電工與電子技術--基本放大電路

1、,,電 工 與 電 子 技 術,,第 2 章 基本放大電路 第 3 章 集成運算放大器 第 5 章 數字電路 第 7 章 可控硅及其應用PLC（可編程控制器）原理及應用,目 錄,,2 基本放大電路,2.1 交流放大電路的基本工作原理,2.2 交流放大電路的分析方法,2.3 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定,2.7 放大電路中的負反饋,2.4 阻容耦合多級放大電路,本章要求：,1. 理解單管交流放大電路的放大作用和工

2、作原理。掌握靜態(tài)工作點的估算方法和放大電路的微變等 效電路分析法。掌握電壓放大倍數及輸入、輸出電阻的計算方法。掌握阻容耦合多級放大電路的計算方法。5. 理解反饋的概念，了解負反饋對放大電路性能的影響。,2 基本放大電路,放大的實質:用小能量的信號通過三極管的電流控制作用，將放大電路中直流電源的能量轉化成交流能量輸出。,對放大電路的基本要求 ：1. 要有足夠的放大倍數(電壓、電流、功率)。2. 盡可能小的波形

3、失真。 另外還有輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等其它技術指標。,放大的概念:放大的目的是將微弱的變化信號放大成較大的信號。,2.1 交流放大電路的基本工作原理,共發(fā)射極基本電路,2.1.1 基本放大電路的組成,電路組成：● 晶體管T● 基極電源EB與基極電阻RB● 集電極電源EC● 集電極電阻RC● 耦合電容C1 、C2,輸入端：ui 輸出端：uo,放大電路各

4、元件作用,晶體管T--放大元件, iC=? iB。要保證集電結反偏,發(fā)射結正偏,使T工作在放大區(qū)。,共發(fā)射極基本電路,基極電源EB與基極電阻RB使發(fā)射結處于正偏，并提供大小適當的基極電流。,集電極電源EC 為電路提供能量。同時保證集電結反偏。,耦合電容C1 、C2隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時使信號順利輸入、輸出。,,信號源,負載,共發(fā)射極基本電路,集電極電阻RC將變化的電流轉變?yōu)樽兓碾妷骸?單電源供電時常用

5、的畫法,共發(fā)射極基本電路,,無輸入信號(ui = 0)時:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,,2.1.2 交流放大電路的工作特點,(1) 無輸入信號電壓時，三極管各電極都是恒定的電壓和電流: IB、UBE和 IC、UCE 。,結論：,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分別對應于輸入、輸出特性曲線上的一個點，稱為靜態(tài)工作點。,靜態(tài)工作點,,UBE,無輸入信號(ui = 0)時:,？,有輸入信號(ui ≠ 0)時

6、,uCE = EC－ iC RC,uBE = UBE+ ui = UBE+ UimsinωtiB = IB+ ib = IB+ IbmsinωtiC = IC+ ic = IC+ βibuCE = UCE+ uce= UCE+ uo,有輸入信號(ui ≠ 0)時:,交直流信號共存 (uo ? 0),(2) 加上輸入信號電壓后，各電極電流和電壓的大小均發(fā)生了變化，都在直流量的基礎上疊加了一個交流量。,,+,集電極電流,直流分量,交流

7、分量,結論：,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,(3) 若參數選取得當，輸出電壓可比輸入電壓大，即電路具有電壓放大作用。,(4) 輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180°，即共發(fā)射極電路具有反相作用。,結論：,① 晶體管必須工作在放大區(qū)。發(fā)射結正偏，集電結反偏。② 正確設置靜態(tài)工作點，使晶體管工作于放大區(qū)。③ 輸入回路將變化的電壓轉化成變化的基極電流。④ 輸出回路將變化的集電極電流轉化成變化的集電極電 壓，經電容耦合只輸出交流信號。

8、,實現放大的條件,直流通路和交流通路,直流通路：無信號時電流（直流電流）的通路。 用來計算靜態(tài)工作點。,交流通路：有信號時交流分量（變化量）的通路。 用來計算電壓放大倍數、輸入電阻、 輸出電阻等動態(tài)參數。,2.2 交流放大電路的分析方法,靜態(tài)：放大電路無信號輸入（ui = 0）時的工作狀態(tài),靜態(tài)分析：確定靜態(tài)工作點（Q：IB、IC、UCE）,（靜態(tài)分析、動態(tài)分析）,分析方法：

9、估算法、圖解法,分析所用電路：直流通路,2.2.1 靜態(tài)工作情況分析,設置Q點的目的： (1) 使放大電路的放大信號不失真； (2) 使放大電路工作在較佳的工作 狀態(tài)，靜態(tài)是動態(tài)的基礎。,畫放大電路的直流通路方法,直流通路,對直流信號，電容 C 可看作開路（即將電容斷開）,斷開,斷開,,根據電流放大作用,由KVL: EC = IB RB+ UBE,由KVL:

10、EC = IC RC+ UCE,,直流通路,一、用估算法確定靜態(tài)值,UCE = EC – IC RC,,,例1：已知：EC=12V，? =50， RC=3.3k?，RB=280k?， 估算靜態(tài)工作點。,解：,注意：電路中IB 和IC 的數量級不同,例2：用估算法計算圖示電路的靜態(tài)工作點。,當電路不同時，計算靜態(tài)值的公式也不同。,由KVL可得：,由KVL: EC = IB RB+ UBE + IE

11、 RE,= IB RB+ UBE + (1+β)IB RE,RE,優(yōu)點：能直觀地分析和了解靜態(tài)值的變化對放大電路的影響。,二、用圖解法確定靜態(tài)值,,直流負載線斜率,,,直流負載線,由IB確定的那條輸出特性與直流負載線的交點就是Q點,O,動態(tài)：放大電路有信號輸入（ui ?0）時的工作狀態(tài)。,動態(tài)分析： 計算電壓放大倍數Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。,目的： 找出Au、 ri、 ro與電路參數的關系。 簡單分

12、析一下失真情況。,2.2.2 動態(tài)工作情況分析,分析方法：微變等效電路法、圖解法,分析所用電路：交流通路,對交流信號，XC ? 0，C 可看作短路。直流電源不作用，可看作短路。,短路,短路,對地短路,交流通路,,畫放大電路的交流通路方法,忽略電源的內阻，電源端電壓恒定。,微變等效電路： 把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。即把非線性的晶體管線性化，等效為線性元件。,線性化的條件： 晶體管在小信號（微變

13、量）情況下工作。因此，在靜態(tài)工作點附近小范圍內的特性曲線可用直線段近似代替。,一、微變等效電路法,1. 晶體管的微變等效電路,?UBE,對于小功率三極管：,(1) 輸入回路,Q,輸入特性,晶體管的輸入電阻,,當信號很小時，在靜態(tài)工作點附近的輸入特性在小范圍內可近似線性化。,晶體管的輸入回路(B、E之間)可用rbe等效代替，即由rbe來確定ube和 ib之間的關系。,rbe一般為幾百歐到幾千歐,(2) 輸出回路,rce愈大，恒流特性

14、愈好。因rce阻值很高，一般忽略不計。,晶體管的輸出電阻,晶體管的輸出回路(C、E之間)可用受控電流源 ic=? ib等效代替，即由?來確定ic和ib之間的關系。,輸出特性在線性工作區(qū)是一組近似等距的平行直線。,晶體管的電流放大系數,?一般在20～200之間，在手冊中常用hfe表示。,,,,?ib,晶體三極管,微變等效電路,,,晶體管的B、E之間可用rbe等效代替。,晶體管的C、E之間可用一受控電流源ic=?ib等效代替。,2. 放

15、大電路的微變等效電路,,,將交流通路中的晶體管用其微變等效電路代替即可得放大電路的微變等效電路。,交流通路,微變等效電路,,微變等效電路,,分析時假設輸入為正弦交流，所以等效電路中的電壓與電流可用相量表示。,3. 電壓放大倍數的計算,輸出電壓對輸入電壓的放大倍數,微變等效電路,,式中的負號表示輸出電壓的相位與輸入相反。,負載電阻愈小，放大倍數愈小。,輸出電壓對信號源的電壓放大倍數,,微變等效電路,放大電路對負載(或對后

16、級放大電路)來說，是一個信號源，其內阻即為放大電路的輸出電阻ro。,4. 放大電路輸入電阻、輸出電阻的計算,信號源,負載,,,放大電路,放大電路對信號源(或對前級放大電路)來說，是一個負載，可用一個電阻來等效代替。這個電阻是信號源的負載電阻,也就是放大電路的輸入電阻ri 。,,,,輸入電阻,輸出電阻,輸出電阻表明放大電路帶負載能力。ro愈小，負載變化時輸出電壓的變化愈小。,輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數。ri愈

17、大，從信號源取得的電流愈小。,一般總是希望得到較大的ri，較小的ro。,RL=?,由uo和ui的峰值之比可得放大電路的電壓放大倍數。,二、動態(tài)分析圖解法,如果Q設置不合適，晶體管進入截止區(qū)或飽和區(qū)工作，將造成非線性失真。,Q設置過高,晶體管進入飽和區(qū)工作，造成飽和失真。,適當減小基極電流可消除飽和失真。,1. 飽和失真,Q設置過低,晶體管進入截止區(qū)工作，造成截止失真。,適當增加基極電流可消除截止失真。,如果Q設置合適，信號幅值過大也可

18、產生失真，減小信號幅值可消除失真。,2. 截止失真,3. 其它非線性失真,2.3 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定,合理設置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的先決條件。但是放大電路的靜態(tài)工作點常因外界條件的變化而發(fā)生變動。,前述的固定偏置放大電路，簡單、容易調整，但在溫度變化、三極管老化、電源電壓波動等外部因素的影響下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。,當環(huán)境溫度升高時，? ? 、 ICBO ?。

19、,,,,,2.3.1 溫度變化對靜態(tài)工作點的影響,iC,uCE,,,,,,,,,,,Q,溫度升高時，輸出特性曲線上移,結論：當溫度升高時，IC將增加，使Q點沿負載線上移，容易使晶體管T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞三極管。,O,基極電位基本恒定,VB,2.3.2 分壓式偏置電路,1. 穩(wěn)定Q點的原理,集電極電流基本恒定,設計時：I1 ≈ I2 = (5 ~10) IB VB= (5

20、~10) UBE,參數的選擇,VB,Q點穩(wěn)定的過程,,,,,,VB 固定,對直流：RE越大,穩(wěn)定Q點效果越好；對交流：RE大,交流損失大,為避免損失加旁路電容CE。,RE：溫度補償電阻,VB,2. 靜態(tài)工作點的計算,直流通路,,,3. 動態(tài)分析,交流通路,,交流通路,微變等效電路,,微變等效電路,,交流通路,電壓放大倍數,輸入電阻,輸出電阻,對交流：旁路電容 CE 將RE 短路， RE不起作用， Au，ri，ro與固

21、定偏置電路相同。,去掉CE后的微變等效電路,,如果去掉CE ，Au，ri，ro ?,,,無旁路電容CE,無旁路電容CE,有旁路電容CE,,分壓式偏置電路,Au不變,ri 減小,ro不變,Au減小,ri 增大,ro不變,2.4 阻容耦合多級放大電路,耦合方式：,動態(tài): 傳送信號,減少壓降損失,,靜態(tài)：保證各級有合適的Q點,,波形不失真,多級放大電路的框圖,對耦合電路的要求,阻容耦合,變壓器耦合,直接耦合,適用于直流放大,交流放大,功率

22、放大,,第一級,第二級,,負載,,信號源,兩級之間通過耦合電容 C2 與后一級的輸入電阻連接,2.4.1 電路分析,兩級放大電路均為共發(fā)射極分壓式偏置電路。,1. 靜態(tài)分析,每級的靜態(tài)工作點可以獨立求解,2. 動態(tài)分析,微變等效電路,,第一級,第二級,電壓放大倍數,,,,輸入電阻,輸出電阻,阻容耦合放大電路存在級間耦合電容、發(fā)射極旁路電容及三極管的結電容等，它們的容抗隨頻率變化。,頻率特性,,幅頻特性：電壓放大倍數的模|Au|與頻

23、率 f 的關系,相頻特性：輸出電壓相對于輸入電壓的 相位移 ? 與頻率 f 的關系,2.4.2 頻率特性,,通頻帶,,,f,|Au |,fL,fH,,| Auo |,幅頻特性,下限截止頻率,上限截止頻率,耦合、旁路電容造成。,三極管結電容、? 造成,O,反饋,2.7 放大電路中的負反饋,2.7.1 反饋的基本概念,輸出端電量部分或全部通過反饋環(huán)節(jié)回送到輸

24、入端。,反饋放大電路的三個環(huán)節(jié),基本放大電路,比較環(huán)節(jié),反饋環(huán)節(jié),反饋系數,放大倍數,正反饋：反饋量使得凈輸入量增加,負反饋：反饋量使得凈輸入量減小,振蕩器中引入正反饋，用以產生波形,反饋類型,直流反饋：反饋元件傳遞直流信號。,交流反饋：反饋元件傳遞交流信號。,直流負反饋：穩(wěn)定靜態(tài)工作點,交流負反饋：改善放大電路的性能,電壓反饋：反饋量正比于輸出電壓。,電流反饋：反饋量正比于輸出電流。,電壓負反饋：穩(wěn)定輸出電壓、減小ro,電流負反饋：穩(wěn)

25、定輸出電流、增大ro,串聯(lián)反饋：反饋量與原輸入量串聯(lián)綜合。,并聯(lián)反饋：反饋量與原輸入量并聯(lián)綜合。,使ri增大,使ri減小,電壓串聯(lián)負反饋,電流串聯(lián)負反饋,根據反饋所采樣的信號可以分為：,根據反饋信號在輸入端與輸入信號的比較形式可以分為：,2.7.2 反饋方式的判斷,1) 判別反饋元件（一般是電阻、電容） 連接在輸入與輸出之間的元件。 為輸入回路與輸出回路所共有的元件。,發(fā)射極電阻RE為 輸入回路與輸出 回路所共有，所 以RE

26、是反饋元件。,例1：,2) 判斷是交流反饋還是直流反饋,交、直流分量的信號均可通過 RE，所以RE引入的是交、直流反饋。,如果有發(fā)射極旁路電容， RE中僅有直流分量的信號通過 ，這時RE引入的則是直流反饋。,3) 判斷反饋類型,凈輸入信號：,ui 與 uf 串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋,ui正半周時,uf也是正半周,即兩者同相,——負反饋,uf 正比于輸出電流——電流反饋,,+ uf–,+ –,ie,

27、ube,ube = ui - uf,uf = ie RE,Ube = Ui - Uf,可見 Ube < Ui , 反饋電壓Uf 削弱了凈輸入電壓,? ic RC,結論：,反饋過程：,電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用,反饋類型 ——電流串聯(lián)負反饋,Ic??,Uf??,Ube??,ib?,Ic ?,uf ? ic RC,+ uf–,+ –,ube,Ube = Ui - Uf,電阻 RF連接在輸入與輸出之間，所以

28、RF是反饋元件。,2) 判斷是交流反饋還是直流反饋,交、直流分量的信號均可通過 RF，所以 RF引入的是交、直流反饋。,例2：,1) 判反饋元件,3) 判斷反饋類型,電壓并聯(lián)負反饋,判斷反饋類型方法,從輸出端判斷電壓反饋、電流反饋：,將輸出端短路，若反饋信號（電壓或電流）消失，則為電壓反饋，否則為電流反饋。,從輸入端判斷串聯(lián)反饋、并聯(lián)反饋：,串聯(lián)反饋：輸入信號與反饋信號總是以電壓形式在輸入端作比較。,并聯(lián)反饋：輸入信號與反饋信號總是以電

29、流形式在輸入端作比較。,電流串聯(lián)負反饋放大電路,直流通路,(1) 靜態(tài)工作點,交流通路,微變等效電路,(2) 微變等效電路,(3) 電壓放大倍數,微變等效電路,結論,放大倍數穩(wěn)定（優(yōu)點）,Auf 比無反饋時的 Au 小（缺點）,∵ (1＋β)RF >> rbe,(5) 輸出電阻 ro,(4) 輸入電阻 ri,微變等效電路,輸入電阻增大（優(yōu)點）,例: 在圖示電流串聯(lián)負反饋放大電路中，已知EC=12V, RC= 6kΩ,

30、 RF= 300Ω， RE= 2.7kΩ， RB1= 60kΩ， RB2= 20k， RL= 6kΩ ，晶體管β=50， UBE=0.6V, 試求:(1) 靜態(tài)工作點 IB、IC 及 UCE；(2) 畫出微變等效電路；(3) 輸入電阻ri、ro及 Au。,(1)由直流通路求靜態(tài)工作點。,直流通路,解:,微變等效電路,(2) 由微變等效電路求Au、 ri 、 ro。,因對交流信號而言，集電極是輸入與輸出回路的公共端，所以是共集電極

31、放大電路。 因從發(fā)射極輸出，所以稱射極輸出器。,2.7.3 電壓串聯(lián)負反饋放大電路---射極輸出器,求Q點：,(1) 靜態(tài)分析,直流通路,(2) 動態(tài)分析,1. 電壓放大倍數,電壓放大倍數Au?1且輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。,微變等效電路,2. 輸入電阻,,,,3. 輸出電阻,1. 電壓放大倍數小于1， 約等于1;2. 輸入電阻高；3. 輸出電阻低；4. 輸出與輸入同相。,射極輸出

32、器的特點：,1. 用在第一級，可以提高輸入電阻，減輕信號源負擔。,2. 用在末級，可以降低輸出電阻，提高帶負載能力。,3. 放在兩級之間，起到阻抗匹配作用，稱為緩沖級或中間隔離級。,射極輸出器的應用,在下圖所示放大電路中，已知EC=12V, RE= 2kΩ, RB= 200kΩ， RL= 2kΩ，晶體管β=60，UBE=0.6V, 信號源內阻RS= 100Ω，試求:(1) 靜態(tài)工作點 IB、IE 及 UCE；(2) 畫出微變

33、等效電路；(3) Au、ri 和 ro 。,例1:,解:,(1)由直流通路求靜態(tài)工作點。,直流通路,微變等效電路,(2) 由微變等效電路求Au、 ri 、 ro。,例2:,如圖所示的兩級電壓放大電路，已知β1= β2 =50, T1和T2均為3DG8D。(1) 計算前、后級放大電路的靜態(tài)值(UBE=0.6V);(2) 求放大電路的輸入電阻和輸出電阻； (3) 求各級電壓的放大倍數及總電壓放大倍數。,,(1) 兩級放大電路的