电工电子基本放大电路与运算放大电路

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第六章基本放大电路和集成运算放大器第四节运算放大电路第一节基本放大电路第三节功率放大电路第五节放大电路中的负反馈第六节正弦波振荡电路第二节多级放大电路放大电路基本知识1.放大器概述放大电路简称放大器,它可以将微弱的电信号放大,转换成较强的电信号。放大电路的实质是能量的控制和转换,电路的输出功率应大于输入功率,同时保证输出信号波形不失真。放大电路基本知识2.放大器的放大倍数电压放大倍数:电流放大倍数:功率放大倍数:工程上常用对数来表示放大倍数,称为增益G,单位为分贝(dB)。电压增益Gv=20lgAv(dB)电流增益Gi=20lgAi(dB)功率增益Gp=10lgAp(dB)oivvAvoivvAvoiiiAiioPPApoooiiiPivPivAAAPiv3.放大器的分类根据被放大信号频率的高低,可分为直流放大器、低频放大器和高频放大器;根据被放大信号的强弱,可分为小信号放大器和大信号放大器;根据被放大的对象,可分为电流放大器、电压放大器和功率放大器;按照晶体管不同的连接方式,可分为共发射极、共基极和共集电极放大器;按照器件的集约化程度,可分为分立元件和集成电路放大器。放大电路基本知识共发射极单管放大电路1.电路结构共发射极单管放大电路是最基本的放大电路,它的工作频率在20HZ~20KHZ的低频范围内,用于放大较小的电压、电流,又称为单级低频小信号放大器。共发射极单管放大电路2.电路的工作原理静态分析:放大电路无交流信号输入时的工作状态称为静态,此时,晶体管直流电压UBE、UCE和对应的直流电流IB、IC统称为静态工作点Q,通常写成UBEQ、UCEQ、IBQ、ICQ。BCCRUIBQICQ=IBQUCEQ=UCC-RCICQBCCRUUIBEQBQ因为UCCUBE,则:静态工作点计算:共发射极单管放大电路动态分析放大电路输入交流信号不为零时的工作状态称为动态。共发射极单管放大电路放大电路只考虑交流信号时所形成的电流通路称为交流通路,动态分析时常画出其交流通路,画法是将电容和直流电源都视为短路,其他不变,如图6-6所示。综上所述,共发射极单管放大电路有以下特点:为了不失真地放大信号,放大电路必须设置合适的静态工作点。共射极放大电路对输入信号具有放大和反相作用。放大电路工作时同时存在着直流分量和交流分量两种成分。直流分量反映的是直流通路的情况;交流分量反映的是交流通路的情况。共发射极单管放大电路3.静态工作点对输出波形的影响静态工作点Q选择不当,会使放大电路工作时产生信号波形失真,所谓失真,是指输出信号波形与输入信号波形存在的差异。由于晶体管特性的非线性造成的失真称为非线性失真,主要包括截止失真、饱和失真和双向失真。共发射极单管放大电路截止失真如果静态工作点Q偏低(近于QB),在输入信号的负半周,晶体管因发射结反偏进入截止状态,使输出电压uce波形的正半周被削去一部分,产生了严重失真。这种因晶体管进入截止区而产生的失真称为“截止失真”,可适当减小偏置电阻RB,提高Q点来消除失真。共发射极单管放大电路双向失真如果输入信号幅度过大,可能同时产生截止失真和饱和失真,称为双向失真,应设法降低输入信号的电压幅值或增大电源电压,再调节RB建立适当的静态工作点来消除失真。共发射极单管放大电路饱和失真如果静态工作点Q偏高(近于QA),在输入信号的正半周,晶体管进入饱和状态,使输出电压uce波形的负半周被削去一部分,也产生了严重失真。这种因晶体管进入饱和区而产生的失真称为“饱和失真”,可适当增大偏置电阻RB,降低Q点来减小或消除失真。共发射极单管放大电路4.放大电路的输入、输出电阻放大电路的输入电阻是从放大电路的输入端向右看进去的交流等效电阻,用Ri表示。Ri在数值上等于输入电压ui与输入电流ii的比值,即iiiuRi共发射极单管放大电路4.放大电路的输入、输出电阻放大电路的输出电阻是从放大电路的输出端向左看进去的交流等效电阻,用Ro表示。Ro在数值上等于输入电压uo与输入电流io的比值,即oooiuR放大器的偏置电路1.温度对静态工作点的影响晶体管的参数受温度影响很大,当温度升高时,β增大,ICBO增大,UBE减小,晶体管的穿透电流ICEO将大幅度增大,考虑到IC=βIB+ICEO,晶体管的集电极电流IC将迅速增大,这样在环境温度变化或更换晶体管时,原来设置的静态工作点就发生了变化,严重时将导致电路无法正常工作。放大器的偏置电路2.分压式稳定工作点偏置电路电路工作原理如下:如果温度升高使IC增大,则IE也增大,使发射极电位UE=IERE升高,则UBE=UB-UE减小,于是基极偏流IB减小,使集电极电流IC的增加受到限制,从而达到稳定静态工作点的目的。上述稳定工作点的过程表述如下:T(温度)↑→IC↑→IE↑→VE↑→UBE↓IC↓←IB↓放大器的偏置电路3.静态工作点的估算对电路进行静态分析得到如下估算公式:B2BQCCB1B2RUURREQBQBEQUUUCQBQIICEQCCCQCEQEUUIRIREQCQEQEUIIR=CEQCCCQCEQEUUIRIR多级放大电路的组成多级放大电路中与信号源相连的第一级放大电路称为输入级,与负载相连的末级放大电路称为输出级,其余称为中间级。输入级主要与信号源配合进行电压放大;输出级要在不失真的情况下向负载提供足够的功率;中间级应保证放大倍数足够大。多级放大电路的组成多级放大电路中,级与级之间的连接称为耦合。级间的耦合应满足各级放大电路有正常的静态工作点。信号能顺利地由前级传送到后级,而且传送过程中失真小,传输效率高。常用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合和光电耦合等。1.阻容耦合电容C2将两个单级放大电路连接起来。由于耦合电容具有隔直作用,因而前后级放大电路的静态工作点互不影响,这给分析、设计和调试放大电路带来很大方便。2.变压器耦合放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端。由于变压器隔断了直流,所以各级放大电路的静态工作点也是相互独立。而且,在传输信号的同时,变压器可以进行阻抗变换。多级放大电路的组成3.直接耦合前级输出端与后级输入端直接相连。这种直接耦合方式使各级之间的直流通路相连,因而静态工作点不能独立,相互影响,需合理地安排各级的直流电位,使它们合理配合。多级放大电路的组成4.光电耦合耦合方式以光信号为媒介来实现电信号的传递,图中发光二极管将输入电信号转换成相应的光信号,发射至光电三极管,光电三极管再把接收到的光信号转换成电信号,并加以放大。由于它通过电—光—电的转换来实现级间耦合,各级的直流工作点相互独立,有效的抑制各种干扰信号。多级放大电路的组成3.输出电阻多级放大电路的输出电阻Ro等于第n级(末级)的输出电阻Ron,即Ro=Ron多级放大电路的简单分析1.电压放大倍数在多级放大电路中,由于前级的输出电压就是后级的输入电压,所以总的电压放大倍数等于各级放大倍数之积,对于n级放大电路,有Au=Au1Au2Aun2.输入电阻多级放大电路的输入电阻Ri就是第一级的输入电阻Ri1,即Ri=Ri1功率放大电路的概念功率放大电路(简称功放),通常位于多级放大电路的最后一级,作用是将已经放大的电压信号再进行功率放大,为负载提供足够大的输出功率。一个性能良好的功率放大电路,应符合以下基本要求:1.输出功率大,以满足驱动负载的需要;2.信号失真小,以保证输出信号的逼真度;3.转换效率高;4.散热性能好,以保证功放管安全工作。功率放大电路的分类1.甲类功放Q点位于交流负载线的中点,如图6-17a所示,在输入信号的整个周期内都有电流流通,晶体管处于放大状态。电路特点是输出波形失真小,但静态电流大,效率较低,最高不超过50%。功率放大电路的分类2.乙类功放Q点处于截止区,如图6-17c所示,在输入信号的整个周期内,晶体管半个周期处于放大状态,半个周期处于截止状态,只有半波输出。电路特点是输出波形失真大,但静态电流几乎为零,效率较高,最高可达78.5%。在实际应用中,常采用两只晶体管组成互补对称放大电路,以减小失真。功率放大电路的分类3.甲乙类功放Q点处于截止区,如图6-17b所示,晶体管导通时间比半个周期稍大而不足整个周期,介于甲类和乙类中间。电路特点是输出波形失真大,静态电流较小,效率仍比较高,接近乙类功放。乙类互补对称功率放大电路1.电路的工作原理双电源互补对称功率放大电路,简称OCL电路,其原理电路如图6-18所示。图中VT1、VT2是两个特性一致的NPN型和PNP型晶体管,均工作在乙类状态。两管基极相连为信号的输入端;发射极接在一起并与负载相连,作为信号的输出端。乙类互补对称功率放大电路当输入信号vi=0时,VT1、VT2均零偏截止,负载RL上静态电流为零。又由于两管特性对称,所以输出端电压vo=0。当输入信号vi≠0时,在vi的正半周,VT1管发射结正向偏置导通,VT2管截止,VT1管的iC1流过负载RL;在vi的负半周,VT2管发射结正向偏置导通,VT1管截止,VT2管的iC2流过负载RL。这样,在输入信号的一个周期里,VT1、VT2两管在正、负半周轮流工作,电流iC1、iC2从正、反两个方向交替流过负载电阻RL,使负载获得一个周期完整的略有交越失真的信号。

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