放大电路的基本知识.ppt

放大电路的基本概念,放大电路的作用：将微弱输入信号不失真地增强,使输出电压或电流在幅度上得到放大，从而可以得到所需要的功率。由于信号是连续的，称为模拟信号。处理模拟信号的电路称为模拟电路。,放大的本质：实现能量的控制.,第二节 放大电路的基本知识,放大电路的基本概念,放大的对象：对变化量进行放大。,第二节 放大电路的基本知识,第二节 放大电路的基本知识,2.2.1 放大电路的组成,设置静态工作点的电路称为放大电路的偏置电路。,设置合适的直流工作点是保证晶体管始终工作于放大区实现信号不失真放大的必要条件。,放大电路的组成,一.直流工作点的设置,直流Q点是基础，交流放大是目的,放大电路的组成,二.交流信号的放大,提供大小和极性都合适的直流电源，为电路设置合适的直流Q点，使晶体管工作于放大区，同时作为电路的能源。,放大电路的组成,三.放大电路的组成原则,交流待放大输入信号能够顺利地加至放大电路的输入端。,被放大的交流输出信号能够顺利地送至负载，以实现信号的放大。,注意：输入信号必须加在发射结上。,放大电路的组成,三.放大电路的组成原则,使用正弦信号来测试的原因。,在正弦稳态分析中，使用复数来表示信号电压、电流。,图中各信号的含义。,第二节 放大电路的基本知识,2.2.2 放大电路的主要性能指标,放大电路工作在中频区时可视为纯阻网络,输入阻抗,输入电阻,放大电路的主要性能指标,一.输入阻抗,输入阻抗Zi：从放大电路输入端看进去的等效阻抗。,放大电路的输入电压,一般来说（对电压放大器且不考虑阻抗匹配），Ri 越大越好。（1）Ri 越大，ii 就越小，从信号源索取的电流越小，信号源的驱动功率就小。（2）当信号源有内阻时，Ri 越大，vi 就越接近vS。,放大电路的主要性能指标,一.输入阻抗,放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维宁等效电路，这个戴维宁等效电路的内阻就是输出阻抗Zo。在中频段为Ro。,放大电路的主要性能指标,二.输出阻抗,是衡量放大电路带负载能力的一项指标。,放大电路的输出电压,如何确定电路的输出电阻Ro？,方法一：计算法。,步骤：,2.加压求流,1.所有的独立电源置零(保留受控源)。,放大电路的主要性能指标,二.输出阻抗,所以,注意：输入、输出电阻为线性运用下的交流电阻。,方法二：测量法。,步骤：,3.计算。,1.测量开路电压。,2.测量接入负载后的输出电压。,放大电路的主要性能指标,二.输出阻抗,输入与输出电阻是描述电路在相互连接时所产生的影响而引入的参数。,输出电阻表明了放大电路带负载的能力，一般来说（对电压放大器且不考虑阻抗匹配）Ro越小越好，Ro越小，带电压负载的能力越强。,放大电路的主要性能指标,二.输出阻抗,电压增益,源电压增益,放大电路的主要性能指标,三.放大倍数,放大倍数反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力，其值为输出量与输入量之比。放大倍数又称增益。,电流增益,源电流增益,功率增益,放大电路的主要性能指标,三.放大倍数,根据放大电路输入信号和输出信号的类型，有四种放大倍数的定义。,甲放大电路的增益为-20倍，乙放大电路的增益为-20dB，问哪个电路的增益大？,三.放大倍数,放大电路的主要性能指标,幅频特性,相频特性,四.通频带,放大电路的主要性能指标,通频带：用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。,四.通频带,放大电路的主要性能指标,中频放大倍数,下限截止频率,上限截止频率,中频区,低频区,高频区,幅频特性曲线,相频特性曲线,通频带：,fbw=fHfL,非线性失真的基本特征：输出信号中产生了输入信号中所没有的新的频率分量。,在负载阻抗对各次谐波都相同时，设基波幅值为A1，谐波幅值为A2、A3、，,五.非线性失真,放大电路的主要性能指标,非线性失真系数：输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比。,则非线性失真系数为：,最大输出幅度：非线性失真系数达到某一规定值(例如5%或10%)时的输出幅值，用 或 表示。,六.最大输出幅度,放大电路的主要性能指标,ic,vo,静态工作点Q,输出的最大电压幅度Vcm,最大电流幅度Icm,六.最大输出幅度,放大电路的主要性能指标,最大输出功率Pom：在输出信号非线性失真系数符合规定的情况下放大电路输出的最大信号功率。,放大电路的效率：最大输出功率Pom与直流电源消耗的功率PDV之比.,七.最大输出功率与效率,放大电路的主要性能指标,最大输出功率,电源消耗的功率,三极管放大电路有三种形式,共射放大器,共基放大器,共集放大器,以共射放大器为例讲解工作原理,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,2.3.1 基本共射放大电路的工作原理,的作用?,当 时可做静态分析，求出静态工作点,当 时有,注意晶体管各极电流电压的方向始终保持不变，只有大小的变化。,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,2.3.1 基本共射放大电路的工作原理,以基射电压和基极电流为例,常用符号,基本共射放大电路的工作原理,全量,VA直流分量,常用符号,基本共射放大电路的工作原理,基本共射放大电路的工作原理,信号分析频段,中频,放大管的结电容等可看作开路（对分析的信号频率这些容抗足够大）；,电路中的耦合电容、旁路电容可看作短路（对分析的信号频率这些容抗足够小）。,“先静态，后动态”的原则：,静态分析：讨论直流状态，求解工作点。是动态分析的基础。,由于电容、电感等电抗元件的存在，直流量与交流信号所流经的通路是不完全相同的：,动态分析：讨论交流状态，求解各项指标。,2.3.2 直流通路与交流通路,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,直流通路：电容开路，电感短路；信号源(交流源）的信号为零，但保留内阻。,交流通路(中频区)：管子外部电容短路，电感开路；直流电源视为短路。,2.3.2 直流通路与交流通路,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,放大电路的分析方法,直流通路与交流通路,电路示例,直流通路与交流通路,输入回路（基极回路）,电路示例,直流通路与交流通路,基极电源VBB与基极电阻Rb使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和VBE,输出回路（集电极回路）,电路示例,直流通路与交流通路,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,集电极电源，为电路提供能量，并保证集电结反偏,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压,习惯画法,共射极基本放大电路,简化电路及习惯画法,C1、C2：隔直电容，又称耦合电容,注意电容的极性。,电路示例,阻容耦合单管共射放大电路,直流通路与交流通路,Vi=0,Vi=Vmsint,简单工作原理,44,2.3.3 图解法,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,该方法是利用晶体管的伏安特性曲线及外部电路特性，用作图的方法对电路进行分析。,一.静态工作点分析,采用图解法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,1、画出直流通路,直流通路的画法：,返回,将电路中的交流电压源短路，将电容开路,一.静态工作点分析,图解法,直流通道,2、列输入回路方程：VBE=VCCIBRB,在输入特性曲线上，作出直线 VBE=VCCIBRB，,两线的交点即是Q点，得到IBQ。,图解法,一.静态工作点分析,3、列输出回路方程（直流负载线）：VCE=VCCICRc,在输出特性曲线上，作直流负载线VCE=VCCICRc,与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。,图解法,一.静态工作点分析,由估算法求出IBQ，IBQ对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q,IBQ,静态VCEQ,直流负载线,估算与图解相结合,硅管VBEQ=0.60.7V锗管VBEQ=0.20.3V,晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,实现放大的条件,晶体管的三个工作区：NPN管,放大区：vBEVon,且vCEvBE（即vCB0）,工作在放大区时，三个极的电位关系为：vCvB vE 且vBEVon,饱和区：vBEVon,且vCEvBE,截止区：vBEVon。,晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏，集电结反偏。,实现放大的条件,晶体管的三个工作区：PNP管（C极接负电源）,放大区：vBEVon,且vCEvBE（即vCB0）,工作在放大区时，三个极的电位关系为：vCvB vE 且vBEVon,饱和区：vBEvBE,截止区：vBEVon。,2.正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。,3.输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。,4.输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。,实现放大的条件,将直流电压源短路，将电容短路。,直流电压源：理想电压源即内阻为零耦合电容：通交流、隔直流直流电压源和耦合电容对交流相当于短路,1.画出放大电路的交流通路,图解法,二.动态图解分析,电容交流短路,电感交流开路,电压源交流短路,二.动态图解分析,图解法,图解法,二.动态图解分析,由交流通路得输出回路方程式：,vce=-ic(Rc/RL),因为交流负载线必过Q点，即 vce=vCE-VCEQ ic=iC-ICQ 同时，令RL=Rc/RL,则交流负载线方程为,vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL,即 iC=(-1/RL)vCE+(1/RL)VCEQ+ICQ,2.交流负载线,二.动态图解分析,图解法,过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/RL 的直线，该直线即为交流负载线。,RL=RLRc，是交流等效负载电阻。,交流负载线是有交流输入信号时Q点的运动轨迹。,2.交流负载线,二.动态图解分析,图解法,#动态工作时，iB、iC的实际电流方向是否改变，vCE的实际电压极性是否改变？,3.输入交流信号时的波形,图解法,二.动态图解分析,二.动态图解分析,图解法,3.输入交流信号时的波形,#动态工作时，iB、iC的实际电流方向不改变，vCE的实际电压极性也不改变。,3.输入交流信号时的波形,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.可以确定最大输出幅度。,图解法,二.动态图解分析,结论：（1）放大电路中的信号是交直流共存，可表示成：,虽然交流量可正负变化，但瞬时量方向始终不变。,（2）输出vo与输入vi相比，幅度被放大了，频率不变，但相位相反。,二.动态图解分析,图解法,直流负载线表示直流电压、电流的关系，只能用来确定直流工作点.,图解法,三.交直流负载线的区别,M,交流负载线表示交流总电压、总电流的关系，是动态时工作点移动的轨迹。动态分析时应使用交流负载线.,1、波形的失真,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点到达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。（大电流）,由于放大电路的工作点到达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。（小电流）,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。,#放大区是否为绝对线性区？,四.Q点的选择与波形失真及动态范围,图解法,（1）Q点过高信号进入饱和区,Q,vo,信号波形,称为饱和失真,图解法,1、波形的失真,（2）Q点过低信号进入截止区,Q,vo,信号波形,称为截止失真,饱和失真和截止失真统称为“非线性失真”,1、波形的失真,图解法,请自行思考在这两种失真情况下，基极电流的波形如何?,失真演示,2、放大电路的动态范围,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：,工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,要有合适的交流负载线。,图解法,图解法的优点：可直观形象地研究放大电路的直流工作点及波形失真、动态范围等问题，比较适用于输入信号幅度较大(大信号工作)的工作情况。,图解法的限制：,不适合分析频率较高时的电路工作情况；,不能分析电路的输入输出电阻；,在放大电路带有负反馈时也很难用图解法分析。,图解法,五.图解法的特点,一种解析分析法。将晶体管用合适的模型代替，与其它元件一起组成线性电路，用解电路的方法进行分析计算。,第三节 基本放大电路的工作原理和分析方法,2.3.4 等效电路法,一.晶体管的静态工作点估算,1、晶体管的简化直流模型,VBE,VBE,将左图中的晶体管用简化直流模型代替即可计算直流工作点。,注意所有等效电路中电流电压的方向。,等效电路法,一.晶体管的静态工作点估算,1、晶体管的简化直流模型,返回1,返回2,工作点稳定,2静态工作点估算,一.晶体管的静态工作点估算,等效电路法,放大电路如图所示。已知BJT的=80,RB=300k,RC=2k,VCC=+12V，求：,（1）放大电路的Q点。此时管子工作在哪个区域？,例题,解（1）,静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），管子工作在放大区。,例题,（2）当RB=100k时，放大电路的Q点。此时管子工作在哪个区域？管子的饱和压降VCES=0.3V,当RB=100k时，,解（2）,其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：,VCE不可能为负值，,所以管子工作在饱和区。,Q（120uA，6mA，0.3V）,时，管子就工作在饱和区。,建立小信号模型的意义,建立小信号模型的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,等效电路法,二.晶体管的混合模型,适用于放大区，且工作于交流小信号的分析,等效电路法,二.晶体管的混合模型,1晶体管混合模型的导出,在放大区，集电结反偏，,等效电路法,二.晶体管的混合模型,1晶体管混合模型的导出,适用于放大区，且工作于高频小信号的分析,返回,等效电路法,二.晶体管的混合模型,1晶体管混合模型的导出,适用于放大区，且工作于中低频段,2.模型参数的计算,发射结结电阻re为,等效电路法,二.晶体管的混合模型,2.模型参数的计算,基区的体电阻,一般器件手册会给出,等效电路法,二.晶体管的混合模型,对于小功率三极管：,等效电路法,二.晶体管的混合模型,2.模型参数的计算,一般器件手册会给出，则低频等效电路通常采用下图,等效电路法,二.晶体管的混合模型,2.模型参数的计算,等效电路法,二.晶体管的混合模型,2.模型参数的计算,从器件手册知，rbb，VA则模型参数为,一般步骤：,确定放大电路的静态工作点,求出Q点处的混合模型参数，如;,画出放大电路的交流通路，将电路中的晶体管用相应模型代替，即得到小信号交流等效电路;,求解放大电路的各种性能指标.,三.共射放大电路的动态性能指标,等效电路法,共射极放大电路,1、利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,等效电路法,三.共射放大电路的动态性能指标,（1）画出放大器的交流通路,2、微变等效电路,三.共射放大电路的动态性能指标,等效电路法,（2）将交流通路中的三极管用混合模型代替,3、电压放大倍数的计算,负载电阻越小，放大倍数越小。,可作为公式,等效电路法,三.共射放大电路的动态性能指标,源电压放大倍数,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。,根据输入电阻的定义：,等效电路法,三.共射放大电路的动态性能指标,4、输入电阻的计算,用加压求流法求输出电阻：1）将所有独立源置0，保留其内阻；2）移去负载，在其位置加电压V，在V作用下产生I,则,5、输出电阻的计算,当 时,三.共射放大电路的动态性能指标,等效电路法,图解法,优点,直观、形象,可分析大信号,缺点,要求有特性曲线,作图过程麻烦，误差大,无法求解复杂电路,无法求解高频特性,无需作图，简单方便,可计算许多小信号参数,不能分析大信号特性,微变等效电路法,可分析复杂电路,四.图解法与等效电路法的对比,1.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,1.静态工作点。2.电压增益Av、输入电阻Ri、输出电阻Ro。3.若输出电压的波形出现如 下失真，是截止还是饱和失真？应调节哪个元件？如何调节？,例2,工作点稳定,输出电压波形,下图电路中三极管的 43，VBE=0.7V，基极调宽效应可忽略不计，求：,题解,解：1.静态,计算工作点的步骤：,2.动态,原题,3.?饱和失真。,放大电路的动态指标如增益、输入输出电阻、失真与动态范围等与静态工作点密切相关，故要求静态工作点既要合适，又要稳定。,影响静态工作点稳定的因素很多，如电源电压的波动、元器件参数的变化等。而温度变化对晶体管特性参数的影响是引起静态工作点漂移的主要因素。,第四节 放大电路静态工作点的稳定,稳定静态工作点的意义,第四节 放大电路静态工作点的稳定,固定偏流电路：容易受到环境温度变化或晶体管更换的影响。,ICBO ICEO,T VBE IB IC,2.4.1 温度对静态工作点的影响,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，B点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。,第四节 放大电路静态工作点的稳定,2.4.2 分压式偏置电路,B,一.稳定工作点原理,T,IC,IE,IC,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,分压式偏置电路,一.稳定工作点原理,B,I1 IB，,不随温度变化而变化。,VB VBE,RE可取大些，稳定作用更强。,一般取 I1=(510)IB，VB=3V5V,分压式偏置电路,一.稳定工作点原理,B,1、静态工作点,近似估算,分压式偏置电路,二.放大电路指标分析,B,当I1 IB时,准确计算,分压式偏置电路,1、静态工作点,二.放大电路指标分析,直流等效电路,时两者的计算结果一致,实际电路的设计，多数都满足I1 IB。,分压式偏置电路,1、静态工作点,二.放大电路指标分析,准确计算,2、电压增益,二.放大电路指标分析,分压式偏置电路,图中，忽略了rce。,2、电压增益,二.放大电路指标分析,分压式偏置电路,2、电压增益,二.放大电路指标分析,分压式偏置电路,3、输入电阻,二.放大电路指标分析,分压式偏置电路,则输入电阻,射极回路折合到基极回路的电阻,3、输入电阻,二.放大电路指标分析,分压式偏置电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,4、输出电阻,二.放大电路指标分析,分压式偏置电路,固定偏流共射放大电路,射极偏置共射放大电路,三.固定偏置与分压式偏置放大电路的比较,分压式偏置电路,#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？,三.固定偏置与分压式偏置放大电路的比较,分压式偏置电路,三.固定偏置与分压式偏置放大电路的比较,分压式偏置电路,三.固定偏置与分压式偏置放大电路的比较,分压式偏置电路,共集电极电路结构如图示,第五节 晶体管单管放大电路的三种基本组态,2.5.1 共集电极电路,由,得,一.静态工作点,共集电极电路,画交流通路,二.动态指标,共集电极电路,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,二.动态指标,共集电极电路,1、电压增益,2、输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。,讨论,二.动态指标,共集电极电路,1、电压增益,同相放大,2、输入电阻,则输入电阻,输入电阻大,二.动态指标,共集电极电路,其中,则输出电阻,输出电阻小。,3、输出电阻,基极回路折合到射极回路的电阻,二.动态指标,共集电极电路,电压增益小于1，但接近于1，,输入电阻大，对电压信号源衰减小。,输出电阻小，带电压负载能力强。,射极输出器的使用,1.将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。,2.将射极输出器放在电路的末级，可以降低输出电阻，提高带电压负载的能力。,3.将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。,三.共集电极电路的特点,共集电极电路,2.5.2 共基极电路,共基极电路结构如图示,第五节 晶体管单管放大电路的三种基本组态,共基极电路,一.静态工作点,直流通路与共射分压式偏置电路相同。,二.动态指标,共基极电路,画交流通路,1、电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,二.动态指标,共基极电路,画小信号等效电路,同相放大,3、输出电阻,2、输入电阻,基极折合到射极的电阻,二.动态指标,共基极电路,晶体管三种基本组态的比较,共射,不好,高频特性,共集,好,共基,好,主要用途,输入与输出电压相位,特点,反相,同相,同相,电压、电流都放大,只放大电流,只放大电压,输入输出电阻适中,功率增益最大，运用最广泛,输入级、输出级和缓冲级,用于高频电路,第五节 晶体管单管放大电路的三种基本组态,2.5.3 三种组态的比较,解：,1.放大电路如图所示。,已知=50。,例题,例,1基本放大电路的组成。BJT加上合适的偏置电路（偏置电路保证BJT 工作在放大区）。,小结,2交流与直流。正常工作时，放大电路处于交直流共存的状态。为了分析方便，常将两者分开讨论。直流通路：交流电压源短路，电容开路。交流通路：直流电压源短路，电容短路。,3三种分析方法。（1）估算法（直流模型等效电路法）估算Q。,（2）图解法分析Q（Q的位置是否合 适）；分析动态（最大不失真输出电压）。（3）交流模型法分析动态（电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等）。,4三种组态。（1）共射Av较大，Ri、Ro适中，常用作电压放 大。（2）共集Av1，Ri大、Ro小，适用于信号跟随、信号隔离等。（3）共基Av较大，Ri小，频带宽，适用于放大高频信号。,习题,、2.3.2(b)、2.3.14 2.4.9、,思考、2.4.1、,