项目一音频放大器的设计与制作任务音频放大器前置放大56页PPT

项目一音频放大器的设计与制作任务2音频放大器前置放大电路的制作（一）——认识晶体管放大电路2.4拓展知识2.4.1场效应管放大电路2.4.2差动放大电路2.4.1场效应管放大电路场效应管(FET)和双极型三极管都是电子电路中常用的，重要的放大元件。它们都具有放大作用，都是放大电路中的核心元件。场效应管和普通晶体管一样具有放大作用，它们组成的放大电路也十分相似，分析计算方法也类似。与晶体管放大电路的共发射极、共集电极、共基极接法相对应，场效应管放大电路有共源极、共漏级两种接法。一、共源极放大电路下图所示的是一个由N沟道增强型MOS场效应管作为放大元件的单管共源极放大电路的原理电路图。电路中VDD是漏极直流电源，RD是漏极负载电阻，VGG是栅极直流电源，RG为栅极电阻。输入电ui加在场效应管的栅─源极之间，输出电压uo从漏─源极之间得到。可见输入、输出回路的公共端为场效应管的源极，因此，称为共源极放大电路．对于N沟道增强型MOS场效应管来说，为了使管子工作在恒流区，以实现良好的放大作用，必须满足以下条件：uGSUTNuDSuGS－UTN图2-4-1共源极放大电路的原理电路1.静态分析场效应管组成的放大电路和晶体管—样，也必须设置静态工作点，需要计算:当输入信号为零时，管子的UGSQ、IDQ和UDSQ，可以用图解法和微变等效电路法来分析它们的工作情况。﹡近似计算MOS场效应管的栅极被绝缘层隔离，栅极没有电流，所以当输入信号为零时，栅─源间的电压等于外加的栅极直流电源VGG，即：由N沟道增强型MOS场效应管的漏极电流iD与栅─源极电压uGS之间的关系可知：iD=IDO2GSQTNUU(uGSUTN)UGSQ=VGGUDSQ=VDD－IDQRD﹡图解法在场效应管输出特性曲线的基础上，利用图解的方法得到共源放大电路的静态工作点。根据图示放大电路的漏极回路，可列出其直流负载线方程：uDS=VDD－iDRD找直线上两个特殊的点，连接这两点画出直流负载线。DDDDViRDDDVRiD=0时，uDS=VDD(VDD，0)(0，)uDS=0时，直流负载线与输出特性曲线中uGS=UGSQ=VGG的—条曲线的交点，就是所求的静态工作点，Q点的位置确定后，就可从输出特性曲线上得到IDQ和UDSQ，如图所示图2-4-2用图解法确定静态工作点Q2.动态分析场效应管是电压控制的放大元件，如果输入信号很小，场效应管工作在恒流区，和晶体管—样场效应管放大电路也可以用微变等效电路法来分析。﹡场效应管的微变等效电路图1-4-3中△Ugs栅─源极的控制电压，gm△UGS为受控电压源，它反映了栅─源极之间电压对漏极电流的控制作用，rD为场效应管的输出电阻(rD是输出特性静态工作点处斜率的倒数），rD通常为几百千欧姆，当负载电阻比rD小很多时，可认为rD开路。221DDOgsmDODgsTNTNTNdiIugIiduUUU图2-4-3场效应管和共源极放大电路的微变等效电路(a)场效应管；(b)共源极放大电路﹡共源放大电路的微变等效电路在共源放大电路的微变等效电路，图中漏－源间的等效电阻rD省略，由等效电路的输入回路可知，由于栅极电流IG=0，因此，RG上没有电压降，则：Ui=Ugs由等效电路的输出回路可知：UO=－IdRD=－gmUgsRDOmgsDmDigsUgURgRUUAu=不考虑rD，则共源放大电路的输出电路为：RO=RD共源放大电路的输入电阻很大，基本上等于场效应管栅－源极之间的等效电阻，高达1010欧姆以上。〔例2-1〕在图2-4-1所示的共源放大电路中，场效应管的输出特性曲线如图（b）所示，已知VDD＝20V，VGG＝4V，RD=10kΩ，R=＝10MΩ。①试用图解法确定静态工作点Q；②根据输出特性曲线求场效应管在Q点处的跨导；用近似估算法估算静态工作点、跨导并与②小题的结果进行比较。③估算电压放大倍数Au和输出电阻。图2-4-1共源极放大电路的原理电路图2-4-4场效应管输出特性曲线解：①图解法确定静态工作点Q由图3-9所示电路得其输出方程：UDS=VDD－IDRD=20－10IDUDS=0，ID=2mAID=0，UDS=20V在输出特性曲线中画出直流负载线，如图3-12所示，直流负载线与uGS=UGSQ=VGG=4V的交点就是静态工作点Q，由图可知：UDSQ＝10V，IDQ＝1mA。2.30.40.9553DGSiu△△②在输出特性曲线上作图求跨导gm过Q点作—条垂直于X轴的垂线，该垂线与uDS＝3V，uGS＝5V的曲线各有一个交点，由图可知，这两个交点处的iD分别为0.4mA和2.3mA，则跨导为：gm=③近似估算法估算静态工作点并进行比较由图可知，该场效应管的开电压UTN＝2V，在uGS＝2UTN＝4V处，漏极电流IDO＝1mA，可得：UDSQ=VDD－IDQRD=20－1×10=10V（近似计算的结果与图解法一致）根据公式近似计算跨导：gm=221112DODQTNIIUms计算结果与图解法的结果相近，略有误差。22412111GSQDQDOTNUIImAU二、分压－自偏压式共源极放大电路图2-4-5所示的共源极放大电路中，只用了一路直流电源VDD，静时栅极电压UGQ由VDD经电阻R1和R2分压获得，静态漏极电流IDQ在源极电阻RS上产生—个自偏压USQ（USQ=IDQRS），则静态偏置电压由分压和自偏压共同决定，UGSQ＝UGQ－USQ，所以称为分压－自偏压式共源极放大电路。电路中的源极电阻RS与晶体管分压式稳定静态工作点电路一样，电路中的射极电阻Re都是起稳定静态工作点的作用，为防止接入RS后影响电压放大倍数，也在其两端并联—个旁路电容CS，从交流通路上看其输入、输出回路都共用源极，所以称之为共源放大电路。栅极接入—个大电阻RG，目的是为了提高放大电路的输入电阻。由于栅极没有电流，因此RG上没有压降。C1、C2为隔直电容。图2-4-5分压一自偏式共源极放大电路1.静态分析122GQDDRRVRR112DDDQSRVIRRR21GSQDOTNUIUUSQ=IDQRIDQ=┅┅②┅┅①求解上述两个联立方程①、②，确定静态漏极电流IDQ，栅源极的静态电压UGSQ，则：UGSQ=UGQ－USQ=UDSQ=VDD－IDQ(RD+RS)2.动态分析利用微变等效电路计算电压放大倍数和输入输出电阻。设C1、C2、CS足够大，对交流信号而言相当于短路，电源电压的变化量为零，视为短路，共源极放大电路的交流通路和微变等效电路如图2-4-6所示。Ui=UgsUO=－IdRD∥RL=－IdRD’=－gmUgsRD’'OmDiUgRUAu=Ri=RG+R1∥R2RO=RD图2-4-6共源极放大电路的交流通路和微变等效电路〔例2-2〕电路如图2-4-7所示，VDD=24V，RS=2.5kΩ，RD=10kΩ，R1=100kΩ，R2=300kΩ，RG=10MΩ，IDO=2mA，UTN=2V，电容C1、C2和CS足够大，负载电阻RL=10kΩ。①试用近似估算法计算静态工作点；②利用微变等效电路法计算放大电路的Au、Ri、Ro；③若去掉旁路电容Ce，则Au＝？图2-4-7无旁路电容Ce的微变等效电路①列联立方程确定静态工作点：解：221212GSQGSQDOTNUUIU112DDDQSRVIRRR100242.5100300DQIIDQ=UGSQ==解方程得：IDQ=1.03mAUGSQ=3.43VIDQ=2.4mAUGSQ=0UTN(舍去)则；IDQ=1.03mAUGSQ=3.43VUDSQ=VDD－IDQ(RD+RS)=24－1.02×(10+2.5)=11.25V2221.021.432DQDOTNIIU②计算放大电路的Au、Ri、RO；Au=－gmRD’=－1.43×10∥10=－7.15Ri=RG+R1∥R2=10+0.1∥0.3=10.075MΩRo=RD=10kΩgm=mA③去掉旁路电容Ce后，放大电路的微变等效电路如图2-4-7所示，由图可得：Ui=Ugs+IdRS=Ugs+gmUgsR=Ugs(1+gmRS)UO=－IdRD’=－gmUGSRD’''(1)1OmgsDmDigsmSmSUgURgRUUgRgR1.4310101.5611.432.5∥Au=Au=由结果可知，去掉旁路电容后放大倍数减小。三、共源放大电路与共射极放大电路的比较共源放大电路的输入电路很高（Ri=RG+R1∥R2），共射极放大电路的输入电阻较低（Ri≈rbe）。共源放大电路中C1、C2为耦合电容，其作用与共射极放大电路中的C1、C2的作用相同。R1、R2取值大小对稳定静态工作点和提高输入电阻关系不大，共源极放大电路的输入电阻主要取决于RG，而共射极放大电路中的Rb1、Rb2的取值大小对稳定静态工作点和提高输入电阻有很大的关系。四、共漏极放大电路与双极型三放管的放大电路一样场效应管放大电路也有三种组态，即共源极放大电路、共漏极放大电路、共栅极放大电路，这三种不同组态的放大电路的特点和性能，分别与双极型三极管的三种组态的放大电路相类似。在这三种组态的放大电路中，共栅极放大电路不常使用。共漏极放大电路与共集放大电路（射极输出器）类似，电路如右图所示，因为该电路从源极输出，所以称为源极输出器。共漏极放大电路的静态工作点的设置方法与分压－自偏压式放大电路的分析方法相同。图2-4-8共漏极放大电路1.静态分析静态时，根据输入回路列方程①，由近似关系列方程②112DDDQSRVIRRR21GSQTNUUUGSQ=IDQ=IDO┅┅②┅┅①求解上述两个联立方程可得：UGSQ和IDQ，再由输出回路求得：UDSQ=VDD－IDQ(RD+RS)2.动态分析共漏极放大电路的微变等效电路如下图所示。由微变等效电路得：Uo=IdRS=gmUgsRS’其中RS’=RS∥RLUi=Ugs+Uo=Ugs+gmUgsRS’=Ugs(1+gmRS’)Au=o'1'mgsSimGSSUgURUgUR源极输出器的输入电阻为：Ri=RG+R1∥R2Ro=111osommsURIggR∥输出电阻为：图2-4-10源极输出器的输出电阻等效电路一、直接耦合放大电路的零点漂移对于直接耦合放大电路，当将其输入端短路时，用一只灵敏的直流电压表测量它的输出端，会发现输出电压缓慢的随机变动，这种现象称之为零点漂移。放大器的放大级数越多，放大倍数越大，零点漂移的现象就越严重。零点漂移问题是直接耦合放大电路的最突出的问题，当有用信号与零点漂移属于同一数量级时，放大器的输出端总是在变化，难以分辨有用信号，克服零点漂移现象最有效的方法是采用差动放大电路。2.4.2差动放大电路二、典型差动放大电路差动放大电路的基本形式有3种：简单式长尾式恒流源式长尾式差动放大电路为了改善每一个三极管对温度漂移的抑制能力，减小每一个三极管的漂移量，引出了长尾式差动放大电路，如图2-4-11所示。电路是以简单式差动放大电路为基础，在三极管的发射极接入一个电阻Re。并在Re上接入一个负电源，以补偿Re上的压降，以保证三极管有合适的静态工作点。当输入信号为零时（Ui1=Ui2=0）静态时，电阻Re上的电流为两只三极管发射极电流之和(IRe=IE1+IE2)，由于电路参数对称，所以IC1与IC2相等，因而UC1与UC2也相等，则输出电压为：UO=UC1－UC2=0。图2-4-11长尾式差动放大电路当温度变化时，由于电路对称且两只三极管所处的环境温度相同，(△IC1=△IC2)，因此，集电极的电压变化量也相等(△UC1=△UC2)，输出电压仍为零。Uo=(UC1+△UC1)－(UC2+△UC2)=0这是由于电路参数完全对称起的补偿作用抑制了零点漂移。图2-4-12抑制零点漂移的过程当温度变化时，因为△IC1=△IC2，所以△IE1=△I