模拟电路备课教案第二章

第二章基本放大电路一、内容介绍主要内容是：放大电路的基本概念、放大电路的组成原则、放大电路的主要性能指标、放大电路的分析方法（静态分析和动态分析）、晶体管放大电路的三种基本组态（共射、共集、共基）、场效应管基本放大电路（共源、共漏、共栅），以及基本放大电路的派生电路。二、本章的重点和难点本章是学习后面各章的基础，是学习的重点，也是难点。重点是放大的概念、放大电路的主要性能指标、基本放大电路和放大电路的分析方法。包括共射、共集、共基、共源、共漏放大电路的组成、工作原理、静态和动态分析。有源元件对能量的控制作用、有关放大、动态和静态、等效电路等概念的建立，电路能否放大的判断，各种基本放大电路的失真分析等是难点。此外，由于场效应管种类较多，它的放大电路的分析就更难些。三、作业2.32.72.102.132.152.172.182.192.212.222.232.1放大的概念及放大电路的性能指标1.放大的概念(以扩音机为例说明)放大的前提:不失真放大的对象:变化量放大的本质:能量的控制和转换放大电路的特征:功率放大放大电路的必备元件:有源器件2.放大电路的性能指标放大电路是一个双口网络,等效成具有某种端口特性的等效电路。输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以等效成电压源或电流源.（1）放大倍数及增益电压放大倍数：(2.1.1)oviVAV电流放大倍数：(2.1.2)oiiIAI互阻放大倍数：(2.1.3)oriVAI互导放大倍数：(2.1.4)ogiIAVisvsisrsgsVVAAAA当以上各式的换成时，则各放大倍数为源增益、、和。本章着重讨论电压放大倍数。（2）输入电阻：(2.1.5)iiiiiVVRII对电压源形式的信号源，放大电路的输入电压：(2.1.6)iissiRVVRR输入电阻越大，信号电压损失越小。对电流源形式的信号源，放大电路的输入电流：(2.1.7)sissiRIIRR输入电阻越小，信号电流损失越小。（3）输出电阻：0(2.1.8)ToRLTVsVRI求解输出电阻方法:输出电阻的大小，影响到输出到负载信号的大小。当放大电路输出端等效为电压源时，输出电阻越小，则负载获得的输出电压越大；当放大电路输出端等效为电流源时，输出电阻越大，则负载获得的输出电流越大。输入电阻和输出电阻，都描述了电子电路相互连接时对信号所产生的影响。输入电阻描述了放大电路对输入信号源的影响，输出电阻描述了放大电路的带负载能力（当负载变化时，输出信号保持稳定的能力）。它们都是交流电阻，直接或间接地影响到放大电路的放大能力。（4）通频带：用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。通频带（带宽）:(2.1.9)bwHLfffLf—下限频率HLHbwffff当时，（5）非线性失真：由元器件非线性特性引起的失真。如图2.1.5所示。设输出信号中的基波幅值为A1、谐波波幅值为A2、A3…，则非线性失Hf—上限频率真系数：223211(2.1.10)AADAA（6）最大不失真输出电压Vom：（7）最大输出功率Pom与效率:(2.1.11)omVPP式中，PV为电源消耗的功率。例2.1.1某电唱机拾音头内阻为1M，输出电压为1V（有效值），如果直接将它与10的扬声器相接，扬声器上的电压和功率各为多少？如果在拾音头和扬声器之间接入一个放大电路，其输入电阻Ri=1M，输出电阻Ro=10，开路电压增益为1，则此时扬声器上的电压和功率各为多少？5610()110()11010LossLRaVVVRR2.2基本放大电路的工作原理1.放大电路的组成及各元件的作用'666()110101101010100.25()LLoovoioLoLvoLisoLsiRRbVVAVRRRRARRVRRRRV2.放大电路的工作原理(a)ui=0静态工作情况(b)ui=sint动态工作情况iB=IBQ+ibiC=ICQ+icuCE=UCEQ+uceuo=uce3.设置静态工作点的必要性（1）静态工作点ui=0时，输入特性曲线上的点（UBEQ,IBQ)和输出特性曲线上的点（UCEQ,ICQ)，称之为静态工作点Q。（2）设置静态工作点的必要性4.放大电路的组成原则（1）组成原则：根据所用放大管的类型设置合适的静态工作点Q。对于晶体管应使发射结正偏，集电结反偏，以使晶体管工作于线性放大区；对于场效应管，应根据其类型，使栅-源之间、漏-源之间的偏置电压能够保证场效应管工作于恒流区。必须保证从输入到输出信号的正常流通途径。输入信号能有效地作用于放大电路的输入回路；输出信号能有效地加到负载上。（2）常见的两种共射放大电路(a)直接耦合共射放大电路（如图2.2.3所示）(b)阻容耦合共射放大电路耦合电容的容量一般很大，为电解电容，起隔直通交的作用。2．3放大电路的分析方法放大电路的分析：（1）静态分析；（2）动态分析。1.直流通路与交流通路（1）直流通路：直流电流流经的通路，用于静态分析。对于直流通路：电容视为开路；电感视为短路；信号源视为短路，但保留其内阻。（2）交流通路：交流电流流经的通路，用于动态分析。对于交流通路：大容量电容（耦合电容、旁路电容等）视为短路；大容量电感视为开路；直流电源视为短路。试分析图2.3.3所示各电路是否可能不失真地放大交流信号，简述理由。设所有电容对交流信号均可视为短路。2.图解分析法图解分析法，必须已知三极管的输入、输出特性曲线。（1）直流分析首先，画出直流通路列输入回路方程：VBE=VCC－IBRb在输入特性曲线上，作直线VBE=VCC－IBRb，两线的交点即是Q点，得到IBQ。列输出回路方程：VCE=VCC－ICRc在输出特性曲线上，作出直流负载线VCE=VCC－ICRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ和ICQ。如图2.3.6所示。（2）交流分析首先，画出交流通路由交流通路得纯交流负载线：vce=-ic(Rc//RL)=-icR’LR'L=RL∥Rc，是交流负载电阻。因为交流负载线必过Q点，即VCEQ=-ICQRL则交流负载线为:vCE-VCEQ=-(iC-ICQ)RL即iC-ICQ=(-1/RL)(vCE–VCEQ)过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/RL直线，该直线即为交流负载线。如图2.3.8所示动态工作情况如图2.3.9所示。（3）非线性失真分析和最大不失真输出电压①波形的失真：饱和失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。截止失真：由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。放大电路要想获得大的不失真输出幅度，要求：工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；要有合适的交流负载线。Vom=min{Vom1，Vom2}（4）图解法的适用范围图解法的特点是直观、形象，但要求实测晶体管的输入、输出曲线，而且用图解法进行定量分析的误差较大。图解法适于分析输出幅值较大、频率较低的情况。实际应用中，常用于静态工作点位置、最大不失真输出电压和失真情况分析，另外在大信号工作时，往往也采用图解法。3.等效电路分析法等效电路分析法，必须已知三极管的值。（1）直流分析首先，画出直流通路，以直接耦合共射放大电路为例。IBQ=IB1-IB2=(VCC-VBEQ)/Rb2-VBEQ/(Rs+Rb2)(2.3.1)VBEQ=VBE(on)，硅管：0.6-0.7V；锗管：0.2-0.3VICQ=IBQ(2.3.2)ICQ=IC1-IC2=(VCC-VCE)/Rc-VCE/RLVCEQ=(VCC/Rc-ICQ)(Rc//RL)(2.3.3)（2）交流分析(a)晶体管的小信号模型建立小信号模型的意义：由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。建立小信号模型的思路：当放大电路的输入信号电压足够小时，晶体管工作于线性区，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。(b)晶体管共射h参数的引出对于BJT双口网络，可以根据输入输出特性曲线得到：BEBCE(,)(2.3.5)vfivCBCE(,)(2.3.6)ifiv在小信号情况下，对上两式取全微分得CEBBEBEBEBCEBCE(2.3.7)VIvvdvdidvivCEBCCCBCEBCE(2.3.8)VIiidididviv用小信号交流分量表示：b(2.3.9)eiebreceVhIhV(2.3.10)cfeboeceIhIhVCEBEieBVvhi输出端交流短路时的输入电阻；CECfeBVihi输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数；BBEreCEIvhv输入端交流开路时的反向电压传输比；BCoeCEIihv输入端交流开路时的输出电导。四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）。据此可得小信号模型（如图2.3.16所示）h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关，在放大区基本不变。h参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。(c)h参数简化模型hre很小，一般为10-310-4；rce=1/hoe很大，约为100k。故一般可忽略它们的影响；一般采用习惯符号，即rbe=hie=hfe；于是得到简化电路（如图2.3.17所示）ib是受控源，且为电流控制电流源(CCCS)。电流方向与ib的方向是关联的。(d)rbe的近似计算rbe与Q点有关，可用图示仪测出。一般也用公式估算:rbe=rbb’+(1+)rb’e其中对于低频小功率管rbb’≈200Tb'eEQEQ(mV)26(mV)(mA)(mA)VrII(T=300K)beEQ26(mV)200(1)(mA)rI(2.3.11)(e)微变等效电路法进行共射放大电路的动态分析首先，画出交流通路，如图2.3.18所示。画出放大电路的微变等效电路如图2.3.19所示。iiibbe//VRIRrOccLibbe'bcLbbebe(//)(//)VLVIRRAVIrIRRRIrrToT0LscRVVRRI例2.3.2放大电路如图所示。试求:(1)Q点；(2)oViVAVoVSsVAVioRR、已知=50。解：（1）CCBECCBbb12V40uA300kVVVIRRCB5040uA2mAIβICECCCc122mA4k4VVVIR（2）2．4放大电路静态工作点的稳定1.静态工作点稳定的必要性（1）必要性F静态工作点决定放大电路是否产生失真；F静态工作点影响电压放大倍数、输入电阻等动态参数；F静态工作点的不稳定，将导致动态参数不稳定，甚至使放大电路无法正常工作。（2）影响静态工作点稳定的因素电源电压波动、元件老化、环境温度变化等，都会引起晶体管和电路元件参数的变化，造成静态工作点的不稳定。其中，温度对晶体管参数的影响是最为主要的。（3）温度对静态工作点的影响(a)温度变化对ICBO的影响（b）温度变化对输入特性曲线的影响(c)温度变化对的影响beEC26(mV)200(1)(mA)26(mV)200(1)(mA)863rIIiVSVis863(115.87)86350073.36RAARRibbebe//863RRrroc4kRR2.典型的静态工作点稳定电路（1）电路组成（2）Q点稳定原理温度变化时，使IC维持恒定。如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。b