态进行计算,静态工作状态的图解分析法,图 03.08 放大电路静态工作状态的图解分析,放大电路的静态工作状态的图解分析如图03.08所示。,1.由直流负载列出方程 VCE=VCCICRc2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,直流负载线的确定方法：,VCC、VCC/Rc,3.在输入回路列方程式VBE=VCCIBRb,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和VCEQ。,例3.1：测量三极管三个电极对地电位如图 03.09所示，试判断三极管的工作状态。,图 03.09 三极管工作状态判断,2.2.2 放大电路的动态图解分析,（1）交流负载线（2）交流工作状态的图解分析（3）最大不失真输出幅度（4）非线性失真,（1）交流负载线,交流负载线确定方法：1.通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜 率为-1/RL。,2.RL=RLRc，是交流负载电阻。,3.交流负载线是有交流 输入信号时Q点的运 动轨迹。,4.交流负载线与直流 负载线相交Q点。,图 03.11 放大电路的动态 工作状态的图解分析,图 03.12 放大电路的动态图解分析,通过图解分析，可得如下结论：1.vi vBE iB iC vCE|-vo|2.vo与vi相位相反；3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输出幅度。,(2)交流工作状态的图解分析,波形的失真,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。,(3)最大不失真输出幅度,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。,放大电路的最大不失真输出幅度,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放 大区的中间部位；2.要有合适的交流负载线。,图 03.14 放大器的最大不失真输出幅度,（4）非线性失真,放大器要求输出信号与输入信号之间是线性关系，不能产生失真。由于三极管存在非线性，使输出信号产生了非线性失真。非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比，用THD表示，即,2.2.3 三极管的低频小信号模型,（）模型的建立（）主要参数（）h参数（）h参数微变等效电路简化模型,(1)模型的建立,1.三极管可以用一个模型来代替。2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。,三极管的低频小信号模型如图03.16所示。,图 03.16 双极型三极管h参数模型,（2)模型中的主要参数,rbe三极管的交流输入电阻,根据二极管的方程式,对于三极管的发射结,求发射结的动态电导，b相当基区内一个点，b是基极。,reVT/iE reQVT/IEQ=26(mV)/IEQ(mA)rbeQ=rbb+rbe 300+(1+)26/IEQ（03.11）,iB输出电流源,表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性。,(3)h参数,，称为输入电阻，即 rbe。,，称为电压反馈系数。,，称为电流放大系数，即。,，称为输出电导，即1/rce。,三极管的模型也可以用网络方程导出。三极管的输入和输出特性曲线如下：,(4)h参数微变等效电路简化模型,简化的三极管h参数模型，如图03.19所示。,图中作了两处忽略 h12反映三极管内部的电压反馈，因数量很小，一般可以忽略。h22具有电导的量纲，与电流源并联时，分流极小，可作开路处理。,图 03.19 三极管简化h参数模型,2.2.4 共射组态基本放大电路 微变等效电路分析法,(1)共射组态基本放大电路(2)直流计算(3)交流计算,(1)共射组态基本放大电路,共发射极交流基本放大电路如图03.20（a）所示。,(a)共射基本放大电路(b)h参数微变等效电路 图 03.20 共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路,Rb1和Rb2系偏置电阻。C1是耦合电容，将输入信号vi耦合到三极管的基极。Rc是集电极负载电阻。Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容。,C2是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻RL上。Rb1、Rb2、Rc和Re处于直流通道中。Rc、RL相并联，处于输出回路的交流通道之中。,(2)直流计算,图03.20电路的直流通道如图03.21(a)所示，用戴维宁定理进行变换后如图03.21(b)所示。,(a)直流通路(b)用戴维宁定理进行变换 图 03.21 基本放大电路的直流通道,IB=(V CCVBE)/Rb+(1+)Re V CC=VCC Rb2/(Rb1+Rb2)Rb=Rb1Rb2 IC=IB VC=VCC ICRc VCE=VCC ICRcIERe=VCC IC(Rc+Re),因此静态计算如下：,(3)交流计算,根据图03.20(b)的微变等效电路，有,根据图03.04(a)求输出电阻的原理，应将图03.20(b)微变等效电路的输入端短路，将负载开路。在输出端加一个等效的输出电压Vo。于是,（动画3-7）,2.2.5 放大器工作点稳定问题,一、工作点稳定及温度对工作点的影响,1、为什么要设置稳定的Q点？（1）Q点设置不合适的话，将使输出波形失真（2）放大倍数与Q点有关,2、环境温度对工作点稳定的影响 当温度升高时，三极管的反向饱和电流ICBO UBE、IC 从而影响Au,二、工作点稳定电路介绍,以射极偏置电路为例说明，电路就是前面介绍的共射极放大电路，将电容Ce去掉。电路如下图所示：,稳定Q点的原理：设I1Ib，对Si管10倍 对Ge管20倍 则有：V b=VCC Rb2/(Rb1+Rb2),当某种原因影响IC IE UE UBE Ib IC,2.2.5 共集、共基组态基本放大电路,共集电极组态基本放大电路如图03.22(a)所示。,(a)共集组态放大电路(b)直流通道 图03.22 共集组态基本放大电路,(1)直流分析 将共集组态基本放大电路的直流通道画于图 03.22(b)之中，于是有 IB=(VCCVBE)/Rb+(1+)Re IC=IB VCE=VCCIERe=VCCICRe,(2)交流分析,将图03.22（a）的CC放大电路的中频微变等效电路画出，如图03.23所示。,中频电压放大倍数,(03.19),比较CE和CC组态放大电路的电压放大倍数公式，它们的分子都是乘以输出电极对地的交流等效负载电阻，分母都是三极管基极对地的交流输入电阻。,输入电阻 Ri=Rb1/Rb2/rbe+(1+)RL)(03.20)RL=RL/Re,图03.23 CC组态微变等效电路,输出电阻,输出电阻可从图3.24求出。,图03.24 求Ro的微变等效电路,将输入信号短路，负载开路，由所加的等效输出信号 可以求出输出电流,共基组态放大电路如图03.25所示，其直流通道如图03.26所示。,(1)直流分析 与共射组态相同。,(2)交流分析,共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图03.27所示。,图03.27 CB组态微变等效电路,电压放大倍数=RL/rbe输入电阻 输出电阻 Ro RC,23 场效应三极管放大电路 的分析方法,2.3.1 共源组态基本放大电路2.3.2 共漏组态基本放大电路2.3.3 共栅组态基本放大电路2.3.4 三种组态基本放大电路的比较,2.3.1共源组态基本放大电路,对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图03.28所示。,(a)采用结型场效应管,(b)采用绝缘栅场效应管,图 03.28 共源组态接法基本放大电路,比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。,(1)直流分析,将共源基本放大电路的直流通道画出,如图03.29所示。,03.29 共源基本放大 电路的直流通道,图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。,根据图03.29可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,图03.30 微变等效电路,(2)交流分析,画出图03.28电路的微变等效电路，如图03.30所示。,与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。VCCS的电流源 还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。,电压放大倍数 如果有信号源内阻RS时=gmRLRi/(Ri+RS)式中Ri是放大电路的输入电阻。,输入电阻,输出电阻,为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成图03.31的形式。,图 03.31 计算Ro的电路模型,将负载电阻RL开路，并想象在输出端加一个电源,将输入电压信号源短路，但保留内阻。然后计算，于是,2.3.2 共漏组态基本放大电路,共漏组态基本放大电路如图03.32所示,图 03.32 共漏组态放大电路 03.33 直流通道,其直流工作状态和动态分析如下。,(1)直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图03.33之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQR由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,(2)交流分析,将图03.32的CD放大电路的微变等效电路画出，如图03.34所示。,图03.34 共漏放大电路的微变等效电路,电压放大倍数,比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式，分子都是gmRL，分母对共源放大电路是1，对共漏放大电路是(1+gmRL)。,输入电阻,输出电阻,计算输出电阻的原则与其它组态相同，将图03.34改画为图03.35。,图03.35 求输出电阻的微变等效电路,2.3.3 共栅组态基本放大电路,共栅组态放大电路如图03.36所示，其微变等效电路如图03.37所示。,图 03.36共栅组态放大电路 图 03.37 微变等效电路,(1)直流分析 与共源组态放大电路相同。,(2)交流分析,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻 RoRd,2.3.4 三种接法基本放大电路的比较,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD,电压放大倍数,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD,