㈠ 考慮電路中不同的直流和交流成分,放大器的基本分析方法為什麼和什麼
第2章 放大電路的基本原理和分析方法,本章教學內容,2.1 放大的概念 2.2 放大電路的主要技術指標 2.3 單管共發射極放大電路 2.4 放大電路的基本分析方法 2.5 靜態工作點的穩定問題 2.6 三極體放大電路的三種基本組態 2.7 場效應管放大電路 2.8 多級放大電路,2.1 放大的概念,放大的基本要求：不失真放大的前提 放大的本質：能量的控制 放大的對象: 變化量 放大的核心元件：三極體和場效應管,電信號,足夠強電信號,微弱,強得多,放大倍數 放大電路輸出信號與輸入信號的比值。,信號源,內阻,輸入電壓,輸入電流,輸出電壓,輸出電流,2.2 放大電路的主要技術指標,輸入電阻,從輸入端看進去的 等效電阻,輸入電阻越大越好,衡量放大電路從信號源獲取電流大小的參數。,輸出電阻,將輸出等效成有內阻的電壓源，內阻就是輸出電阻。,空載時輸出電壓有效值,帶RL時的輸出電壓有效值,輸出電阻越小，帶負載能力愈強。,通頻帶,下限頻率,上限頻率,衡量放大電路對不同頻率信號的適應能力。,最大輸出幅度,非線性失真系數,所有的諧波總量與基波成分之比:,無明顯失真的最大輸出電壓(或電流)，一般指有效值，以Uom (或Iom )表示。,最大輸出功率與效率,最大輸出功率Pom：在輸出信號不失真的情況下，負載上能夠獲得的最大功率,效率：最大輸出功率Pom與電源消耗的功率PV 之比,2.3 單管共發射極放大電路,共發射極放大電路的組成,晶體管：起放大作用的核心元件,Rc：將變化的電流iC轉變為變化的電壓uCE(uo) 。,Rb、VBB ：使發射結正偏，並提供合適的靜態基極電流IB。,VCC：為輸出信號提供能量，並與Rc一起保證集電結反偏。,放大電路的工作原理,UBE,UCE=VCCRCIC,靜態工作點Q,UBEQ,IBQ,ICQ,UCEQ,當 ui=0,ui,uBE=UBEQ+ube,iB=IBQ+ib,ic= ib,uCE=UCEQ+uce,uo=uce,UCEQ=VCCRCICQ,iC=ICQ+ic,uce=RL|RCic,當 ui0,ib,ic,uce,反相放大,放大電路的工作波形,放大電路的組成原則,靜態工作點合適：合適的直流電源、合適的電路參數。 動態信號能夠作用於晶體管的輸入迴路，在負載上能夠獲得放大了的動態信號。 對實用放大電路的要求：共地、直流電源種類盡可能少、負載上無直流分量。,問題： 兩種電源 信號源與放大電路不「共地」,將兩個電源合二為一,有直流分量,有交流損失,2.4 放大電路的基本分析方法,靜態工作點Q分析,動態參數分析,IBQ、ICQ、UCEQ、UBEQ,Au、Ri、Ro,估演算法,圖解法,微變等效電路法,圖解法,直流通路與交流通路,直流通路,在直流電源作用下直流電流流經的通路。,電容開路，電感短路；,信號源短路；,交流通路,在輸入交流信號的作用下，交流信號流經的通路。,大電容短路；,直流電源短路；,靜態工作點的近似估算,晶體管的靜態等效電路（放大狀態）,放大電路靜態等效電路,近似條件：UBE 0.7V(硅管)，或 0.3V(鍺管),近似估算,檢驗晶體管是否處於放大狀態,思考： 如果BJT處於飽和區，如何調節使電路處於放大狀態？,IBQRb+UBEQ=VCC,IBQ,ICQ,ICQRc+UCEQ=VCC,根據KVL：,再次根據KVL：,圖解法,把輸入輸出迴路分開處理,畫出直流通路,列輸入迴路方程：,列輸出迴路方程：,UBE =UCCIBRB,UCE=UCCICRC,靜態工作點的分析,輸入迴路分析,UBEQ,IBQ,輸入特性曲線,輸入迴路 直流負載線,輸出迴路分析,IBQ,UCEQ,ICQ,輸出特性曲線,靜態工作點,靜態工作點,輸出迴路 直流負載線,UBE =UCCIBRB,UCE=UCCICRC,由於輸入特性不易准確測得，一般用估演算法求IBQ和UBEQ 。,圖示單管共射放大電路及特性曲線中，已知Rb=280k，Rc=3k ，集電極直流電源VCC=12V，試用圖解法確定靜態工作點。,解：首先估算 IBQ,輸出迴路方程 UCE = VCC IC Rc,IB,【例】,0,iB = 0 A,20 A,40 A,60 A,80 A,1,3,4,2,2,4,6,8,10,12,M,IBQ = 40 A ，ICQ = 2 mA，UCEQ = 6 V.,uCE /V,由 Q 點確定靜態工作點為：,iC /mA,UCE =12 3IC,電壓放大倍數的分析,交流負載線,直流負載線,輸入迴路工作情況分析,輸出迴路工作情況分析,圖解法的步驟,畫輸出迴路的直流負載線 估算 IBQ，確定Q 點，得到 ICQ和 UCEQ 畫交流負載線 求電壓放大倍數,圖解法的應用,分析非線性失真,由於靜態工作點Q過低，引起 iB、iC、uCE 的波形失真,iB,ui,截止失真,截止失真是在輸入迴路首先產生失真！,頂部失真,uo = uce,O,IB = 0,Q,t,O,O,t,iC,uCE/V,uCE/V,iC / mA,uo = uce,ib(不失真),ICQ,UCEQ,Q 點過高，引起 iC、uCE的波形失真。,底部失真,飽和失真,估算最大輸出幅度,Q盡量設在線段AB的中點,分析電路參數對靜態工作點的影響,Q1,Q2,VCC,Rb1Rb2,Q1,Q2,VCC,Rc2Rc1,增大Rc ，Q點向飽和區靠近。,增大Rb ，Q點向截止區靠近。,Q1,Q2,VCC,21,Q1,Q2,VCC2,VCC2VCC1,VCC1,VCC升高時, Q點移向右上方,Uom增大，三極體靜態功耗也增大。, 增大時，輸出特性曲線上移，Q點移近飽和區。,圖解法的特點,形象、直觀；,適應於Q點分析、放大倍數分析、失真分析、最大不失真輸出電壓的分析；,能夠用於大信號分析；,要求實測晶體管的輸入、輸出曲線；,定量分析的誤差較大；,不能求解輸入電阻、輸出電阻、頻帶等參數；,直流負載線,交流負載線,微變等效電路法,適用條件：微小交流工作信號；三極體工作在線性區。 解決問題：處理三極體的非線性問題。,輸入迴路,uBE,對輸入的小交流信號而言，三極體相當於電阻rbe。,晶體管的等效電路,利用PN結的電流方程可求得,基區體電阻,發射結電阻,發射區體 電阻,查閱手冊,rbb: 基區體電阻（常取300） UT: 溫度電壓當量. 常溫(27C), UT =26mV,小功率三極體：,輸出迴路,三極體輸出端可以等效為一個受控電流源：,iC=iB,等效電路,rbe,uBE,iC,iB,uCE,iB,e,c,b,動態參數分析,電壓放大倍數,輸入電阻,輸出電阻,等效電路法的步驟,確定放大電路的靜態工作點Q。,根據定義列出電路方程並求解。,畫出放大電路的微變等效電路。,求出Q點處的和rbe 。,估演算法,交流通路,微變等效電路,分析下圖所示接有射極電阻的單管放大電路。,【例】,引入發射極電阻後， 降低了。,若滿足(1 + ) Re rbe,與三極體的參數 、rbe 無關。,其中 RL=Rc/RL,放大倍數,輸入電阻,引入Re後，輸入電阻增大。,輸出電阻,圖示放大電路中, = 50。 1. 試估算放大電路的靜態工作點； 2. 畫出微變等效電路； 3. 求電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。,【例】,解:直流通路如圖所示,IBQRb+UBEQ+IEQRe=VCC,ICQ=IBQ=500.04mA =2mAIEQ,UCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe =12-2(3+0.82)V =4.36V,Ri=rbe+(1+)Re/Rb=36.3k,RoRc=3k,微變等效電路如圖所示,微變等效電路法的特點,簡單方便；,適應分析任何基本工作在線性范圍的簡單或復雜的電路；,只能解決交流分量的計算問題；,不能分析非線性失真；,不能分析最大輸出幅度；,靜態工作點穩定的必要性,2.5 靜態工作點的穩定問題,必要性,決定放大電路是否產生失真；,影響電壓放大倍數、輸入電阻等動態參數；,靜態工作點的不穩定，將導致動態參數不穩定，甚至使放大電路無法正常工作。,影響靜態工作點穩定的因素,電源電壓波動；,元件老化；,環境溫度變化；,溫度對靜態工作點的影響,T = 20 C,T = 50 C,工 作 點 向 飽 和 區 移 動,Q點穩定，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,分壓式偏置電路,分壓式偏置電路組成,RB2,CE,RE,VB,RE射極直流負反饋電阻,旁路電容，在交流通路中可視為短路,穩定靜態工作點的原理,固定VB,VB不受溫度變化的影響。,取適當的VB,使 VBUBE,I2=(510)IB,VB=(510)UBE,(IE),VB一定,穩定過程,(維持不變),RE的作用,采樣：,直流負反饋：,靜態分析,動態分析,其中：,旁路電容CE不影響放大電路的電壓放大倍數。,若去掉CE,如圖所示，VCC=12V，Rb1=5k，Rb2=15k，Re=2.3k，Rc=5.1k，RL=5.1k，=50，UBEQ= 0.7V。 (1) 估算靜態工作點Q； (2) 分別求有、無Ce時的Au和Ri；,【例】,解： (1) 靜態工作點:,(2) 求Au和Ri,當有Ce時,當無Ce時,可以看出，當無Ce時，電壓放大倍數很低,2.6 三極體放大電路的三種基本組態,基本組態,共射組態CE,共集組態CC,共基組態CB,共集電極放大電路,電路組成,集電極交流接地 共集電極電路 發射極輸出 射極輸出器,靜態分析,UCC=IBQRB+UBEQ +IEQRE =IBQRB+UBEQ+(1+ )IBQRE =IBQ RB+ (1+ )RE + UBEQ,動態分析,電壓放大倍數,輸入電阻,非常高,輸出電阻,信號源內阻,非常低,射極輸出器的特點,輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。,電壓放大倍數,1,輸入電阻很大，從信號源取得的信號大。,輸出電阻很小，帶負載能力強。,所謂帶負載能力強，是指當負載變化時，放大倍數基本不變。,射極輸出器的用途,將射極輸出器放在電路的首級，可以提高放大器的輸入電阻，減少對前級的影響。,將射極輸出器放在電路的末級，可以降低放大器的輸出電阻，提高帶負載能力。,將射極輸出器放在電路的兩級之間，可以起到電路的阻抗變換作用，這一級稱為緩沖級或中間隔離級。,靜態工作點分析：,動態分析：,共基極放大電路,電路組成,VEE：保證發射結正偏；,VCC：保證集電結反偏；,原理電路,實際電路,靜態分析,動態分析,具有電壓放大作用， 沒有倒相作用。,電壓放大倍數,輸入電阻,如不考慮Re的作用,如考慮 Re 的作用,輸出電阻,如不考慮Rc的作用,Ro = rcb,如考慮Rc的作用,Ro = Rc / rcb Rc,三種基本組態的比較,頻率響應,大 Rc,小,高 Rc,小 (幾歐 幾十歐),大 (幾十千歐以上),中 (幾百歐幾千歐) rbe,組態,性能,共 射 組 態,共 集 組 態,共 基 組 態,差,較好,好,應用,低頻電壓放大,多級放大的輸入級和輸出級,寬頻帶放大電路,2.7 場效應管放大電路,場效應管的特點,場效應管是電壓控制元件；,柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；,一種極性的載流子導電，雜訊小，受外界溫度及輻射影響小；,製造工藝簡單，有利於大規模集成；,存放管子應將柵源極短路，焊接時烙鐵外殼應接地良好，防止漏電擊穿管子；,跨導較小，電壓放大倍數一般比三極體低。,N 溝道增強型 MOS 場效應管組成的放大電路為例,共源極放大電路,電路組成,工作在恆流區實現放大作用：,開啟電壓,靜態分析,UGSQ 、 IDQ 、UDSQ,近似估演算法,ui = 0,UGSQ = VGG,恆流區，轉移特性為,式中IDO為uGS=2UGS(th)時的值。,圖解法,uDS = VDD - iDRD,輸出電壓方程：,UGSQ = VGG,Q,UDSQ,VDD,IDQ,直流負載線,UGSQ,動態分析,微變等效電路,對於正弦信號，iD 的全微分為,gm 跨導(毫西門子 mS)。,0.1 20 mS,rDS 漏源之間等效電阻。,幾百千歐,若RDrDS， rDS可視為開路,參數gm求法,用求導的方法計算 gm,在 Q 點附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，則,動態參數計算,Ro = RD,思考：輸入電阻多大？,分壓自偏壓式共源放大電路,電路組成,提高放大電路的輸入電阻,穩定靜態工作點,VG,靜態分析,近似估演算法,UDSQ=VDDIDQ(RD+RS),圖解法,Q,IDQ,UGSQ,VG,uDS = VDD iD(RD + RS),UDSQ,VDD,Q,IDQ,UGSQ,動態分析,基本共漏放大電路,電路組成,源極輸出器,靜態分析,VG,UDSQ=VDDIDQRS,動態分析,源極跟隨器,Ri=RG+(R1/R2),d,2.8 多級放大電路,為獲得足夠大的放大倍數，需將單級放大器串接，組成多級放大器。,級間耦合,多級放大電路的耦合方式,變壓器耦合,光電耦合,阻容耦合,直接耦合,阻容耦合,優點：各級Q點相互獨立，便於分析、設計和調試。,缺點：低頻特性差，不便於集成化。,直接耦合,優點：放大交流和直流信號，低頻特性好，便於集成。,缺點：各級Q點相互影響，零點漂移較嚴重。,臨近飽和區,合適靜態工作點的解決方法,降低電壓放大倍數,用二極體代替Re2。,發射極接一電阻Re2。,VB2,提高VB2,動態電阻小，對放大倍數影響小,用穩壓管代替二極體。,使穩壓管工作在穩壓的范圍里,後級集電極的有效電壓變化范圍減小； 級數增多，集電極電位上升， +Vcc將無法承受；,新的問題：,可降低第二級的集電極電位，又不損失放大倍數。,穩壓管雜訊較大,採用NPN-PNP耦合方式,實現電平移動,利用PNP管集電極電位比基極電位低的特點可獲得合適的合適的Q點。,【例】,圖示兩級直接耦合放大電路中，已知：Rb1=240 k，Rc1=3.9k，Rc2=500，穩壓管VDz的工作電壓UZ=4V，三極體T1的1=45，T2的2=40，VCC=24V，試計算各級靜態工作點。如ICQ1由於溫度的升高而增加1%，計算靜態輸出電壓的變化。,解：設 UBEQ1=UBEQ2=0.7 V,則 UCQ1=UBEQ2+Uz=4.7 V,ICQ1 = 1 IBQ1 = 4.5 mA,IBQ2=IRc1ICQ1=(4.954.5)mA=0.45mA,ICQ2=2 IBQ2=(400.45)mA=18mA,Uo=UCQ2=VCCICQ2RC2=(24180.5)V=15V,UCEQ2=UCQ2UEQ2=( 154)V=11V,當 ICQ1 增加 1% 時，即,ICQ1=(4.51.01)mA=4.545mA,IBQ2=(4.95-4.545)mA=0.405mA,ICQ2=(400.405)mA=16.2mA,Uo=UCQ2=(2416.20.5)V=15.9V,比原來升高了 0.9 V，約升高6%,零點漂移,零點漂移,當輸入信號為零時，輸出電壓不保持恆定，而是在某個范圍隨時間、溫度不斷地緩慢變化，稱這種現象為零點漂移或「零漂」。,產生零漂的原因：,衡量零漂的指標,溫度對晶體管參數的影響,電源的波動,輸出端漂移電壓,摺合到輸入端的等效漂移電壓,克服零點漂移的途徑:,引入直流負反饋以穩定Q點；,利用熱敏元件補償放大器的零漂；,採用差分放大電路。,變壓器耦合,優點：各級Q點相互獨立，能實現阻抗變換。,缺點：不能放大直流信號，笨重，不易集成。,光電耦合,優點：實現前後級電隔離，有效抑制電干擾。,缺點：放大能力較差。,分析方法,前一級的輸出電壓是後一級的輸入電壓。 後一級的輸入電阻是前一級的交流負載電阻。 總電壓放大倍數等於各級放大倍數的乘積。 總輸入電阻即為第一級的輸入電阻 。 總輸出電阻即為最後一級的輸出電阻。,注意：對於阻容耦合電路，由於電容的隔直作用，各級放大器的Q點相互獨立，分別估算。,靜態分析,動態分析,第二級的 輸入電阻,Ri=Ri1= RB1/ RB2/ rbe1,Ri2=RB1/ RB2/ rbe2,Ro = RC2,總電壓放大倍數,Au為正，輸入輸出同相,總放大倍數等於各級放大倍數的乘積,如圖，R1=15k, R2=R3=5k, R4=2.3k, R5=100k, R6=RL=5k，VCC=12V，=50，rbe1=1.2k，rbe2=1k, UBEQ1 =UBEQ2=0.7V。求:Q點、Au、Ri和Ro,解：1、求靜態工作點Q,【例】,2、求Au、Ri和Ro,作業,課後習題： P101，1（a、b、c、d、f）、2（a、b）、3、6,第一次：,課後習題： P105，10、11、14、15,第二次：,課後習題： P106，16、19(ad)、21、26,第三次：,
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㈡ 怎樣用微變等效電路法分析放大電路
用微變等效電路分析法分析放大電路的關鍵在於正確地畫出放大電路的微變等效電路。
具體方法是：首先畫出放大電路的交流通路，然後用晶體管的簡化h參數等效電路代替晶體管，並標明電壓、電流的參考方向。
應用微變等效電路分析法分析放大電路的基本步驟如下：
（1）確定放大電路的靜態工作點。這一步多採用近似估演算法或圖解法；
（2）求出靜態工作點Q附近的h參數。這一步可通過在輸入輸出特性曲線上作圖確定。一般情況下，只應用式GS0220估算出RbE
；
（3）畫出放大電路的微變等效電路。
（4）應用線性電路理論進行計算，求得放大電路的主要性能指標。
㈢ 基本放大電路
基本放大電路
基本放大電路，說到電路相信很多學物理的同學都不陌生，電路是物理的基礎，是每個學物理的同學必須掌握的，但是想要掌握整個電路知識就得先知道基本放大電路，以下是我整理的相關內容，一起來看看吧。
基本放大電路是電路的一種，可以應用在電路施工中。基本放大電路輸入電阻很低，一般只有幾歐到幾十歐，但其輸出電阻卻很高。
基本直放大電路既可以放大交流信號，也可放大直流信號和變化非常緩慢的信號，且信號傳輸效率高，具有結構簡單、便於集成化等優點，集成電路中多採用這種耦合方式。
放大電路（amplification circuit）能夠將一個微弱的交流小信號（疊加在直流工作點上），通過一個裝置（核心為晶體管、場效應管），得到一個波形相似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號的輸出。
「共射放大電路」是經常被使用的基本放大電路
「共射放大電路」是把發射極連接在0V的地電位上（稱為「接地」）構成的放大電路，也稱為「發射極接地」。輸出電壓VOUT(V)取自集電極電壓VC(V)。
在通過電流實現電壓放大的情況下，需要選擇合適的電阻
晶體管是實現電流放大的基本元件，但在電子電路中通常是需要進行電壓信號放大的，因此，晶體管也被用作放大電壓的電子電路的基本元件。要想將晶體管用於電壓放大電路，在信號輸入端通過電阻將輸入電壓轉化為電流，並載入到基極，電路的輸出阻抗將晶體管的放大電流轉化為電路的放大電壓，然後在集電極輸出。
要放大信號，就要選擇適當大小的電阻，只有這樣，才能讓電子電路按照預想的計劃進行放大。
利用等效電路分析放大電路的結構
在基極，直流電壓VBIAS(V)與交流（信號）電壓源VIN(V)相串聯，基極電阻RB(Ω)連接在基極與交流（信號）電壓源之間。
基極與發射極之間的電壓VBE，我們把它等效為一個二極體，導通電壓為0、6~0、7V，並且需要從外部提供相應的電壓VBIAS。
當交流（信號）電壓源變化時，基極電阻RB上基極電流IB(A)發生變化，從而引起集電極電流IC(A)也發生變化。
IC=hFE*IB
這是電流「控制」的關系式。將基極電流IB放大hFE倍，其數值等於集電極電流IC。
集電極電流的變化通過電阻可以轉化為輸出電壓
集電極電流IC的變化會引起電阻RC(Ω)兩端電壓的變化。集電極電壓VC，正是基極的交流電壓經過放大所得到的。
輸入信號VIN經過晶體管放大電路，得到的放大的電壓信號為VC，VIN和VC的波形的'極性是相反的。
實際的電路上可使用偏置電路
不同的晶體管（即使是一樣的型號）電流放大倍數也存在不同，同時，電流放大倍數也根據周圍溫度的變化而變化，所以這樣的電路是不穩定的。
所以，在實際的電路中，經常採用「偏置電路」，這樣的電路不受各種參數差異和溫度變化的影響。
怎麼區分三種基本放大電路?
1是基極，2是集電極，3是射級
1、如果信號是由基極輸入，射級輸出，那麼就是共集電極放大電路，又名射極跟隨器。
2、如果信號是由基極加入，集電極輸出，那麼就是共射極放大電路。共射極放大電路既具有電流放大特性，也具有電壓放大特性，適用於放大電路的中間級。也是主放大級。這也是最常見的放大電路，因為輸入信號都是以小信號為主，所以必須進行電壓電流放大，否則，你這放大電路就沒有意義了。
3、如果信號是由射級加入，集電極輸出，那麼就是共基極放大電路。