第12章基本放大电路.ppt

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1、第12章 基本放大电路,12.1 基本放大电路的组成,12.2 放大电路的直流通路和静态分析,12.4 静态工作点的稳定,12.5 射极输出器,12.7 互补对称功率放大电路,12.3 放大电路的交流通路和动态分析,12.6 差分放大电路,本章要求：,1.理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、共集电极放大电路的性能特点；掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等 效电路分析法；理解放大电路输入、输出电阻，理解互补功率放 大电路的工作原理；4.理解差动放大电路的工作原理和性能特点；,第12章 基本放大电路,重点：放大电路静态值的计算，微变等效电路分析方法，分压式偏置电路，射级输出器的特点和用

2、途。难点：微变等效电路的分析。,放大的概念:,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。,放大的实质:用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。,对放大电路的基本要求：1.要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。2.尽可能小的波形失真。另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路，同时介绍功率放大电路。,12.1 基本放大电路的组成,微弱信号,放大：,放大的两个要求：信号增强、波形不失真,12.1 基本放大电路的组成,一、共发射极基本放大电路组成,共发射极基本电路,二、基本放大电路各元件作用,晶体管V-放大元件,i

3、C=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。,基极电阻RB-使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本电路,二、基本放大电路各元件作用,集电极电源UCC-为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC-将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容C1、C2-隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。,信号源,共发射极基本电路,负载,信号源的两种形式,电压源：,电流源：,理想电压源与内阻相串联。,理想电流源与内阻相并联。,符号规定,三、放大电路中静态和动态分析,直流分量IB,交流分量 ib,iB,t,瞬时值 iB,0,12.2 放大电路的直流

4、通路和静态分析,静态：放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。,分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。,设置Q点的目的：(1)使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。,静态工作点Q：IB、IC、UCE。,静态分析：确定放大电路的静态值。,12.2.1 用估算法确定静态值,1.直流通路估算 IB,根据电流放大作用,2.由直流通路估算UCE、IC,当UBE UCC时，,由KVL:UCC=IB RB+UBE,由KVL:UCC=IC RC+UCE,所以 UCE=UCC IC RC,例1：用估算法计算静态

5、工作点。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k，=37.5。,解：,注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同,12.2.2 用图解法确定静态值,用作图的方法确定静态值,步骤：1.用估算法确定IB,优点：能直观地分析和了解静 态值的变化对放大电路 的影响。,2.由输出特性确定IC 和UCC,直流负载线方程,12.2.2 用图解法确定静态值,直流负载线斜率,直流负载线,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,求例1（图解法）,分析UCEQ对电路的Q的影响：,UCEQ太大,截止区,UCEQ太小,饱和区,分析RB对电路的Q的影响：,RB 太大,截止区,RB 太小,饱和区,12.

6、3 放大电路的交流通路和动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态。,分析方法：微变等效电路法，图解法。所用电路：放大电路的交流通路。,动态分析:计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析对象：各极电压和电流的交流分量。,目的：找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计 打基础。,12.3.1 交流通路,交流通路画法：（Cb1、Cb2、VCC 短路）,共发射极基本电路,12.3.2 动态分析,微变等效电路：把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此

7、，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,(小信号模型法）,1.微变等效电路法,晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。,1)三极管的微变等效电路,UBE,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,(1)输入回路,Q,输入特性,晶体管的输入电阻,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系，rbe是一个对交流信号而言的动态电阻。,(2)输出回路,输出特

8、性,输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源 ic=ib等效代替，即由来确定ic和 ib之间的关系。,一般在20200之间，在手册中常用hfe表示。,ib,晶体三极管,微变等效电路,(3)三极管的微变等效模型,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,复习：受控源,独立电源：指电压源的电压或电流源的电流不受 外电路的控制而独立存在的电源。,受控源的特点：当控制电压或电流消失或等于零时，受控源的电压或电流也将为零。,受控电源：指电压源的电压或电流源的电流受电路中 其它

9、部分的电流或电压控制的电源。,四种理想受控电源的模型,电压控制电压源,电流控制电压源,电压控制电流源,电流控制电流源,2）放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,交流通路,微变等效电路,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,微变等效电路,2）放大电路的微变等效电路,将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,（1）电压放大倍数Au,当放大电路输出端开路(未接RL)时,因rbe与IE有关，故放大倍数与静态 IE有关。（P41例题12.2略）,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,式中

10、的负号表示输出电压的相位与输入相反。,例1：,(2)放大电路输入电阻ri,定义：,ri是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。,ri,越好,优点：（1）ri 从信号源吸取电流；（2）ri 电压；（3）ri 多级放大中提高前级的Au。,例1：,定义：,ro是表明放大电路带负载能力的参数。,ro,越好,(3)放大电路输入电阻ro,共射极放大电路特点：1.放大倍数高；2.输入电阻低；3.输出电阻高。,例3：,求ro的步骤：(1)断开负载RL,(2)令 或,(课堂练习)综合例题：已知 VCC=12V，Rc=3K，Rb=470K，=100,试求：,（1）静态工作点,（2）Au,（3）ri、ro,（4）

11、接RL2K,后的Au,+,+,（1）静态工作点,（2）Au,rbe,Rb,Rc,（3）ri、ro,ri,rO,（4）接RL2K 后的Au,交 流 通 路,2.图解法,D,C,1)交流负载线,交流负载线反映iC和uCE的变化关系。,交流负载线斜率,动态分析作图应在交流负载线上进行！,2)分析过程,RL=,2）图解分析,(1)交流的传输情况：ui(即ube)ib ic uo(即uce)(2)电压和电流都含有交流和直流分量。(3)uO和ui相位相反.(4)由uO和ui的峰值(或峰峰值)之比可得放大 电路的电压放大倍数,RL,交流负载 线愈陡,Au。,3）非线性失真,Q不合适（Q 或Q）或 ui,原因

12、：,失真uo不能复现ui。,饱和区：饱和失真,截止区：截止失真,当动态范围进入非线性区,(1)饱和失真,a.原因：Q，或 ui,Q1进入饱和区，iC、uo失真,uo负半周削平（下削平）,b.如何消除饱和失真？,须使Q，则,调 Rb,（2）截止失真,a.原因：Q，或 ui,动态范围进入截止区，iB、iC、uo 失真,uo 正半周削平（上削平）,b.如何消除截止失真？,须使Q，则,调 Rb,(3)若信号 ui太大(10mV变成50mV)，出现截止、饱和失真,饱和失真,调 Rb,截止失真,调 Rb,饱和、截止失真,调 ui,例：通过uo波形分析失真(NPN管),注意：对于PNP管，由于是负电源供电，

13、失真的表现形式，与NPN管正好相反。,放大电路分析步骤画直流通路，计算静态工作点Q（IB、IC、UCE）画交流通路画微变等效电路计算 rbe计算电压放大倍数 Au计算输入电阻 ri计算输出电阻 ro,1.温度变化对静态工作点的影响,12.4 静态工作点的稳定,所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。,若温度升高时要Q回到Q，则只有减小IBQ,12.4.2 分压式偏置电路,1.稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,VB,12.4.2 分压式偏置电路,1.稳定Q点的原理,VB,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,在估算时一般选取：I2=(5 1

14、0)IB，VB=(5 10)UBE，RB1、RB2的阻值一般为几十千欧。,参数的选择,VE,VB,发射极交流旁路电容CE：隔直通交。,偏置电阻RB1、RB2：固定基极电位VB。(几十千),发射极电阻RE:与 RB1、RB2共同稳Q。（几百 几千）,Q点稳定的过程,VE,VB,VB 固定,RE：温度补偿电阻 对直流：RE越大,稳定Q点效果越好；对交流：RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。,2.静态工作点的计算,估算法:,VB,3.动态分析,对交流：旁路电容 CE 将RE 短路，RE不起作用，Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,旁路电容,Ro=Rc,3.动态分析,去掉CE后的微

15、变等效电路,如果去掉CE，Au，ri，ro?,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,分压式偏置电路,ri 提高,ro不变,例1:,(例12.4.2)在图示放大电路中，已知UCC=12V,RC=6k,RE1=300，RE2=2.7k，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。,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。,12.5 射极输出器,因对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大

16、电路。因从发射极输出，所以称射极输出器。,共集电极电路,求Q点：,1.静态分析,直流通路,2.动态分析,1)电压放大倍数,电压放大倍数Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,微变等效电路,2)输入电阻,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。ri 与负载有关,外加,3)输出电阻,射极输出器的ro很小，带负载能力强。,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,1.电压放大倍数小于1，约等于1;2.输入电阻高；3.输出电阻低；4.输出与输入同相。,例1:,.,在图示放大电路中，已知UCC=12V,RE=2k,RB=200k，RL=2k，晶体管=60，UBE=0.6V,信号源内阻RS

17、=100，试求:(1)静态工作点 IB、IE 及 UCE；(2)画出微变等效电路；(3)Au、ri 和 ro。,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。,微变等效电路,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1.因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2.因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3.利用 ri 大、ro小以及 Au 1 的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,

18、多级放大电路及其级间耦合方式,信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。,常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,动态:传送信号,减少压降损失,静态：保证各级有合适的Q点,波形不失真,多级放大电路的框图,对耦合电路的要求,1.耦合方式,2、阻容耦合多级放大电路,优点：各级Q点相互独立，便于设计，调试；体积小、轻。,缺点：不能放大直流或缓变信号；只放大交流信号 大容量C难制造，不便于集成，多用于分立 元件电路。,直接耦合放大电路,优点：可放大直流、交流信号；易集成,缺点：各级Q点相互影响；存在零点漂移。,(级间:导线),12.6 差分放大电路,直接耦合：将前级

19、的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,12.6.1 直接耦合与零点漂移,由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。,适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。,(2)零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化(影响最严重，也称温漂)、电源电压 波动、电路元件参数的变化。,直接耦合存在的两个问题：,(1)前后级静态工作点相互影响,电路结构对称，特性、参数相同。,差分放大电路:抑制零点漂移。,差分放大原理电路,两个输入、两个输出,两管静态工作点相同,12.6.

20、2 静态分析,1.零点漂移的抑制,uo=VC1 VC2=0，零入零出,uo=(VC1+VC1)(VC2+VC2)=0,静态时:ui1=ui2=0,当T IC1=IC2 VC1=VC2（两管变化量相等）,抑制零点漂移,IC1=IC2，VC1=VC2,UEE：补偿RE直流压降(UCE)，获合适Q点。,RE：,共模抑制电阻（负反馈）,对差模信号不作用（对差模信号短路）,RE的作用：稳定Q点，抑制漂移。,2.静态值计算,静态 ui1=ui2=0 时，设 IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC，分析单管,发射极电位 VE 0,每管的基极电流,每管的集-射极电压,单管直流通路,很小,信号输入：,uoc

21、=0(uoc1=uoc2)，即对共模信号没有放大能力。,1.共模输入 ui1=ui2,大小相等、极性相同,共模信号 需要抑制,12.6.3 动态分析,uod1=uod2,2.差模输入 ui1=ui2，大小相等、极性相反,uo=uod1 uod2=2 uod1,即对差模信号有放大能力。,差模信号是有用信号,单管差模信号通路,RE:对差模信号不起作用。两管的集电极电流一增 一减，其变化量相等，通过 RE 的电流近于不 变，RE 上没有差模信号压降，分析方法：分析单管差模信号通路(UCC、UEE短路接地)。,单管差模电压放大倍数,同理可得,双端输入-双端输出差分电路的差模电压放大倍数为,当在两管c1

22、-c2接入负载电阻时,式中,两输入端之间的差模输入电阻为,两集电极之间的差模输出电阻为,输入差模信号时，两集电极电压的变化大小相等、相位相反，负载电阻RL的中点电位始终不变，相当于交流接地。,例1:图示的差分放大电路中,已知UCC=12V,UEE=12V,=50,RC=10 k,RE=10 k,RB=20 k，RP=100,并在输出端接负载电阻RL=20k,试求电路的静态值和差模电压放大倍数。,例1:在前图所示的差分放大电路中,已知UCC=12V，EE=12V,=50,RC=10 k,RE=10 k,RB=20 k，RP=100,并在输出端接负载电阻RL=20k,试求电路的静态值和差模电压放大

23、倍数。,解:,式中,单端输出时差分电路的差模电压放大倍数为,即：单端输出差分电路的电压放大倍数只有双端输出差分电路的一半。,3.比较输入,ui1 ui2,大小极性任意,uod,uoc,uo=uod+uoc,共模信号,差模信号,例1:ui1=10 mV,ui2=6 mV,ui2=8 mV 2 mV,例2:ui1=20 mV,ui2=16 mV,可分解成:ui1=18 mV+2 mV,ui2=18 mV 2 mV,可分解成:ui1=8 mV+2 mV,共模信号,差模信号,放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号差动 放大电路。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,(Comm

24、on Mode Rejection Ratio),全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。,12.6.4 共模抑制比,共模抑制比,若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac=0 输出电压 uo=Ad（ui1 ui2）=Ad uid,若电路不完全对称，则 Ac 0，实际输出电压 uo=Ac uic+Ad uid 即共模信号对输出有影响。,功率放大电路的作用,功放作为放大电路的输出级，直接驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。,12.7 互补对称功率放大电路,电

25、流、电压信号幅度比较大，容易进入非线性区，必须注意防止波形失真。,功放电路中电流、电压要求都比较大，在不失真的情况下输出尽可能大的功率,工作在大信号状态。必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM、V(BR)CEO、PCM。,（1）输出功率要大,（2）非线性失真要小,1.功率放大电路的特点,12.7.1 功率放大电路的基本要求,直流电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即要提高电路的效率（）。,Po:负载上得到的交流信号功率。PV：电源提供的直流功率。,（3）效率要高,2.功率放大电路的分类,甲类工作状态Q点：交流负载线中点波形好,=50%。,乙类工作状态Q点：截止区波

26、形严重失真,高，=78.5%。,甲乙类工作状态Q点：放大区 但接近截止区波形严重失真,12.7.2 互补对称放大电路,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。,12.7.2 互补对称放大电路,思路：一个乙类放大电路，只工作半个周期两个乙类放大电路，分别工作在正负半周，u

27、o得到一个周期完整波形,1.OTL电路,(1)特点,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。,(2)静态时(ui=0),IC1 0，IC2 0,OTL原理电路,电容两端的电压,(3)动态时,设输入端在UCC/2 直流基础上加入正弦信号。,T1导通、T2截止；同时给电容充电,T2导通、T1截止；电容放电，相当于电源,若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。,ic1,ic2,交流通路,uo,输入交流信号ui的正半周,输入交流信号ui的负半周,(4)交越失真,当输入信号ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现

28、的失真称为交越失真。,交越失真产生的原因 由于晶体管特性存在非线性，ui 死区电压晶体管导通不好。,克服交越失真的措施,使静态工作点Q点稍高于截止点，处于微导通状态。即工作于甲乙类状态。,(5)克服交越失真的OTL互补对称放大电路,两个晶体管T1(NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同。,静态时,调节 R3,使 A 点的电位为；,输出电容CL上的电压也等于；,R1 和 D1、D2 上的压降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。,OTL互补对称放大电路,2.无输出变压器（OTL）互补对称放大电路(Output Transformerless),(1)电路,b.单电源UCC供电，每个T管供电

29、电源为 UCC,OTL原理电路,c.RL与大电容CL 接；,互补射极输出器,T1：NPNT2：PNP,a.,d.R1、D1、D2：,UBE 扩大电路，使T1、T2工作于甲乙类状态，避免交越失真,(2)静态时(ui=0),T1、T2工作于甲乙类状态，,调R3，,(3)动态时,加入正弦信号ui,T1导通、T2截止；同时给CL充电RL：uo正半周,T2导通、T1截止；CL放电，足够大代替电源向T2供电，RL：uo负半周,一个周期内，两T管交替导通，互相补足，构成一完整波形互补对称放大电路。,ic1,ic2,uo,ui正半周,ui负半周,(1)电路,OCL原理电路,b.无RL与CL 接（便于集成）；,

30、两电源,a.,c.R1、D1、D2：,UBE 扩大电路,3、无输出电容（OCL）互补对称放大电路(Output Capacitorless)电路,+UCC 供T1 UCC 供T2,ic1,ic2,(2)静态时：,ui=0V,VA=0V,(3)动态时：,ui负半周,T2导通，T1截止,加入ui,T1导通，T2截止,uo,ui正半周,在输出功率较大时常采用复合管,复合管的构成,ic1=1 ib1,ic2=2 ib2=2(1+1)ib1,ic=ic1+ic2=1+2(1+1)ib1 1 2 ib1,方式 1,ib2=ie1=(1+1)ib1,ib=ib1,复合管的电流放大系数 1 2,复合管的类型与

31、复合管中第一只管子的类型相同,方式2,总 结,三种功放的比较:,1.甲类(也称A类)在信号的一个周期中，功放管始终导通，静态电流必须大于电流交流分量的幅值。,优点：输出电压的非线性失真较小,缺点：直流电源在静态时的功耗较大，效率较低，理想情况下最大值50%,总 结,三种功放的比较:,2.乙类(也称B类)在信号的一个周期中，功放管只有半个周期导通，静态电流为0。,优点：直流电源的静态功耗等于零，效率较高，理想时可达到78.5%,缺点：有交越失真，也称为交替失真,总 结,三种功放的比较:,3.甲乙类(也称AB类)在信号的一个周期中，功放管导通时间略大于半个周期，功放管的静态电流大于零，但非常小。,

32、保留了乙类功放的优点，且克服了乙类功放的交越失真，是功放管最常用的工作状态。,12.8.3 集成功率放大电路,LM386,输入级：,双入单出差分放大电路,中间级：,共射极放大电路，高Au,输出级：,OTL互补对称放大电路单电源与CLRL接,集成功率放大器,使喇叭相当于纯电阻负载,去耦，防止低频自激,消振，防止高频自激,集成功放LM386接线图,特点:工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。,1.输入电阻：ri 的大小决定放大电路从信号源吸取信号幅值的大小,放大电路的主要性能指标,2.输出电阻：ro 的大小决定放大电路带负载的能力带负载能力：放大电路输出量随负载变化的程度。,放大倍数：Au、AI,功 率：P=UI=U2/R=I2/R功率增益=10 lg|AP|dB,3.电压放大倍数（增益）：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。,用分贝表示的电压增益和电流增益：电压增益=20 lg|AV|dB 电流增益=20 lg|AI|dB,