【模拟电子技术基础】第2章 基本放大电路(概念、工作原理与分析方法)

1 放大的概念和放大电路的主要性能指标

1.1 放大的概念

放大的对象:变化量。

放大的本质:能量的控制和转换。

放大的基本特征:功率放大。(判断电路能否放大的基本出发点)

放大的基本要求:不失真。(放大的前提)

能控制能量的元件:有源元件。(放大电路中必须存在有源元件,如晶体管和场效应管等)

1.2 放大电路的性能指标

模电笔记5 基本放大电路 放大的概念 放大电路的性能指标_Unarmed_的博客-CSDN博客

(1)放大倍数:直接衡量放大电路放大能力的重要指标,为输出量与输入量之比。

电压放大倍数:\dot{A}_{uu}=\dot{A}_u=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}}

电流放大倍数:\dot{A}_{ii}=\dot{A}_i=\frac{\dot{I_o}}{\dot{I_i}}

电压对电流的放大倍数(互阻放大倍数):\dot{A}_{ui}=\frac{\dot{U_o}}{\dot{I_i}}

电流对电压的放大倍数(互导放大倍数):\dot{A}_{iu}=\frac{\dot{I_o}}{\dot{U_i}}

(2)输入电阻: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与输入电流的有效值之比,即R_i=\frac{U_i}{I_i}

(3)输出电阻:从放大电路输出端看进去的等效电阻,U'_o为空载时输出电压的有效值,U_o为带负载后输出电压的有效值,U_o=\frac{R_L}{R_o+R_L}U'_o,输出电阻R_o=(\frac{U'_o}{U_o}-1)R_L。输出电阻愈小,负载电阻变化时,负载后输出电压就愈小,放大电路的带负载能力愈强。

(4)通频带:衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。由于电容、电感及放大管PN结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数下降,并产生相移。(注:也包括平行导线间的分布电容等)

上限截止频率、下限截止频率和通频带:f_{bw}=f_H-f_L

通频带越宽,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。

(5)非线性失真系数:由于放大器件均具有非线性特性,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其基波成分之比称为非线性失真系数D。

D=\sqrt{(\frac{A_2}{A_1})^2+(\frac{A_3}{A_1})^2+...}

基波基波幅值为A_1,谐波幅值为A_2A_3……

(6)最大不失真输出电压:定义为当输入电压再增大时,就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。

(7)最大输出功率与效率:在输出信号不失真的情况下,负载上能够获得的最大功率称为最大输出功率P_{om}。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\eta =\frac{P_{om}}{P_V}。其中电源消耗的功率为P_V

2 基本共射放大电路的工作原理

2.1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用

【模拟电子技术基础】第2章 基本放大电路(概念、工作原理与分析方法)_第1张图片

u_i=0时,放大电路处于静态。

输出回路中,集电极电源V_{CC}足够高,使得晶体管的集电结反向偏置,以保证晶体管工作在放大状态,集电极电流I_C=\beta I_B

集电极电阻R_c上的电流等于I_C,其电压为I_CR_c,从而确定了c-e间电压U_{CE}=V_{CC}-I_C R_c

2.2 设置静态工作点的必要性

一、静态工作点

\dot{U_i}=0,根据回路方程,便可得到静态工作点的表达式

I_{BQ}=\frac{V_{BB}-U_{BEQ}}{R_b}

I_{CQ}=\bar{\beta}I_{BQ}=\beta I_{BQ}

U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c

二、为什么要设置静态工作点

对于放大电路的基本要求,一是不失真,二是能否放大。设置合适的静态工作点,以保证放大电路不产生失真是非常必要的。Q点不仅影响电路是否会产生失真,而且影响着放大电路几乎所有的动态参数。

2.3 基本共射放大电路的工作原理及波形分析

对于基本共射放大电路,只有设置合适的静态工作点,使交流信号驮载在直流分量之上,以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态,输出电压波形才不会产生非线性失真。

基本共射放大电路的电压放大作用,是利用晶体管的电流放大作用,并依靠R_c将电流的变化转化成电压的变化来实现的。

2.4 放大电路的组成原则

一、组成原则

(1)必须根据所用放大管的类型提供直流电源,以便设置合适的静态工作点,并作为输出的能源。

(2)电阻取值得当,与电源配合,使放大管有合适的静态工作点。

(3)输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。

(4)当负载接入时,必须保证放大管输出回路的动态电流(晶体管的\Delta i_C\Delta i_E或场效应管的\Delta i_D\Delta i_S)能够作用于负载,从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。

二、两种实用的共射放大电路

在使用放大电路中,为了防止干扰,常要求输入信号、直流电源、输出信号均有一端接在公共端,即“地”端,称为“共地”。

(1)直接耦合共射放大电路

信号源与放大电路、放大电路与负载电阻均直接相连接。

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I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_{b2}}-\frac{U_{BEQ}}{R_{b1}}

I_{CQ}=\bar{\beta}I_{BQ}=\beta I_{BQ}

U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c

(2)阻容耦合共射放大电路

起连接作用的电容称为耦合电容,利用电容连接电路称为阻容耦合。

电容对直流量的容抗无穷大,所以信号源与放大电路、放大电路与负载之间没有直流量通过。耦合电容的容量应该足够大,使其在输入信号频率范围内的容抗很小,可视为短路,所以输入信号可以几乎无损失地加在放大管的基极与发射级之间。

耦合电容的作用是“隔离直流,通过交流”。令输入端短路,可以求出静态工作点。

【模拟电子技术基础】第2章 基本放大电路(概念、工作原理与分析方法)_第3张图片

I_{BQ}=\frac{V_{CC}-U_{BEQ}}{R_{b}}

I_{CQ}=\bar{\beta}I_{BQ}=\beta I_{BQ}

U_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}R_c

3 放大电路的分析方法

3.1 直流通路与交流通路

直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的通路,也就是静态电流流行的通路,用于研究静态工作点。对直流通路,有以下原则:①电容视为开路;②电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻);③信号源视为短路,但应保留其内阻。

交流通路是输入信号作用下交流信号流经的通路,用于研究动态参数。对交流通路,有以下原则:①容量大的电容(如耦合电容)视为短路;②无内阻的直流电源(如V_{CC})视为短路。

在分析放大电路时,应遵循“先静态,后动态”的原则,求解静态工作点时应利用直流通路,求解动态参数时应利用交流通路,两种通路切不可混淆。

3.2 图解法

一、静态工作点的分析

当输入信号\Delta u_I=0时,晶体管的输入回路,静态工作点应该在晶体管的输入特性曲线上,又满足外电路的回路方程u_{BE}=V_{BB}-i_{B}R_{b}

晶体管的输出回路,静态工作点既应在I_B=I_{BQ}的那条输出特性曲线上,又应满足外电路的回路方程u_{CE}=V_{CC}-i_CR_c

二、电压放大倍数的分析

三、波形非线性失真的分析

截止失真:因晶体管截止而产生的失真。只有增大基极电源V_{BB},才能消除截止失真。

四、直流负载线与交流负载线

3.3 等效电路法(微变等效电路法)

一、晶体管的直流模型及静态工作点的估算法

二、晶体管共射h参数等效模型(只能用于放大电路低频动态小信号参数的分析) 

(1)h参数等效模型的由来

(2)h参数的物理意义及求解方法

【模拟电子技术基础】第2章 基本放大电路(概念、工作原理与分析方法)_第4张图片

(3)简化的h参数等效模型

【模拟电子技术基础】第2章 基本放大电路(概念、工作原理与分析方法)_第5张图片

晶体管的输入回路可近似等效为只有一个动态电阻r_{be}

晶体管的输出回路可近似等效为只有一个受控电流源\dot{I_{c}}=\beta \dot{I_b}

如果晶体管所接负载电阻R_Lr_{ce}可比,如r_{ce}<10R_L,则在电路分析中应当考虑r_{ce}的影响。

(4)r_{be}的近似表达式

三、共射放大电路动态参数的分析

利用h参数等效模型可以求解放大电路的电压方法倍数、输入电阻和输出电阻。

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1.电压放大倍数\dot{A_u}=\frac {\dot{U_o}}{\dot{U_i}}=-\frac {\beta R_c}{R_b+r_{be}}

2.输入电阻R_i=\frac {U_i}{I_i}=R_b+r_{be}

3.输出电阻R_o=R_c

4 放大电路静态工作点的稳定

4.1 静态工作点稳定的必要性

所谓稳定Q点,通常是指在环境温度变化时静态集电极电流I_{CQ}和管压降U_{CEQ}基本不变,即Q点在晶体管输出特性坐标平面中的位置基本不变。

而且必,须依靠I_{BQ}的变化抵消I_{CQ}U_{CEQ}的变化。常用引入直流负反馈或温度补偿的方法,使I_{BQ}在温度变化时产生与I_{CQ}相反的变化。

4.2 典型的静态工作点稳定电路

一、电路组成和Q点稳定原理

如图,分别为直接耦合电路和阻容耦合电路。

【模拟电子技术基础】第2章 基本放大电路(概念、工作原理与分析方法)_第7张图片

  这种电路Q点稳定的原因是:

(1)R_e的直流负反馈作用。

(2)在I_1\gg I_{BQ}的情况下,U_{BQ}在温度变化时基本不变。

二、静态工作点的估算

三、动态参数的估算

4.3 稳定静态工作点的措施

使用温度补偿方法稳定静态工作点时,必须在电路中采用对温度敏感的元件,如二极管、热敏电阻等。

温度补偿的方法是靠温度敏感元件直接对基极电流I_B产生影响,使之产生与I_C相反方向的变化。

2.4 大电路静态工作点的稳定_静态工作点稳定的必要性_神仙盼盼的博客-CSDN博客

以上两幅图所展示的是利用二极管来稳定静态工作点的措施。

(a)利用二极管的反向特性进行温度补偿

(b)利用二极管的正向特性进行温度补偿

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