电路与电子学5放大电路基础.ppt
第五章 放大电路基础,5-1,第五章 放大电路基础,5.1 放大电路的组成及工作原理,5.2 图解分析法,5.3 计算分析法,5.4 放大电路的三种接法,5.5 阻容耦合放大电路析法,5.6 场效应管放大电路,5.7 多级放大电路,5.8 放大器的通频带,第五章 放大电路基础,5-2,5.1 放大电路的组成及工作原理 一、放大电路的功能及性能指标,放大器是在输入信号的控制下把直流电源的能量转换成输出信号能量的装置。,(一)、功能简介,第五章 放大电路基础,5-3,(二)、性能指标：,这里Ui、Uo、Ii、I o和分别是输入和输出端正弦电压、电流的有效值。,、放大倍数,电压放大倍数,电流放大倍数,第五章 放大电路基础,5-4,输入电阻：,(2)、输入电阻,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从前级取电流多少的参数。,第五章 放大电路基础,5-5,(3)、输出电阻Ro,放大电路对其负载而言，相当于信号源。我们可以将放大器在输出端等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,对负载等效,分析输出电阻时不计负载RL。,第五章 放大电路基础,5-6,(4)通频带,通频带：,fbw=fH fL,放大倍数随频率变化曲线,(5).最大不失真输出电压幅值,(6).非线形失真系数,(7).最大输出功率和效率,第五章 放大电路基础,5-7,二、共发射极放大电路的组成,放大电路的组成原则：,、保证晶体管工作在放大区。,、使输入信号得到足够的放大和顺利地传送。,RL,iC,第五章 放大电路基础,5-8,三、放大电路的工作原理,(a)静态工作的情况,(b)动态工作的情况,在静态（没有信号输入)时保证晶体管工作在放大区，既有合适的工作点。,当动态（有信号输入)时，使信号得到足够的放大，并能顺利地转输出去。,第五章 放大电路基础,5-9,(a)静态工作的情况分析,第五章 放大电路基础,5-10,(b)动态工作的情况分析,第五章 放大电路基础,5-11,5.2 图解分析法,放大电路分析方法,静态分析,动态分析,估算法 利用静态等效电路,图解法 利用晶体管特性曲线,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,IBQ,UBEQ,ICQ,UCEQ,Au,Ri,Ro,第五章 放大电路基础,5-12,一、用图解法分析静态工作情况,假设：,第五章 放大电路基础,5-13,IBQ,(2)、输出特性曲线,UBE=VBBRBIB,IBQ,UBEQ,ICQ,UCEQ,静态工作点的做法,(1)、输入特性曲线,UCE=VCCICRC,第五章 放大电路基础,5-14,二、用图解法分析 动态工作情况,uCE怎么变化,？,uCE沿负载线变化,信号的相位如何,？,uo 与 ui 反相！,Q,假设：,且Uo Ui,uo=uce,第五章 放大电路基础,5-15,三、电路参数对于静态工作点的影响,（1）、基极偏置电阻RB提高的情况：,结果是使工作点“Q”偏向截至区。,第五章 放大电路基础,5-16,讨论：电阻 RC 减小的情况?,（2）、集电极电阻RC提高的情况：,结果是使工作点“Q”偏向饱和区。,第五章 放大电路基础,5-17,uo,可输出的最大不失真信号,合适的静态工作点,为了得到尽量大的无失真的输出信号，要把静态工作点Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，造成非线性失真。,四、非线性失真,第五章 放大电路基础,5-18,输入信号逐渐增大,iC mA,第五章 放大电路基础,5-19,输入信号过大引起失真,UCEQ,uCE,第五章 放大电路基础,5-20,uo,Q点过低，信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,Q,第五章 放大电路基础,5-21,uo,Q点过高，信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,Q”,第五章 放大电路基础,5-22,五、最大输出电压幅值,1、定性分析：,第五章 放大电路基础,5-23,Ui,2、定量计算：,uCES,结论：保证放大器不发生饱和及截止失真的最大输出电压峰值 Uo max 是二者中的较小值。,Q,IBQ,ICQ,iC mA,uCE V,UCEQ,第五章 放大电路基础,5-24,考虑电路增加负载以后的情况,第五章 放大电路基础,5-25,5.3 计算分析法,图解法：能够清楚地看清楚各个参数对放大器性能的影响，适用于对放大器的定性分析。,计算法：在一定的条件下计算出放大器的各项性能指标，适用于对放大器的定量分析。,第五章 放大电路基础,5-26,一、静态工作点的计算,ui=0V 时计算出IBQ、UBEQ、ICQ 和UCEQ 的数值。,直流通路,第五章 放大电路基础,5-27,Rb称为偏置电阻，IBQ称为偏置电流。,第五章 放大电路基础,5-28,方法：确定放大器的等效电路图，然后用电路理论计算。,晶体管的h参数及微变等效电路,由三极管的输入特性及输出特性的函数关系，在静态工作点求全微分,二.晶体管的h参数微变等效电路,第五章 放大电路基础,5-29,、输入电阻：,、反向电压传输比：,反应输出回路uCE对输入回路的影响,在小信号工作时，各增量之间满足线性关系,我们用信号的增量比来代替偏导数。,1/rbe,第五章 放大电路基础,5-30,、电流放大系数,、输出电导,输出电阻,第五章 放大电路基础,5-31,考察晶体管输入回路“b-e”,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似为线性。,对输入微小动态信号而言，晶体管相当于电阻rbe。,对于小功率晶体管：,rbe的数量级从几百欧到几千欧。,一般：,晶体管等效电路模型,第五章 放大电路基础,5-32,考察晶体管输出回路“c-e”,所以对动态分量来说：,意义：集电极电流ic相当于一个受 ib控制的电流源。,考虑到实际的输出特性曲线有一定的斜率，输出端还要并联一个大电阻rce。,第五章 放大电路基础,5-33,rce很大，一般忽略。,第五章 放大电路基础,5-34,三.用计算分析法计算主要性能指标,第五章 放大电路基础,5-35,放大电路的微变等效电路,(2)、将交流通道中的晶体管用微变等效电路代替。,(1)、取消直流电源VBB，和VCC的作用，画出信号的交流通道。,步骤,第五章 放大电路基础,5-36,、放大倍数的计算：,负载电阻越小，电压放大倍数越小。,电压放大倍数,第五章 放大电路基础,5-37,负载电阻越小，电流放大倍数越大。,电流放大倍数,第五章 放大电路基础,5-38,、输入电阻和输出电阻,RL,第五章 放大电路基础,5-39,对于为放大器提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。,输入电阻的定义：,(输入电阻是动态电阻。),电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般电压放大器总是希望得到较大的的输入电阻。,rbe,Rb,RC,RL,RS,-,+,（1）、输入电阻 Ri 的计算,第五章 放大电路基础,5-40,（2）、输出电阻RO的计算：,对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,第五章 放大电路基础,5-41,(三)、计算最大输出电压Uom.max,第五章 放大电路基础,5-42,5.4 放大电路的三种接法,(a)共集电极放大电路,(b)直流通路,对于动态信号来说，输入信号送到晶体管的“b-c”端；输出信号送到晶体管的“e-c端。集电极“c”是信号的公共端。,一、共集电极放大电路,第五章 放大电路基础,5-43,、静态工作点的分析计算,第五章 放大电路基础,5-44,折算！,根据直流通道分析静态参数,第五章 放大电路基础,5-45,(b)交流通路,、性能指标的分析计算,第五章 放大电路基础,5-46,微变等效电路：,为了更实际的反应放大器的工作情况，在微变等效电路中，我们对动态信号改用信号的增量表示。相应的符号是“”。,(b)交流通路,第五章 放大电路基础,5-47,1、电压放大倍数计算,第五章 放大电路基础,5-48,输入输出同相，输出电压跟随输入，故称电压跟随器。,如果：,则有,电路中Rb2与信号源串联，将损失一部分信号电压。,*实际的电压放大倍数Au 还要再小一些,第五章 放大电路基础,5-49,2、电流放大倍数计算,及,得出：,第五章 放大电路基础,5-50,3、输入电阻,由此可知：共集电极电路的输入电阻要比共发射集电路的输入电阻高许多，对前级电压信号有利。同时我们还发现共集电极电路的输入电阻与负载电阻的大小有关系。,（c)微变等效电路,第五章 放大电路基础,5-51,4、输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,置0,第五章 放大电路基础,5-52,一般,所以,Rb2,Rs,rbe,Re,Rb1,Rs,第五章 放大电路基础,5-53,共集电极放大电路的特点：,电压放大倍数小于1，输出信号UO与输入信号UO同相位。,电流放大倍数大于1，具有电流和功率放大的能力。,第五章 放大电路基础,5-54,二、共基极放大电路,对于动态信号来说，输入信号送到晶体管的“e-b”端；输出信号送到晶体管的“c-b端。基极“b”是信号的公共端。,第五章 放大电路基础,5-55,、静态工作点的分析计算：,第五章 放大电路基础,5-56,、性能指标的分析计算：,微变等效电路,第五章 放大电路基础,5-57,微变等效电路,、电压放大倍数,、适当调节电路参数可以使电路有一定的电压放大能力；输出信号UO与输入信号UO同相位。,令：,第五章 放大电路基础,5-58,、电流放大倍数,电流放大倍数小于1，说明该电路没有电流放大能力。,第五章 放大电路基础,5-59,、输入电阻和输出电阻,、输入电阻较小，可能从信号源吸取的电流较多。,、输出电阻与共发射极电路的相同。,第五章 放大电路基础,5-60,三、三种基本放大电路的比较,功率放大器，阻抗匹配,电压放大器，,高频放大器，,第五章 放大电路基础,5-61,5.5 阻容耦合放大电路一、阻容耦合的基本共发射极放大电路,第五章 放大电路基础,5-62,根据直流通道估算IBQ,、静态工作点的计算,第五章 放大电路基础,5-63,、性能指标的计算,微变等效电路,短路,短路,在中频信号源的作用下，电容元件相当于短路。,第五章 放大电路基础,5-64,、电压放大倍数的计算：,负载电阻越小，放大倍数越小。,第五章 放大电路基础,5-65,、电流放大倍数的计算：,第五章 放大电路基础,5-66,、输入电阻和输出电阻的计算：,第五章 放大电路基础,5-67,*用图解法分析阻容耦合放大器的动态工作状态,iC 和 uCE 是全量，与交流量ic和uce有如下关系,第五章 放大电路基础,5-68,其中：,这就是说，交流信号的变化沿着斜率为：的直线。,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,交流负载线的作法,交流负载线,过Q点作一条直线,斜率为:,第五章 放大电路基础,5-69,二、稳定工作点的放大电路、温度对于静态工作点的影响,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，当放大器的参数决定以后,静态工作点由晶体管参数UBE、和ICEO决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,UBE,ICEO,Q,第五章 放大电路基础,5-70,温度对UBE的影响,线性部分分析：,非线性部分分析：,第五章 放大电路基础,5-71,温度对值及ICEO的影响,总的效果是：,第五章 放大电路基础,5-72,总之：,固定偏置电路的Q点是不稳定的。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。（即：利用负反馈的方法保持工作点稳定）,常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,第五章 放大电路基础,5-73,、分压式电流负反馈偏置电路,一般：,第五章 放大电路基础,5-74,可以认为 ICQ基本与温度无关。,似乎Ib2越大越好，但是Rb1、Rb2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十K。,根据：,定量估计：,第五章 放大电路基础,5-75,本电路稳流的过程实际是由于加了Re形成了负反馈过程.该过程是个有差调节的过程！,Re,UB稳定,输入特性,定性分析：,第五章 放大电路基础,5-76,、稳定工作点的共射极放大电路,分析:,.静态：见前述的静态偏值电路分析。,。讨论：Ce的影响(增加Ce呢？)。,.动态：为分析方便，我们先去掉电容Ce。,第五章 放大电路基础,5-77,第五章 放大电路基础,5-78,性能指标计算：,第五章 放大电路基础,5-79,如果再增加上CE，放大倍数怎样？,第五章 放大电路基础,5-80,第五章 放大电路基础,5-81,对比含有Ce的性能分析：,不变,第五章 放大电路基础,5-82,、用补偿法稳定静态工作点,T与T有同样的温度特性.,第五章 放大电路基础,5-83,一般：,第五章 放大电路基础,5-84,(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。,(2)动态：能为交流信号提供通路。,组成原则：,分析方法：,5.6 场效应管放大电路,第五章 放大电路基础,5-85,一、场效应管的直流偏置电路,1、自给偏压电路应用于结型和耗尽型场效应管,第五章 放大电路基础,5-86,2、分压式自偏压电路适用于各种场效应管,其它参数利用转移特性及等效的直流电路方程即可求解。,第五章 放大电路基础,5-87,场效应管的微变等效电路,第五章 放大电路基础,5-88,用微变等效电路计算动态参数：,二、场效应管放大电路性能指标的计算,第五章 放大电路基础,5-89,电压放大倍数:,输入电阻:,输出电阻:,第五章 放大电路基础,5-90,举例1、场效应管的共源极放大电路,一、静态分析,求：UDS和 ID。,设：UGUGS,则：UGUS,而：IG=0,第五章 放大电路基础,5-91,二、动态分析,第五章 放大电路基础,5-92,ro=RD=10k,第五章 放大电路基础,5-93,举例2、源极输出器,一、静态分析,USUG,UDS=UDD-US=20-5=15V,第五章 放大电路基础,5-94,二、动态分析,第五章 放大电路基础,5-95,输入电阻 ri,第五章 放大电路基础,5-96,输出电阻 ro,加压求流法,第五章 放大电路基础,5-97,场效应管放大电路小结,(1)场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。,第五章 放大电路基础,5-98,5.7 多级放大电路一、多级放大电路的组成,第一级,第二级,第n-1级,第n级,输入,输出,耦合,耦合方式：,功放级,、阻容耦合。,、变压器耦合。,第五章 放大电路基础,5-99,、直接耦合,、直接耦合放大电路的分析,R2、RE2:为设置合适的Q点而增加。,第五章 放大电路基础,5-100,直接耦合放大电路的特殊问题,1.前后级Q点相互影响:,第五章 放大电路基础,5-101,2.零点漂移:,当 ui=0 时：,有时会将信号淹没,通常采用差动放大器。典型电路在第七章介绍。,第五章 放大电路基础,5-102,、阻容耦合,1、要求：,动态:传送信号,静态：保证各级Q点设置合理,减少信号损失,波形不失真,2、实例：,信号源,第一级,第二级,负载,第五章 放大电路基础,5-103,二、多级放大电路的分析计算,假设:1=2=50 rbe1=2.9Krbe2=1.7K,静态:Q点同单级,动态:,Ri2=RL1,考虑级间影响,性能分析的关键:,求：、,第五章 放大电路基础,5-104,考虑级间影响,1,第五章 放大电路基础,5-105,微变等效电路:,第五章 放大电路基础,5-106,动态参数：,1,Ri=R1/rbe1+（+1)RL1,其中 RL1=RE1/Ri2=RE1/R2/R3/rbe2,=27/1.7 1.7K,Ri=1000K/(2.9+511.7)K 82K,2,Ro=RC2=10K,1=2=50 rbe1=2.9Krbe2=1.7K,第五章 放大电路基础,5-107,3,中频电压放大倍数:,其中：,第五章 放大电路基础,5-108,第五章 放大电路基础,5-109,5.8 放大器的通频带,放大电路中由于有电抗元件存在（主要是电容元件），则放大器的电压放大倍数是频率的函数。,幅频特性,相频特性,频率特性,第五章 放大电路基础,5-110,一、RC电路的频率响应,（1）RC低通电路,电压放大倍数的频率特性为：,令：,绘制幅频特性和相频特性如图所示,即：,第五章 放大电路基础,5-111,将上式改写为：,（2）用对数坐标表示的频率特性曲线,且：,这里：,第五章 放大电路基础,5-112,RC低通电路的频率特性曲线,放大器的频率特性的横轴经常采用对数坐标。放大器的幅值也采用对数坐标单位为“分贝”，定义为：,第五章 放大电路基础,5-113,这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。,称为上限截止频率。当 时，幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降，或写成-20dB/dec。在 处的误差最大，有3dB。,RC低通电路的频率特性曲线,当 时，相频特性将滞后45，并具有-45/dec的斜率。在0.1 和10 处与实际的相频特性有最大的误差，其值分别+5.7和 5.7。,第五章 放大电路基础,5-114,下限截止频率,（2）RC高通电路,模和相角分别为,第五章 放大电路基础,5-115,由此可做出如图所示的RC高通电路的近似频率特性曲线。,RC高通电路的近似频率特性曲线,第五章 放大电路基础,5-116,实验测得共发射极放大电路的幅频特性和相频特性曲线如图所示,通频带：,二、单级放大器的频率响应,上限截止频率,下限截止频率,中频电压放大倍数。,1、单级放大器的实验曲线,第五章 放大电路基础,5-117,波特图,第五章 放大电路基础,5-118,高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的，晶体管的结构如所示。,-发射结电容,-集电结电阻,-集电结电容,b是假想的基区内的一个点。,晶体管的高频等效电路,（1）晶体管物理模型,rbb-基区的体电阻，,分析可得晶体管高频等效电路如图所示。,2、单极阻容耦合放大电路的频率特性分析,推导过程参考教材 P197,第五章 放大电路基础,5-119,对于图所示的共发射极接法的基本放大电路，分析其频率响应，需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型，然后分低、中、高三个频段加以研究。,CE接法基本放大电路,全频段微变等效电路,（2）分压偏置电路全频段小信号模型,第五章 放大电路基础,5-120,低频段微变等效电路,全频段微变等效电路,高频段微变等效电路,第五章 放大电路基础,5-121,单级基本放大电路的波特图,基本放大电路,全频段微变等效电路,第五章 放大电路基础,5-122,一个两级放大器的波特图见教材P202,三、多级放大器的频率响应,多级放大器的频率特性可以在单级的基础上获得：,第五章 放大电路基础,5-123,第五章小结,第五章 放大电路基础,5-124,一、放大电路的功能及性能指标,第五章 放大电路基础,5-125,二、放大电路的分析法,第五章 放大电路基础,5-126,1、图解法分析,假设：,第五章 放大电路基础,5-127,IBQ称为偏置电流。,2、估算法分析,第五章 放大电路基础,5-128,(2)、微变等效电路,然后：将交流通道中的晶体管用微变等效电路代替。,首先：取消直流电源VBB，和VCC的作用，画出信号的交流通道。,第五章 放大电路基础,5-129,三、三种基本放大电路的比较,功率放大器，阻抗匹配,电压放大器，,高频放大器，,第五章 放大电路基础,5-130,四、阻容耦合放大电路,第五章 放大电路基础,5-131,分析:,.静态：由直流通道计算工作点“Q”.,.动态：注意Ce的影响。,五、分压偏置放大电路,第五章 放大电路基础,5-132,六、场效应管的直流偏置电路,1、自给偏压电路应用于结型和耗尽型场效应管,第五章 放大电路基础,5-133,求：UDS和 ID。,设：UGUGS,分压偏压电路 应用于各种类型场效应管,第五章 放大电路基础,5-134,二、动态分析,第五章 放大电路基础,5-135,第五章结束,
