第12章基本放大电路.ppt

《第12章基本放大电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第12章基本放大电路.ppt（62页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、第12章 基本放大电路,12.1 放大电路的概念和主要技术指标12.2 共发射极放大电路的组成12.3 放大电路的分析方法12.4 放大电路静态工作点的稳定12.5 射极跟随器12.6 多级放大电路12.7 差分放大电路12.8 功率放大电路12.9 场效应晶体管放大电路,12.1放大电路的概念和主要技术指标,12.1.1 放大电路的概念 放大电路的作用是将微弱的电信号放大到所需的量级,而且输出信号的功率比输入信号的功率大，输出信号的波形与输入信号的波形相同。,12.1.2 放大电路的主要性能指标 1.放大倍数 电压放大倍数 电流放大倍数,电压对电流的放大倍数,电流对电压的放大倍数,2.输入电

2、阻,输入电阻ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻,3.输出电阻,从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻ro,4.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。,5.最大不失真输出电压 当输出电压再增大则会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。,6.最大输出功率在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率。,12.2 共发射极放大电路的组成,12.2.1 共发射极放大电路的组成及各元件的作用,晶体管起放大作用；电源提供能量；基极电阻提供偏置电流；电容起隔直通交作用；集电极电阻将电流变化转换成电压变化。,图12.4 共发射极基本交流放大电路,12.2.2 放大电路的组成原则

3、,必须使晶体管处于放大状态；输入回路应使输入信号能产生交变电流；输出回路应使动态电流能够作用于负载电阻；保证放大电路能不失真地放大信号。,12.3 放大电路的分析方法,分析放大电路就是在理解放大电路工作原理的基础上求解静态工作点和各项动态参数。,12.3.1 直流通路与交流通路,图12.5 共射极放大电路直流通路,图12.6 共射极放大电路交流通路,12.3.2 放大电路的静态分析,静态分析就是在无输入信号时，确定放大电路的静态工作点，常用的分析方法有两种。,1.估算法,估算法利用放大电路的直流通路计算静态工作点。,2.图解法,图解法就是根据晶体三极管的输出特性曲线，用作图的方法求解静态工作点

4、。,12.7(a)输入回路的图解分析,12.7(b)输出回路的图解分析,图解法求解静态工作值的一般步骤:,(1)获取(查询或测量)晶体三极管的输入和输出特性曲线；(2)在输入特性曲线上作出输入回路负载线，确定偏置电流IB；(3)在输出特性曲线上作出直流负载线；(4)由IB和直流负载线交点确定静态工作点；(5)根据静态工作点确定静态值(IB，IC，UCE),12.3.3 放大电路的动态分析,动态分析指在静态值确定后，分析输入信号（此时输入信号ui不为零）的传输情况，考虑的只是电流和电压的交流分量。此时电路中的 均包含了支流分量和交流分量，即,注：上面等式右边的第一项为直流分量，第二项为交流分量。

5、,微变等效法和图解分析法是动态分析的两种基本方法。,1.微变等效电路,微变等效电路法就是把非线性元件晶体三极管所组成的放大电路等效为一个线性电路，再利用线性电路的分析方法处理晶体三极管放大电路。在本章节中重点阐述用于低频小信号时的微变等效电路。,1）晶体三极管的微变等效电路,1）晶体三极管的微变等效电路,估算公式,其中IE是发射极电流的静态值。,图12.8(b)晶体三极管输入特性曲线,即,在小信号条件下，是一个常数，由确定ib对ic的控制作用。即晶体三极管的输出电路可以用一个受控电流源来替代可描述为：,图12.9 晶体三极管输出特性曲线,12.10(a)晶体三极管,12.10(b)晶体三极管微

6、变等效电路,2)放大电路的微变等效电路分析,图12.12 图12.4的微变等效电路,根据图12.12可得:,其中,(1)放大电路的电压放大倍数,输出端空载时(不接RL),(2)放大电路的输入电阻ri,放大电路对信号源而言,相当于一个负载，从放大电路输入端看进去，可得放大电路的输入电阻ri，可得下式,(3)放大电路的输出电阻ro,放大电路对负载而言,相当于一个电压源，其内阻定义为放大电路的输出电阻ro，它是一个动态电阻。输出电阻可用输出端开路电压和短路电流来求得,在图12.12中,式中,可忽略不计。,求解放大电路的输出电阻时，可将信号源置零,用交流电压,替代负载,以产生一个电流,则,该放大器的直

7、流工作点；,解：直流通路如图例2.1a所示,图例2.1,图例2.1a,微变等效电路如图例2.1b所示,图例2.1b,2.图解分析法,图解分析法是利用晶体三极管的特性曲线，通过作图的方法分析动态工作情况。,1）电压放大倍数的分析,图12.4 共发射极基本交流放大电路,以图12.4为例，分析步骤如下：,（1）根据静态分析方法，求出静态工作点Q；（2）根据ui在输入特性上求uBE和iB；（3）在输出特性曲线上作交流负载线；（4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。,图12.9 放大电路的图解分析,从图解分析过程，可得出如下几个重要结论：,1）放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分

8、量和交流分量两部分组成；（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔开，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce，且与输入电压ui反相；（3）放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载电阻RL 也越小，交流负载线就越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降；（4）静态工作点Q设置得不合适，会对放大电路的性能造成影响。若Q点偏高，当ib按正弦规律变化时，Q进入饱和区，造成ic和uce的波形与ib（或ui）的波形不一致，输出电压uo（即uce）的负半周出现平顶畸变，称为饱和失真；若Q点偏低，则Q进入截止区，输出电压uo的正半周出现平顶畸变

9、，称为截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,2）波形非线性失真分析,当静态工作点Q过低，处于Q位置时，在输入信号负半周靠近峰值的某段时间，三极管的B-E间电压总量小于开启电压，三极管处于截止状态，基极电流ib产生失真，如图12.20(a)所示，由此使集电极电流ic和集电极电阻RC上的电压产生同样的失真，这种由晶体三极管截止产生的失真被称为截止失真。,图12.20,图12.20,当Q点位置过高，处于Q位置时，由于输入信号正半周靠近峰值的某段时间内晶体三极管处于饱和状态，导致集电极电流iC产生失真，引起集电极电阻RC上的电压波形随之产生同样的失真如图12.20(b)所示，这种由晶体三极管

10、饱和引起的失真称为饱和失真。由于输出电压与RC上的电压相位相反，导致输出电压uO产生底部失真。,12.4 放大电路静态工作点的稳定,选择合适的静态工作点是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。在温度变化、三极管老化、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。温度升高时：发射结电压下降，电流放大倍数增大，反向饱和电流增加。,随温度上升而增加。,为了稳定放大电路的静态工作点，常采用分压式偏置电路，如图12.21所示，其中RB1和RB2构成偏置电路。当温度升高，使ICQ增大时，其变化

11、如下：,图12.21,由上图可以看到，当ICQ增加时，由于电路的 自身调节作用可以抑制其增大趋势，从而稳定ICQ和UCEQ。,1.稳定静态工作点的原理,2.静态工作点的计算,例1：在图示放大电路中，已知UCC=12V,RC=6k,RE=3k，RB1=60k，RB2=20k，RL=6k，晶体管=50，UBE=0.6V,试求:(1)静态工作点 IB、IC 及 UCE；(2)画出微变等效电路；(3)输入电阻ri、ro及 Au。,分析：此处求解其静态工作点，先画出其直流通路再进行求解；求解交流参数时，先画出其微变等效电路。由此可见，求解此类题目的关键在于正确分析电路的工作原理，得出其正确的等效电路，从

12、而进行求解。,例1图,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Au、ri、ro。,交流通路,12.5 射极跟随器,本节介绍的射极跟随器是共集放大电路，集电极是输入回路和输出回路的公共端，如图12.25所示。,图12.25 射极跟随器,直流通路,1.静态分析,2.动态分析,交流通路,12.6 多级放大电路,多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，各级之间连接的方式称为耦合方式。放大电路的前后级相连时，相互间会产生一定的影响，因此对级间耦合电路有一定的要求：一是要确保各级放大器有合适的直流工作点，二是应使前级输出信号尽可能不衰减地、不失真地传输到后级。,1.直接耦合,

13、可传输低频甚至直流信号，然而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,12.6.1 放大电路级间耦合,2.阻容耦合,各级静态工作点相对独立，但不能放大直流信号。,3.变压器耦合,变压器耦合通过阻抗变换，能使负载得到最大输出功率，其缺点是体积和重量比较大，频率响应差。,12.6.2 多级放大电路电压的动态分析,对于多级放大电路，通常是在考虑级间影响的情况下，将多级放大电路分成若干个单级放大电路，然后将结果加以综合，得到多级放大电路的总体特征。在多级放大电路中，前级输出信号加到后级输入端作为后级的输入信号，后级输入电阻作为前级的负载加以分析。,图12.32 多级放大电路方框图,12.7 差分

14、放大电路,多级放大电路耦合后的最大问题是存在零点漂移现象，其可能使放大器无法正常，抑制零点漂移的方法有多种：(1)在电路中引入直流负反馈；(2)采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化；(3)采用特性相同的管子，使他们的零点漂移相互抵消，构成“差分放大电路”。在直接耦合电路中，差分放大器是抑制零点漂移的最有效的电路结构，在直接耦合的多级放大器中广泛采用了差分放大电路。,12.7 差分放大电路的工作原理,如图12.35所示为一个差分放大电路，由完全相同的两个共射极单管放大电路组成。,1抑制零点漂移的原理,温度变化时两个单管放大电路的工作点都要发生变动，分别产生输出漂移uCl和uC2。由

15、于电路是对称的，所以uCl=uC2，差动放大电路的输出漂移uouCluC2 0，即消除了零点漂移。,图12.35 差分放大原理电路,2信号输入,1）共模输入,共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。当给图12.35所示电路加上共模信号信号时，由于三极管T1和T2的参数相同，所以有,所以,由此可见，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，在参数理想的情况下，共模信号的输出为零。,2）差模输入,差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。当给图12.35所示电路加上共模信号信号时，由于三极管T1和T2的参数相同，所以有,所以,由此可见，在差模输入信号的作用下，差分放大电路两集电极之间的输入

16、是单个三极管放大时的两倍。,3）差分输入,两个输入信号的大小和相对极性是任意的，但两个信号既不是共模信号，又不是差模信号，这样的输入称为差分输入。一般情况下，将这种差分信号分解成共模信号分量和差模信号分量进行分析。,共模信号：,差模信号：,3.典型电路,常见的差分电路如图12.36所示。,RP用来调整两个三极管的工作状态，使其两个集电极的静态电压输出为零。,RE的主要作用是稳定电路的工作点，从而限制每个三极管的漂移范围。其工作过程如下：,图12.36 典型差分电路,12.7.2 差模信号在差分放大电路中的分析,1.静态分析,图12.37 图12.36的单管直流通路,又,所以,每管的IB和UCE

17、为,可得,2.动态分析,由于E点电位在差模信号的作用下不变，相当于“接地”；调零电位器RP值很小，可忽略不计。其交流通路和微变等效模型如图12.38所示。,图12.38 交流单管等效放大电路及其微变等效电路,(a),(b),由图12.38(b)可得,同理,双端输出电压,双端输入双端输出差分放大电路的电压放大倍数为,当有负载接输出端时，差分电路的放大倍数为,其中,图12.39 图12.36的微变等效电路,由图12.39可知,12.7.3 差分放大电路的共模抑制比,共模抑制比定义为放大电路的差模信号的放大倍数Ad与共模信号的放大倍数Ac之比，记做KCMR。该参数用来衡量差放电路的放大性能。,12.

18、7.4 差分放大电路的四种接法,双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。,单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于

19、差模输入。,12.8 功率放大电路,12.8.1 功率放大器的基本要求和类型,1对功率放大电路的要求,(1)要求输出功率尽可能大,(2)效率要高,(3)非线性失真要小,(4)要注意功放管的散热问题,1.甲类功率放大器,在输入信号的整个周期内，三极管都有电流通过。,2.乙类功率放大器,在输入信号的半个周期内有电流流过。,3.甲乙类功率放大器,在输入信号的大半个周期内有电流流过。,12.8.2 互补对称功率放大器,1.乙类互补对称功率放大电路,图12.43(a)乙类互补对称功率放大电路,采用绝对值相等的双电源供电，两管的基极和发射极连在一起，信号从基极输入，从射极输出。有信号输入时，两管轮流导通半

20、个周期。,图12.43(b)工作情况,2.甲乙类互补对称功率放大电路,T1、T2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。,图12.44 OTL互补对称功率放大电路,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 Transformerless)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。,12.8.3

21、集成功率放大器,互补对称功率放大电路结构简单、性能好、易于集成。目前已经生产出多种不同型号、可输出不同功率的集成功率放大器，只需要接入规定数值的电阻、电容、电源及负载，就可组成一定的功率放大电路。,12.9 场效应晶体管放大电路,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。,按结构不同场效应管有两种:,结型场效应管,绝缘栅型场效应管,12.9.1 共源放大电路的组成,RG：构成栅、源极间的直流通路。,RG1、RG2：分压电阻。,RD：获得随输入电压ui变化的电压。,RS：稳定静态工作点。,CS：消除RS的交流负反馈。,C1、C2：隔直通交。,UDD：为放大电路提供能量。,图12.45 分压式偏置共源放大电路,12.9.2 共源放大电路的静态分析,12.9.3 共源放大电路的动态分析,1.电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,