基本放大電路和多級放大電路

1、基本放大電路和多級放大電路    第2章 基本放大 2.1 基本共射極放大電路2.2 基本放大電路的分析方法 2.3 工作點穩(wěn)定電路2.4 共集和共基放大電路2.5 場效應管放大電路2.6 多級放大電路及復合管2.7 放大電路的頻率響應2.8 放大電路中的噪聲與干擾 2.9 實際應用電路舉例2.1 基本共射極放大電路2.1.1 三極管在放大電路中的三種連接方式三極管有三個電極,它在組成放大電路時便有三種連接方式,即放大電路的三種組態(tài):共發(fā)射極,共集電極和共基極組態(tài)放大電路.圖2.1所示為三極管在放大電路中的三種連接方式:圖(a)從基極輸入信號,從集電極輸

2、出信號,發(fā)射極作為輸入信號和輸出信號的公共端,此即共發(fā)射極(簡稱共射極)放大電路;圖(b)從基極輸入信號,從發(fā)射極輸出信號,集電極作為輸入信號和輸出信號的公共端,此即共集電極放大電路;圖(c)從發(fā)射極輸入信號,從集電極輸出信號,基極作為輸入信號和輸出信號的公共端,此即共基極放大電路.圖2.1 三極管的三種連接方式 2.1.2基本放大電路的組成和工作原理1.共射極放大電路在三種組態(tài)放大電路中,共發(fā)射極電路用得比較普遍.這里就以NPN共射極放大電路為例,討論放大電路的組成,工作原理以及分析方法.圖2.2所示為NPN型共射極放大電路的原理性電路. 圖2.2 基本共射極原理性電路 電路中各元件的作用如

3、下._(1)三極管(2)隔直耦合 電流的方向:對NPN型三極管基極電流iB,集電極電流iC流入電極為正,發(fā)射極電流iE流出電極為正,這和NPN型三極管的實際電流方向相一致.2.電壓,電流等符號的規(guī)定放大電路中(如圖2.3所示)既有直流電源UCC,又有交流電壓ui,電路中三極管各電極的電壓和電流包含直流量和交流量兩部分. 圖2.3 單電源共射極電路 為了分析的方便,各量的符號規(guī)定如下.(1)直流分量(2)交流分量(3)瞬時值.(4)交流有效值(5)交流峰值 3.放大電路實現(xiàn)信號放大的實質圖2.4 放大電路實現(xiàn)信號放大的工作過程 放大器放大的實質是實現(xiàn)小能量對大能量的 需要特別注意的是,信號的放大

4、僅對交流量而言.4.基本放大電路的組成原則三極管具有三個工作狀態(tài),截止,放大和飽和.在放大電路中為實現(xiàn)其放大作用,三極管必須工作在放大狀態(tài).從上面放大電路的工作過程可概括放大電路的組成原則為:(1)外加電源的極性必須保證三極管的發(fā)射結正偏,集電結反偏.(2)輸入電壓ui要能引起三極管的基極電流iB作相應的變化.(3)三極管集電極電流iC的變化要盡可能的轉為電壓的變化輸出.(4)放大電路工作時,直流電源UCC要為三極管提供合適的靜態(tài)工作電流IBQ,ICQ和電壓UCEQ,即電路要有一個合適的靜態(tài)工作點Q.2.1.3 放大電路的主要性能指標1.放大倍數Au,Ai放大倍數是衡量放大電路對信號放大能力的

5、主要技術參數.(1)電壓放大倍數Au放大電路輸出電壓與輸入電壓的比值. 常用分貝(dB)來表示電壓放大倍數,這時稱為增益.電壓增益=20lg|Au|(dB) (2)電流放大倍數Ai它是指放大電路輸出電流與輸入電流的比值. 2.輸入電阻Ri對于一定的信號源電路,輸入電阻Ri越大,放大電路從信號源得到的輸入電壓ui就越大,放大電路向信號源索取電流的能力也就越小.圖2.6 放大電路的輸入電阻 3.輸出電阻Ro圖2.7為放大電路輸出電阻的示意圖.圖2.7 放大電路的輸出電阻 圖2.8所示為求解放大電路輸出電阻的等效電路.當放大電路作為一個電壓放大器來使用時,其輸出電阻Ro的大小決定了放大電路的帶負載能

6、力.Ro越小,放大電路的帶負載能力越強,即放大電路的輸出電壓uo受負載的影響越小. 圖2.8 輸出電阻的求解電路 2.2 基本放大電路的分析方法 2.2.1 放大電路的圖解分析法圖解分析方法是指根據輸入信號,在三極管的特性曲線上直接作圖求解的方法.1.靜態(tài)工作情況分析(1)靜態(tài),動態(tài)和靜態(tài)工作點的概念 靜態(tài) 動態(tài) 靜態(tài)工作點Q 圖2.9 靜態(tài)工作點Q (2)直流通路直流通路:是指靜態(tài)(ui=0)時,電路中只有直流量流過的通路.畫直流通路有兩個要點:電容視為開路電感視為短路圖2.10和2.11所示分別為共射極放大電路及其直流通路.估算電路的靜態(tài)工作點Q時必須依據直流通路.圖2.10 共射極放大電

7、路 圖2.11 共射電路的直流通路 (3)Q點的估算根據直流通路,估算Q點有兩種方法. 公式估算法確定Q點 圖解法確定Q點如圖2.12所示,此直線由直流通路獲得,稱為直流負載線. 圖2.12 圖解法確定Q點 2.動態(tài)工作情況分析(1)交流通路它是指動態(tài)(ui0)時,電路中交流分量流過的通路.畫交流通路時有兩個要點:耦合電容視為短路.直流電壓源(內阻很小,忽略不計)視為短路.圖2.15所示為圖2.10共射極放大電路的交流通路.圖2.15 共射極電路的交流通路 計算動態(tài)參數Au,Ri,Ro時必須依據交流通路.(2)交流負載線在圖2.15中有關系式:uo=uCE=-iC(RcRL)=-ic/RL其中

8、,RL=RcRL稱為交流負載電阻,負號表示電流ic和電壓uo的方向相反.交流變化量在變化過程中一定要經過零點,此時ui=0,與靜點Q相符合.所以Q點也是動態(tài)過程中的一個點.交流負載線和直流負載線在Q點相交,如圖2.16所示.交流負載線由交流通路獲得,且過Q點,因此交流負載線是動態(tài)工作點移動的軌跡. 圖2.16 交流負載線 (3)放大電路的動態(tài)工作范圍圖2.17所示為電路的動態(tài)工作情況.圖2.17 動態(tài)工作情況 注意:三極管各電極的電壓和電流瞬時值是在靜態(tài)值的基礎上疊加了交流分量,但瞬時值的極性和方向始終固定不變.(4)非線性失真所謂失真,是指輸出信號的波形與輸入信號的波形不一致.三極管是一個非

9、線性器件,有截止區(qū),放大區(qū),飽和區(qū)三個工作區(qū),如果信號在放大的過程中,放大器的工作范圍超出了特性曲線的線性放大區(qū)域,進入了截止區(qū)或飽和區(qū),集電極電流ic與基極電流ib不再成線性比例的關系,則會導致輸出信號出現(xiàn)非線性失真.非線性失真分為截止失真和飽和失真兩種. 截止失真當放大電路的靜態(tài)工作點Q選取比較低時,IBQ較小,輸入信號的負半周進入截止區(qū)而造成的失真稱為截止失真.圖2.18所示為放大電路的截止失真. 圖2.18 截止失真 飽和失真當放大電路的靜態(tài)工作點Q選取比較高時,IBQ較大,UCEQ較小,輸入信號的正半周進入飽和區(qū)而造成的失真稱為飽和失真.圖2.19所示為放大電路的飽和失真.ui正半周

10、進入飽和區(qū)造成ic失真,從而使uo失真.圖2.19 飽和失真2.2.2 放大電路的微變等效電路分析法微變等效電路分析法指的是在三極管特性曲線上Q點附近,當輸入為微變信號(小信號)時,可以把三極管的非線性特性近似看為是線性的,即把非線性器件三極管轉為線性器件進行求解的方法.1.三極管的微變等效電路分析法(1)三極管的微變等效電路圖2.20 三極管的交流輸入電阻rbe 圖2.21 三極管的電流放大系數 結論:當輸入為微變信號時,對于交流微變信號,三極管可用如圖2.22(b)所示的微變等效電路來代替.圖2.22(a)所示的三極管是一個非線性器件,但圖2.22(b)所示的是一個線性電路.這樣就把三極管

11、的非線性問題轉化為線性問題.圖2.22 三極管的微變等效電路模型(2)交流輸入電阻rbe(3)有關微變等效電路的幾點說明2.用微變等效電路分析法分析共射放大電路(1)用微變等效電路分析法分析放大電路的求解步驟 用公式估算法估算Q點值,并計算Q點處的參數rbe值. 由放大電路的交流通路,畫出放大電路的微變等效電路. 根據等效電路直接列方程求解Au,Ri,Ro.注意:NPN和PNP型三極管的微變等效電路一樣.(2)用微變等效電路分析法分析共射放大電路 放大電路的微變等效電路對于圖2.10所示共射極放大電路,從其交流通路圖2.15可得電路的微變等效電路,如圖2.23所示.uS為外接的信號源,RS是信

12、號源內阻.圖2.23 圖2.10所示共射放大電路的微變等效電路 求解電壓放大倍數Au負號表示輸出電壓uo與輸入電壓ui反相位. 求解電路的輸入電阻RiRi=Rbrbe一般基極偏置電阻Rb>>rbe,Rirbe. 求解電路的輸出電阻Ro圖2.24所示為求解輸出電阻的等效電路.RoRc輸出電阻Ro越小,放大電路的帶負載能力越強.輸出電阻Ro中不應包含負載電阻RL.圖2.24 求解輸出電阻的等效電路 求解輸出電壓uo對信號源電壓uS的放大倍數AuS由于信號源內阻的存在,AuS>IBQ一般對于硅材料的三極管:I1=(510)IBQ2.3.3 工作點穩(wěn)定電路的分析1.靜態(tài)工作點Q的估算

13、圖2.28所示為分壓偏置式工作點穩(wěn)定電路的直流通路 .圖2.28 穩(wěn)定電路的直流通路2.微變等效電路圖2.29(a)所示為工作點穩(wěn)定電路的交流通路,圖2.29(b)所示為其微變等效電路.因為旁路電容Ce的交流短路作用,電阻Re被短路掉.圖2.29 穩(wěn)定電路的交流通路及其微變等效電路2.4 共集和共基放大電路基本放大電路共有三種組態(tài),前面討論的放大電路均是共射極組態(tài)放大電路.另兩種組態(tài)電路分別為共集電極和共基極組態(tài)電路.2.4.1 共集電極放大電路1.電路組成共集電極放大電路應用非常廣泛,其電路構成如圖2.32所示.其組成原則同共射極電路一樣,外加電源的極性要保證放大管發(fā)射結正偏,集電結反偏,同

14、時保證放大管有一個合適的Q點.圖2.32 共集電極電路及其交流通路交流信號ui從基極b輸入,uo從發(fā)射極e輸出,集電極c作為輸入,輸出的公共端,故稱為共集電極組態(tài),此電路也叫射極輸出器.2.靜電工作點Q的估算圖2.33 直流通路及其微變等效電路 3.動態(tài)參數Au,Ri,Ro(1)電壓放大倍數Au(2)輸入電阻Ri(3)輸出電阻Ro圖2.33 直流通路及其微變等效電路 共集電極電路的輸出電阻很小,其帶負載的能力比較強.實際應用中,射極跟隨器常常用在多級放大電路的輸出級,以提高整個電路的帶負載能力.共集電極電路的輸入電阻很大,輸出電阻很小.實際應用中,常常用作緩沖級,以減小放大電路前后級之間的相互

15、影響.2.4.2 共基極放大電路1.電路組成圖2.34所示為共基極放大電路,圖中Cb為基極旁路電容,其他元件同共射極放大電路.圖2.34 共基極電路及其交流通路 交流信號ui從發(fā)射極e輸入,uo從集電極c輸出,基極b作為輸入,輸出的公共端,因此稱為共基極組態(tài).2.靜態(tài)工作點Q的估算 _3.動態(tài)參數Au,Ri,Ro(1)電壓放大倍數Au(2)輸入電阻Ri(3)輸出電阻Ro共基極電路具有電壓放大作用,uo與ui同相位.放大管輸入電流為ie,輸出電流為ic,沒有電流放大作用,icie,因此電路又稱為電流跟隨器.其輸入電阻很小,輸出電阻很大.共基極電路的頻率特性比較好,一般多用于高頻放大電路.2.4.

16、3 三種組態(tài)放大電路的性能比較2.5 場效應管放大電路場效應管同三極管一樣,具有放大作用.它也可以構成各種組態(tài)的放大電路,共源極,共漏極,共柵極放大電路.場效應管由于具有輸入阻抗高,溫度穩(wěn)定性能好,低噪聲,低功耗等特點,其所構成的放大電路有著獨特的優(yōu)點,應用越來越廣泛.2.5.1 場效應管放大電路的構成場效應管是一個電壓控制器件,在構成放大電路時,為了實現(xiàn)信號不失真的放大,同三極管放大電路一樣也要有一個合適的靜態(tài)工作點Q,但它不需要偏置電流,而是需要一個合適的柵源極偏置電壓UGS.場效應管放大電路常用的偏置電路主要有兩種:自偏壓電路和分壓式自偏壓電路.1.自偏壓電路圖2.36所示為N溝道結型場

17、效應管自偏壓放大電路.柵源偏置電壓UGS=UG-US=-IDRS. 圖2.36 自偏壓電路 2.分壓式自偏壓電路圖2.37所示為N溝道結型場效應管分壓式自偏壓放大電路. 圖2.37 分壓式自偏壓電路 2.5.2 場效應管放大電路的分析場效應管放大電路同三極管電路的分析方法類似.1.場效應管微變等效電路場效應管的柵極和源極之間電阻很大,電壓為ugs,電流近似為0,可視為開路.漏極和源極之間等效為一個受電壓ugs控制的電流源.圖2.38所示為場效應管的微變等效電路.圖2.38 場效應管及其微變等效電路2.自偏壓電路的動態(tài)分析圖2.39所示為圖2.36自偏壓電路的微變等效電路,由此可求電路的電壓放大

18、倍數,輸入電阻和輸出電阻.圖2.39 自偏壓電路的微變等效電路 3.分壓式自偏壓電路的動態(tài)分析圖2.40所示為圖2.37分壓式自偏壓電路的微變等效電路,圖2.37也為共源極放大電路. 圖2.40 分壓式自偏壓電路的微變等效電路 4.共漏極放大電路的動態(tài)分析共漏極放大電路與三極管共集電極放大電路的性能特點相一致.圖2.41和圖2.42分別為共漏極電路及其微變等效電路.根據定義可分別求得電路的電壓放大倍數,輸入電阻及輸出電阻.圖2.41 共漏極電路圖2.42 共漏極電路的微變等效電路同三極管共集電極放大電路一樣,共漏極電路沒有電壓放大作用,Au1,且uo與ui同相位;電路的輸入電阻比較大,輸出電阻

19、比較小.另外,場效應管放大電路還有共柵極電路,其性能特點同共基極放大電路相一致,具有電壓放大作用,uo與ui同相位,電路的輸入電阻小,輸出電阻較大等. 2.6 多級放大電路及復合管實際應用中,放大電路的輸入信號通常很微弱(毫伏或微伏數量級),為了使放大后的信號能夠 多級放大電路是指兩個或兩個以上的單級放大電路所組成的電路.圖2.43所示為多級放大電路的組成框圖.通常稱多級放大電路的第一級為輸入級.對于輸入級,一般采用輸入阻抗較高的放大電路,以便從信號源獲得較大的電壓輸入信號并對信號進行放大.中間級主要實現(xiàn)電壓信號的放大,一般要用幾級放大電路才能完成信號的放大.通常把多級放大電路的最后一級稱為輸

20、出級,主要用于功率放大,以驅動負載工作.圖2.43 多級放大電路的組成框圖 2.6.1 多級放大電路的耦合方式在多級放大電路中,各級放大電路輸入和輸出之間的連接方式稱為耦合方式.常見的連接方式有三種:阻容耦合,直接耦合和變壓器耦合.1.阻容耦合它是指各單級放大電路之間通過隔直耦合電容連接.圖2.44所示為阻容耦合兩級放大電路. 圖2.44 阻容耦合兩級放大電路 阻容耦合多級放大電路具有以下特點:(1)各級放大電路的靜態(tài)工作點相互獨立,互不影響,利于放大器的設計,調試和維修.(2)低頻特性差,不適合放大直流及緩慢變化的信號,只能傳遞具有一定頻率的交流信號.(3)輸出溫度漂移比較小.(4)阻容耦合

21、電路具有體積小,重量輕的優(yōu)點,分立元件電路中應用較多.但在 它是指各級放大電路之間通過導線直接相連接.圖2.45所示為直接耦合兩級放大電路.前級的輸出信號uo1,直接作為后一級的輸入信號ui2.圖2.45 直接耦合兩級放大電路 直接耦合電路的特點:(1)各級放大電路的靜態(tài)工作點相互影響,不利于電路的設計,調試和維修.(2)頻率特性好,可以放大直流,交流以及緩慢變化的信號.(3)輸出存在溫度漂移.(4)電路中無大的耦合電容,便于集成化.3.變壓器耦合它是指各級放大電路之間通過變壓器耦合傳遞信號.圖2.46所示為變壓器耦合放大電路.通過變壓器T1把前級的輸出信號uo1,耦合傳送到后級,作為后一級的

22、輸入信號ui2.變壓器T2將第二級的輸出信號耦合傳遞給負載RL.圖2.46 變壓器耦合放大電路 變壓器具有隔離直流,通交流的特性,因此變壓器耦合放大電路具有如下特點:(1)各級的靜態(tài)工作點相互獨立,互不影響,利于放大器的設計,調試和維修.(2)同阻容耦合一樣,變壓器耦合低頻特性差,不適合放大直流及緩慢變化的信號,只能傳遞具有一定頻率的交流信號.(3)可以實現(xiàn)電壓,電流和阻抗的變換,容易獲得較大的輸出功率.(4)輸出溫度漂移比較小.(5)變壓器耦合電路體積和重量較大,不便于做成集成電路.2.6.2 多級放大電路的分析1.多級放大電路的電壓放大倍數Au圖2.47所示為多級放大電路的框圖 圖2.47

23、 多級放大電路動態(tài)參數框圖 2.多級放大電路的輸入電阻Ri多級放大電路的輸入電阻Ri等于從第一級放大電路的輸入端所看到的等效輸入電阻Ri1._即:Ri=Ri1_3.多級放大電路的輸出電阻Ro多級放大電路的輸出電阻Ro等于從最后一級(末級)放大電路的輸出端所看到的等效電阻Ro末.即:Ro=Ro末注意:求解多級放大電路的動態(tài)參數Au,Ri,Ro時,一定要考慮前后級之間的相互影響.(1)要把后級的輸入阻抗作為前級的負載電阻;(2)前級的開路電壓作為后級的信號源電壓,前級的輸出阻抗作為后級的信號源阻抗.2.6.3 復合管復合管是由兩個或兩個以上的三極管按照一定的連接方式組成的等效三極管,又稱為達林頓管

24、.1.復合管的結構復合管可以由相同類型的管子復合而成,也可以由不同類型的管子復合連接,其連接的方法有多種.連接的基本規(guī)律為小功率管放在前面,大功率管放在后面;連接時要保證每管都工作在放大區(qū)域,保證每管的電流通路.圖2.48所示為四種常見的復合管結構.圖2.48 四種常見的復合管結構 2.復合管的特點(1)復合管的類型與組成復合管的第一只三極管的類型相同.(2)復合管的電流放大系數近似為組成該復合管的各三極管電流放大系數的乘積.即:123 2.7 放大電路的頻率響應2.7.1 頻率響應的基本概念1.頻率響應放大倍數隨信號頻率變化的關系稱為放大電路的頻率特性,也叫頻率響應.頻率響應包含幅頻響應和相

25、頻響應兩部分.用關系式Au=Au(f)(f)來描述放大電路的電壓放大倍數與信號頻率的關系.其中Au(f)表示電壓放大倍數的模與信號頻率的關系,叫幅頻響應;(f)表示放大電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui的相位差與信號頻率的關系,叫相頻響應.2.上,下限頻率和通頻帶_ 圖2.49所示為阻容耦合放大電路的幅頻響應.從圖中可以看出,在某一段頻率范圍內,放大電路的電壓增益|Au|與頻率f無關,是一個常數,這時對應的增益稱為中頻增益Aum;但隨著信號頻率的減小或增加,電壓放大倍數|Au|明顯減小.圖2.49 阻容耦合放大電路的幅頻響應 (1)下限頻率fL和上限頻率fH定義:當放大電路的放大倍數Au下降到0

26、.707Aum時,所對應的兩個頻率分別叫做放大電路的下限頻率fL和上限頻率fH.(2)通頻帶BWfL和fH之間的頻率范圍稱為放大電路的通頻帶,用BW表示.即:BW=fH-fL3.影響放大電路頻率特性的主要因素放大電路中除有電容量較大的,串接在支路中的隔直耦合電容和旁路電容外,還有電容量較小的,并接在支路中的極間電容以及雜散電容.因此,分析放大電路的頻率特性時,為分析的方便,常把頻率范圍劃分為三個頻區(qū):低頻區(qū),中頻區(qū)和高頻區(qū),如圖2.49所示. (1)低頻區(qū)若信號的頻率f<fL,稱此頻率區(qū)域為低頻區(qū).(2)中頻區(qū)若信號的頻率fL<ffH,稱此頻率區(qū)域為高頻區(qū). 2.7.2 單級共射放大電路的頻率響應圖2.50所示為單級阻容耦合基本共射放大電路及其頻率特性.圖2.50 單級阻容耦合基本共射放大電路及其頻率特性1.單級共射放大電路的中頻響應2.單級共射放大電路的低頻響應在低頻區(qū),要考慮隔直耦合電容和旁路電容的影響. 圖2.51所示為單級共射電路的低頻微變等效電路. 圖2.51 單級共射電路的低頻微變等效電路 3.單級共射放大電路的高頻響應在高頻區(qū),主要考慮極間電容的影響.因為極間電容的分流作用,這時三極管的電流放大系數不再是一個