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《電子技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

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《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=?,

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