第二章放大电路及其分析方法

模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约1第二章放大电路及其分析方法第一节单级放大电路及其一般分析方法一、放大的概念本质：实现能量的控制。在放大电路中提供一个能源，由能量较小的输入信号控制这个能源，使之输出较大的能量，然后推动负载。小能量对大能量的控制作用称为放大作用。放大的对象是变化量。核心元件：双极型三极管和场效应管。二、固定偏置共发射极放大电路1、固定偏置共发射极放大电路中的元件及其作用（1）、基极电源与基极偏置电阻bR：使发射结正偏，并提供适当的BI和BEU。（2）、集电极电阻cR：将变化的电流转变为变化的电压。（3）、集电极电源：为电路提供能量，并保证集电结反偏。（4）、耦合电容：隔直通交，隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。2、固定偏置共发射极放大电路的工作原理外加直流电源的极性必须使发射结正偏，集电结反偏。输入回路的接法应使输入电压Iu能够传送到三极管的基极回路，使基极电流产生相应的变化量Bi。输出回路的接法应使变化量Ci能够转化为变化量CEu，并传送到放大电路的输出端。3、基本放大电路的习惯画法1C、2C为隔直电容或耦合电容；LR为负载电阻。该电路也称阻容耦合单管共射放大电路。++b2b-iuC+R-b1RuToL+CcRVCCBBV模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约2三、放大电路的主要技术指标关于各种电量表示的规定：用大写字母、大写下标表示静态的各个电量，并加上字母Q进行强调；用大写字母、小写下标表示正弦有效值，用带点的字母表示相量；用小写字母、大写下标表示实际工作中某个时刻的瞬时总量。用小写字母、小写下标表示交流通路中的各个电量某一时刻的瞬时值（变化量）；总之，小写与交流电相关，大写与直流电相关。1、放大倍数电压放大倍数：输出电压与输入电压的比。ioiouuuUUuuAA源电压放大倍数：输出电压与信号源电压的比。sosousUUuuA电流放大倍数：输出电流与输入电流的比。ioioiiiIIiiAA2、输入电阻iR：输入端的戴维南等效电阻。iiiiiIUiuR一般来说，iR越大越好：（1）、iR越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。（2）、当信号源有内阻时，iR越大，iu就越接近Su。3、输出电阻oR：输出端的戴维南等效电阻。LSRuoooooIUiuR0|输出电阻越小，负载电阻变化对输出电压的影响越小。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约3四、放大电路的基本分析方法1、直流通路与交流通路一般放大电路至少有两种源：直流源CCV和输入信号源su。根据电路的叠加定理，放大电路任意时刻的情况都是这两个源共同作用的结果。直流通路的画法：将交流电压源短路，将电容开路。交流通路的画法：将直流电压源短路接地，将电容短路。直流通路用于研究电路静态工作状态，可分析电路给晶体管提供的静态偏置的具体情况。交流通路用于研究电路的放大作用，主要是分析放大器的性能指标。需要注意的是，交流通路不是实际的电路，只是理论分析的工具，实际电路的情况是静态和动态的叠加结果，静态是工作的基础，动态是附加在静态上的变化量。五、固定偏置共发射极放大电路的分析1、静态分析静态分析是研究放大电路的工作基础，是研究整个电路为晶体管提供外部工作条件的具体情况。（1）、用图解法分析确定静态工作点1）、输入回路的静态工作点由CCV、bR以及B、E两极的电压BEu所组成的输入回路一定满足回路方程：bBCCBERiVu。由该式可以在Bi为纵轴，BEu为横轴的坐标系统中作一条直线，称为输入回路负载线。另一方面，流过晶体管的电流和电压，也一定满足晶体管的特性曲线。所以输入负载线和输入特性曲线的交点，便是实际的静态工作点。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约42）、输出回路的静态工作点由CCV、cR和C、E两极的电压CEu构成的回路一定满足回路方程：cCCCCERiVu，在Ci和CEu的坐标系统中，该式是一条直线，称为直流负载线。如图所示，晶体管BQBIi时的输出曲线与直流负载线的交点，就是输出回路的静态工作点。（2）、静态工作点的近似计算基础公式：bBCCBERiVu、cCCCCERiVu隐含条件：晶体管工作在放大区时，静态发射极正偏导通时的电压BEQU变化不大，基本可以看成一个常数：硅管的VUBEQ7.0，锗管的VUBEQ2.0。由以上条件可得：bBEQCCBQRUVIBQCQIIcCQCCCEQRIVU2、动态分析（1）、用图解法进行动态分析如右图所示，在输入回路，iu通过1C耦合将变化量叠加到晶体管的B、E两端。为了便于分析，假定iu是具有一定频率的正弦信号。iu叠加在BEQU上，引起BEu随时间变化，从而引起对应的基极电流Bi也随之变化。由于BEu变化微小，Q点附近的输入曲线基本上可以看作是直线，因此，Bi变化规律与BEu相同。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约5正常工作时，晶体管工作在放大区。因此，Bi的变化，将引起输出回路的变化。在交流通路中，只有交流分量ceu，且)//R(ucceLcRi。当变化量归零时，电路就回到静态工作点，所以交流负载线一定经过Q；交流负载线的斜率是)///1-cLRR（。3、图解法的应用（1）、用图解法分析非线性失真截止失真：静态工作点过低，引起Bi、Ci、CEu的波形失真。NPN管截止失真时的输出ou波形顶部失真。饱和失真：Q点过高，信号进入饱和区，输出ou波形底部失真。+++R--uoTuRbRLic+模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约6（2）、用图解法估算最大输出幅度当Q点过高时，最大不失真输出幅度为CESCEQUU；当Q点过低时，最大不失真输出幅度约为交流负载线与横轴交点与CEQU之间的距离。根据交流负载线的斜率)///(1-LcRR，以及几何知识，可推出此距离为)//(LcCQRRI。综合上述，无论Q点高低，最大不失真输出幅度应该是CESCEQUU与)//(LcCQRRI中较小的那一个决定，即：)]//(,min[omLcCQCESCEQRRIUUU（3）、用图解法分析电路参数对静态工作点的影响改变bR，保持CCV，cR，不变；bR增大，Q点下移；改变CCV，保持bR，cR，不变；升高CCV，直流负载线平行右移，动态工作范围增大，但管子的动态功耗也增大。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约7六、微变等效电路法晶体管在小信号(微变量)情况下工作时，可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线，三极管就可以等效为一个线性元件。微变等效条件：研究的对象仅仅是变化量，信号的变化范围很小。1、输入电路由晶体管的输入特性曲线可看出，Q点附近的工作段可近似地看成直线，并且认为BEu与Bi成正比。设晶体管的输入电阻为ber，在小信号的条件下，ber是一常数：常量CEUBBEebiur|2、输出电路假设在Q点附近特性曲线基本上是水平的(Ci与CEu无关)；在数量关系上，Ci是Bi的倍；从三极管输出端看，可以用Bi恒流源代替三极管；3、三极管的简化参数等效电路注意：这里忽略了CEu对Ci与输出特性的影响，在大多数情况下，简化的微变等效电路对于工程计算来说误差很小。++++i-ube+-ubTce+ci模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约84、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算（1）、电压放大倍数beLcbebLcbiourRRrIRRIUUA)//()//(（2）、输入电阻bebeirrR//Rb（3）、输出电阻模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约9七、工作点的稳定问题1、温度对静态工作点的影响：三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管子参数的影响主要表现有：BEU的温度系数约为CmVo/2，即温度每升高1C，BEU约下降2mV。温度每升高1C，值约增加0.5%~1%，温度系数分散性较大。温度每升高10C，CBOI大致将增加一倍，说明CBOI将随温度按指数规律上升。2、静态工作点稳定电路（1）、电路构成——分压式偏置电路与固定偏置共发射极放大电路相比，电路中增加了发射极电阻eR、发射极旁路电容eC，同时基极有两个偏置电阻1bR和2bR。1bR和2bR的阻值选择应该满足BQRII、BEQBQUV。（2）、静态分析由于BQRII，可得(估算)CCb2b1b1BQVRRRUeBEQBQeEQEQCQRUURUII则)(ecCQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU电流负反馈式工作点稳定电路过程：TCQIEQIEQUBEQU(=EQBQUU)BQICQI模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约10（3）、动态分析模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约11八、放大电路的三种基本组态1、共集电极放大电路共集电极放大电路是另一种基本放大电路，它把输入信号接在基极与公共端“地”之间，又从发射极与“地”之间输出信号，所以也称为射极输出器。从微变等效电路中可以看出，集体管集电极C是输入回路和输出回路的公共端，共集电极放大电路由此得名。（1）、静态分析eEQBEQbBQCCRIURIVeBQBEQbBQ)1(RIβURIebCCRRUVI)1(BEQBQBQCQβIIeCQCCeEQCCCEQRIVRIVU（2）、动态分析模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约12九、场效应管放大电路模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约13第二节多级放大电路一、多级放大电路的组成及耦合多级放大电由输入级、中间放大级和输出级等组成。输入级直接与信号源相连，一般要求输入级有较高的输入电阻，噪声和漂移应尽可能小；输出级用来驱动负载，要求输出级能够为负载提供足够大的输出功率OP，这一级的输出电阻一般比较小；中间放大级的主要任务是放大信号的幅度，应该有足够大的电压放大倍数uA。多级放大电路的耦合是个很重要的问题，常用的耦合方式有直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。1、阻容耦合优点：各级放大器静态工作点独立；输出温度漂移比较小缺点：适合放大缓慢变化的信号；不便于作成集成电路。2、直接耦合优点：电路中无电容，便于集成化；可放大缓慢变化的信号。缺点：各级放大器静态工作点相互影响；输出温度漂移严重。（1）、解决合适静态工作点的几种办法a、电路中接入2eR，保证第一级集电极有较高的静态电位，但第二级放大倍数严重下降。b、稳压管动态电阻很小，可以使第二级的放大倍数损失小。但集电极电压变化范围减小。c、可降低第二级的集电极电位，又不损失放大倍数，但稳压管噪声较大。d、可获得合适的工作点。为经常采用的方式。模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约14（2）、零点漂移概念：直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象。原因：放大器件的参数受温度影响或老化而使Q点不稳定。放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。抑制零点漂移的措施：a、引入直流负反馈以稳定Q点；b、利用热敏元采用差分放大电路。c、件补偿放大器的零漂3、变压器耦合优点：能实现阻抗变换；静态工作点互相独立。缺点：变压器笨重；无法集成化；直流和缓慢变化信号不能通过变压器。选择恰当的变比，可在负载上得到尽可能大的输出功率。如图所示：第二级VT2、VT3组成推挽式放大电路，信号正负半周VT2、VT3轮流导电模拟、数字及电力电子技术逾梦誓约15二、多级放大电路的分析三、放大电路的频率特性