第二章 放大电路分析基础2

第二章放大电路分析基础2.1放大电路工作原理2.2放大电路的直流工作状态2.3放大电路的动态分析2.4静态工作点的稳定及其偏置电路2.5多级放大电路放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号2.1放大电路工作原理一、放大电路的组成原理直流电源及偏置电路输入信号源输出负载sRsULR_iUiisRsULRoRiR'oU_oUoi用等效电路表示放大器1、放大电路的结构_iUiisRsULRoRiR'oU_oUoi2、放大器的性能指标输入电阻输出电阻增益非线性失真频率响应及带宽_iUiisRsULRoRiR'oU_oUoi增益增益：放大倍数A，是放大器输出量与输入量的比值，反映放大器放大电信号的能力。电压增益iouUUA电流增益ioiIIA源电压增益sousUUA功率增益iopPPA增益的分贝表示形式dBAulg20dBAilg20dBAplg10若需要得到较大输入电压，希望siRR输入电阻iiiIUR_iUiisRsULRoRiR'oU_oUoiiR若需要得到较大输入电流，希望siRRiouUUAsousUUAsiisiRRRUUsiiuusRRRAA若需要得到稳定的输出电流，则希望oLRR输出电阻LoooRUUR)1('_iUiisRsULRoRiR'oU_oUoioR若需要提高放大器的带负载能力,即使放大器输出电压稳定,不受负载变化的影响,则希望oLRR负载开路时的输出端电压为Uo’负载端输出电压为UooLLooRRRUU'22IURo输出电阻也可采用输入短路,输出去负载加电压源的方法求得频率特性放大器中的电抗性元件对不同频率的信号呈现出不同的阻抗，使放大器对不同频率的输入信号具有不同的增益，把放大器这种增益随输入信号频率变化的特性称为频率特性。)()()(AjeAjA增益：增益的幅值幅频特性:)(ωA增益的相角相频特性:)(A放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相移也不一样，当输入信号为包含多种频率分量的非正弦信号时，若某些频率超出通频带，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。中频增益低频段中频段高频段通频带：LHfff当f采用对数刻度，增益采用分贝刻度时，频率特性图又称为波特图。20vA幅频特性相频特性RsRBus+－+ui－+－UBBRL+uo－+UCC－RCC1C2V++耦合电容，起隔离直流、耦合交流的作用3、共发射极基本放大电路参考零电位点使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。放大电路组成原则：1）三极管应工作在放大区：发射结正偏、集电结反偏2）输入信号加到发射结上控制三极管电流3）信号电压经放大后能传输到负载上Rsus+－+ui－RL+uo－+UCCRCC1C2VRB++单电源供电的共发射极放大电路RsRBus+－+ui－+－UBBRL+uo－+UCC－RCC1C2V++有关符号的约定小写字母、大写下标表示总量（含交、直流）。如，uCE、iB等。大写字母、大写下标表示直流量。如，UCE、IC等。小写字母、小写下标表示纯交流量。如，uce、ib等。上方有圆点的大写字母、小写下标表示相量。如，、等。ceUbI二、直流通路和交流通路Rsus+－+ui－RL+uo－+UCCRCC1C2VRB++RC+UCCVRB+UCEQ－+UBEQ－ICQIBQ直流通路交流信号为0，电路中只有直流电压、电流耦合电容开路放大电路中流通的电信号的瞬时值为交流和直流的组合，利用电路的线性工作特性,可以分别对直流信号和交流信号的影响进行分析。Rsus+－+ui－RL+uo－+UCCRCC1C2VRB++RsRBus+－+ui－RL+uo－VRCibic交流通路耦合电容短路、电源短路只考虑对交流信号的放大作用的流通电路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）。RC+UCCVRB+UCEQ－+UBEQ－ICQIBQ一、解析法求Q值直流通路2.2放大电路的直流工作状态BBEQCCBQRUUI由基极回路求得CCQCCCEQRIUU由集电极回路求得BQCQII由电流关系得IB=00uCE/V20μA40μA60μA80μAiC/mAQICQUCEQUCCRCUCCIB=IBQ的输出特性曲线由uCE=UCC－iCRC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UCQ二、图解法三、电路参数对静态工作点的影响1、RB对Q点的影响2、RC对Q点的影响3、UCC对Q点的影响RB增加，IBQ减小，工作点沿负载线下移，反之上移。BBEQCCBQRUUICCCCRIUUCERC增加，直流负载线斜率减小，变得平坦，Q点沿iB＝IBQ左移；RC减小，直流负载线斜率增大，变得陡峭，Q点沿iB＝IBQ右移。UCC增加，IBQ增大，直流负载线平行上移，Q点往右上方移动；反之，Q点往左下方移动。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均包含直流和交流两个分量。2.3放大电路的动态分析求解放大电路的增益、输入输出电阻动态分析的目的：RsRBus+－+ui－RL+uo－VRCibic交流通路)//(ceLCcRRiuceCEuUuCELCLLCCCEQCERRRRRiUu//)//('一、图解法分析动态特性iC/mACEuQBEQUBQIBEuAiB/A、在输入曲线上求iBBEutB、根据iB在输出特性上求iC和uCE工作点的运动轨迹称为动态范围uiuo共射电路为反相放大器LCLLCCCEQCERRRRRiUu//)//('交流负载线斜率为'/1LRCCCRUCCUBQIQ'Q''QCEQUCQICEutmaxCEuminCEumaxCiminCimaxBiminBi''Q'QCCU)//()(LCCCCQCCceCEQCEbCQcCQCbBQBiBEQRbeBEQBERRiRIUuUuiIiIiiIiuUuUus很小iutBEutBEQUBitBQICitCQItCEuCEQUtoutUuimisin波形分析二、放大电路的非线性失真QBEuBiouiCCEuQ1、三极管的非线性特性引起的失真iu2、工作点Q不合适引起的失真iCCEu''QQBEQUBQIBEuBi''Q'Q饱和失真截止失真交流负载线ICQCEQUBQIQ'QQ点选择在交流负载线的中心点，可获得最大不失真输出(max{})信号幅度不大时，为降低电源消耗，在保证不失真且得到一定电压增益的条件下，可选择低一点。')(LCQCESCEQRIUU，把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路，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。三、微变等效电路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、基本思路等效的模型：h参数等效电路混合参数π型等效电路UBEIB0ΔIBΔUBEQ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ΔUBE时，基极电流变化ΔIB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示，即：bbeBBEbeiuIUr2、晶体管微变等效电路EQbe)1('IUrrTbb300'小功率管，其值约为频为基区体电阻，对于低bbreEQTrIUr)1(e效电阻为支路，等发射极支路折合到基极由为发射结结电阻，将其+ube－+uce－icibCBErbe+uce－icibCBE+ube－βib(a)三极管(b)三极管的微变等效电路0UCEICΔIBΔICQ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ΔIC仅与基极电流的微小变化ΔIB有关，而与电压uCE无关，故集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即：bciiibicrbe+ou－CBE+ui－biRCRLRBRs+us－RsRBus+－+ui－RL+uo－VRCibic四、三种基本组态放大电路的分析1、共射极放大电路的微变等效电路分析beLbbebLbbecLorRiriRiriRuuAiu式中RL‘=RC//RL电压放大倍数2）电压增益与β、RC成正比讨论：1）共射放大电路为反相放大电路3）电压增益与Q点位置的高低（ICQ）成反比ibicrbe+ou－CBE+ui－biRCRLRBRs+us－电流放大倍数bcoiiiiAii2）RL、RC成在输出端产生分流作用讨论：1）RB在输入端产生分流作用共射放大电路是一种具有电压和电流放大作用的反相放大器ibicrbe+ou－CBE+ui－biRCRLRBRs+us－beiiirrRiuRbeB//Ri讨论：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。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。输入电阻ibicrbe+ou－CBE+ui－biRCRLRBRs+us－rbe+U－cibiCBEbiRCRBRsICoRIURRo的计算方法是：信号源su短路，断开负载RL，在输出端加电压U，求出由U产生的电流I，则输出电阻Ro为：讨论：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。输出电阻Rsus+－+ui－RL+uo－+UCCC1C2VRBRE+++UCCVRB1REICQIBQ+UCEQ－+UBEQ－静态分析2、共集电极放大电路电路形式——射极输出器××ECQCCEEQCCCEQBQCQEBBEQCCBQ)1(RIURIUUIIRRUUI由基极回路由集电极回路rbe+ou－cibiCBE+iu－biRERLRBRs+su－射极输出器的微变等效电路1ieiiiLbbebobebLbLo)1()1(RiriuriuRiRiuie电压放大倍数Rsus+－+ui－RL+uo－+UCCC1C2VRBRE++动态分析1称共集电极放大器为电压跟随器或射极跟随器LbeLo)1()1(RrRuuAiuLbeBb1)1(RruRuiiiiii输入电阻])1(//[LbeBRrRiuRiiirbe+ou－cibiCBE+iu－biRERLRBRs+su－射极输出器的微变等效电路1ieiii输出电阻计算输出电阻的等效电路irbe+u－cibiCBEbIRERBRseiEbebebbRuRruRruiiiisse1//beEosRrRiuR讨论：1）电压放大倍数约等于1，即电压跟随。2）输入电阻较高。3）输出电阻较低。对共基极放大电路，其分析方法相同，参考教材P44三种组态放大电路比较1、共射电路具有反相作用对电压、电流均能放大，输入电阻值居中，输出电阻较大，频带较窄。常用作低频电压放大电路的单元电路。2、共集电路只能放大电流，不能放大电压，输出电压跟随输入电压。输入电阻最大，输出电阻最小。常用于电压放大电路的输入级和输出级，功率放大电路也常用射极输出电路。3、