模拟电子技术 +Ucc Rb C1 + + Rs + Us Ui Re RL Uo V + C2 + Us 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 本章主要内容 ? 定义:放大,静态工作点,饱和失真与截止失真, h参数等效模型,放大倍数,输入电阻和输出电阻, 最大不失真输出电压,静态工作点的稳定 ? 原理:共射放大电路的工作原理;解析法,图解法, 微变(h参数)等效电路法;多级放大电路的动态分 析 ? 方法: ? ? ? 静态工作点的估算 动态参数的估算 输出波形分析,最大不失真输出电压分析 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 2.1 基本放大器 ? 放大 ? ? ? ? 放大镜---光学中的放大 “给我一个支点,我将整个地球撬起”---力学中 的放大 变压器---电学中的放大 放大的本质:能量的控制和转换 ? 电子电路放大的基本特征是功率放大 ? 只有在不失真的情况下,放大才有意义 ? 三极管工作在放大区 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 放大电路的性能指标 Ii 放大电路 + + Io Ro ? 放大倍数 ? Rs + 电压增益 电流增益 Au ? Us _ Ui _ Ri + AuoUi _ Uo _ RL ? ? ? Uo Ui I Ai ? o Ii 互阻增益 互导增益 Ar ? 输入端 ? ? ? 输出端 Uo Ii I Ag ? o Ui 输入电阻 输出电阻 频率响应 Ui Ii U Ro ? o |U s ? 0 I o RL ? ? Ri ? 该值越大,电路的放大能力越强 该值越小,表明带负载能力越强 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 共射极基本放大电路 Rc Rb VT + + ui _ uo 输入 VBB 输出 _ RL VT:三极管,实现电流 控制和放大 VCC ? Rb:偏流电阻 ? VBB:使UBE>Uon,与Rb 共同决定IB。 ? Rc:集电极电阻。将电流 的放大转换为电压的放大。 ? VCC:使集电结反偏 ? ui=0时,静态。IC=βIB,UCE=VCC - ICRC。 ? ui不为0时, △ib→△ic→ △uce即uo;实现电压放大,VCC 为输出提供能量。 ? 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 什么是静态工作点?为什么要设置静态工作点? Rc Rb + + I BQ ? VCC uo RL _ VBB ? U BEQ Rb ui _ I CQ ? ? I BQ U CEQ ? VCC ? I CQ RC VBB ? 静态工作点:Q点,直流电源单独作用时(ui =0) 的基极电流IBQ、集电极电流ICQ 、b-e间电压UBEQ 、 管压降UCEQ 。 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 什么是静态工作点?为什么要设置静态工作点? iB Rc Rb + + VCC O ui _ uo RL _ Uon uBE VBB ? ? ? Ui峰值U i on VBB=0,ui=0 VT截止 Ui 峰值Uon ,部分导通,严重失真 ? 注:必须设置合理的静态工作点,以保证放大 电路不产生失真 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 共射放大电路的工作原理及其波形 ui O uCE uCE=UCEQ+uce t iB=IBQ+ib UCBQ O t uo= uce,uo与ui 相位相反 iB (iC) IBQ (ICQ) O ? iC=ICQ+βib uO O t t ? 合适的静态工作点,使交流信号驮载在直流分量上,保证 三极管始终工作在放大状态,输出电压波形不失真。 基本共射放大电路的电压放大作用:利用三极管的电流放 大作用,依靠Rc将电流的变化转为电压的变化来实现。 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 两种常见的共射放大电路 ? 直接耦合 ? ? 阻容耦合 ? 信号源与放大电路、放 大电路与负载直接相连 信号源与放大电路、放 大电路与负载电容耦合 VCC C2 + 必不可少。 否则,IBQ =0,VT截止 Rb1 + Rb2 Rc + VCC C1 + + Rb Rc + ui _ 使ui有损 失传到VT uo _ ui RL _ 耦合电容 隔直通交 uo _ RL 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 VCC ? 直流通路:在直流电源作用下,直流 电流流经的通路 + + + + ? ? ? ? 电容开路 _ 电感短路 电压源短路,保留Rs 静态分析,即求静态工作点Q点 uo _ ? 交流通路:输入信号作用下交流信号 流经的通路 ? ? ? 电容短路 直流电源短路 动态分析:即求动态参数和输出波形分析 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 VCC 直流通路 Rb C1 + + Rb Rc Rc + VCC C2 + ui _ uo _ RL + 交流通路 + ui _ Rc Rb RL uo _ 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 静态分析 ? 解析法 Rb ? VCC Rc 画出直流通路 由基极回路求IBQ U CC ? I BQ Rb ? U BEQ ? I BQ ? Vcc ? U BEQ Rb ? 求ICQ=βIBQ 由集电极回路求UCEQ U CC ? I CQ Rc ? U CEQ 蔡红娟 I CQ ? ? I BQ U CEQ ? VCC ? I CQ RC ? 2013-7-13 模拟电子技术 ? 例1 已知β=50,Rb=475kΩ, Rc=3kΩ, UCC=+15V, 三极管UBE=0.7V,求电路的静态工作点 Rb C1 + Rc C 2 + VCC Rb + VCC Rc + ui _ uo _ I BQ ? Vcc ? U BEQ Rb 15 ? 0 .7 ? ? 30 μA 475 I CQ ? ? I BQ ? 50 ? 30 ? 1.5mA U CEQ ? VCC ? I CQ RC ? 15 ? 1.5 ? 3 ? 10.5V 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 ? 例2 已知β=100,Rb=260kΩ, Rc=2kΩ, Re=500Ω, UCC=+10V, 三极管UBE=0.7V,求电路的静态工作点 Rb Rc + + VCC C2 + VCC Rb C1 + Rc ui _ uo Re _ Re U CC ? I BQ Rb ? U BEQ ? I E Re I E ? (1 ? ? ) I BQ U CC ? I CQ Rc ? U CEQ ? I E Re I E ? I CQ 2013-7-13 I BQ 10 ? 0 .7 ? ? ? 30 μA Rb ? (1 ? ? ) Re 260 ? 101? 0.5 Vcc ? U BEQ I CQ ? ? I BQ ? 100? 30 ? 3mA U CEQ ? VCC ? I CQ ( RC ? Re ) ? 10 ? 3 ? 2.5 ? 2.5V 蔡红娟 模拟电子技术 静态分析 ? 图解法 ? 既符合工作特性曲线,又满足直流负载线方程 U CC ? iC Rc ? uCE iC(mA ) U CC Rc U CC ? i B Rb ? uBE iB(?A) U CC Rb 100?A 80?A 60?A 40?A 20?A IB=0 U cc uCE(V) IBQ O Q u (V) UBEQ U cc BE 蔡红娟 ICQ Q UCEQ 2013-7-13 模拟电子技术 ? ? 图解法求Q点的步骤: ? 由基极回路求出IBQ ? 在输出特性曲线所 在坐标中, 按直流 负载线方程uCE=UCCiCRc, 作出直流负 载线。 ? 找出iB=IBQ这一条输 出特性曲线, 与直 流负载线的交点即 为Q点。读出Q点坐 标的电流、电压值 即为所求。 已知Rb=270kΩ, Rc=3kΩ, UCC=6V, 三极管为硅管。 iC(mA ) 40?A 30?A 2 1.5 ICQ 1 0.5 1.5 Q 20?A 10?A UCEQ Rb 3 4.5 6 iB=0 uCE(V) I BQ ? ? U cc ? U BEQ ? 20uA IBQ=20uA, ICQ=1mA, UCEQ=3V 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 讨论:电路参数变化对Q点的影响 Rb: Rb ?? IB ?? IC ?? VCE ? ? Q点沿MN向下移动 VCC iC(mA ) 2 1.5 1 0.5 1.5 3 4.5 6 40?A 30?A Rb Rc Q Q’ 20?A 10?A iB=0 uCE(V) 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 电路参数变化对Q点的影响 RC: VCE ? VCC ? ICRC RC ? ? MN的斜率变小 ? MN绕M点逆时针转动 VCC iC(mA ) 2 1.5 1 0.5 1.5 3 4.5 40?A 30?A Rb Rc Q’ Q 20?A 10?A iB=0 6 uCE(V) M 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 电路参数变化对Q点的影响 VCE ? VCC ? ICRC VCC: VCC ? ? IC不变 ? VCE ? ? 直流负载线向右平移 iC(mA ) 2 Rc 40?A 30?A Rb + + VCC 1.5 1 Q Q’ 20?A 10?A ui _ uo VBB RL _ 0.5 1.5 3 4.5 6 iB=0 uCE(V) 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 动态分析 ? 图解法 iB iB iC UCC RC iC 工作点沿着负载线 在Q1和Q2之间移动 Q1 Q iBmax IBQ iBmin UCC uCE uCE iBmax IBQ iBmin t UBEQ uBE uBE t t IBQ Q ICQ ICQ Q2 i B ? I BQ ? ib iC ? I CQ ? ic UCEQ uo (uce)幅度比ui大,t 即放大作用 uo (uce)和ui相位相 反,即反相作用 蔡红娟 共射放大电路又称 为反相电压放大器 2013-7-13 uCE ? U CEQ ? uce 模拟电子技术 非线性失真分析 ? iC iC iB ICQ O t O O uCE Q点偏低,将引起截止失真;Q点偏高,将引起饱和失真。 iC ICQ iC iC Q iC iB Q uCE uCE O t O O uCE uCE uCE 减小Rb或增大 基极电源VBB t UCEQ 增大Rb,或减 小Rc,或换β 较小的管子 t UCEQ (a) 截止失真 (b) 饱和失真 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 iC / mA B 3 D 交流负载线 k=-1/RL’ RL’=Rc//RL 120uA 100 ?A 80 ?A 60 ?A Q 直流负载线 20 ?A C 40 ?A 为了使Uom尽可能 2 大,取Q点位置为 负载线横坐标中 点: I UCC-UCEQ=UCEQ-UCES CQ 图解法对象: ?Q点位置 ?最大不失真 输出电压 ?失真情况 ICQRL’=UCEQ-UCES O 2 4 6 8 UCEQ A 12 UCC 14 0uA 16 uCE / V 10 Uces ICQRL’ 最大不失真输出电压 最大不失真输出电压 Uom=min[UCC-UCEQ,UCEQ-UCES] 2013-7-13 蔡红娟 Uom=min[ICQRL’,UCEQ-UCES] 模拟电子技术 例 已知UBE=0.6V,rbb=300Ω。试求: (1)电路参数RB、RC、RL的数值。 (2)在输出电压不产生失真的条件下,最大输 入电压的峰值。 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 例 静态时UBEQ=0.7V。利用图解法分别求出RL=∞和RL =3kΩ时的静态工作点和最大不失真输出电压Uom。 ? ? 空载时:(Q1)IBQ=20μA,ICQ=2mA,UCEQ=6V;最大不 失真输出电压峰值约为5.3V。 带载时:(Q2)IBQ=20μA,ICQ=2mA,UCEQ=3V;最大不失 真输出电压峰值约为2.3V。 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 动态分析 ? 微变等效电路法: ? 当输入信号变化的范围很小(微变)时,可以认为 三极管电压、电流变化量之间的关系基本是线性的。 iC c iB b 输入 回路 e 输出 回路 iB b iE ib ube c e e ic uce iE iC 线性 网络 b 输入回路 输出回路 2013-7-13 (a) uBE ? f1 ( i B , uCE ) 取微分 (b) ube ? hie ib ? hre uce ic ? h fe ib ? hce uce (c) iC ? f 2 ( i B , uCE ) 蔡红娟 模拟电子技术 ube ? hie ib ? hre uce ic ? h fe ib ? hoe uce 将式中各交流量前面的系数h及下标称为h参数。即: ? 称为输出交流短路时的输入电阻。 ?uBE hie ? ?i B uCE ? hie≈1.4kΩ ?uBE hre ? ?uCE i B ?i C h fe ? ?i B uCE ?iC hoe ? ?uCE i B 2013-7-13 ? 称为输入交流断路时的电压反馈系数。 ? hre≈5x10-4 ? 称为输出交流短路时的电流放大系数。 ? hfe≈50 ? 称为输入交流断路时的输出电导。 ? hoe≈5x10-5S 蔡红娟 模拟电子技术 iC c iB b 输入 回路 输出 回路 e iB b ube ? hie ib ? hre uce ic ? h fe ib ? hce uce ib b hie ube hreuce e hfeib 1 hoe ie c (a) uce b + ube - ube ? rbe ib ic ? ? ib c + ib rbe e ic 26( mv ) rbe ? rb ( 200? ) ? (1 ? ? ) I EQ ( mA ) 2013-7-13 ?ib uce - 蔡红娟 模拟电子技术 用微变等效模型分析共射基本放大电路 + UCC + ii + ib b c Rb C1 Rc + C2 ic ?ib Rb rbe io Rc RL + + Rs + Rs + + ui ui (a) 放大电路 RL uo - uo - us us - e ri (b) 等效电路 ro ' uo ? ? ib ( RL // Rc ) ? ? RL Au ? ? ? ui ib rbe rbe ui ? Rb // rbe ? rbe ii u Ro ? o |U s ?0 ? Rc i o RL ? ? Ri ? 2013-7-13 蔡红娟 输入电阻与信号源内阻无关 输出电阻与负载无关 模拟电子技术 ? 例1 已知β=100, Rb=24kΩ, Rc=5.1kΩ, rb=100Ω, UCC=+12V,UBB=+1V,UBEQ=0.7V,①求Q点②求Au、Ri、Ro +UCC Rc Rb ui VBB + uo + VBB Rb c +UCC Rc Re ? Q点计算 (a) 放大电路 I BQ ? 因为UCEQ >UBEQ 所以处放大区 2013-7-13 I CQ 1 ? 0 .7 ? 12.5 μA Rb 24 ? ? I BQ ? 100? 12.5 ? 1.25mA ? VBB ? U BEQ ro U CEQ ? VCC ? I CQ RC ? 12 ? 1.25 ? 5.1 ? 5.63V 蔡红娟 模拟电子技术 例 Rb ui VBB + + UCC ib + b c Rc + Rb ?ib ic rbe Rc + ui uo uo - e ri (a) 放大电路 (b) 等效电路 ro ? 动态分析 rbe ? 100? ? (1 ? ? ) 26( mv ) ? 2.2k? I EQ ( mv ) uo ? ? ib Rc ) ? ? Rc ? ? ? ?19.5 ui ib ( Rb ? rbe ) Rb ? rbe u u Ri ? i ? Rb ? rbe ? 26.2k? Ro ? o |U s ? 0 ? Rc ? 5.1k? ii i o RL ? ? Au ? 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 例2-3 已知β=50, Rb=377kΩ, Rc=6kΩ, RL=3kΩ, Rs=100Ω, UCC=+12V,UCES=0.7V,UBEQ=0.7V,①求Q点 + UCC Rb C1 ii ib b Rc C + 2 + + uo ri Rs + us ui VCC c + RL Rb Rb Rc rbe ic io Re ?ib + Rs + ui us (a) 放大电路 U ?U CC R e 12 ? 0 .7 I BQ ? ? ? 30 μA Rb 377 I CQ ? ? I BQ ? 50 ? 30 ? 1.5mA BEQ (b) 等效电路 ro U CEQ ? VCC ? I CQ RC ? 12 ? 1.5 ? 6 ? 3V 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 例2-3 ②求电压放大倍数Au, Aus + UCC ii ib b c Rb C1 Rc + C2 + + ic ?ib Rb rbe io Rc RL + + Rs + Rs + + ui ui (a) 放大电路 RL uo - uo us us - e - ri (b) 等效电路 26( mv ) rbe ? 200? ? (1 ? ? ) ? 1k? I EQ ( mv ) ro uo ? ? ib ( RL // Rc ) ? 50(6 // 3) ? ? ? 100 ui ib rbe 1 uo uo ui 377 // 1 Aus ? ? ? Au ? ?91 us ui us 0.1 ? 377 // 1 Au ? 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 例2-3 ③求输入电阻Ri , 输出电阻Ro + UCC ii + + ib b c Rb C1 Rc + C2 ic ?ib Rb rbe io Rc RL + + Rs + Rs us - + + ui (a) 放大电路 ui RL uo - uo us e - ri (b) 等效电路 ui Ri ? ? Rb // rbe ? rbe ? 1k? ii ro uo Ro ? |U s ? 0 ? Rc ? 60k? io RL ? ? 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 例2-3 ④画出输出回路的直流负载线和交流负 载线⑤求电路输出幅度Uo,max ? ? 直流负载线 ? 横轴交点(12,0) ? 纵轴交点(0,2) 交流负载线 ? Q点 (3,1.5) ? 横轴交点 (6,0) iC(mA ) 3 交流负载线 直流负载线 3 6 9 12 uCE(V) 2 1 O 最大不失真输出电压Uo,max= min [ IcQRL’,UCEQ-UCES ] = UCEQ-UCES=2.3V 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 例2-3 ⑥若us=27sinwt(mV),电路能否放大此信 号?⑦如何调整电路元件参数使该电路尽可能大 输出幅度?其值多大? ? 如果电路能够正常放大,则输出信号的幅值为 ? ? Uom=Usm |Aus|=0.027x91=2.457V Uom>Uo,max,因此输出波形产生失真,饱和失真 ? ? 克服饱和失真,即降低Q点位置,可改变(增大)Rb 为了使Uom尽可能大,取ICQRL’=UCEQ-UCES ? ? UCC- ICQRC- UCES=ICQ (RL //RC),得ICQ=1.41mA Rb = (UCC- UBE) /IBQ = (UCC- UBE) /(ICQ /β)=400kΩ ? 最大输出幅度Uo,max = ICQ (RL //RC) = 2.81 蔡红娟 2013-7-13 模拟电子技术 静态工作点的稳定 ? 稳定Q点,即在环境温度变化时静态集电极电流ICQ和 管压降UCEQ基本不变,即Q点在输出特性曲线中位置 不变 ??U C ? 温度补偿: ? ? I C1 ? UB ? Rs ?? U Us ? i Rb2 Rc C ?? 2 V UE RL C 二极管 热敏电阻、 ?? IB IE IR ? 引入直流负反馈Re Uo Rb1 Re ?? Ce ? 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 电路分解 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 晶体管单管放大电路的三种基本接法 + UCC Rb C1 ii + + uo Rs + us U Rs ib Rb C1 b c ? UCC ? Rc C + 2 ic io C2 R + Rs + RL ? ? + Rs + us ui (a) 共射放大电路 C1 ? ? ? ? Rs ? ? Us ? ? Ui Re Rb ? ? 2 ui ? ? ? Vib rbe Re ? ? e Rb RL Uo uo ? ? Us ? ? Ui ? s RL ? ri ? Ii ? - e ? - - (b) 共集放大电路 ?Ib I ? (b) 等效电路 ? I i ro ? ? e c o V ? C2 ? ? ? Rb Re RL Cb UCC ? Uo 1 I 共射:电流放大、电压放 R 大。低频电压放大电路 U r R R U R ? ? 共集:电流放大。电压放 ? U 大电路的输入级、输出级 ? ? ? ? 共基:电压放大。宽频带 b r r? ? 放大电路 r ? ? ? e s i e be c L o s i i o (c) 共基放大电路 2013-7-13 蔡红娟 (b) 等效电路 模拟电子技术 2.6 多级放大电路 ? 直接耦合 ? ? ? 前一级输出端直接 连接到后一级的输 入端 Rc1既作为第一级 的集电极电阻,又 作为第二级的基极 电阻 良好的低频特性 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 ? 阻容耦合 ? ? ? 前级输出端通过电容连接到后级的输入端 各级的静态工作点相互独立 适于信号频率很高、输出功率很大的电路 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 ? 变压器耦合 ? ? 前级输出信号通过变压器接到后级输入端 或负载 磁路耦合,Q点独立,可以实现阻抗变换 + UCC Rb Rb C1 + 1 3 RL V1 + Rb 4 Ce 1 V2 + Cb 4 Ui · Rb 2 Re Re + 2 1 Ce 2 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 ? 光电耦合 ? ? 以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递 抗干扰能力强,能实现电气隔离 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 多级放大电路的动态分析 + + + + Rs + ui - A1 uo1 ui2 - A2 uiN - AN RL us - uo - Au ? Au1 ? Au2 ? Au3 ? ? ? ? ? ? Aun Ri ? Ri1 Ro ? RoN 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 2013-7-13 蔡红娟 模拟电子技术 ? 本章小结 放大 ? ? ? 放大的本质是能量的控制和转换。放大的前提是不失真。 放大电路的核心元件是有源元件(晶体管、场效应管)。 应使晶体管工作在放大区,场效应管工作在恒流区,以保证合 适的静态工作点。 静态分析就是求解静态工作点Q,可用解析法或图解法求解 动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。利用h参数等效 电路计算Au、Ri、Ro,利用图解法分析Uom和失真情况 共射放大电路既能放大电流又能放大电压,输出电阻较大,适 用于一般放大。 共集放大电路只放大电流不放大电压,因输入电阻高而作为多 级放大电路的输入级,因输出电阻低而作为多级放大电路的输 出级,因电压放大倍数接近1而用于信号跟随。 共基放大电路只放大电压不放大电流,输入电阻小,高频特性 好,适用于宽频带放大电路。 蔡红娟 ? 放大电路的分析方法 ? ? ? 三极管基本放大电路 ? ? ? 2013-7-13