《電子技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

第2章 放大電路基礎(chǔ),2.1 基本放大電路的組成及工作原理 2.2 放大電路的分析方法 2.3 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定 2.4 共集電極和共基極電路 2.5 場效應(yīng)管放大電路簡介,2.1.1放大的概念與放大電路的性能指標(biāo),2.1 基本放大電路的組成及工作原理,2.1.2 基本放大電路的組成和工作原理,2.2.1 放大的概念 與放大電路的性能指標(biāo),一、放大的概念,二、放大電路的性能指標(biāo),一、放大的概念,放大的對象：變化量 放大的本質(zhì)：能量的控制 放大的特征：功率放大 放大的基本要求：不失真放大的前提,判斷電路能否放大的基本出發(fā)點,至少一路直流電源供電,二、性能指標(biāo),1. 放大倍數(shù)：輸出量與輸入量之比,電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù),對信號而言，任何放大電路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。,2. 輸入電阻和輸出電阻,將輸出等效成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻。,輸入電壓與輸入電流有效值之比。,從輸入端看進(jìn)去的 等效電阻,3. 通頻帶,4. 最大不失真輸出電壓Uom：交流有效值。,由于電容、電感及放大管PN結(jié)的電容效應(yīng)，使放大電路在信號頻率較低和較高時電壓放大倍數(shù)數(shù)值下降，并產(chǎn)生相移。,衡量放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力。,5. 最大輸出功率Pom和效率：功率放大電路的參數(shù),放大倍數(shù)隨頻率變化曲線幅頻特性曲線,符號規(guī)定,UA,大寫字母、大寫下標(biāo)，表示直流量。,uA,小寫字母、大寫下標(biāo)，表示全量。,ua,小寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,Ua,大寫字母、小寫下標(biāo)，表示交流有效值。,2.1.2 基本放大電路的組成和工作原理,一、電路的組成及各元件的作用,二、基本共射放大電路的波形分析,三、放大電路的組成原則,一、電路的組成及各元件的作用,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合適的IB。,VCC：使UCEUBE，同時作為負(fù)載的能源。,Rc：將iC轉(zhuǎn)換成uCE(uo) 。,動態(tài)信號作用時：,輸入電壓ui為零時，晶體管各極的電流、b-e間的電壓、管壓降稱為靜態(tài)工作點Q，記作IBQ、 ICQ（IEQ）、 UBEQ、 UCEQ。,共射,二、基本共射放大電路的波形分析,動態(tài)信號馱載在靜態(tài)之上,與iC變化方向相反,要想不失真，就要在信號的整個周期內(nèi)保證晶體管始終工作在放大區(qū)！,三、放大電路的組成原則,靜態(tài)工作點合適：合適的直流電源、合適的電路參數(shù)。 動態(tài)信號能夠作用于晶體管的輸入回路，在負(fù)載上能夠獲得放大了的動態(tài)信號。 對實用放大電路的要求：共地、直流電源種類盡可能少、負(fù)載上無直流分量。,兩種實用放大電路：（1）直接耦合放大電路,問題： 1. 兩種電源 2. 信號源與放大電路不“共地”,共地，且要使信號馱載在靜態(tài)之上,靜態(tài)時，,動態(tài)時，VCC和uI同時作用于晶體管的輸入回路。,將兩個電源合二為一,有直流分量,有交流損失, ,UBEQ,兩種實用放大電路：（2）阻容耦合放大電路,耦合電容的容量應(yīng)足夠大，即對于交流信號近似為短路。其作用是“隔離直流、通過交流”。,靜態(tài)時，C1、C2上電壓？,動態(tài)時，,C1、C2為耦合電容！,uBEuIUBEQ，信號馱載在靜態(tài)之上。 負(fù)載上只有交流信號。,由于電源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,靜態(tài)工作點,IBQ,ICQ,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),實現(xiàn)放大的條件,1. 晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2. 正確設(shè)置靜態(tài)工作點，使整個波形處于放大區(qū)。,3. 輸入回路將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電流。,4. 輸出回路將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的集電極電壓，經(jīng)電容濾波只輸出交流信號。,2.2 放大電路的分析方法,放大電路分析,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,估算法,圖解法,微變等效電路法,圖解法,計算機(jī)仿真,一.放大電路的直流通路和交流通路,直流通路：只考慮直流信號的分電路 Us=0，保留Rs；電容開路； 電感相當(dāng)于短路（線圈電阻近似為0）。 2. 交流通路：只考慮交流信號的分電路 大容量電容相當(dāng)于短路；直流電源相當(dāng)于短路（內(nèi)阻為0）。,放大電路中各點的電壓或電流都是在靜態(tài)直流上附加了小的交流信號。,但是，電容對交、直流的作用不同。如果電容容量足夠大，可以認(rèn)為它對交流不起作用，即對交流短路。而對直流可以看成開路，這樣，交直流所走的通道是不同的。,阻容耦合單管共射放大電路的直流通路,直流通路用來計算靜態(tài)工作點Q ( IBQ 、UBEQ、 ICQ 、 UCEQ ),對直流信號電容 C 可看作開路（即將電容斷開）,阻容耦合單管共射放大電路的交流通路,二、放大電路的靜態(tài)分析,靜態(tài)：放大電路無信號輸入（ui = 0）時的工作狀態(tài)。,分析方法：估算法、圖解法。 分析對象：各極電壓電流的直流分量。 所用電路：放大電路的直流通路。,設(shè)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(chǔ)。,靜態(tài)工作點Q：IBQ、 UBEQ、 ICQ、UCEQ 。,靜態(tài)分析：確定放大電路的靜態(tài)值。,由直流通路估算 IBQ,當(dāng)UBEQ<< UCC時，,由KVL: UCC = IBQ RB+ UBEQ,1、用估算法確定靜態(tài)工作點,由直流通路估算UCEQ、ICQ,根據(jù)電流放大作用,由KVL: UCC = ICQ RC+ UCEQ,所以： UCEQ = UCC ICQ RC,【例1】 估算圖2 - 2放大電路的靜態(tài)工作點。設(shè)UCC=12 V, Rc=3k, Rb=280k, 50。 解 根據(jù)公式得,注意：電路中IBQ 和 ICQ的數(shù)量級不同,、用圖解法確定靜態(tài)值,步驟：1. 用估算法確定IBQ,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。,2. 由輸出特性確定ICQ和UCEQ,UCEQ = UCC ICQRC,直流負(fù)載線方程,直流負(fù)載線斜率,在輸出特性曲線上畫直流負(fù)載線UCE =UCCICRC,由IB確定的那條輸出特性與直流負(fù)載線的交點就是Q點,O,直流負(fù)載線,【例2】如圖2 - 5(a)所示電路, 已知Rb=280k, Rc=3k, UCC=12V, 三極管的輸出特性曲線如圖2 - 5(b)所示, 試用圖解法確定靜態(tài)工作點。 ,圖2 5 例 2 電路圖,解 首先寫出直流負(fù)載方程, 并作出直流負(fù)載線:,然后, 由基極輸入回路, 計算IBQ,直流負(fù)載線與iB=IBQ=40A這一條特性曲線的交點, 即為Q點, 從圖上查出IBQ=40 A, ICQ=2mA, UCEQ=6V, 與例1結(jié)果一致。,3. 失真分析,截止失真,截止失真是在輸入回路首先產(chǎn)生失真！,飽和失真,：飽和失真是輸出回路產(chǎn)生失真。,消除方法：增大Rb，減小Rc，減小，減小VBB，增大VCC。,三、 放大電路的動態(tài)分析,動 態(tài)：電路有信號輸入（ui 0）時的工作狀態(tài)。,分析方法：微變等效電路法，圖解法。,動態(tài)分析: 計算Au、ri、ro等。,分析對象：各極電壓和電流的交流分量。,分析目的：找出Au、 ri、 ro與電路參數(shù)的關(guān)系，為 設(shè)計打基礎(chǔ)。,所用電路：放大電路的交流通路。,uCE = UCC iC RC,1、動態(tài)分析空載分析,斜率不變,2、帶負(fù)載分析,其中：,iC 和 uCE是全量，與交流量ic和uce有如下關(guān)系,所以：,這條直線通過Q點，稱為交流負(fù)載線。,交流負(fù)載線的作法,IB,過Q點作一條直線，斜率為：,交流負(fù)載線,. 輸入回路,當(dāng)信號很小時，將輸入特性在小范圍內(nèi)近似線性。,uBE,對輸入的小交流信號而言，三極管相當(dāng)于電阻rbe。,rbe的量級從幾百歐到幾千歐。,3.微變等效電路法,1). 晶體管的微變等效電路,. 輸出回路,所以：,(1) 輸出端相當(dāng)于一個受ib 控制的電流源。,(2) 考慮 uCE對 iC的影響，輸出端還要并聯(lián)一個大電阻rce。,rce的含義,rce很大， 一般忽略。,c,b,e,b、e之間用rbe等效代替。,c、e之間用受控電流源 等效代替。,2).放大電路的微變等效電路,. 電壓放大倍數(shù)的計算,特點：負(fù)載電阻越小，放大倍數(shù)越小。,3)、動態(tài)指標(biāo),、輸入電阻的計算,對于為放大電路提供信號的信號源來說，放大電路是負(fù)載，這個負(fù)載的大小可以用輸入電阻來表示。,電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。,、輸出電阻的計算,對于負(fù)載而言，放大電路相當(dāng)于信號源，可以將它進(jìn)行戴維南等效，戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。,計算輸出電阻的方法：,(1) 所有電源置零，然后計算電阻（對有受控源的電路不適用）。,(2) 所有獨立電源置零，保留受控源，加壓求流法。,所以：,用加壓求流法求輸出電阻：,例.3 在圖.（a）所示電路中，UBE.，試求： (1)靜態(tài)工作點參數(shù)IBQ、ICQ、UCEQ、Uo值； (2)計算動態(tài)指標(biāo) 、ri、ro的值。,圖2.13 用微變等效電路求動態(tài)指標(biāo) （a） 原理圖; （b） 微變等效電路,解 () 求靜態(tài)工作點參數(shù),畫出微變等效電路如圖.13（b）所示。,(2) 計算動態(tài)指標(biāo),2.3 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定,一、溫度對靜態(tài)工作點的影響,二、靜態(tài)工作點穩(wěn)定的典型電路,三、穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法,為了保證放大電路的穩(wěn)定工作，必須有合適的、穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。但是，溫度的變化嚴(yán)重影響靜態(tài)工作點。,對于固定偏置電路而言，靜態(tài)工作點由UBE、 和ICEO 決定，這三個參數(shù)隨溫度而變化，溫度對靜態(tài)工作點的影響主要體現(xiàn)在這一方面。,T,UBE,ICEO,Q,圖2.14 固定偏置電路,1、溫度對UBE的影響,一、溫度對靜態(tài)工作點的影響,2、溫度對 值及ICEO的影響,總的效果是：,若溫度升高時要Q回到Q，則只有減小IBQ,所謂Q點穩(wěn)定，是指ICQ和UCEQ在溫度變化時基本不變，這是靠IBQ的變化得來的。,分壓式偏置電路：,一、靜態(tài)分析,Re射極直流負(fù)反饋電阻,Ce 交流旁路電容,二、靜態(tài)工作點穩(wěn)定的典型電路,UBEQ,1. 靜態(tài)工作點穩(wěn)定的原理,為了穩(wěn)定Q點，通常I1 IBQ，即I1 I2；因此,基本不隨溫度變化。,設(shè)UBEQ UBEUBE，若UBQ UBEUBE，則IEQ穩(wěn)定。,Re 的作用,Re起直流負(fù)反饋作用，其值越大，反饋越強(qiáng)，Q點越穩(wěn)定。,2. 求靜態(tài)工作點,例：已知=50， VCC=12V， Rb1=7.5k， Rb2=2.5k， Rc=2k， Re=1k， 求該電路的靜態(tài)工作點。,二、動態(tài)分析,+VCC,如何提高電壓放大能力？,無旁路電容Ce時：,利?弊?,用加壓求流法求輸出電阻。,可見，去掉CE后，放大倍數(shù)減小、輸出電阻不變，但輸入電阻增大了。,三、穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法,引入直流負(fù)反饋 溫度補(bǔ)償：利用對溫度敏感的元件，在溫度變化時直接影響輸入回路。 例如，Rb1或Rb2采用熱敏電阻。 它們的溫度系數(shù)？,問題：Au 和 Aus 的關(guān)系如何？,定義：,2.4 晶體管放大電路的三種接法,一、基本共集電極放大電路,二、基本共基放大電路,三、三種接法放大電路的比較,一、基本共集電極放大電路,射極輸出器,交流通路,1. 靜態(tài)分析,直流通路,2. 動態(tài)分析：,小信號等效電路,交流通路,電壓增益,輸出回路：,輸入回路：,電壓增益：,其中,一般,，則電壓增益接近于1，,電壓跟隨器,輸入電阻,時，,輸入電阻大,Ri與負(fù)載有關(guān)！,輸出電阻,由電路列出方程,其中,則輸出電阻,時，,輸出電阻小,Ro與信號源內(nèi)阻有關(guān)！,二、 共基極放大電路,1.靜態(tài)工作點,直流通路與射極偏置電路相同,2.動態(tài)指標(biāo),電壓增益,輸出回路：,輸入回路：,電壓增益：,交流通路,小信號等效電路, 輸入電阻, 輸出電阻,小信號等效電路,輸入電阻小，頻帶寬！只放大電壓，不放大電流！,三、 放大電路三種組態(tài)的比較,1.三種組態(tài)的判別,以輸入、輸出信號的位置為判斷依據(jù)： 信號由基極輸入，集電極輸出共射極放大電路 信號由基極輸入，發(fā)射極輸出共集電極放大電路 信號由發(fā)射極輸入，集電極輸出共基極電路,空載情況下,接法 共射 共集 共基 Au 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 頻帶 窄 中 寬,2.三種組態(tài)的比較,3.三種組態(tài)的特點及用途,共射極放大電路： 電壓和電流增益都大于1，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關(guān)系。適用于低頻情況下，作多級放大電路的中間級。 共集電極放大電路： 只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用。在三種組態(tài)中，輸入電阻最高，輸出電阻最小，頻率特性好?？捎糜谳斎爰墶⑤敵黾壔蚓彌_級。 共基極放大電路： 只有電壓放大作用，沒有電流放大，有電流跟隨作用，輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關(guān)。高頻特性較好，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗的場合，模擬集成電路中亦兼有電位移動的功能。,2.5 場效應(yīng)管及其基本放大電路,一、場效應(yīng)管,二、場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置方法,三、場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析,一、場效應(yīng)管（以N溝道為例）,場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應(yīng)于晶體管的e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。,1. 結(jié)型場效應(yīng)管,符號,結(jié)構(gòu)示意圖,導(dǎo)電溝道,單極型管噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、低電壓工作,柵-源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用,溝道最寬,uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？,UGS（off）,漏-源電壓對漏極電流的影響,uGSUGS（off）且不變，VDD增大，iD增大。,預(yù)夾斷,uGDUGS（off）,VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。,場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？,uGDUGS（off）,uGD<UGS（off）,夾斷電壓,漏極飽和電流,轉(zhuǎn)移特性,場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。,uDGUGS（off）,g-s電壓控制d-s的等效電阻,輸出特性,預(yù)夾斷軌跡，uGDUGS（off）,可變電阻區(qū),恒 流 區(qū),iD幾乎僅決定于uGS,擊 穿 區(qū),夾斷區(qū)（截止區(qū)）,不同型號的管子UGS（off）、IDSS將不同。,低頻跨導(dǎo)：,2. 絕緣柵型場效應(yīng)管,uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)反型層將兩個N區(qū)相接時，形成導(dǎo)電溝道。,SiO2絕緣層,襯底,反型層,增強(qiáng)型管,大到一定值才開啟,增強(qiáng)型MOS管uDS對iD的影響,用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？,iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū),uGDUGS（th）,預(yù)夾斷,iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū),剛出現(xiàn)夾斷,uGS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻,耗盡型 MOS管,耗盡型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0時均可導(dǎo)通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在uGS0時仍保持g-s間電阻非常大的特點。,加正離子,小到一定值才夾斷,uGS=0時就存在導(dǎo)電溝道,MOS管的特性,1)增強(qiáng)型MOS管,2)耗盡型MOS管,開啟電壓,夾斷電壓,利用Multisim測試場效應(yīng)管的輸出特性,從輸出特性曲線說明場效應(yīng)管的哪些特點？,3. 場效應(yīng)管的分類工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性,uGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ uGS0才可能工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？ uGS0才可能工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？,二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點的設(shè)置方法,根據(jù)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間加極性合適的電源,1. 基本共源放大電路,2. 自給偏壓電路,由正電源獲得負(fù)偏壓 稱為自給偏壓,哪種場效應(yīng)管能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點？,3. 分壓式偏置電路,為什么加Rg3?其數(shù)值應(yīng)大些小些？,哪種場效應(yīng)管能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點？,即典型的Q點穩(wěn)定電路,三、場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析,近似分析時可認(rèn)為其為無窮大！,根據(jù)iD的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得gm。,與晶體管的h參數(shù)等效模型類比：,1. 場效應(yīng)管的交流等效模型,2. 基本共源放大電路的動態(tài)分析,若Rd=3k， Rg=5k， gm=2mS，則 與共射電路比較。,3. 基本共漏放大電路的動態(tài)分析,若Rs=3k，gm=2mS，則,基本共漏放大電路輸出電阻的分析,若Rs=3k，gm=2mS，則Ro=?,