放大电路基础课件-2.ppt

1、第第2章章放大电路基础放大电路基础前 言 实际中常常需要把一些微弱信号放大到便于测量和利用的程度。例如，从收音机天线接收到的无线电信号或从传感器得到的信号，有时只有微伏或毫伏的数量级，必须经过放大才能驱动扬声器或进行观察、记录和控制。所谓放大，表面上是将信号的幅度由小增大，但是，放大的实质是能量的转换，即由一个较小的输入信号控制直流电源，使之转换成交流能量输出，驱动负载。2.1.1放大电路的组成2.1放大电路的组成和工作原理 图2.1.1所示为放大电路的组成框图，直流电源为放大电路提供电源，当微弱信号通过放大电路后得到的交流电驱动负载工作。2.1放大电路的组成和工作原理 图2.1.2所示为共发

2、射极基本放大电路（单管电压放大电路）。输入端接交流信号源ui；输出端接负载电阻RL，输出端电压为uo。电路中各元件的作用分析如下。(1)晶体管VT。晶体管是电流放大元件，其作用是按照输入信号的变化规律控制电源所提供的能量，使集电极上获得受输入信号控制并被放大了的集电极电流。集电极电流经集电极电阻RC和负载电阻转换成较大的输出电压信号uo。(2)电源UCC。电源UCC为晶体管VT的发射结提供正向偏置电压，为集电结提供反向偏置电压，保证晶体管工作在放大状态。它还为放大电路提供能源。UCC一般为几伏到几十伏。2.1放大电路的组成和工作原理 (3)集电极电阻Rc。集电极电阻Rc的主要作用是将集电极电流

3、的变化转化为电压变化，以实现电压放大。Rc值一般为几千欧到几十千欧。(4)基极偏置电阻Rb。Rb有两个作用：一是在电源UCC一定时，基极电流IB的大小取决于基极电阻Rb，即调节Rb的大小可提供合适的直流工作状态；二是防止交流信号被电源UCC短路，而加不到晶体管的发射结上。Rb的值通常为几百欧到几千欧。(5)耦合电容C1、C2。C1、C2也称为隔直电容，具有隔离直流、传递交流的作用。2.1.2放大电路的工作原理2.1放大电路的组成和工作原理 静态时的基极电流又称偏置电流，简称偏流。各部分的电压、电流波形如图2.1.3所示。其中，uo=0，uBE=UBE，uCE=UCE。2.1放大电路的组成和工作

4、原理 当ui0，即输入端加上输入信号时，放大电路的工作状态称为动态。交流输入信号ui经C1耦合，使得uBE在直流电压UBE的基础上发生变化，这种发射结正偏电压的变化，必然会改变从发射区注入基区载流子的数量，从而引起基极电流iB和集电极电流iC的变化，即iB、iC、iE中出现交流电流成分ib、ic、ie。由于ic的变化引起iCRc的变化，则uCE=UCC-iCRc。当iC增加时，uCE就下降，iC减小时，uCE就增加，uCE的直流分量UCE被C2隔离，使得输出电压uo=-iCRc，只要Rc足够大，就可获得比ui大的输出电压uo。各部分的电压、电流波形如图2.1.4所示。其中，uo0，uBE=UB

5、E+ui，uCE=UCE+uo。2.2放大电路的分析静态工作点的确定12.2.1静态分析 设置合适的静态工作点的主要目的如下。（1）使放大电路的放大信号不失真。(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础，静态提供了正常放大的必备条件。静态分析的方法有 1.估算法。2.图解法。2.2放大电路的分析晶体管的微变等效电路12.2.2动态分析 由图2.2.3可知，放大电路在小信号工作时，晶体管的动态工作点只在静态工作点附近小范围内移动，晶体管的输入、输出特性曲线可近似为直线，各极的电流、电压增量有线性关系。尽管晶体管是非线性器件，但可以进行线性化处理，用线性化等效电路模型来代替。1）输入回

6、路的微变等效电路 当输入信号电压很小时，在已确定的静态工作点Q附近的工作段可以认为是直线。当uCE为常数时，令uBE和iB的比值为rbe，即2.2放大电路的分析2.2放大电路的分析 rbe是对交流而言的动态电阻，称为晶体管的输入电阻。小信号时，rbe是一个常数。由它可以确定电压、电流交流分量ube、ib之间的关系，即ube=rbeib。因此，晶体管的输入电路可以用rbe等效代替，如图2.2.4（b）所示。2.2放大电路的分析 低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算。式中，IE是发射极电流的静态值。rbe通常为几百欧到几千欧，在手册中常用hie表示。2）输出回路的微变等效电路 晶体管的输出特性曲

7、线族见图2.2.3（b）。在放大区，它是一组近似与横轴平行、等距的直线。当uCE为常数时，令iC和iB比值为，即 为晶体管的交流放大系数。在小信号输入情况下，是一常数，由它确定控制的关系，即ic=ib。因此，晶体管的输出电路可以用一个电流控制电流源来代替，见图2.2.4。值通常为20200，在手册中常用hfe表示。2.2放大电路的分析放大电路的微变等效电路22.2放大电路的分析 1）电压放大倍数 电压放大倍数 是衡量放大电路放大输入信号能力的基本性能指标，定义为输出电压与输入电压之比，即 根据式（2.2.8）电压放大倍数 的定义，现在是正弦稳压分析，把变化量用正弦量的相量代替，见图2.2.5（

8、c）。由图可得2.2放大电路的分析 显然Rc增加，可使 值增大；晶体三极管的电流放大系数增大，使 值也增大，与此同时又使晶体管自身输入电阻rbe增大，到一定程度时有 可以看到，当晶体管的电流放大系数取较大值时，等效负载RL一定，电压放大倍数Au近似与无关。欲使电压放大倍数 增加，只有增加静态集电极电流IC。应注意电压放大倍数 只能在不失真的前提下求得。2.2放大电路的分析 2）放大电路的输入电阻 放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说是一个负载，可用一个电阻等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻，如图2.2.6所示。输入电阻ri的计算式为 输入电阻是对交流信号而言的，

9、是动态电阻。2.2放大电路的分析 当考虑输入信号电压源存在内阻RS时，放大电路的输入电压为 因此，放大电路的输入电阻ri的大小是衡量放大电路性能的参数之一。输入电阻ri越大，放大电路接受的信号 越强，同时向信号源索取的电流 越小。由图2.2.5(c)可得 所以放大电路的输入电阻为2.2放大电路的分析 3）放大电路的输出电阻 放大电路对负载(或对后级放大电路)来说是一个信号源，可以将它进行戴维南等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻，电路如图2.2.7所示。由图2.2.7可以看到，放大电路的输出回路可等效为电压源 和输出电阻ro的串联，当外接负载电阻RL后，负载两端得到的输出电压为 显然，输

10、出电阻ro是衡量放大电路性能指标的又一个重要参数。ro越小，带负载能力越强。输出电阻ro的计算式为2.2放大电路的分析 其具体含义是，放大电路的输出端外接负载开路（RL=），同时把输入端的信号电压源短路 ，有内阻RS时要留下；在输出端外加一个电压 ，求得流入的电流 ，两者之比定义为放大电路的输出电阻ro。输出电阻是动态电阻，与负载无关。令图2.2.5(c)的输入 ，求输出电阻ro。由图2.2.5(c)，已知 ，则 ，有 式中，rce是晶体管的输出电阻，其值很大，略去其分流作用，放大电路的输出电阻ro近似等于直流负载电阻Rc。2.2放大电路的分析放大电路的失真3 对电压放大电路有一个基本要求，就

11、是输出信号尽可能不失真。所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形有了差别。引起失真的原因有多种，其中最基本的一个就是由于静态工作点不合适或信号太大，使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线的线性范围。这种失真通常称为非线性失真。非线性失真又可分为 1.截止失真 2.饱和失真。2.2放大电路的分析分压式射极偏置电路12.2.3几种常用三极管电压放大电路2.2放大电路的分析 共集电极放大电路（射极输出器）22.2放大电路的分析 共集电极放大电路（射极输出器）22.3多级放大电路 （1）阻容耦合。前面讨论的三种基本放大电路采用的都是阻容耦合方式。其特点是：各级的静态工作点彼此独立，互不影响；只能

12、放大交流信号，不能放大缓慢变化的近似直流信号；在分立元件组成的放大电路中普遍使用。（2）直接耦合。这就是前后级间直接耦合，因此各级的静态工作点彼此独立计算；改变匝数比，可进行最佳阻抗匹配，得到最大输出功率；常用在功率放大场合或需要电压隔离的场合，如功率放大器、晶闸管触发电路等。（3）变压器耦合。用变压器构成级间耦合电路的称为变压器耦合。由于变压器体积与质量较大，成本较高，所以变压器耦合在放大电路中的应用较少。2.3.1级间耦合方式2.3多级放大电路2.3.2阻容耦合多级放大电路2.3多级放大电路 由于级间采用阻容耦合方式，使得多级阻容耦合电路的各级之间无直流联系，所以各级的静态工作点互不影响，

13、彼此单独进行分析。在小信号范围内，三极管用线性化了的h参数微变等效电路替代，图2.3.1的电路可绘成如图2.3.2所示的微变等效电路。静态工作点分析1动态工作分析22.3多级放大电路2.3多级放大电路 （1）电压放大倍数 。由图2.3.2可以看出第二级的输入电阻ri2相当于前级的外接负载RL1，即RL1=ri2。因此 式中 同理，所以2.3多级放大电路 显然总的电压放大倍数 等于每级电压放大倍数的连乘积 如果考虑信号源内阻RS，则有 （2）多级放大电路的输入电阻ri从微变等效电路（见图2.3.2）得出，多级放大电路的输入电阻ri就是第一级放大电路的输入电阻ri1，即 （3）多级放大电路的输出电

14、阻ro。从图2.3.2得出，多级放大电路的输出电阻ro就是最末级电路的输出电阻ro2，即2.3多级放大电路2.3.3直接耦合 图2.3.3所示为直接耦合电路，所谓直接耦合就是将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。直接耦合的含义12.3多级放大电路 直接耦合的结果又带来了零点漂移问题。所谓零点漂移，是指在直接耦合放大电路中，当输入端无输入信号时，输出端的电压偏离初始值而上下漂动的现象，简称零漂，如图2.3.4所示。零点漂移是由于温度的变化、电源电压的不稳定等原因引起的。由于放大器是直接耦合，放大电路将因无法区分漂移电压和信号电压而失去正常发大作用。因此，必

15、须采取适当措施加以限制，使得漂移电压远小于信号电压。普遍采用的有效措施是差分放大电路。直接耦合的问题22.3多级放大电路 1)电路的结构特点 图2.3.5所示为一个基本差分放大电路。由于电路结构、元件的特性和参数完全相同，故左右两边对称。差分放大电路32.3多级放大电路 2)差分电路抑制零点漂移原理 当图2.3.5所示的差分电路输入信号为零时，由于电路对称，iC1=iC2，uC1=uC2，输出电压uO=uC1-uC2=0。当环境因素改变，如温度变化时，使每管的输出都产生了零点漂移。相应的两个放大电路晶体管的集电极电位随之变化，但由于电路对称，两者的漂移是相同的，即同时增大或同时减小，且增量相等

16、，因此，在输出端将互相抵消而被完全抑制，使输出uO维持原值而为零。例如，温度升高，集电极电流增量为iC1=iC2，使每管电位降低，因此，uO=(uC1-iC1Rc)-(uC2-iC2Rc)=0，或uO=-iC1Rc-(-iC2Rc)=0。显然，利用差分电路的对称性，能够克服零漂。2.3多级放大电路 3）三类输入信号共模、差模和任意输入 （1）当两个输入信号大小相等，极性相同时（uI1=uI2），则称为共模输入信号。差分放大电路在共模信号作用下，由于电路完全对称，两管集电极电位变化相同（同向变化），因而输出为零，即差分放大电路对共模输入信号的放大倍数为零，对共模输入信号无放大作用。差分放大电路抑

17、制零漂的作用，是抑制共模输入信号的一种特殊情况。因为两管产生的同向漂移，可以看作在两管输入端加上一对共模输入信号的结果。差分放大电路抑制共模信号的能力，也就是抑制零点漂移的能力，它是差分放大电路的性能指标之一。2.3多级放大电路 （2）当两个输入信号大小相等，极性相反时（uI1=-uI2），则称为差模输入信号。若uI10，uI20，则uI1使VT1管的集电极电流减小iC1，uI2使VT2的集电极电流增大iC2，即两管产生了异向变化。iC1使VT1的集电极电位增高了uC1，而iC2使VT2的集电极电位降低了uC2，这样，差分放大电路的输出电压uO=(uC1+uC1)-(uC2-uC2)=uC1+

18、uC2。由于uC1=uC2，因此，差动放大电路在差模输入信号作用下，双端输出为每管输出电压的2倍。在设定了uI10，uI20条件下，输出电压的极性与图2.3.5中uO的参考方向相同。若设定uI10、uI20，则双端输出电压为uO=(uC1-uC1)-(uC2+uC2)=-（uC1+uC2），极性与图中参考方向相反。差分放大电路放大了差模输入信号。2.3多级放大电路 （3）当两个输入信号的大小和极性都任意时，称为任意输入信号，或称为比较输入信号。任意输入信号可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即 式中，uD为差模信号；uC为共模信号。解得 因此，无论差模放大电路的输入信号是何种类型，都可

19、以认为是一对共模信号和一对差模信号的组合（差模输入时，认为共模输入为零；共模输入时，认为差模输入为零）。差分放大电路仅对差模信号进行放大。2.4功率放大电路2.4.1功率放大问题要求输出功率尽可能大尽可能高的功率转换效率功率器件的散热问题采用图解法分析非线性失真 功率放大电路提高效率的主要途径2.4功率放大电路2.4.2互补对称功率放大电路2.4功率放大电路 1)静态分析 当输入信号ui=0时，因两管无偏置，所以VT1和VT2都截止，工作在乙类状态，负载RL上的电流io=0，输出电压uo=0。2）动态分析 经过前级的电压放大，ui的幅值已经很大，一般为几伏到几十伏。当输入信号ui处于正半周时，

20、使VT1发射结正偏，VT2发射结反偏，VT1导通，VT2截止，交流信号的正半周电流ic1自+UCC经VT1流过负载RL到地，并在RL上形成正半周输出电压uo0。当输入信号ui处于负半周时，交流信号使VT1发射结反偏，VT2发射结正偏，VT1截止，VT2导通，电流ic2自地经RL、VT2流到-UCC。每当输入信号交变一次，VT1和VT2轮流导通半周，ic1和ic2流过RL方向正好相反，因而在负载上合成了一个完整的波形。这时的uo0。2.4功率放大电路 3）输出功率及效率 由图2.4.2的OCL乙类互补对称功率放大电路可知，输出电流io的最大变化范围为2Icm，幅值为Icm，输出电压uo的变化范围

21、为2（UCC-UCES）=2IcmRL。如果忽略管子的饱和压降UCES，则输出电压的幅值Ucem=IcmRLUCC。信号输出的最大功率Pom为 因为在一个周期内VT1和VT2轮流导通，每个直流电源只在半个周期内供给功率，每个直流电源提供的功率为 两个直流电源提供的总功率为2.4功率放大电路故效率为两管的总管耗P2V为2.4功率放大电路OCL甲乙类互补对称功率放大电路22.4功率放大电路OTL甲乙类互补对称功率放大电路3 图2.4.5是OTL甲乙类互补对称功率放大电路。与图2.4.4相比，省去了一个负电源（-UCC），在功率放大级的发射极和负载RL间增加了电容C。静态时，两管的射极静态电位UA=

22、UCC/2，电容C两端的电压也稳定在UCC/2数值上。调整R1、R2和R的阻值，使UB1比UCC/2高约0.5 V，UB2比UCC/2低约0.5 V，这样，两管就处于微导通状态。电容C代替图2.4.5中的负电源作用，担负U2的供电工作。2.4.3复合管及其参数计算2.4功率放大电路2.4功率放大电路 由于12 1+2，所以复合管的放大系数近似为12。复合管的连接方式大致可以总结如下。（1）复合管的等效管型由第一只管的管型确定。（2）在组合成复合管时，管子的各级电流必须畅通。根据等效管电流的流向确定复合管的三个电极。2.4.4集成功率放大器的应用2.4功率放大电路2.4功率放大电路 该电路为单电

23、源OTL功率放大器。6脚接6 V正电源，4脚接地，形成单电源回路；C3为电源滤波电容；信号通过输入耦合电容C1从同相输入端（3脚）输入，通过输出耦合电容C5由输出端（5脚）输出；当接入电感性负载时，要并联R1和C4频率补偿支路，以消除负载在高频产生的不良影响，改善高频特性，防止高频自激；接电阻性负载时不需要R1和C4支路；1脚、8脚电位器R1和电容C2组合，调整功率放大器的电压放大倍数，调整规律如下。（1）1脚、8脚开路，电压放大倍数约为20。（2）1脚、8脚外接旁路电容（1022 F），电压放大倍数约为200。（3）1脚、8脚外接电阻、电容串联电路，通过调整电阻使电压放大倍数在20200范围

24、内变化。2.5.1共源极放大电路2.5场效应管放大电路 静态分析12.5场效应管放大电路 图中Rg1、Rg2为分压电阻，使栅极有一固定的正电位。为提高放大电路的输入电阻，增加了电阻Rg。根据图2.5.1所示电路，有 绝缘栅型增强型N沟道场效应管的UGS和ID满足转移特性曲线函数方程，即 式中，IDSS为UGS=2UT时的ID值。联立求解式（2.5.2）、式（2.5.3）可以求出场效应管放大电路的静态工作点UGS和ID。漏源间的偏压UDS为2.5场效应管放大电路 动态分析2低频跨导为2.5场效应管放大电路 式中，iD和uGS是无限小的信号增量，当场效应管工作在小信号下时，两个信号增量可用交流分量

25、来代替，即iD=id，uGS=ugs。这时跨导可表示为 这样漏极电流的交流分量可以看成受控制的恒流源，即 在放大电路中，由于工作点位于管子输出特性曲线的线性放大区，这时输出特性曲线几乎是水平的，即rds很大，在许多情况下也可视为开路，于是场效应管微变等效电路可简化成图2.5.2（b）所示的电路。场效应管放大电路的微变等效电路的意义和求法与三极管放大电路的微变等效方法基本相同，分析的对象仅是交流小信号。2.5场效应管放大电路 以图2.5.1所示的分压式偏置场效应管放大电路为例，可得到图2.5.3所示的场效应管放大电路的微变等效电路。2.5场效应管放大电路 1)放大倍数 由图2.5.3所示的场效应

26、管放大电路的微变等效电路可知 若令漏极电阻Rd与负载电阻RL的并联值为等效负载电阻RL，并且注意到 ，则式（2.5.8）化为 从而有 式中的负号表示输出电压与输入电压反相。2.5场效应管放大电路 2）输入电阻ri 从微变等效电路的输入端分析，有 通常，分压电阻Rg1、Rg2的并联值不是很大，如该电路没有接入栅极电阻Rg，就会降低放大电路的输入电阻，而Rg的接入可以适当提高ri，因为Rg一般选值较大。Rg的接入不影响电路的放大倍数u和静态工作点设置（Rg上静态压降为零）。一般情况下有Rg (Rg1/Rg2)的关系成立，故2.5场效应管放大电路 3）输出电阻ro 在场效应管放大电路的简化微变等效电

27、路中，没有考虑场效应管的输出电阻Rds，这是因为当场效应管工作在恒流区时，Rds为常数，其值相当大，对放大电路输出电阻几乎不造成影响。按照戴维南定理，从输出端看进去的等效电阻就是输出电阻，即2.5.2共漏极放大电路2.5场效应管放大电路 2.5场效应管放大电路 输出电压为 输入电压为 电压放大倍数为 可见其 1，但接近于1。输入电阻 rR。在计算输出电阻时，首先将负载断开，令ui=0，在输出端加一测试电压，在输出端口处产生电流，如图2.5.5所示。2.5场效应管放大电路 由图可知 2.6放大电路仿真实例单管放大 实验要求：设计电路，测量晶体管的静态工作点；测量静态工作点的选择对放大的影响。建立

28、仿真电路，如图2.6.1所示，交流信号ui=50 mV，f=1 kHz。静态工作点：IBQ=91.7 A，ICQ=9.17 mA，UCEQ=5.416 V。2.6放大电路仿真实例单管放大 1）正常放大 对于图2.6.2所示电路，R2=100 k，R1=0.5 k，其输出波形如图2.6.3所示。2.6放大电路仿真实例单管放大2.6放大电路仿真实例单管放大 2）饱和失真 饱和失真电路如图2.6.4所示。其中，R1=0.8 k，R2=96 k。其输出波形如图2.6.5所示。2.6放大电路仿真实例单管放大2.6放大电路仿真实例单管放大 3）截止失真 截止失真电路如图2.6.6所示。其中，R1=0.4

29、k，R2=500 k。其输出波形如图2.6.7所示。2.6放大电路仿真实例单管放大 本 章 小 结Page 66 （1）对放大电路进行静态和动态分析。当输入端ui=0时，放大电路处于直流工作状态，简称静态。静态工作点Q是由直流通路决定的。当输入端的ui0时，放大电路处于交流工作状态，简称动态。它是放大电路中交流信号流通的路径。（2）设置合理的静态工作点并使之稳定，是保证放大电路正常工作的先决条件。Q点设置的原则是在不失真的前提下尽量低。（3）射极输出器的特点是：UoUi，1，ri高、ro低。由于这种电路的ri高，所以常用在输入级。又因为其ro低，故带负载能力强，常用它作为放大器的输出级。（4）

30、多级放大电路的级间耦合方式。在多级放大电路中，级与级之间有三种耦合方式。其中，由于变压器耦合有很多缺点，所以基本不再使用。一般采用阻容耦合放大电路和直接耦合放大电路。本 章 小 结Page 67 阻容耦合放大电路用于放大交流信号。直接耦合放大电路存在的严重问题是零点漂移，而第一级的零漂对输出的影响最大。引起零漂的主要原因是温度的变化。在直接耦合放大电路中解决零漂问题的有效措施是采用差分放大电路。差分放大电路因输入、输出方式的不同组合，共有四种连接方式。（5）功率放大电路在大信号下工作，研究的重点是如何在允许失真的情况下，尽可能提高输出功率和效率。早期的变压器耦合推挽电路较好地解决了上述矛盾，同

31、时可以实现阻抗变换，达到最佳负载的目的，但它存在体积大、频带宽等一系列缺点。与变压器耦合推挽电路相比，互补对称电路虽然对负载的要求较严格，但无上述缺点，因而应用日益广泛，特别是应用于集成功放器件中。对功放一般采用图解法进行分析。本 章 小 结Page 68 （6）由场效应管组成的放大电路一般都具有高输入阻抗的特点，适合作为放大电路的输入级。在中低频小信号下，场效应管模型可用一个电压控制电流源近似等效。共源极放大电路可接成自给偏压式和分压偏置式两种，其静态工作点的估算有图解法和分析法两种，在分析时可根据其转移特性曲线和输入输出回路的KVL关系共同确定。其交流放大倍数Au（-gmRL）的估算仅与输出回路有关。输入电阻为RG，输出电阻为RD。共漏极放大电路（源极输出器）的静态工作点分析与共源极电路基本相同，其交流特性与三极管的共集电极放