第8章基本放大电路.ppt

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1、http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,第8章 基本放大电路,共射放大电路组成、工作原理、性能特点及分析方法射极输出器基本特点，差动放大电路及功率放大电路工作原理多级放大电路概念场效应管放大电路组成及分析方法,学习要点,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.1 三极管单管放大电路8.2 场效应晶体管及其放大电路8.3 多级放大电路8.4 差动放大电路8.5 互补对称功率放大电路,第8章 基本放大电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.1 三极管单管放大电路,8.1.1 共发射极基本放大电路的组成及工作原理,放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。

2、,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,（1）晶体管V。放大元件，用基极电流iB控制集电极电流iC。（2）电源UCC和UBB。使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。（3）偏置电阻RB。用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。（4）集电极负载电阻RC。将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧。（5）电容Cl、C2。用来传递交流信号，起到耦合的作用。同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起隔直作用。为了减小传递信号的电

3、压损失，Cl、C2应选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,共发射极放大电路的实用电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.1.2 共发射极基本放大电路的静态分析,静态是指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。,1估算法,直流通路：耦合电容可视为开路。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图解步骤：（1）用估算法求出基极电流IBQ（如40A）。

4、（2）根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。（3）作直流负载线。根据集电极电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC，其斜率为1/RC，只与集电极负载电阻RC有关，称为直流负载线。（4）求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB=40A的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q，该点就是静态工作点。由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ。,2图解法,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,IB=40A的输出特性曲线

5、,由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线,两者的交点Q就是静态工作点,过Q点作水平线，在纵轴上的截距即为ICQ,过Q点作垂线，在横轴上的截距即为ICQ,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.1.3 共发射极基本放大电路的动态分析,动态是指有交流信号输入时，电路中的电流、电压随输入信号作相应变化的状态。由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作，电路中的电压uCE、电流iB和iC均包含两个分量。,交流通路：（ui单独作用下的电路）。由于电容C1、C2足够大，容抗近似为零（相当于短路），直流电源UCC去掉（短接）。,http:/电子发烧友 http:/

6、电子技术论坛,1图解法,图解步骤：（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）作交流负载线。（4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,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

7、，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，称为截止失真。饱和失真和截止失真统称为非线性失真。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2微变等效电路法,把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个

8、线性电路，就是放大电路的微变等效电路，然后用线性电路的分析方法来分析，这种方法称为微变等效电路分析法。等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内，用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,（1）基本思路,（2）晶体管微变等效电路,输入特性曲线在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的。当uBE有一微小变化UBE时，基极电流变化IB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示，即：,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线，集电极电流的微小变化IC仅与基极电流的微小变化IB有关，而与电压uCE无关，故集电极和发

9、射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即：,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,（3）放大电路微变等效电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,电压放大倍数,式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,输入电阻,Ri,输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流（输入电流）的大小。为了减轻信号源的负担，总希望Ri越大越好。另外，较大的输入电阻Ri，也可以降低信号源内阻Rs的影响，使放大电路获得较高的输入电压。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不理想。,htt

10、p:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,输出电阻,对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式中Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.1.4 工作点稳定的放大电路,1温度对工作点的影响,温度升高,UBE减小,ICBO增大,增大,IC增大,http:/电子发烧友 http:/电子技术论

11、坛,2工作点稳定的放大电路,条件：I2IB，则,与温度基本无关。,调节过程：,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,（1）静态分析,（2）动态分析,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,例：图示电路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻和输出电阻,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.1.5 射极输出器,（1

12、）静态分析,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,（2）动态分析,求电压放大倍数,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,求输入电阻,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,求输出电阻,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,射极输出器的特点：电压放大倍数小于1，但约等于1，即电压跟随。输入电阻较高。输出电阻较低。射极输出器的用途：射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，这是射极跟随器最突出的优点。射极跟随器常用作多级放大器的第一级或最末级，也可用于中间隔离级。用作输入级时，其高的输入电阻可以减轻信号源的负担，提高放大器的输入电压。用作输出级时，

13、其低的输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响，并易于与低阻负载相匹配，向负载传送尽可能大的功率。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,例：图示电路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100，=50。试估算静态工作点，并求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,解：（1）用估算法计算静态工作点,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.2 场效应管及其放大电路,8.2.1 绝缘栅型场效应管,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,耗尽型：UGS=0时漏、源极之间已经存在原始导电沟道

14、。增强型：UGS=0时漏、源极之间才能形成导电沟道。,无论是N沟道MOS管还是P沟道MOS管，都只有一种载流子导电，均为单极型电压控制器件。MOS管的栅极电流几乎为零，输入电阻RGS很高,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,N沟道耗尽型场效应管的特性曲线,耗尽型场效应管存在原始导电沟道，UGS=0时漏、源极之间就可以导电。这时在外加电压UDS作用下的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。UGS0时沟道内感应出的负电荷增多，沟道加宽，沟道电阻减小，ID增大。UGS0时会在沟道内产生出正电荷与原始负电荷复合，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。UGS达到一定负值时，沟道内载流子全部复合耗尽

15、，沟道被夹断，ID=0，这时的UGS称为夹断电压UGS(off)。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,增强型场效应管不存在原始导电沟道，UGS=0时场效应管不能导通，ID=0。UGS0时会产生垂直于衬底表面的电场。P型衬底与绝缘层的界面将感应出负电荷层，UGS增加，负电荷数量增多，积累的负电荷足够多时，两个N+区沟通，形成导电沟道，漏、源极之间有ID出现。在一定的漏、源电压UDS下，使管子由不导通转为导通的临界栅、源电压称为开启电压UGS(th)。UGS UGS(th)时，随UGS的增加ID增大。,N沟道增强型场效应管的特性曲线,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛

16、,按场效应管的工作情况可将漏极特性曲线分为两个区域。在虚线左边的区域内，漏、源电压UDS相对较小，漏极电流ID随UDS的增加而增加，输出电阻ro较小，且可以通过改变栅、源电压UGS的大小来改变输出电阻ro的阻值，这一区域称为可变电阻区。在虚线右边的区域内，当栅、源电压UGS为常数时，漏极电流ID几乎不随漏、源电压UDS的变化而变化，特性曲线趋于与横轴平行，输出电阻ro很大，在栅、源电压UGS增大时，漏极电流ID随UGS线性增大，这一区域称为放大区。,综上所述，场效应管的漏极电流ID受栅、源电压UGS的控制，即ID随UGS的变化而变化，所以场效应管是一种电压控制器件。场效应管栅、源电压UGS对漏

17、极ID控制作用的大小用跨导gm表示：,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.2.2 场效应管放大电路,1静态分析,设UGS=0，则：,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2动态分析,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.3 多级放大电路,8.3.1 阻容耦合多级放大电路,各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量

18、的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,1阻容耦合多级放大电路分析,（1）静态分析：各级单独计算。,（2）动态分析电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。,注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。输入电阻就是第一级的输入电阻。输出电阻就是最后一级的输出电阻。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2阻容耦合多级放大的频率特性和频率失真,中频段：电压放大倍数近似为常数。低频段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成

19、电压放大倍数减小。高频段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特性，相位移与频率的函数关系称为相频特性，二者统称为频率特性或频率响应。放大电路呈现带通特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上限频率和下限频率，其差值称为通频带。一般情况下，放大

20、电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.3.2 直接耦合多级放大电路,优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的

21、原因很多，其中最主要的是温度影响。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.4 差动放大电路,8.4.1 差动放大电路的工作原理,抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,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uol和uo2。由于电路是对称的，所以uol=uo2，差动放大电路的输出漂移uouoluo2 0，即消除了零点漂移。,1抑制零点漂移的原理,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。,因两侧电路对称，放

22、大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则：,差模电压放大倍数：,可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,3共模输入,共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。,共模电压放大倍数：,说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。,共模抑制比：,共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。,http:/电子

23、发烧友 http:/电子技术论坛,在发射极电阻RE的作用：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。,负电源UEE的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。,恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.4.2 差动放大电路的输入输出方式,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。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,单

24、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，单端输入属于差模输入。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对

25、零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.5 互补对称功率放大电路,8.5.1 功率放大电路的特点及类型,1功率放大电路的特点,功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态，非线性失真也要比小信号的电压放大电路严重得多。此

26、外，功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，必须尽可能提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2功率放大电路的类型,甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50。乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类

27、和乙类之间。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,8.5.2 互补对称功率放大电路,1OCL功率放大电路,静态（ui=0）时，UB=0、UE=0，偏置电压为零，V1、V2均处于截止状态，负载中没有电流，电路工作在乙类状态。动态（ui0）时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载；在ui的负半周V2导通而V1截止，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载。可见在输入信号ui的整个周期内，V1、V2两管轮流交替地工作，互相补充，使负载获得完整的信号波形，故称互补对称电路。,由于V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可与低阻负载RL直

28、接匹配。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真称为交越失真。产生交越失真的原因是由于V1、V2发射结静态偏压为零，放大电路工作在乙类状态。当输入信号ui小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压为零，使波形失真。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V2虽然都已基本导通，但因它们对称，UE仍为零，负载中仍无电流流过。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2OTL功率放大电路,因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载，同时对电容C充电；在ui的负半周V2导通而V1截止，电容C通过V2、RL放电，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载，电容C在这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，必须保持电容C上的电压基本维持在UCC/2不变，因此C的容量必须足够大。,