22-放大电路动态分析课件.ppt
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- 22 放大 电路 动态 分析 课件
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1、第二章第二章 放大电路动态分析放大电路动态分析 本章从放大电路的本章从放大电路的交流通路交流通路入入手,在输入低频小信号的条件下,手,在输入低频小信号的条件下,器件用线性电路模型等效,然后用器件用线性电路模型等效,然后用电路原理中的一些方法,来分析和电路原理中的一些方法,来分析和计算放大电路的主要技术指标,所计算放大电路的主要技术指标,所以本章是电子电路分析的基础,要以本章是电子电路分析的基础,要求熟练掌握。求熟练掌握。2.2.1 2.2.1 放大电路的动态性能指标放大电路的动态性能指标 一、输入信号源和输出负载一、输入信号源和输出负载 1、输入信号源输入信号源 适用于单端与地之间输入信号的适
2、用于单端与地之间输入信号的放大电路放大电路单端信号源单端信号源信号源为电压源信号源为电压源信号源为电流源信号源为电流源 适用于双端输入信号的放大电路适用于双端输入信号的放大电路双端双端信号源信号源( (对称信号源对称信号源) )用于测量应力的电阻应变片电桥电路用于测量应力的电阻应变片电桥电路 20mVV02. 098. 45baVVV5baVVV0baVVV98. 4bV5aV集成运算放大器具有集成运算放大器具有双端对称输入的功能双端对称输入的功能 电桥处于平衡状态:电桥处于平衡状态:受力后:受力后:反映了材料受力的大小反映了材料受力的大小 (2 2)输入信号的波形)输入信号的波形 正弦稳态信
3、号正弦稳态信号如音频信号,频率范围在几十赫至几十千赫的正弦如音频信号,频率范围在几十赫至几十千赫的正弦波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几几十毫波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几几十毫伏伏 慢变信号或直流信号慢变信号或直流信号如由温度等非电量经传感器转换所得的信号,随时间变化如由温度等非电量经传感器转换所得的信号,随时间变化缓慢。缓慢。 直流输入信号应看作是相对于零的变化,切勿与静态值相直流输入信号应看作是相对于零的变化,切勿与静态值相混淆。混淆。 瞬变信号瞬变信号瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电路有快速的瞬态响应。路有快速
4、的瞬态响应。 2 2、放大电路的负载、放大电路的负载 放大电路的负载种类很多,对不同的负载,放大电路的负载种类很多,对不同的负载,要求有不同的指标输出。要求有不同的指标输出。 只要求放大器有足够大的电压幅度输出,如放只要求放大器有足够大的电压幅度输出,如放大器负载是高内阻的电压表;大器负载是高内阻的电压表; 只要求放大器有足够大的输出电流,如放大器只要求放大器有足够大的输出电流,如放大器负载是继电器线圈;负载是继电器线圈; 要求放大器有足够大的输出功率,即既要有要求放大器有足够大的输出功率,即既要有大的输出电压幅度,还要有尽量大的输出电流。大的输出电压幅度,还要有尽量大的输出电流。如低频功放的
5、负载是扬声器,能放出响亮的声音。如低频功放的负载是扬声器,能放出响亮的声音。(1)增益增益又称放大倍数,衡量放大电路放大电又称放大倍数,衡量放大电路放大电信号能力。最常用的是信号能力。最常用的是电压增益电压增益:iovVVA开路电压增益开路电压增益:负载开路(即:负载开路(即RL=)时的电压增益。时的电压增益。ioovoVVA源电压增益源电压增益:sovsVVA 二、放大电路的主要性能指标二、放大电路的主要性能指标oooLoooioLVVRAAVVRR增益常用分贝(增益常用分贝(dB)作为单位,作为单位,1分贝分贝1/10贝贝尔,源于功率增益的对数:尔,源于功率增益的对数:ioiovVVVVd
6、BAlg20)/lg(10)(22“ 0dB” 相当于相当于 Av1;“20dB”相当于相当于 Av10;“40dB”相当于相当于 Av100;“-20dB”相当于相当于Av0.1 ; “-40dB”相当于相当于Av0.01 ; iopPPdBAlg10)(分贝分贝当用于电压增益时当用于电压增益时 :(2)输入电阻输入电阻Ri输入电阻输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻,是从放大电路输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压与输入电流之比。定义为输入电压与输入电流之比。iiiIVR输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。力。Ri越大越大
7、,则信号源内阻上的压降越小,放大电路,则信号源内阻上的压降越小,放大电路所得到的输入电压越接近信号源电压所得到的输入电压越接近信号源电压。vsiisiiosovsARRRVVVVVVA输入电阻影响源电压增益输入电阻影响源电压增益(3)输出电阻输出电阻Ro放大电路放大电路负载开路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。时从输出端看进去的等效电阻。输出电阻输出电阻Ro的大小,反映了放大电路带负载的能的大小,反映了放大电路带负载的能力。力。Ro越小越小,则放大电路,则放大电路带负载能力越强带负载能力越强,电路,电路输出越接近恒压源输出。输出越接近恒压源输出。VoIo Ro小小Ro大大VooRo =0放大
8、电路负载特性放大电路负载特性开路输出电压开路输出电压VooOOOOORIVV输出电阻输出电阻Ro的确定:的确定:分析电路时采用在输分析电路时采用在输出端反加等效信号源出端反加等效信号源的方法。的方法。在实验室采用测量的在实验室采用测量的方法。方法。ooLoLoVRRRVLoooRVVR10LsRVoooIVR0(4)通频带通频带当放大电路的信号频率很低或很高时,由于电路中当放大电路的信号频率很低或很高时,由于电路中存在的电抗元件以及晶体管的存在的电抗元件以及晶体管的结电容和极间电容结电容和极间电容的的影响,放大电路的电压放大倍数在低频段或高频段影响,放大电路的电压放大倍数在低频段或高频段都要降
9、低,只有在中频段范围内放大倍数为常数。都要降低,只有在中频段范围内放大倍数为常数。放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数的的 ( (即即0.7070.707倍倍) )时的频率分别称为上限频率和下时的频率分别称为上限频率和下限频率(也称限频率(也称-3dB-3dB频率)。频率)。 2/1上限频率上限频率:fH下限频率下限频率:fL通频带通频带:HLHfffBW通频带越宽通频带越宽,表明放大电路对不同频率信号的适应,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。能力越强。如对于扩音机电路,其通频带应大于音频范围如对于扩音机电路,其通频带应大于音频范围(
10、20Hz20kHz)。-3dB频率频率dBAAvmvm3lg202lg20(5)最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产生非线性失真的条件下,所能提供的最大输出电生非线性失真的条件下,所能提供的最大输出电压压(或输出电流或输出电流)的峰值,用的峰值,用Vom (或或Iom)表示。表示。截止失真截止失真:由于进入截止区而产生的失真。:由于进入截止区而产生的失真。饱和失真饱和失真:由于进入饱和区而产生的失真。:由于进入饱和区而产生的失真。工作点在交流负工作点在交流负载线中点时的最载线中点时的最大输出电流幅度大输出电流幅
11、度工作点在交流负载线中点时工作点在交流负载线中点时的最大输出电压幅度的最大输出电压幅度iC/mA0 5 10 15 20vCE/V3210iB=0uA15uA35uA55uAQiB=IBQ+ib =35+20sint (A) ABiC/mAtICQtvCE/VVCEQ工作点偏高工作点偏高饱和失真时饱和失真时的电压波形的电压波形饱和失真:饱和失真:由于进入饱和区而产生的失真由于进入饱和区而产生的失真最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度iB=0uAiC/mA0 5 10 15 20vCE/V321030uA50uA70uA80uA35uAQQiC/mAtvCE/Vt饱和失真时饱和失真时的电流波形的
12、电流波形饱和失真的原因是:饱和失真的原因是: 静态工作点偏高,静态工作点偏高, 输入信号幅度过大。输入信号幅度过大。饱和压降饱和压降QiC/mA0 5 10 15 20vCE/V3210iB=0uA15uA60uA80uA35uAQiC/mAtvCE/Vt由于进入截止区而产生的失真由于进入截止区而产生的失真截止失真:截止失真:截止失真时的截止失真时的电压波形电压波形最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度截止失真时的截止失真时的电流波形电流波形截止失真的原因是:截止失真的原因是: 静态工作点偏低,静态工作点偏低, 小信号放大时,输小信号放大时,输入信号幅度太大。入信号幅度太大。2.2.2 半导体三
13、极管和场效应管的低频小信号模型半导体三极管和场效应管的低频小信号模型一、三极管的低频小信号模型一、三极管的低频小信号模型(1)输入回路输入回路b-e之之间等效为一间等效为一动态动态电阻电阻rbe 。分析各分析各变化量变化量或或交流分量交流分量之间的关系之间的关系()|CEBBEvCONSTif v,()BEBCEvf i v.0CEBBEBEBEBCEBCEvCONSTiCONSTbeBvvdvdidvivr di全微分全微分:.BEbeBvri(2) 输出回路输出回路,集电极电流的变化,集电极电流的变化iC可以看作可以看作iB和和vCE分别单独变化时引起的。分别单独变化时引起的。1CEBCC
14、CBCEBCEvCONSTiCONSTBCEceiidididvivdidvr()|BCCEiCONSTif v,()CBCEif i v全微分全微分:CECBceviir也可从图上看也可从图上看,集电极电流的变化集电极电流的变化iC可以看作可以看作iB和和vCE分别单独变化时引起。分别单独变化时引起。当当vCEVCEQ不变不变时,时,BCii当当iBIBQiB不变不变时时, ,tgivrCCEce1 ceCECrvi 当当iB和和vCE同时作用同时作用时,时,ceCEBCCCrviiii 所以,输出回路所以,输出回路c-e间的模型由间的模型由受控电流源受控电流源“iB”和和c-e间间动态输出
15、电阻动态输出电阻rce并联组成。并联组成。动态输出电阻动态输出电阻rce一般一般很大很大,通常可以忽略。,通常可以忽略。CECBceviirbibebev+-ce+-cevcer也可用交流量也可用交流量表示表示:.BEbeBvri只适用于只适用于低频低频小信号下。小信号下。讨论的是讨论的是变化量变化量或或交流分量交流分量,不允许出现直流量或瞬时,不允许出现直流量或瞬时量符号。量符号。微变参数,微变参数,与与Q点有关点有关,不是固定常数。,不是固定常数。电流源电流源“iB” 方向和大小由方向和大小由iB决定。决定。 无论对无论对NPN型或型或PNP型都是如此。型都是如此。rbe可用公式估算可用公
16、式估算 :在应用三极管低频小信号模型时应注意:在应用三极管低频小信号模型时应注意:EQTbbbeIVrr)1 (rbb约为约为100300VT26mV 由网络方程导出模型由网络方程导出模型vBE=h11iB+h12vCEiC=h21iB+h22vCEh11是输出端交流短路时的输入电阻是输出端交流短路时的输入电阻bevBBErivhCE011h21是输出端交流短路时的电流放大系数是输出端交流短路时的电流放大系数021CEvBCiihh22是输入端交流开路时的输出电导是输入端交流开路时的输出电导ceiCECrvihB1022由于四个参数的量纲不同,故称混合参数(由于四个参数的量纲不同,故称混合参数
17、(H参数参数)模型。当忽略模型。当忽略h12时,时,H参数等效模型与小信号模型参数等效模型与小信号模型是相同的是相同的。012BiCEBEvvhh12输出电压的变化对输入端电输出电压的变化对输入端电压的变化的影响,可忽略不计。压的变化的影响,可忽略不计。h12是输入端交流开路时的电压反馈系数是输入端交流开路时的电压反馈系数二、场效应管的低频小信号模型二、场效应管的低频小信号模型),(DSGSDvvfi DSdsGSmDSvDSDGSvGSDDdvrdvgdvvidvvidiGSDS1常数常数DiDSidsdsgsmdvrvgi1gsmvg gsgsv+-ds+-dsvVDDVDD/RdQQDS
18、iDiDiDiDSvGSvdsr输入回路输入回路:由于场效应管的:由于场效应管的栅极电流为零栅极电流为零,输入回路栅极源,输入回路栅极源极之间可用开路来等效。极之间可用开路来等效。输出回路输出回路:受控电流源:受控电流源“gmvGS”和动态电阻和动态电阻rds并联。并联。gm:低频跨导,它表征了:低频跨导,它表征了vGS对对iD的的控制能力控制能力。rds:输出电阻(动态电阻),通常可忽略。:输出电阻(动态电阻),通常可忽略。受控电流源方向:受控电流源方向:对对6种类型种类型FET都适用都适用。2.2.3 基本放大电路的动态分析基本放大电路的动态分析交流通路交流通路 : 是指放大电路在输入信号
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