3.電子技術(shù)第1章1.2(放大器).ppt

1 2 3放大器的一般概念 電子學(xué)中放大的目的是將微弱的變化信號(hào)放大成較大的信號(hào) 這里所講的主要是電壓放大電路 電壓放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡(luò)表示 如圖 Au 1 放大的基本概念 放大實(shí)際上就是將 幅度 進(jìn)行增大的電子處理過(guò)程 幅度 這一名詞在電學(xué)中可以理解為信號(hào)的大小 在電子技術(shù)中 信號(hào)一般指加在電路中的交流信號(hào)或直流信號(hào) 因此 在電子技術(shù)中 放大可以被理解為 通過(guò)輸入信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行控制 從而使輸出信號(hào)具有輸入信號(hào)的特點(diǎn) 同時(shí)輸出信號(hào)的電壓 電流或功率大于輸入信號(hào) 2 放大器的應(yīng)用 多數(shù)電子設(shè)備利用放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大 由于原始信號(hào)的幅值太小 以至于不能控制和驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備 所以需要放大 幾乎在所有的電子設(shè)備中都有放大器 可見(jiàn) 放大器的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的 電壓放大器 將輸入信號(hào)的電壓進(jìn)行放大 也就是說(shuō)輸出信號(hào)的電壓大于輸入信號(hào) 功率放大器 將輸入信號(hào)的功率進(jìn)行放大 一般功率放大器作為末級(jí)放大器 它控制和驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備 輸出設(shè)備可能是揚(yáng)聲器 顯示器或天線(xiàn)等 3 放大器的分類(lèi) 圖1 2 15電壓和功率放大器框圖 4 放大器的工作類(lèi)型 1 甲類(lèi)放大器甲類(lèi)放大器的輸出信號(hào)對(duì)全部輸入信號(hào)波形進(jìn)行放大 如輸入信號(hào)是一個(gè)正弦波 那么輸出信號(hào)也是一個(gè)正弦波 即輸出回路電流的變化由全部的按正弦規(guī)律變化的輸入電流控制 特點(diǎn) 保真度高和效率低 最大效率也只能達(dá)到50 小信號(hào)放大器屬于甲類(lèi)放大器 保真度 輸出信號(hào)除幅度增大以外 其它方面都與輸入信號(hào)相同 即 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)具有波形相同 頻率相同的特點(diǎn) 2 乙類(lèi)放大器乙類(lèi)放大器的輸出信號(hào)僅對(duì)輸入信號(hào)波形的50 進(jìn)行放大 而輸入信號(hào)的另一個(gè)半周使三極管截止 即放大器只導(dǎo)通半個(gè)周期 特點(diǎn) 由于在靜態(tài)時(shí) 晶體管中沒(méi)有電流 因此它的效率高于甲類(lèi)放大器 但輸出信號(hào)嚴(yán)重失真 功率放大器一般采用乙類(lèi)放大器 乙類(lèi)放大器不僅有輸出半周輸入信號(hào)的作用 而且對(duì)該半周信號(hào)進(jìn)行了放大 3 甲乙類(lèi)放大器甲乙類(lèi)放大器的輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的半個(gè)周期以上的波形進(jìn)行放大 它的輸出波形與輸入波形不同 甲乙類(lèi)放大器工作于甲類(lèi)和乙類(lèi)放大器之間 因此其特點(diǎn)也介于上述兩種放大器之間 它的效率高于甲類(lèi)放大器 而低于乙類(lèi)放大器 它的保真度比甲類(lèi)放大器差 但比乙類(lèi)放大器好 甲乙類(lèi)放大器更接近于乙類(lèi)放大器的特點(diǎn) 實(shí)際的功率放大器都工作于甲乙類(lèi) 因?yàn)樗梢韵盘?hào)的交越失真 4 丙類(lèi)放大器丙類(lèi)放大器的輸出信號(hào)僅對(duì)輸入信號(hào)波形的少一半部分 50 進(jìn)行放大 這種放大器的效率最高 它一般用于對(duì)已調(diào)波的信號(hào)進(jìn)行放大 1 2 4低頻小信號(hào)放大器1 概述低頻小信號(hào)放大電路屬于甲類(lèi)放大器 組成 三極管 電阻器 電容器及電源等 工作原理 利用三極管的電流放大原理 把微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)的電信號(hào) 信號(hào)源 向放大器提供輸入信號(hào)的電路或設(shè)備 負(fù)載 接收放大器輸出電信號(hào)的元器件或電路 放大電路的工作條件和技術(shù)要求 發(fā)射結(jié)正向偏置 集電結(jié)反向偏置 對(duì)于放大電路 要保證輸入 輸出電信號(hào)的傳輸暢通無(wú)阻 對(duì)放大電路還應(yīng)滿(mǎn)足若干基本技術(shù)要求 主要反映在以下幾方面 1 放大電路的放大倍數(shù)要大 2 放大電路的非線(xiàn)性失真要小 3 放大電路要有合適的輸入電阻和輸出電阻 4 放大電路的工作要穩(wěn)定 符號(hào)規(guī)定 UA 大寫(xiě)字母 大寫(xiě)下標(biāo) 表示直流量 uA 小寫(xiě)字母 大寫(xiě)下標(biāo) 表示全量 ua 小寫(xiě)字母 小寫(xiě)下標(biāo) 表示交流分量 uA ua 全量 交流分量 t UA直流分量 2 共發(fā)射極基本放大電路 三極管放大電路有三種形式 共射放大器 共基放大器 共集放大器 以共射放大器為例講解工作原理 放大電路要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒娐?3 靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置 在無(wú)交流信號(hào)輸入時(shí) 放大電路的狀態(tài)稱(chēng)為靜態(tài) UBB通過(guò)RB給三極管加了直流偏置電流 相應(yīng)的基極電壓UBE 集電極電流IC 集電極電壓UCE在靜態(tài)時(shí)也都是不變的直流電量 這些直流電量對(duì)應(yīng)著三極管輸入特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn)上的某一個(gè)點(diǎn) 這個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q 當(dāng)有交流信號(hào)輸入時(shí) 放大電路的狀態(tài)稱(chēng)為動(dòng)態(tài) 4 共射放大電路的組成 放大元件iC iB 工作在放大區(qū) 要保證集電結(jié)反偏 發(fā)射結(jié)正偏 輸入 輸出 參考點(diǎn) 使發(fā)射結(jié)正偏 并提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)IB和UBE 基極電源與基極電阻 共射放大電路各元件作用 共射放大電路各元件作用 集電極電源 為電路提供能量 并保證集電結(jié)反偏 共射放大電路各元件作用 集電極電阻 將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?耦合電容 電解電容 有極性 大小為10 F 50 F 作用 隔離輸入輸出與電路直流的聯(lián)系 同時(shí)能使信號(hào)順利輸入輸出 共射放大電路各元件作用 單電源供電 可以省去 RB 單電源供電 由于電源的存在IB 0 IC 0 IC IE IB IC 無(wú)信號(hào)輸入時(shí) 靜態(tài)工作點(diǎn) 5 共發(fā)射極放大電路的工作原理 在共發(fā)射極電路中 輸入信號(hào)電壓ui 基極信號(hào)電流ib和集電極信號(hào)電流ic是同相位的 輸出電壓uo的波形與輸入信號(hào)ui的頻率相同 但相位相反 這也叫放大電路的 反相 作用 放大電路工作在動(dòng)態(tài)時(shí) uBE iB uCE和iC都是由直流分量和交流分量組成 因而三極管在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都是導(dǎo)通的 結(jié)論 6 共發(fā)射極放大電路的分析 IC IC UCE IB UBE 靜態(tài)工作點(diǎn) IB UBE 和 IC UCE 分別對(duì)應(yīng)于輸入輸出特性曲線(xiàn)上的一個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn) 放大電路的直流通道 直流通道 1 估算IB UBE 0 7V RB稱(chēng)為偏置電阻 IB稱(chēng)為偏置電流 1 用估算法分析放大器的靜態(tài)工作點(diǎn) IB UBE IC UCE 2 估算UCE Ic IC UCE Ic IB 例 用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn) 已知 UCC 6V RC 2K RB 200K 50 解 請(qǐng)注意電路中IB和IC的數(shù)量級(jí) 2 近似估算放大電路的輸入電阻 輸出電阻和放大倍數(shù) 三極管的輸入電阻rbe是指從三極管的輸入端看進(jìn)去有一個(gè)交流等效阻抗存在 忽略其電抗 低頻時(shí) 而只計(jì)算其電阻時(shí) 這個(gè)電阻稱(chēng)為三極管輸入電阻 rbe的大小可以用公式表示為 對(duì)于小功率三極管在共發(fā)射極接法且工作在低頻小信號(hào)時(shí) 常用下面的近似公式估算 放大電路的輸入電阻Ri是指從放大電路輸入端看進(jìn)去的交流等效電阻 它定義為交流輸入電壓ui與交流輸入電流ii的比值 即 輸入電阻 Ri RB rbe由于一般RB rbe 上式可以近似為 Ri rbe 放大器的輸出電阻Ro是指從放大器的輸出端 不包括負(fù)載電阻RL 看進(jìn)去 放大電路相當(dāng)于一個(gè)具有內(nèi)阻Ro和電動(dòng)勢(shì)uo的等效電路 這個(gè)內(nèi)阻Ro就是放大電路的輸出電阻 輸出電阻等于三極管集電極 發(fā)射極間等效電阻rce與RC的并聯(lián)值 即 Ro RC rce由于三極管在放大區(qū)rce很大 即rce RC 故上式可以近似為 Ro RC 放大電路的放大倍數(shù)A 表示電路放大能力的指標(biāo) 分別有下列三種 電壓放大倍數(shù)Au 是放大電路輸出電壓變化量 交流分量 uo與輸入電壓變化量 交流分量 ui的比值 即 電流放大倍數(shù)Ai 是放大電路輸出電流變化量 交流分量 io與輸入電流變化量 交流分量 ii的比值 即 功率放大倍數(shù)AP 是放大電路輸出功率Po與輸入功率Pi的比值 即 電壓放大倍數(shù)Au 輸出端不帶負(fù)載時(shí) 輸入電壓ui iiRi 由于Ri rbe ii ib 因此 ui ibrbe 由于放大后的集電極電流ic通過(guò)RC以電壓的形式輸送出去 即 uo icRC 電壓放大倍數(shù)Au 輸出端帶負(fù)載時(shí) 當(dāng)輸出端外接負(fù)載電阻RL時(shí) 再?gòu)膱D1 2 28 b 所示交流通路來(lái)看 輸出端電阻為RC RL 集電極電流ic通過(guò)交流等效負(fù)載電阻RL RC RL以電壓的形式輸出 因此uL uo icRL 所以 結(jié)論 放大電路不帶負(fù)載時(shí)輸出電壓最高 電壓放大倍數(shù)也最大 帶負(fù)載后 電壓放大倍數(shù)下降 而且負(fù)載電阻越小 電壓放大倍數(shù)下降也越多 2 圖解法分析法 近似估算法較為簡(jiǎn)單 并能很快計(jì)算出具體數(shù)值 可以據(jù)此來(lái)分析放大電路的一些性能 這種方法局限 難以判斷所設(shè)置的靜態(tài)工作點(diǎn)是否適當(dāng) 放大電路在工作過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性失真 動(dòng)態(tài)工作范圍是多少 而采用圖解分析法就可以解決這些問(wèn)題 圖解法分析法 運(yùn)用三極管的特性曲線(xiàn)簇 通過(guò)作圖的方法 直觀地分析放大電路性能的方法 稱(chēng)為圖解分析法 簡(jiǎn)稱(chēng)圖解法 2 用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點(diǎn) 1 直流負(fù)載線(xiàn) UCE UCC ICRC 圖1 2 29放大電路輸出回路的直流通路圖1 2 30直流負(fù)載線(xiàn) 2 用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點(diǎn) 2 圖解分析靜態(tài)工作點(diǎn) 當(dāng)電源電壓UCC一定時(shí) 靜態(tài)工作點(diǎn)Q在直流負(fù)載線(xiàn)上的位置取決于靜態(tài)基極電流IBQ 當(dāng)其他條件不變時(shí) 集電極負(fù)載電阻RC減小 直流負(fù)載線(xiàn)的斜率增大 與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)向上移動(dòng) 靜態(tài)工作點(diǎn)從原來(lái)的Q點(diǎn)移到QL點(diǎn) 反之 RC增大 則直流負(fù)載線(xiàn)斜率變小 與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)向下移 此外 當(dāng)其他條件不變時(shí) 僅改變電源電壓UCC的大小 則負(fù)載線(xiàn)將向右 或向左 平移 但斜率不會(huì)改變 2 用圖解法分析放大器的靜態(tài)工作點(diǎn) 2 圖解法分析動(dòng)態(tài)工作情況 圖1 2 32圖解法分析動(dòng)態(tài)工作情況 根據(jù)圖1 2 32所示的波形 可以計(jì)算出放大器的電壓放大倍數(shù) 電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù) 其計(jì)算公式為 各點(diǎn)波形 uo比ui幅度放大且相位相反 實(shí)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(diǎn) 使整個(gè)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(hào) 4 圖解分析靜態(tài)工作點(diǎn)與波形失真的關(guān)系失真分析 為了得到盡量大的輸出信號(hào) 要把Q設(shè)置在交流負(fù)載線(xiàn)的中間部分 如果Q設(shè)置不合適 信號(hào)進(jìn)入截止區(qū)或飽和區(qū) 造成非線(xiàn)性失真 失真 輸出波形較輸入波形發(fā)生畸變 稱(chēng)為失真 uo 可輸出的最大不失真信號(hào) 合適的靜態(tài)工作點(diǎn) uo Q點(diǎn)過(guò)低 信號(hào)進(jìn)入截止區(qū) 稱(chēng)為截止失真 信號(hào)波形 uo Q點(diǎn)過(guò)高 信號(hào)進(jìn)入飽和區(qū) 稱(chēng)為飽和失真 信號(hào)波形 7 工作點(diǎn)穩(wěn)定的偏置電路 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(diǎn) 但是 溫度的變化嚴(yán)重影響靜態(tài)工作點(diǎn) 對(duì)于前面的電路 固定偏置電路 而言 靜態(tài)工作點(diǎn)由UBE 和ICEO決定 這三個(gè)參數(shù)隨溫度而變化 溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響主要體現(xiàn)在這一方面 溫度對(duì)UBE的影響 溫度對(duì) 值及ICEO的影響 總的效果是 常采用分壓式偏置電路來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 電路見(jiàn)下頁(yè) 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大器 UBE UB UE UB IERE I2 5 10 IBI1 I2 IB I2 IE IC IB IC 分壓式偏置電路 RE射極直流負(fù)反饋電阻 CE交流旁路電容 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定過(guò)程 UB UBE UB UE UB IERE UB被認(rèn)為較穩(wěn)定 本電路穩(wěn)壓的過(guò)程實(shí)際是由于加了RE形成了負(fù)反饋過(guò)程 E C B 直流通道及靜態(tài)工作點(diǎn)估算 IB IC UCE EC ICRC IERE IC IE UE RE UB UBE RE UBE 0 7V 電容開(kāi)路 畫(huà)出直流通道 3 具有溫度補(bǔ)償?shù)钠秒娐贩謮菏狡秒娐?利用集電極電流ICQ的變化反映到輸入電路的方法來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的 它們并不能完全消除溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響 對(duì)于穩(wěn)定性要求較高的放大電路 常常利用熱敏電阻 面結(jié)合型二極管等對(duì)溫度敏感的元器件 來(lái)補(bǔ)償三極管參數(shù)隨溫度變化而帶來(lái)的影響 從而使靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定 帶有這種元器件的偏置電路稱(chēng)為溫度補(bǔ)償偏置電路 圖1 2 36熱敏電阻的溫度變化曲線(xiàn)圖1 2 37用熱敏電阻穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 該電路的特點(diǎn) 在射極偏置電路的基礎(chǔ)上 增加一個(gè)和RB2并聯(lián)的熱敏電阻Rt 2 用二極管作溫度補(bǔ)償?shù)钠秒娐吩?二極管的正向壓降和正向電阻隨溫度升高而減小 反向電流隨溫度升高而增大 圖1 2 38用二極管作溫度補(bǔ)償?shù)钠秒娐?為什么要研究放大器的頻率特性 放大器放大倍數(shù)與信號(hào)頻率的關(guān)系稱(chēng)為頻率響應(yīng) 或頻率特性 放大器放大的信號(hào)往往不是單一的正弦波 非正弦波是由許多不同頻率 不同相位的正弦波迭加而成的 為了不失真地放大非正弦信號(hào) 就必須將輸入信號(hào)中各頻率成分的幅值放大相同倍數(shù) 而它們之間的相對(duì)相位關(guān)系保持不變 8 放大器的頻率特性 任何放大器的放大倍數(shù)都是頻率的函數(shù) 這種放大倍數(shù)與信號(hào)頻率的函數(shù)關(guān)系 就是放大器的頻率特性 放大器的頻率特性 就是要了解放大器的放大性能與頻率的關(guān)系 以及影響這種關(guān)系的因素 從而能夠根據(jù)信號(hào)的頻率范圍 選擇和設(shè)計(jì)放大電路 以滿(mǎn)足不失真地放大信號(hào)的要求 關(guān)于頻率失真非正弦信號(hào)中的各頻率成分不能獲得同等放大 產(chǎn)生的波形失真 即因放大器對(duì)不同頻率信號(hào)的放大倍數(shù)不等而引起的失真 稱(chēng)為頻率失真 頻率失真包含兩個(gè)方面的意思 因信號(hào)中各頻率成分的幅值被放大的倍數(shù)不同而造成的失真稱(chēng)為幅頻失真 因通過(guò)放大器時(shí) 各頻率成分產(chǎn)生的相移不與頻率成正比 以至輸出電壓中各頻率成分之間的相位關(guān)系不能保持原輸入信號(hào)中各頻率成分之間的相位關(guān)系 從而使輸出波形失真 稱(chēng)為相頻失真 放大器在放大含有多種頻率成分的復(fù)雜信號(hào) 如聲音信號(hào) 時(shí) 如果各頻率分量都在通頻帶之內(nèi) 則各種頻率成分的信號(hào)幅值被放大相同的倍數(shù) 而且具有相同的相移 在輸出端就能得到不失真的輸出信號(hào) 如果復(fù)雜信號(hào)中有的頻率成分是在通頻帶之外的低頻區(qū)或高頻區(qū) 那么放大器對(duì)各頻率成分放大倍數(shù)不同 而且產(chǎn)生不同的相移 在輸出端得到的輸出信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生失真 這種因放大電路不能同等地放大不同頻率信號(hào)而引起的失真 稱(chēng)為頻率失真 FrequencyDistortion 頻率特性分為幅頻特性和相頻特性 幅頻特性 表示電壓放大倍數(shù)的絕對(duì)值 Au 與頻率f的關(guān)系 相頻特性表示輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的相位移 與頻率f的關(guān)系 圖1 2 39是射極偏置電路 圖1 2 35 的頻率特性 曲線(xiàn)表明