放大电路动态分析课件.ppt

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1、第二章 放大电路动态分析,本章从放大电路的交流通路入手，在输入低频小信号的条件下，器件用线性电路模型等效，然后用电路原理中的一些方法，来分析和计算放大电路的主要技术指标，所以本章是电子电路分析的基础，要求熟练掌握。,2.2.1 放大电路的动态性能指标,一、输入信号源和输出负载,1、输入信号源,适用于单端与地之间输入信号的放大电路单端信号源,信号源为电压源,信号源为电流源,适用于双端输入信号的放大电路双端信号源(对称信号源),用于测量应力的电阻应变片电桥电路,集成运算放大器具有双端对称输入的功能,电桥处于平衡状态：,受力后：,反映了材料受力的大小,（2）输入信号的波形,正弦稳态信号,如音频信号，

2、频率范围在几十赫至几十千赫的正弦波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几几十毫伏,慢变信号或直流信号,如由温度等非电量经传感器转换所得的信号，随时间变化缓慢。,直流输入信号应看作是相对于零的变化，切勿与静态值相混淆。,瞬变信号,瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电路有快速的瞬态响应。,2、放大电路的负载,放大电路的负载种类很多，对不同的负载，要求有不同的指标输出。,只要求放大器有足够大的电压幅度输出，如放大器负载是高内阻的电压表；,只要求放大器有足够大的输出电流，如放大器负载是继电器线圈；,要求放大器有足够大的输出功率，即既要有大的输出电压幅度，还要有尽量大的输出电流。如低频功放的负

3、载是扬声器，能放出响亮的声音。,(1)增益,又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号能力。最常用的是电压增益：,开路电压增益：负载开路（即RL=）时的电压增益。,源电压增益：,二、放大电路的主要性能指标,增益常用分贝（dB)作为单位，1分贝1/10贝尔，源于功率增益的对数：,“0dB”相当于 Av1；“20dB”相当于 Av10；“40dB”相当于 Av100；“-20dB”相当于Av0.1；“-40dB”相当于Av0.01；,分贝,当用于电压增益时：,(2)输入电阻Ri,输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压与输入电流之比。,输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力

4、。Ri越大，则信号源内阻上的压降越小，放大电路所得到的输入电压越接近信号源电压。,输入电阻影响源电压增益,(3)输出电阻Ro,放大电路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。,输出电阻Ro的大小，反映了放大电路带负载的能力。Ro越小，则放大电路带负载能力越强，电路输出越接近恒压源输出。,放大电路负载特性,开路输出电压Voo,输出电阻Ro的确定：,分析电路时采用在输出端反加等效信号源的方法。,在实验室采用测量的方法。,(4)通频带,当放大电路的信号频率很低或很高时，由于电路中存在的电抗元件以及晶体管的结电容和极间电容的影响，放大电路的电压放大倍数在低频段或高频段都要降低，只有在中频段范围内放大倍数为

5、常数。,放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数的(即0.707倍)时的频率分别称为上限频率和下限频率（也称-3dB频率）。,上限频率：fH,下限频率：fL,通频带：,通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。如对于扩音机电路，其通频带应大于音频范围(20Hz20kHz)。,-3dB频率,(5)最大不失真输出幅度,最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电压(或输出电流)的峰值，用Vom(或Iom)表示。,截止失真：由于进入截止区而产生的失真。,饱和失真：由于进入饱和区而产生的失真。,工作点在交流负载线中点时的最大输出电流幅度,工作点在

6、交流负载线中点时的最大输出电压幅度,工作点偏高,饱和失真时的电压波形,饱和失真：,由于进入饱和区而产生的失真,饱和失真的原因是：静态工作点偏高，输入信号幅度过大。,饱和压降,iC/mA,0 5 10 15 20,vCE/V,3210,iB=0uA,15uA,60uA,80uA,35uA,Q,t,由于进入截止区而产生的失真,截止失真：,截止失真时的电压波形,最大不失真输出幅度,截止失真时的电流波形,截止失真的原因是：静态工作点偏低，小信号放大时，输入信号幅度太大。,2.2.2 半导体三极管和场效应管的低频小信号模型,一、三极管的低频小信号模型,(1)输入回路b-e之间等效为一动态电阻rbe。,分

7、析各变化量或交流分量之间的关系,全微分:,(2)输出回路，集电极电流的变化iC可以看作iB和vCE分别单独变化时引起的。,全微分:,也可从图上看,集电极电流的变化iC可以看作iB和vCE分别单独变化时引起。,当vCEVCEQ不变时，,当iBIBQiB不变时,当iB和vCE同时作用时，,所以，输出回路c-e间的模型由受控电流源“iB”和c-e间动态输出电阻rce并联组成。,动态输出电阻rce一般很大，通常可以忽略。,也可用交流量表示:,只适用于低频小信号下。讨论的是变化量或交流分量，不允许出现直流量或瞬时量符号。微变参数，与Q点有关，不是固定常数。电流源“iB”方向和大小由iB决定。无论对NPN

8、型或PNP型都是如此。rbe可用公式估算：,在应用三极管低频小信号模型时应注意：,rbb约为100300VT26mV,由网络方程导出模型,vBE=h11iB+h12vCE,iC=h21iB+h22vCE,h11是输出端交流短路时的输入电阻,h21是输出端交流短路时的电流放大系数,h22是输入端交流开路时的输出电导,由于四个参数的量纲不同，故称混合参数（H参数）模型。当忽略h12时，H参数等效模型与小信号模型是相同的。,h12输出电压的变化对输入端电压的变化的影响，可忽略不计。,h12是输入端交流开路时的电压反馈系数,二、场效应管的低频小信号模型,输入回路：由于场效应管的栅极电流为零，输入回路栅

9、极源极之间可用开路来等效。,输出回路：受控电流源“gmvGS”和动态电阻rds并联。,gm：低频跨导，它表征了vGS对iD的控制能力。rds：输出电阻（动态电阻），通常可忽略。受控电流源方向：对6种类型FET都适用。,2.2.3 基本放大电路的动态分析,交流通路：是指放大电路在输入信号作用下，与信号电流和信号电压相关的通路，仅用于研究电路的动态性能指标。,动态分析是在放大电路的交流通路基础上，假定放大器件工作在线性放大区内，利用其小信号模型建立放大电路的等效电路，然后计算电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态性能指标。,所有耦合电容和旁路电容当作交流短路；（容量设计得很大，容抗很小，可忽

10、略不计。）,所有直流电源当作交流短路。（理想电压源对交流信号而言，其交流变化量为零，可交流短路。）,交流通路的画法,一、放大电路的三种基本组态,共射组态(CE),共集组态(CC),共基组态(CB),FET放大电路的三种基本组态,共源组态(CS),共漏组态(CD),共栅组态(CG),二、基本放大电路的动态分析,求静态工作点，根据Q点计算小信号模型参数，如rbe；确定交流通路；画出微变等效电路；计算动态性能指标（如Av、Ri、Ro）。,放大电路分析的一般步骤：,1共射放大电路的动态分析,求电压放大倍数,计算输入电阻,计算输出电阻,2共集放大电路的动态分析,求电压放大倍数,且,共集放大电路的电压放大

11、倍数近似为1，又称为射极跟随器。,计算输入电阻,计算输出电阻,求电压放大倍数,计算输入电阻,计算输出电阻,3共基放大电路的动态分析,RoRc,【例】,三极管CE放大电路如图3.1.15所示，设三极管在静态工作点附近的50,rbb=200W。试计算：（1）Av、Ri、Ro；（2）若改用100的三极管，重新计算Av、Ri、Ro；（3）若不接Ce，对电路的性能指标有何影响？,（1）,k,mA,mA,解：,（1）,（2）若改用100的三极管,mA,mA,Re能抑制温漂，稳定静态工作点，还允许在一定范围内选择。,（3）若不接Ce,为什么需要接旁路电容Ce？,【例】,由三极管构成的电流源电路如图3.1.1

12、7所示。设三极管的50，rce50 k。要求：（1）写出IC与VZ的关系式；（2）计算电流源的输出电阻Ro；（3）分析当负载电阻RL改变时，电流源的静态工作条件。,mA,（2）计算Ro,该电流源电路有很高的输出电阻，因而具有较理想的恒流源特性。当 时，,（3）当负载电阻RL增大到使VCEQ0.7V时，晶体管进入饱和区，ICQIEQ，因而ICQ无法继续保持恒流。,该恒流源电路仅允许负载RL在0576之间变化。,4FET放大电路的动态分析,共源（CS）放大电路,共漏（CD）放大电路,共栅（CG）放大电路,直流负载线方程,+-,Rb,+-,vi,交流负载线方程,直流负载线,直流负载线方程,交流负载线

13、,截止失真,饱和失真,最大不失真输出幅度,三、放大电路三种组态性能指标的比较,2.2.4、多级放大电路,多级放大电路可以充分利用各个单级放大电路的优点，满足各种不同的要求。,1级间耦合,连接原则：静态时各级应设置合适的静态工作点；动态时信号能实现畅通有效的传递。,阻容耦合,优点是电路简单，各级静态工作点相不影响，在分立元件电路中应用广泛。缺点是不能放大频率较低的信号和直流信号，低频响应较差，且不便于集成化。,优点是低频特性好，可以放大变化缓慢的信号，易于集成化。缺点是各级静态工作点相互影响，分析、设计和调试较困难；并且还存在零点漂移问题。,直接耦合,变压器耦合,优点是各级静态工作点互不影响，能

14、实现阻抗变换。缺点是频率特性不好，且非常笨重。,光电耦合,抗干扰能力强，数字电路中应用广泛。,2多级放大电路的性能指标,应考虑负载效应：后一级放大电路的输入电阻作为前一级放大电路的负载对它的影响。,多级电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，当第一级为CC电路时，应考虑第二级输入电阻的影响。,多级电路的输出电阻就是末级放大电路的输出电阻，当末级电路为CC电路时，应考虑末前级输出电阻的影响。,CE（T1）和CC（T2）组成,交流通路,（CE组态，Ri2为第一级负载）,（CC组态，T2射极负载）,CE（T1）和CE（T2）组成,交流通路,e2,c2,2,vo1,vo1,【例】,分析图示电路，画出交流通路，设T1、T2和T3的，rbe相同，试说明各电路组态，指出输出电压和输入电压间的相位关系,解:T1为CE组态，输出与输入相差180，即 T2为CB组态，输出与输入同相位，即 T3为CC组态，输出与输入同相位，即所以输出与输入之间的相位：,【例】,已知125，rbb=300，求（1）电压放大倍数；（2）输入电阻,解：,（1）,Rb2,Re,Rb1,Rb,A,（2）,Ri,