模拟电子技术基础:基本放大电路
一、放大的概念
1、放大的對象均為變化量
2、放大電路的本質是能量的控制與轉換
3、放大的基本特征是功率的放大
4、有源元件:能夠控制能量的元件稱為有源元件
5、放大的前提是不要失真
二、放大電路的性能指標
1、
1、放大倍數:主要是電壓放大倍數:Auu=U。/Ui
2、輸入電Ri:是從放大電路輸入端看進去的等效電阻,Rs是信號源內阻,
3、輸出電阻R。:是指從輸出端看進去的等效內阻
4、通頻帶:放大電路只適用于放大某一特定頻率范圍內的信號,fL為下限截至頻率,fH為上上限截至頻率,低頻帶,高頻帶,通頻帶如圖所示
5、非線性失真系數D
6、最大不失真輸出電壓Uom
7、最大輸出功率于效率Pom
二、基本共射放大電路的工作原理
輸入回路與輸出回路以發射極為公共端,故稱共射放大電路,并稱公共端為“地
1、設置靜態工作點Q的必要性:是指輸入信號為0.直流電單獨作用時晶體管數據情況
2、Q點不僅影響電路是否會產生失真,而且影響著放大電路幾乎所有的動態參數
2.2.3基本共射電路的工作原理級波形分析
IBQ為靜態工作點的基極電流,基極總電流iB=IBQ+ib,由于基極對集電極電流的控制作用ib=βic,β為電流放大系數,集電極的電流ic=ICQ+βib,又由于Rc上的電壓增大。降壓管uCE必然減小(應為Vcc=icR+UCE,其中Vcc為常量)所以降壓管產生一個與ic變化相反的交變電壓uce,降壓管uCE=UCEQ+uce,如圖?,若再將其中的直流分量UCEQ去掉就得到了放大了的交流電壓u。,如圖(d)
以上可分析得:只有設置合適的靜態工作點,使交流信號駝載在直流分量上,以保證晶體管在的輸入信號在整個周期內始終在放大狀態,才不會失真。
2.2.4放大電路的組成原則
1、組成原則
2、常見的兩種共射放大電路
1、 可以發現該放大電路是將基極電源與集電極電源合二為一了,而且為了合理設置靜態工作點,在基極回路又增加了一個電阻,
2、將輸入端短路便可求靜態工作點
IBQ=(Vcc-UBEQ)/Rb2-UBEQ/Rb1
ICQ=βIBQ
UCEQ=Vcc-ICQRc
3、但是,清楚的是由于信號電壓在Rb1上均有損失,因而減小了晶體管基極與發射極之間的信號電壓,也就會影響電路的放大能力,所以引出如下電路
由于電容有隔離直流,通過交流的作用,C1的作用為阻斷信號源與直流電路的并聯關系,從而直接作用在放大器上,C2的作用是將直流分量去掉,直接得到放大的交流信號
IBQ=(Vcc-UBEQ)/Rb
ICQ=βIBQ
UCEQ=Vcc-ICQRc
2.3放大電路的分析方法
2.3.1直流與交流通路
直流通路是直流電源作用下直流電流流經的通路,也就是靜態電流流經的通路。用于研究靜態工作點。
1、電容視為開路
2、電感視為短路
3、信號源視為短路,但保留其內阻
交流通路是交流信號流經的通路1、容量大的電容視為短路2、無內阻的直流電源視為短路
4、在分析放大電路時,應遵循先靜態后動態的原則,求解靜態工作點時要利用直流通路,求解動態參數時應利用交流通路
2.3.2圖解法
一、靜態工作點的分析
1、如圖:在其中,虛線之間是晶體管,虛線之外是其他原件。于是有當Δu1=0 時,在晶體管的輸入回路中,靜態工作點即應該在其輸入特性曲線上,又應該在外電路的回路方程:uBE=Vcc-iBRb
如圖:
解即為靜態工作點,直線稱作輸入回路負載線。
2、同理,在晶體管的輸出回路中,輸出特性曲線與輸出回路的方程的解就是靜態工作點。
二、電壓放大倍數的分析
給定Δu1,在輸入回路經圖解可得ΔiB,根據ΔiB=βΔiC,在輸出回路中,根據三角形即可解除ΔuCE,
電壓放大倍數Au=ΔuCE/Δu1,以上即可求得電壓放大倍數。
1、由此分析得,輸入電壓與輸出電壓的變化相反
2、仔細分析可得Q點對放大電路的重要性
三、波形非線性失真的分析
1、截止失真:由(a )可知:當Q點過低時,b-e間的電壓在某段時間會小于Uon,三極管的開啟電壓,從而無法產生電流,電流局部失真,導致輸出電壓失真,值得注意的是,輸出電壓的失真部位與輸入電路相反。解決方法:只有增大基極電路電源才能消除截至失真。
2、飽和失真:當Q點過高時,輸入回路不會失真,但是回事輸出回路電壓在某時刻進入飽和區,而產生失真。為了消除飽和失真,就要適當降低Q點,
1、增大基極電阻
2、減小集電極電阻
3、更換一只β較小的管子
4、為了使最大不失真輸出電壓盡可能大,將Q點的橫坐標設為(Vcc+UCEs)/2處
四、直流負載線與交流負載線
這里是針對直接耦合與阻容耦合提出的
1、
根據阻容耦合的交流通路可以看出:當有負載時,輸出電壓是集電極Rc與負載電阻RL并聯產生的電壓,但是在ui=0時,應該看他的直流通路(a),可知在iB=ICQ時,管壓降應該為UCEQ,即交流負載線時通過Q點的,由點和斜率可得其交流負載線,
2、直接耦合直流負載線與交流負載線是重合的,而對于阻容耦合來說,只有空載時兩條是、直線才合二為一。
五、圖解法多適用于分析輸出幅值比較大而工作頻率不太高時的情況,在實際中,多用于分析Q點位置、最大不失真輸出電壓,和失真情況
2.3.4等效電路法
一、晶體管的直流模型及靜態工作點的估算法
靜態工作點時,b-e之間直流電流恒定,產生恒定電流ICQ,即可將理想化直流模型如圖(c)所示,注意電流方向就行了。
二、晶體管共射參數等效模型
可以將共射電路等效為(d)所示的圖,四個參數如下圖所示:
h1表示在輸入曲線上Q點處切線斜率的倒數,是動態的輸入電壓。
h12e是當iB=IBQ時uBE對uCE的偏導數(值很小)
h21e是uCE=UCEQ時。IC對iB的偏導數,即電流放大系數β
h22e是iB=IBQ時,IC對uCE的偏導數(值很小)
由于值很小的可以忽略,于是有:
那么rbe是什么呢:
h參數等效模型用于研究動態參數,它的四個動態參數都是在Q點求偏導數得到的,因此,只有在信號比較小,且工作線性度比較好的區域內,分析計算結果誤差比較小,由于h參數沒有考慮到結電容的作用,只適用于低頻信號情況,故稱之為晶體管的低頻小信號模型。
三、共射電路的動態分析
1、放大倍數Au:
Ui=Ib(Rb+rbe),U。=-IcRc=-βIbRc,相除即可
2、輸入電阻:Ri=Rb+rbe
3、輸出電阻:是指輸出回路的內阻。R。=Rc
2.4放大電路靜態工作點的穩定
2.4.2典型的靜態工作點穩定電路
一、電路組成和Q點穩定電路(與以往的電路有區別,更穩定)
在圖(c)中,節點B的電流I2=I1+IBQ,為了穩定Q點,通常使參數的選取滿足I1>>IBQ,因此I1約等于I2,于是基極的電位幾乎僅僅取決于Rb1與Rb2對Vcc的分壓,而與環境溫度無關,即溫度變化時UBQ基本不變。
于是有:當溫度升高時:集電極電流增大,導致發射極電流增大,導致Re上的電壓UE增大,發射極電位增高,又因為基極的電位基本不變,于是UBE減小,導致IB減小,導致Ic減小
由此可見:電路Q點穩定的原因是,1、Re的直流負反饋作用;2、在I1>>IBQ時,UBQ在溫度變化時基本不變。從理論上講,Re越大,反饋越強,Q點越穩定,但是實際上,對于一定的集電極電流Ic,由于Vcc的限制,Rc太大會使晶體管進入飽和區,電路無法正常工作
二、靜態工作點的估算
經過一系列的計算:我們通過(1+β)Re>>Rb,來判斷I1>>IBQ
三、動態參數的估算
1、有分析可得:Au=-βRL’/rbe,rbe會受溫度的影響,即Re是直流負反饋電阻,若將旁路電容Ce搞得很大,導致Re短路。
2、
分析可得:雖然使|Au|減小了,但由于Au僅僅決定于電阻取值,不受環境的影響,所以溫度穩定性好。
總結:Re與旁路電容,若有旁路電容,雖然動態分析中可以忽略Re,從而使Au增大,但是會受到溫度的影響;若沒有旁路電容,Au雖然變小了,但是穩定性增加了,所以二者需要權衡。
2.4.3 穩定穩態工作點的措施
1、溫度補償法
對于(a)來說:
IR為二極管的反向電流,當溫度升高時,Ic增大,但是同時IR增大導致IB減小,(因為IR+IB幾乎是個常量),又導致IC減小
對于(b)來說:設溫度升高時,二極管內電流基本不變,因此其壓降Ud必然減小,穩定過程簡述如下
2.5晶體管單管放大電路的三種基本接法
2.5.1 基本共集放大電路
1、電路的組成
動態分析:
把2.5.1(c)的圖用其h參數等效模型取代便可得到
由式子可以發現0<Au<1,當(1+β)Re>>Rb+rbe時,Au(向量為1),故常稱作射集跟隨器,電路電壓無反打能力,但是輸出電流Ie遠大于Ib,所以電路仍有功率放大作用
輸入電阻:Ri=Rb+rbe+(1+β)Re,因為流過Re的電流為ie,因此共集放大電路的輸入電阻比共射放大電路的輸入電阻大很多,可達幾十千Ω
輸出電阻:為了能計算輸出電阻,,令輸入信號為0,在輸出端加正弦電壓,得到電流,即可算出輸出電阻,
由于Re的取值較小,所以R??梢孕〉綆资畾W。
總結:共集電極放大電路輸入電阻大,輸出電阻小,因而從信號源索取的電流小,而且帶負載能力強,所以常用于多級放大電路的輸入極和輸出級;也可用它連接兩電路,減少電路間直接相連所帶來的影響。
2…5.2
基本共基極放大電路
1、共基極放大電路無電流放大能力,電壓放大倍數與阻容耦合放大電路差不多,
2、輸入電壓與輸出電壓同相,輸入電阻較共射電路小,輸出電阻與共射差不多
3、共基極放大電路的最大優點是頻帶寬,因而常用于無線電通信等方面。
2.6場效應管放大電路
2.6.1場效應管放大電路的三種接法
2.6.2 場效應管放大電路靜態工作點的設置方法及其分析估算
一、基本共源放大電路
一目了然。。。
二、自給偏壓電路
問:UGS為什么會小于0呢?
靜態時,由于場效應管柵極電流為0 ,因而電阻Rg的電流為0 ,柵極電位UCQ也就為0,也就是說原極的電位比柵極來得高,于是產生了靜態電壓,UGSQ=-IDQ*Rs
圖2.6.4(b)所示的是自給偏壓的一種特例,使用的是耗盡型mos管,因此不管正負均能工作。
三、分壓式偏置電路(典型的穩定電路)
A點電位決定于Rg2與Rg1的分壓,因為Rg3上沒有電流,g點電位為與A點電位相等,但柵極電位仍比源極電位低,Rg3的作用是增大輸入電阻。
2.6.3 場效應管放大電路的動態分析
一、場效應管的低頻小信號等效模型
如圖是由h參數畫出的等效電路
gm是輸出回路與輸入回路電壓之比,故稱為跨導,其量綱是電導。
gm=偏iD/pian uGS,在小信號時,可以用IDQ近似iD,得出
gm與Q點緊密相關,Q點愈高,gm愈大,因此,場效應管Q但也會影響失真。
二、基本共源放大電路的動態分析
共源放大電路具有一定的電壓放大能力,輸出電壓與輸入電壓,只是共源電路的輸入電阻幾乎開路,很大。
三、 基本共漏放大電路的動態分析
2.7 基本放大電路的派生電路
場效應管與晶體管相比,最突出的優點時=是可以組成高輸入電阻的放大電路,此外,由于它還有噪聲低,溫度穩定性好,抗輻射能力強等優于晶體管的特點,而且便于集成化,構成功耗電路,所以被廣泛的應用于各種電子電路中。
一、復合管放大電路
1、晶體管組成及其電流放大電路
特點:
基極入:NPN管
基極出PNP管
β約等于=β1*β2(=β1+β2+β1β2)
2、場效應管與晶體管組成的復合管及其跨導
3、復合管的組成原則
1、在正確的外加電壓下,每只管子的各極電流均有合適的通路,均工作在放大區或恒流區
2、為了實現電流放大,應該將第一只管子的集電極或發射極作為第二支管子的基極電流。
二、復合管共射放大電路
分析表明:復合管共射放大電路增強了電流放大電路,從而減小了對信號源驅動電流的要求。
三、復合管共源放大電路
電路比單管共源放大電路的放大能力強很多。但同時輸入電阻也大很多。
四、復合管共集放大電路
2.72 共射-共基放大電路
共集-共基放大電路
總結:集合管可以同時獲得兩種管子的優點。
總結
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