第二章放大器基础.

第二章放大器基础本章教学要求：6．掌握多级放大器的藕合方式及主要性能指标的计算。1．掌握放大器的主要性能指标及其定义。2．掌握双极型晶体管和场效应管的低频微变等效电路，运算放大器的线性等效电路。3．掌握放大器的基本分析方法：图解法和微变等效电路法。4．掌握双极型晶体管和场效应晶体管放大器的常用的偏置电路、三种基本组态以及射极(源极)带有电阻的放大器的基本组成、各指标计算和主要特点。5．掌握运算放大器组成的放大电路的各指标的计算和同相放大电路、反相放大电路的特点。1先跑起来的，就会赢。放大器的基本功能和分类放大器的基本功能是将信号不失真地放大到所需的大小。放大器的分类按器件可分为晶体管放大器、场效应管放大器、电子管放大器和集成放大器；按用途可分为电流放大器、电压放大器和功率放大器；按工作频率可分为低频放大器、高频放大器和超高频放大器，而低频放大器又可分为音频放大器、直流放大器和宽带放大器；按工作状态可分为甲（A）类放大器、乙（B）类放大器、甲乙（AB）类放大器、以及丙（D）类放大器等。放大器的基本功能低频放大器，它具有较宽的频率范围，所带负载不能采用谐振回路，故又称为非谐振放大器。2放大器变量及输入输出变量参考方向的规定放大器变量的规定用大写字母带大写下标表示直流电压及电流（如UBE、IE等）；用小写字母带小写下标表示交流电压及电流（如ube、ib等）；用小写字母带大写下标表示直流和交流在内的总的瞬时电压及电流（如uBE、iE等）；用大写字母带小写下标表示正弦交流有效值电压及电流（如Ube、Ie等）。放大器输入输出变量参考方向的规定iiiouo放大电路ui放大电路一般视为二端口网络，两个端口电压与电流的参考方向的规定为：严格地讲，放大电路与放大器是有区别的，但有时候这两个名词是混用的，均指放大电路。32-1放大电路的主要性能指标和电路组成2-1-1放大电路的主要性能指标1．放大倍数（增益）Magnification1）电压放大倍数放大器输出电压的有效值相量与输入电压的有效值相量之比称为电压放大倍数，用表示：iuUUA0usiiiosisousARZZUUUUUUA若考虑信号源内阻RS的影响，则常用源电压放大倍数表示，即：usA放大电路ZiRsusiiiououi42）电流放大倍数放大器的输出电流有效值相量与输入电流有效值相量之比称为电流放大倍数，用表示，即：iAiiIIA0若考虑信号源内阻的影响，则常用源电流放大倍数表示，即：iiio放大电路ZiRsisuouiisisiosisoisARZRIIIIIIA3）功率放大倍数放大器输出功率与输入功率之比称为功率放大倍数，用GP表示，即：iuiiooioPAAIUIUPPG放大倍数是无量纲的量，在工程上，常用分贝（dB）作为单位：iiuuPPAdBAAdBAGdBGlg20)(lg20)(lg10)(52．输入阻抗和输出阻抗放大器处于信号源于负载之间，因此对信号源而言，放大器是它的负载，这个等效负载阻抗就定义为放大器的输入阻抗；对于放大器的负载来说，放大器可等效为一个信号源，这个信号源内阻就为放大器的输出阻抗。放大器的输入阻抗定义为：iiiIUZ如果电路中所有的电抗性元件均不予考虑，那么输入阻抗就可用输入电阻来表示：iiiIUR放大器的输出阻抗是将负载断开后，信号源为零时，从输出端看进去的等效阻抗，可用戴维南定理来求，即：0sUoooIUZ63．非线性失真具有放大作用的电子器件一般都是非线性器件，信号经过放大器后，必然产生某种程度的失真。当输入单一频率的正弦信号时，输出信号将是一个周期性的非正弦波，即输出信号新的谐波分量产生，基波频率和输入信号频率相同，为有用信号，谐波分量就是由电子器件的非线性引起的。显然，谐波成分比例越大，失真就越大。这种因电子器件非线性特性引起的产生新的谐波分量的失真称为非线性失真。工程上常将谐波功率与基波功率之比定义为非线性失真系数，用来表示，即：1PPk4．频带特性由于放大器中含有电抗元件，所以放大倍数将随信号频率而变化，即：)()()(jeAjAA低频区中频区高频区)()(AmA2/mAlh幅频特性相频特性通频带75．噪声系数放大器的噪声系数NF定义为：oNSiNSFPPPPN)/()/(或dBPPPPdBNoNSiNSF)/()/(lg10)(式中、分别为输入、输出信号功率与噪声功率的比值。一般地，NF1，这是由于构成放大器的元件如电阻、晶体三极管、场效应管及集成放大器等都会产生噪声，使得输出信号的信噪比小于输入信号的信噪比。为了放大微弱信号，要求放大器特别是前置放大器的内部噪声尽可能低。iNSPP)/(oNSPP)/(82-1-2放大电路的组成UOC2RLC1USRS放大单元EC放大电路一般由这样几部分组成：信号源，包括内阻放大单元负载耦合元件电源放大单元由三极管及周边元件组称为三极管放大电路UoC2RLC1USRSECRCRB放大单元由场效应管及周边元件组称为场效应管放大电路UoC2RLC1UsRsEDRDRGRSCS放大单元由运放及周边元件组称为运算放大器放大电路UiRLR1RfUO+UCCUEE9放大电路正常工作条件：第一，必须有直流电源，直流电源有两个作用：一是给放大单元提供正确的偏置，使其工作在放大状态，（如使晶体三极管发射结正偏，集电结反偏）。二是为输出信号提供能量，信号通过放大电路使输出电压或电流得到放大，也就是信号功率得到放大，而直流电源就提供了输出功率。第二，必须有一个使信号通过放大器件（如三极管、场效应管或运算放大器）输入端到负载的交流通路。耦合元件的作用(coupling)耦合元件起到隔离直流耦合交流的作用，隔离直流是为了使信号源或负载的接入不影响对三极管的正确偏置；耦合交流是要使交流信号尽可能无损失地通过。因此，一般选用容量较大的电容作为耦合电容。而对于由运算放大器组成的放大电路来说，由于其特殊结构，信号直接接入不会对运放内的偏置发生影响，故不需要电容耦合。由于分立元件组成的基本放大电路是组成各类放大电路和运算放大器的基础，所以对分立元件基本放大器的分析，不但对于掌握基本放大器工作原理，理解信号放大过程是必须的，而且对于帮助理解其它各类放大器的工作原理也是很有必要的。下面先对晶体三极管放大电路进行分析。102.1.4共射放大电路的组成及其直流、交流通道1．共射放大器组成的基本原则usRsC1Rb1Rb2RcReRLC2+ui-+uo-EC+uCE=UCE+uce-CeiB=IB+ibiC=IC+ic阻容耦合共射放大器电路+uBE-(1)交流信号源：us为其开路电压，Rs为其内阻(2)输入耦合电容C1：对直流其容抗1/（ωC1）→∞，相当于开路，交流信号其容抗1/（ωC1）→0，容抗足够小，可视为短路(3)基极偏置电路：发射结必须正偏，集电结必须反偏，电源EC经电阻Rb1、Rb2组成的分压式偏置电路和Re给发射结提供以正向偏置①电源EC经Rc和Re给集电结以反偏，为晶体管集—射极间提供合适的偏置UCE和IC。②把晶体管的集电极电流iC的变化转化成输出电压uCE的变化，并传给负载RL(5)输出端耦合电容C2：其作用与C1相同，对直流开路，用于隔断晶体管与负载RL的直流联系；对交流短路，起到耦合传送交流信号到负载的作用。Ce为发射极旁路电容，主要作用是使射极电阻Re对交流短路，消除Re的交流负反馈的影响。(6)放大器负载RL：可以是一个实际的负载（如电阻、喇叭、显像管等），也可以是下一级的放大电路在输入信号ui的控制下，把EC提供的直流能量转化成较大的交流信号能量输出iB=IB+ibuBE=UBE+ubeiC=IC+icuCE=UCE+uce例2．1用上述原则判断下图所示电路是否具有电压放大作用RcEC（d）RbC1C2（b）RcC2RbC1EC（c）RbC1C2EC（a）RbRcC1C2EC图(a)由于C1隔直流的作用，无输入直流通路。图(b)由于C1的旁路作用使得输入信号电压无法加入。图(c)由于没有Rc，只有信号电流，无信号电压输出，或者说输出信号电压无法取出。图(d)发射结没有正向偏置电压。作业：2-1C2.1.5直流通路的作用及画法建立放大器工作点的电路IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ画直流通路的方法电感短路UBEQ为0.7V或0.3VIBQ、ICQ、UCEQC10电容开路L0L变压器初级线圈与次级线圈之间开路输入端信号源为零+us-is电容开路电感短路输入端信号源为零变压器初级线圈与次级线圈之间开路usRsC1Rb1Rb2RcReRLC2+ui-+uo-EC+uCE=UCE+uce-CeiB=IB+ibiC=IC+ic阻容耦合共射放大器电路+uBE-电容开路电感短路输入端信号源为零变压器初级线圈与次级线圈之间开路Rb1Rb2RcReEC+UCE-IBIC2-2放大器的分析方法放大电路的分析有静态分析和动态分析。静态分析是分析静态偏置是否正确，静态工作点是否恰当。动态分析是分析放大电路的性能指标，如增益、输入输出电阻等。对于运算放大器组成的放大电路来说，由于在器件集成过程中保证了在给定外加直流电压条件下静态工作点的正确，因此只要外加直流电压在给定范围内，就不需进行静态分析。因此，只有分立元件电路才进行静态分析。放大电路的分析方法有图解法和解析法图解法比较直观，但分析精度差，但对于理解信号在放大电路中的放大过程，建立动态范围、非线性失真和稳定工作点等概念具有直观的作用。解析法分析精度较高，是放大电路分析的常用方法。152-2-1图解法UCCUoUiC2C1RBRCRL1.静态分析（1）画出直流通路隔直电容开路，信号源和负载对三极管直流无影响，故去掉得到直流通路IBEQUBEQUCCRBRCUCEQ（2）写出三极管输入、输出回路负载方程由输入回路可以得到BBCCBERiUu由输出回路可以得到CCCCCERiUu16（3）在输入、输出特性曲线的伏安平面上分别画出输入、输出回路负载线UCC0IBQQBBCCBERiUuBEuBiBCCRUBEQU输入特性曲线输入回路直流负载线其交点Q所对应的电流和电压就是工作点电流和电压输出特性曲线0CCCCCERiUuCEuCiIBQ所对应的曲线输出回路直流负载线CCUCCCRUQCEQUCQI直流负载线与IBQ所对应的曲线交点Q所对应的电流和电压就是工作点电流和电压17QuiescentPiont2.动态分析动态分析是在静态分析基础上进行的，即在Q点已知的前提下展开的。1）输入回路的交流分析IbmtUBEQIBQ0UCC0UimBCCRUBiber1BEuBEuQ当放大电路加一交流信号，通过耦合电容C1，交流信号加到三极管发射结，使得发射结电压在静态工作点电压UBEQ上叠加了一信号电压在小信号条件下，工作点将沿Q点切线在Q点附近来回变化在变化的uBE的作用下，基极电流iB也将在静态电流的基础上叠加一交变电流静态工作点Q以及IBQ和UBEQ信号电压幅度为发射结电压由两部分组成tUUumiBEQBEsin基极电流由两部分组成tIIibmBQBsin交变电流幅度为交变部分电流与电压的关系为tIruruibmbebebeibsin182）输出回路的交流分析交流负载线t0t0CiCQICCRECiCEQUCCUCEuCEuBQIQCR1输出回路工作点电流ICQ和电压UCEQ基极交变电流使集电极电流也产生交变分量交流负载线通过Q点，斜率为'/1LR交变的集电极电流使工作点在交流负载线上下移动引起集射极间电压uCE相应地发生变化集电极电流由两部分组成cCQmCQCiItIIisin集射极间电压也由两部分组成'LcCEQceCEQCERiUuUu19放大器各点波形C1RCiCuBEiBICQiCtIBQiBtUBEQuBEtuitUCCuouiC2RBRLUCEQuCEtu