到基放了,基放学的顺不顺利全在于前面半导体基础扎不扎实
笔记总目录
放大电路放大的本质是能量的控制和转换
电子电路的基本特征是功率放大
能够控制能量的元件称为有源元件
放大的前提是不失真,只有在不失真的情况下放大才有意义
*任何稳态信号都可以分解为若干频率正弦信号(谐波)的叠加,所以放大电路常以正弦波作为测试信号
一.放大倍数
放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标。
电压放大倍数是输出电压 U o U_o Uo与输入电压 U i U_i Ui之比,即 A u u A_uu Auu= A u A_u Au= U o U i \frac{U_o}{U_i} UiUo
电流放大倍数是输出电流 I o I_o Io与输入电流 I i I_i Ii之比,即 A i i A_{ii} Aii= A i A_i Ai= I o I i \frac{I_o}{I_i} IiIo
电压对电流的放大倍数是输出电压 U o U_o Uo对输入电流 I i I_i Ii之比,即 A u i A_{ui} Aui= U o I i \frac{U_o}{I_i} IiUo,也称为互阻放大倍数
电流对电压的放大倍数是输出电流 I o I_o Io对输入电压 U i U_i Ui之比,即 A i u A_{iu} Aiu= I o U i \frac{I_o}{U_i} UiIo,也称为互导放大倍数
二.输入电阻
输入电阻 R i R_i Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压有效值 U i U_i Ui和输入电流有效值之比 I i I_i Ii,即:
R i = U i I i R_i=\frac{U_i}{I_i} Ri=IiUi
R i R_i Ri越大,表明放大电路从信号源索取的电流越小,放大电路所得到的输入电压 U i U_i Ui越接近信号源电压 U s U_s Us。换言之,信号源内阻的压降越小,信号电压损失越小。然而,若信号源内阻 R s R_s Rs是常量,为使输入电流大一些,则应是 R i R_i Ri小一些。因此,放大电路的输入电阻要视需要而设计。
三.输出电阻
任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源,从放大电路输出端看进去的任何等效内阻都称为输出电阻 R o R_o Ro。 U ′ o U{\prime}_o U′o为空载时输出电压的有效值, U o U_o Uo为带负载后的输出电压的有效值,因此:
U o = R l R o + R l ⋅ U ′ o U_o=\frac{R_l}{R_o+R_l}\cdot U{\prime}_o Uo=Ro+RlRl⋅U′o
所以输出电阻为:
R o = ( U ′ o U o − 1 ) R l R_o=(\frac{U{\prime}_o}{U_o}-1)R_l Ro=(UoU′o−1)Rl
R o R_o Ro越小,负载电阻 R l R_l Rl变化时 U o U_o Uo的变化越小,称为放大电路的带负载能力越强。然而,若要使负载电阻获得的信号电流大一些。则放大电路的输出电阻就应当大一些。因此,放大电路输出电阻的大小要视负载的需要而设计。
四.通频带
通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力,由于放大电路中电容、电感及半导体结电容等电抗元件的存在。在输入信号频率较低时或较高时,放大倍数的数值会下降并产生相移。一般情况,放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。
A m A_m Am为中频放大倍数, f H f_H fH为上限截止频率, f L f_L fL为下限截止频率,以0.707倍 A m A_m Am为分界,通频带 f b w f_{bw} fbw:
f b w = f H − f L f_{bw}=f_H-f_L fbw=fH−fL
五.非线性失真系数
由于放大器件均有非线性特性,它们的线性放大范围有一定的限度,当输入信号幅度超过一定值后,输出电压将会产生非线性失真。 输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比称为非线性失真系数D。
六.最大不失真输出电压
最大不失真输出电压定义为当输入电压再增大就会是输出波形产生非线性失真时的输出电压。实测时,需要定义非线性失真系数的额定值,比如10%,输出波形的非线性失真系数刚刚达到此额定值时的输出电压纪委最大不失真输出电压。一般以有效值 U o m U_{om} Uom,也可以用峰-峰值 U o p p U_{opp} Uopp表示, U o p p U_{opp} Uopp=2 2 U o m \sqrt{2}U_{om} 2Uom.
七,最大输出功率和效率
在输出信号不失真的情况下,负载上能获得的最大功率称为最大输出功率 P o m P_{om} Pom。此时,输出电压达到最大不失真输出电压。
直流电源能量的利用率称为效率 η \eta η,设电源消耗的功率为 P V P_V PV,则效率 η \eta η等于足以大输出功率 P o m P_{om} Pom与 P V P_V PV之比,即
η = P o m P V \eta=\frac{P_{om}}{P_V} η=PVPom
基极电源 V B B : V_{BB}: VBB:使得 U B E U_{BE} UBE之间电压大于开启电压 U o n U_{on} Uon,并与基极电阻决定基极电流 I B I_B IB
共射极电源 V C C : V_{CC}: VCC:使得集电结反偏,晶体管工作在放大状态,集电极电流 I C = β I_C=\beta IC=β I B I_B IB
集电极电阻 R C : R_C: RC:使得 U C E U_{CE} UCE= V C C V_{CC} VCC- I C R C I_C R_C ICRC
输入信号 U i : U_i: Ui:由 U i U_{i} Ui变化引起 I B I_{B} IB变化,然后引起 I C I_{C} IC变化,最后引起 U C E U_{CE} UCE即 U o U_{o} Uo变化
静态工作点参数: U B Q U_{BQ} UBQ, U C Q U_{CQ} UCQ, U C E Q U_{CEQ} UCEQ, U B E Q U_{BEQ} UBEQ
静态工作点方程:
{ I B Q = V B B − U B E Q R b I C Q = β I B Q U C E Q = V C C − I C Q R c \begin{cases} {I_{BQ=\frac{V_{BB}-U{BEQ}}{R_b}}}\\ {I_{CQ}=\beta I_{BQ}}\\{U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c} \end{cases} ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧IBQ=RbVBB−UBEQICQ=βIBQUCEQ=VCC−ICQRc
对于放大电路的基本要求,一是不失真,二是能够放大
常见的两种基本共射放大电路
1.直接耦合放大电路
信号源与放大电路,放大电路与负载电路直接相连
静态工作点方程
{ I B Q = V C C − U B E Q R b 2 − U B E Q R b 1 I C Q = β I B Q U C E Q = V C C − I C Q R c \begin{cases} {I_{BQ=\frac{V_{CC}-U{BEQ}}{R_{b2}}-\frac{U_{BEQ}}{R_{b1}}}}\\ {I_{CQ}=\beta I_{BQ}}\\{U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c} \end{cases} ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧IBQ=Rb2VCC−UBEQ−Rb1UBEQICQ=βIBQUCEQ=VCC−ICQRc
缺点:输入信号在 R b 1 R_{b1} Rb1上有损失
2.阻容耦合放大电路
电容C1用于连接信号源和放大电路,电容C2用于连接放大电路和负载
静态工作点方程
{ I B Q = V C C − U B E Q R b I C Q = β I B Q U C E Q = V C C − I C Q R c \begin{cases} {I_{BQ=\frac{V_{CC}-U{BEQ}}{R_{b}}}}\\ {I_{CQ}=\beta I_{BQ}}\\{U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c} \end{cases} ⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧IBQ=RbVCC−UBEQICQ=βIBQUCEQ=VCC−ICQRc
缺点:低频信号有损失
直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的通路
交流通路是在输入信号作用下交流信号流经的通路
静态工作点的分析
u B E = V B B − i B R b u_{BE}=V_{BB}-i_{B}R_{b} uBE=VBB−iBRb
u C E = V C C − i C R c u_{CE}=V_{CC}-i_{C}R_{c} uCE=VCC−iCRc
放大倍数的分析
u B E = V B B + Δ u I − R b i B u_{BE}=V_{BB}+\Delta u_{I}-R_{b}i_B uBE=VBB+ΔuI−RbiB
A u = Δ u C E Δ u 1 = Δ u O Δ u I A_u=\frac{\Delta u_{CE}}{\Delta u_1}=\frac{\Delta u_O}{\Delta u_I} Au=Δu1ΔuCE=ΔuIΔuO
关于失真
当Q点过高,引起信号在饱和区的失真称为饱和失真
当Q点过低,引起信号在截止区的失真称为截止失真
(不要单纯的根据信号在上面还是在下面失真来判断)
直流负载和交流负载
u C E = V C C − i C R c u_{CE}=V_{CC}-i_{C}R_{c} uCE=VCC−iCRc
交流负载线就是斜率变为 − 1 / ( R c / / R L ) -1/(R_c//R_L) −1/(Rc//RL)
图解法多适用于分析输出幅度比较大而工作频率比较低的情况,在实际应用中多用于分析Q点位置,最大不失真输出电压和失真情况
由静态电路条件
画出静态工作电路
由静态工作点方程算出静态工作点参数
关于动态等效电路的画法
晶体管(bjt)可以看成为电流控制电流源
r b e r_{be} rbe:b-e间的电阻
b-e间电阻由基区体电阻 r b b ′ r_{{b}b\prime} rbb′发射结电阻 r b ′ e ′ r_{{b}\prime e\prime} rb′e′和发射区体电阻 r e r_{e} re
基区体电阻 r b b ′ r_{{b}b\prime} rbb′数值较大,可以通过手册查到
由一系列推导(见书p100)可得
r b e ≈ r b b ′ + β U T I C Q r_{be}\approx r_{bb\prime}+\beta \frac{U_T}{I_{CQ}} rbe≈rbb′+βICQUT
共射放大电路动态参数的分析(三大参数)
1.电压放大倍数 A u A_u Au
A u = U o U i = − β R c R b + r b e A_u=\frac{U_o}{U_i}=-\frac{\beta R_c}{R_b+r_{be}} Au=UiUo=−Rb+rbeβRc
2.输入电阻 R i R_i Ri
R i = U i I i = R b + r b e R_i=\frac{U_i}{I_i}=Rb+r_{be} Ri=IiUi=Rb+rbe
3.输出电阻 R o R_o Ro
R o = U o I o i = R c R_o=\frac{U_o}{I_oi}=R_c Ro=IoiUo=Rc
温度影响静态工作点
通过 R e R_e Re负反馈稳定静态工作点
两种不同耦合方式的电路,a是直接耦合,b是阻容耦合
他们有共同的直流通路
稳定原理: I 1 I_1 I1远大于 I B Q I_{BQ} IBQ使得 I 2 I_2 I2近似等于 I 1 I_1 I1,所以 U B Q U_{BQ} UBQ的电位基本不变
当温度升高, I C I_C IC增大, I E I_E IE等于 I C I_C IC,使得 R e R_e Re上的电位 U E U_E UE随之增大;因为 U B Q U_{BQ} UBQ不变
而 U B E = U B − U E U_{BE}=U_B-U_E UBE=UB−UE,所以 U B E U_{BE} UBE减小,则 I B I_{B} IB减小使得 I C I_{C} IC减小。
电路条件:1.如图分压式输入回路使得 U B Q U_{BQ} UBQ不变 2. R e R_e Re的负反馈作用。
由输入回路方程
得到
当 R e R_e Re>> R b 1 + β \frac{R_b}{1+\beta} 1+βRb,即 ( 1 + β ) R e = R b (1+\beta)R_e=R_b (1+β)Re=Rb时,使得上式
I E Q = U B Q − U B E Q R e I_{EQ}=\frac{U_{BQ}-U_{BEQ}}{R_e} IEQ=ReUBQ−UBEQ
所以可由 ( 1 + β ) R e (1+\beta)R_e (1+β)Re和 R 1 / / R 2 R_1//R_2 R1//R2的大小关系来判断 I 1 > > i B Q I_1>>i_{BQ} I1>>iBQ
1. R e R_e Re带旁路电容 C e C_e Ce
和动态时没有 R e R_e Re一样,且稳定了静态工作点
2. R e R_e Re没有带旁路电容 C e C_e Ce
若 ( 1 + β ) R e = R b e (1+\beta)R_e=R_{be} (1+β)Re=Rbe,且 β \beta β>>1,则
A u = U o U i ≈ − R L ′ R e ( R L ′ = R e / / R L ) A_u=\frac{U_o}{U_i}\approx -\frac{ R_L\prime}{R_e}(R_L\prime=R_e//R_L) Au=UiUo≈−ReRL′(RL′=Re//RL)
可见 R e R_e Re使得 A u A_u Au减小了,但温度稳定性还在
利用对温度敏感的元器件如二极管,热敏电阻来温度补偿稳定静态工作点
稳定原理:
当温度变化, I c I_c Ic增大,另一方面 I R I_R IR增大导致 I B I_B IB减小,从而使得 I c I_c Ic减小
静态工作点方程
{ I B Q = V B B − U B E Q R b + ( 1 + β ) R e I E Q = ( 1 + β ) I B Q U C E Q = V C C − I E Q R e \begin{cases} {I_{BQ}=\frac{V_{BB}-U_{BEQ}}{R_b+(1+\beta )R_e}}\\ {I_EQ=(1+\beta)I_{BQ}}\\{U_CEQ=V_{CC}-I_{EQ}R_e} \end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧IBQ=Rb+(1+β)ReVBB−UBEQIEQ=(1+β)IBQUCEQ=VCC−IEQRe
动态分析
A u = U o U i = I e R e I b ( R b + r b e + I e R e ) = ( 1 + β ) I b R e ( R b + r b e ) I b + ( 1 + β ) I b R e A_u=\frac{U_o}{U_i}=\frac{I_eR_e}{I_b(R_b+r_{be}+I_eR_e)}=\frac{(1+\beta)I_bR_e}{(R_b+r_{be})I_b+(1+\beta)I_bR_e} Au=UiUo=Ib(Rb+rbe+IeRe)IeRe=(Rb+rbe)Ib+(1+β)IbRe(1+β)IbRe
A u = ( 1 + β ) R e ( R b + r b e ) + ( 1 + β ) R e A_u=\frac{(1+\beta)R_e}{(R_b+r_{be})+(1+\beta)R_e} Au=(Rb+rbe)+(1+β)Re(1+β)Re
R i = U i I i = U i I b = I b ( R b + r b e ) + I e R e I b R_i=\frac{U_i}{I_i}=\frac{U_i}{I_b}=\frac{I_b(R_b+r_{be})+I_eR_e}{I_b} Ri=IiUi=IbUi=IbIb(Rb+rbe)+IeRe
R i = R b + r b e + ( 1 + β ) R e R_i=R_b+r_{be}+(1+\beta)R_e Ri=Rb+rbe+(1+β)Re
R o = R e / / R b + r b e 1 + β R_o=R_e//\frac{R_b+r_{be}}{1+\beta} Ro=Re//1+βRb+rbe
共集放大电路电压放大倍数小于1,无电压放大能力,故称为射极跟随器,但输出电流 I e I_e Ie远大于输入电流 I b I_b Ib,所以电路仍具有功率放大作用。
共集放大电路的输入电阻比公射放大电路的输入电阻大得多,可达几十千欧到几百千欧
输出电阻小
常用于多级放大电路的输入级和输出级;也可用它连接量电路,减少电路间直接相连所带来的影响,起缓冲作用
静态工作点
{ I E Q = V B B − U B E Q R e I B Q = I E Q 1 + β U C E Q = U C Q = V C C − I C Q Q C + U B E Q \begin{cases} {I_{EQ}=\frac{V_{BB}-U_{BEQ}}{R_e}}\\{I_{BQ}=\frac{I_{EQ}}{1+\beta}}\\{U_{CEQ}=U_{CQ}=V_{CC}-I_{CQ}Q_C}+U_{BEQ} \end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧IEQ=ReVBB−UBEQIBQ=1+βIEQUCEQ=UCQ=VCC−ICQQC+UBEQ
动态分析
{ A u = U o U i = I c R c I e R e + I b r b e = β R c r b e + ( 1 + β ) R e R i = U i I i = U i I e = I e R e + I b r b e I e = R e + r b e 1 + β R o = R c \begin{cases} {A_u=\frac{U_o}{U_i}=\frac{I_cR_c}{I_eR_e+I_br_{be}}=\frac{\beta R_c}{r_{be}+(1+\beta)R_e}}\\{R_i=\frac{U_i}{I_i}=\frac{U_i}{I_e}=\frac{I_eR_e+I_br_{be}}{I_e}=R_e+\frac{r_{be}}{1+\beta}}\\{R_o=R_c} \end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧Au=UiUo=IeRe+IbrbeIcRc=rbe+(1+β)ReβRcRi=IiUi=IeUi=IeIeRe+Ibrbe=Re+1+βrbeRo=Rc
接法 | 共射 | 共基 | 共集 |
---|---|---|---|
A u A_u Au | 大 | 小于1 | 大 |
A i A_i Ai | β \beta β | 1+ β \beta β | α \alpha α |
R i R_i Ri | 中 | 大 | 小 |
R o R_o Ro | 大 | 小 | 大 |
频带 | 窄 | 中 | 宽 |
输入 | b | e | b |
输出 | e | c | c |