放大电路基础10

第二章放大电路基础1、概述:放大电路（即放大器）是应用最为广泛的一类电子线路，它的功能是:将输入信号不失真地放大。在通信、自动控制、电子测量及广播、电视等方面和电子设备中，放大器是必不可少的组成部分。一、放大电路的基本概念所谓放大电路，就是指:由放大元件（如三极管、场效应管等）为核心元件构成的电路。由于三极管、场效应管是非线性的，故放大电路就是非线性电路。其作用是:将输入信号不失真地放大，使输出信号的强度（功率、电压或电流）大于输入信号，且不失真地重现输入信号的波形。•在放大电路中，三极管是一个放大元件，它是组成放大电路的核心。其输出信号的幅度必须忠实地反映输入信号的变化，不能任意波动。（二极管、稳压管没有放大作用）•另外，根据三极管的输入特性和输出特性，我们必须掌握一点：为实现线性放大，不应使三极管工作在输入特性的死区，而必须使之工作在放大区。（场效应管则必须工作在饱和区）二、放大电路的分类：1.根据非线性元件的数量分：*简单放大电路：由一只晶体管（或FET）组成。且有（基本放大电路）共射极、共基极、共集电极、共源极、共漏极等。*多级放大电路：由两只以上晶体管（或FET）组成，也可以有多种其他组合电路形式。2.根据放大信号不同特征来分：•直流放大器：其工作信号（被放大的对象）是缓慢变化的信号。•音频放大器：其工作信号（被放大的对象）是语言信号的放大器。•视频放大器：其工作信号（被放大的对象）是图像信号。•高频放大器：其工作信号（被放大的对象）是高频载波信号或已调制的信号。3.根据工作信号的强弱分：•小信号放大器——工作信号幅度很小。•大信号放大器——工作信号幅度很大，常用作功率放大。三、在这一章里，我们将以几种基本放大电路为例。介绍放大电路的组成原则、工作原理、性能指标、计算分析方法等；在此基础上再扩展到多级放大电路、差分放大电路、集成运算放大电路、功率放大电路等的工作原理及其频率特性。第一节放大电路的组成原则这一节我们将以NPN型管的单级共射放大电路为例，说明放大电路的组成原则以及电路中各元器件的作用。1.电路各部分组成及作用：如下图所示三极管放大电路有三种形式共射放大器共基放大器共集放大器以共射放大器为例讲解工作原理放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。uiuo输入输出参考点RB+ECEBRCC1C2T作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。基极电源与基极电阻RB+ECEBRCC1C2T集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。RB+ECEBRCC1C2T集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。RB+ECEBRCC1C2TT是一只NPN型晶体管。在电路中起放大作用，是核心元件。VCC或Ec是集电极回路的电源，为输出信号提供能量，没有它放大电路就无法工作。RC是集电极电阻。可以将电流的变化量转变为电压的变化量并反映到输出端。VBB或Eb是基极电源、Rb为基极电阻，它们一方面为发射结提供正向偏置电压，同时也决定了基极电流的大小，而IB的大小与放大作用的好坏密切有关。•所以，VBB和Rb一方面要提供放大电路所需的IB另一方面又要控制IB的大小。同时，在一般的单管共射电路中，为了使三极管能够工作在正常的放大状态，必须使Je正偏，Jc反偏。故VCC、VBB、RC、Rb之间一定要有一定的配合关系。当我们不希望电路中的固定电压被引到信号源或负载时（我们只希望被放大的对象是信号源，然后输出到输出端上），就要采取隔离措施。使用C1和C2等耦合电容，它们的作用是隔直通交。C1的作用：隔离VBB与交流输入Vi，将Vi耦合到Je上C2的作用：隔离Vcc对RL的影响，使RL只获得变化量。2、输入信号在放大电路中的传输过程各点波形RB+ECRCC1C2uitiBtiCtuCtuotuiiCuCuoiB2、输入信号在放大电路中的传输过程•Ui的波形如图，输入时相当于加在Je和Rb上的电压发生了变化如：VBB→VBB+△UI=UBBIB→IB+△IB=iB•基极电流的变化放大了β倍后成为集电极电流的变化。IC→Ic+△Ic=ic•Ic流过Rc后产生电压变化为：URC→URC+△URCVo→Vo=Vcc-(URC+△URC)=Uo+△Uo放大管三个极端的电量均由两部分构成：第一部分：IB、Ic、UCE等不随输入信号变化，称为直流量。第二部分：△IB、△IC、△URC、△UCE都随输入信号变化，称为交流量。而且，所有交流量都是迭加在直流量之上的，具体到分析时，要用叠加定理。讨论：如果放大电路中晶体管工作在截止区，所有的直流量将很小，则输入信号在传输过程中将产生截止失真；如果它工作在饱和区，Ic将增大很多，输入信号在传输过程中产生饱和失真；这两种失真都是由于管子的非线性造成的，又称为非线性失真或平顶失真。4、组成原则根据放大电路的工作原理的分析，我们不难总结出放大电路的组成必须遵循以下原则：（1）必须要有直流电源，而且电源的极性必须与晶体管的类型相配合，以保证晶体管正常工作。即Je正偏，Jc反偏。（2）偏置电路中电阻的设置要与电源相配合，以保证为晶体管提供合适的静态工作电流，使其工作在合适的区域内，比如说放大区。（3）既然要放大的是变化的输入信号，就要保证它能产生变化的输入电流（如△IB）或输入电压（△UBB），同时还要保证已放大了的信号从电路输出，得到尽量大的△Uo或△Io。即：在输入回路：变化电压产生变化电流ib(或ie)，因为ib控制ic。在输出回路：应使ic尽可能多地流到负载上去，以减少其它支路的分流作用。（4）在电路各元件的选择以及信号幅度的大小等方面，都要注意不要使输出信号产生明显的非线性失真。即：必须为电路选择合理的静态工作点Q以及限制输入信号的幅度。保证变化信号顺利输入以及变化信号的顺利输出，顺利即有效。静态工作点Q：由各极直流电压和电流所确定的工作点称为直流工作点或静态工作点。包括：UBEQ、IBQ、ICQ、UCEQ第二节放大电路的性能指标各种放大电路均可统一表示为有源线性四端网络1、输入电阻：在上述有源四端网络中，对输入信号而言，放大器可以看成是它的负载，用等效电阻Ri表示，这个电阻Ri就称为输入电阻，定义为：（Ui,ii均为有效值）iiiiURRi的意义：当输入信号电压加到放大电路的输入端时，总要产生一个输入电流，而当输入电流与电压同相时，从等效的观点出发，我们可以想象从输入端往放大器看去好象有一个电阻。Ri越大，表明它从信号源取得电流越小，放大电路输入端取得端入信号Ui越接近于Us，抗干扰性越好。2、输出电阻：从输出端向放大器看去，好象有一个等效电阻，这个等效电阻，就称为输出电阻。LOLoRUUR)1(03、增益：用A表示，又称放大倍数A定义为放大器输出变化量与输入变化量的比值，用以衡量放大器放大电信号的能力。iouUUA电压放大倍数：ioiIIA电流放大倍数：，，，iogUIA互导放大倍数：iorIUA互阻放大倍数：以上四个公式中的电流、电压均为有效值！它进一步表明输入信号源对放大器激励的程度大小sousUUA源增益：iissoiouisisiRRRUUUU：ARRRUU则有AuRRRAARRRAisiusuiisus4、通频带：工程上，为表明增益幅值近似为恒值的频率范围，规定A(ω)自中频区增益AI下降到倍（即0.707倍或衰减3dB）所对应的频率分别称为上限频率或下限频率（fH和fL），并将其差值称为放大器的通频带fbw。即：LHbwfff5.非线性失真度系数放大电路的失真是指：输出信号不能真实地重现输入信号波形的一种物理现象。213212213212)()()()(mmmmIIIIAAAAD6.最大不失真输出电压当输入电压再增大时，就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。7.最大输出功率和效率当输出信号时不失真时，负载上能够获得最大功率即为最大输出功率。OmOPPUU22PvPom＝第三节放大电路的基本分析方法三极管的输入特性和输出特性都是非线性的，因此对放大电路进行定量分析时，主要矛盾是如何处理三极管的非线性问题。而要解决这个问题，常用以下两种方法：1.图解法2.小信号等效电路法（又称微变等效电路法）放大电路的分析方法放大电路分析静态分析动态分析估算法图解法微变等效电路法图解法计算机仿真所谓图解法：就是在承认三极管特性为非线性的前提下，在管子的特性曲线上用作图的方法求解。而小信号等效电路法：（又称微变等效电路法）其实质是在静态工作点附近一个比较小的变化范围内，近似地认为三极管的特性是线性的，由此导出三极管的等效电路以及一系列小信号等效参数，从而将非线性问题转化为线性问题，这样我们就可以利用电路原理中学过的有关线性电路的各种规律来求解三极管放大电路。另一方面，在放大电路中我们要处理的信号通常是交、直流的混合量，故在计算时可以将交直流分开考虑；（叠加定理）重要问题所谓对放大电路的分析，就是要确定外电路在晶体管或场效应管各极上产生的电压和电流值。因此有两个工作要做：(1)直流分析→确定静态Q点；(2)交流分析→计算电路的动态性能指标，如Au、Ri、Ro等。一、直流通路和交流通路•直流通路和交流通路的划分依据：叠加定理。•直流通路：在直流电源作用下，直流电流流经的通路•交流通路：在输入信号作用下，交流信号流经的通路•在分析放大电路时，应遵循“先静态、后动态”的原则，即：求解静态工作点时应利用直流通路。•求解交流动态参数时应利用交流通路。1.直流通路：直流通路（实际就是放大电路的偏置电路）当输入信号Ui=0时，电路中只有直流量，我们就把Ui=0时形成的电流通路称为直流通路。直流通路画法原则：（举例）对直流来讲，电容视为开路，电感视为短路。①令Ui=0（输入信号为0）②耦合电容C1、C2等开路，电感等短路③保留直流电压源Vcc或Ec例：对直流信号（只有+EC）开路开路RB+ECRCC1C2T直流通路RB+ECRC2.交流通路：交流通路：在只考虑交流信号作用时，电路中只有交流量，电路为动态的，此时凡是固定不变的量均为零，即恒定电压源视为短路，恒定电流源视为开路。（举例）交流通路画法原则：①令Ui≠0（加入输入信号）②电容C1、C2对交流信号短路③直流电压源自身短路对交流信号(输入信号ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路二、图解法图解法：就是以作图的方法，求解出放大电路的主要参数和性能指标。图解法的关键：是利用晶体管的特性曲线来表示其电流、电压的关系，管外电路的电流、电压关系也要用伏安特性曲线来描述。图解法的基本分析过程：在晶体三极管伏安特性曲线上作出描述管外电路的负载线，它们的交点坐标便是所求的电路变量。图解法的基本分析步骤(略)1、直流负载线ICUCEUCE~IC满足什么关系？1.三极管的输出特性。2.UCE=EC–ICRC。ICUCEECCCREQ直流负载线与输出特性的交点就是Q点IB直流通道RB+ECRC直流负载线和交流负载线2、交流负载线icLcecRui1其中：CLLRRR//uceRBRCRLuiuo交流通路iC和uCE是全量，与交流量ic和uce有如下关系CciiCEceuu所以：LCECRui1即：交流信号的变化沿着斜率为：LR1的直线。这条直线通过Q点，称为交流负载线。交流负载线的作法ICUCEECCCREQIB过Q点作一条直线，斜率为：LR1交流负载线用图解法分析放大倍数（p85）三、等效电路分析方法•由于电路中直流、交流并存，必须分开处理，故又分为两步走：•1.工程近似分析法（直流等效电路法）•2.小信号等效电路法（交流微变等效电路法）•在此之前，先为电路中的交流、直流信号分清各自的流通路径；工程近似分析法必须借助直流通路；小信号等效电路法则必须借助交流通路和小信号等效电路。3、对直流通路采用工程近似法对放大电路进行直流分析采用工程近似法分析时，必须确定晶体三极