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第四章 放大器基础 4.1 放大电路的基本概念及性能指标 4.2 单管共射放大电路的工作原理 4.3 放大电路的图解分析法
4.4 小信号等效电路分析法 4.5 共集和共基放大电路 4.6 多级放大电路 4.7 差分放大器与电流源电路 4.8 放大电路的频率响应
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4.1 放大电路的基本概念及性能指标 P145-149 一.放大的基本概念 放大——把微弱的电信号的幅度放大。
一个微弱的电信号通过放大器后,输出电压或电流的幅度得到了放大,但它随时间变化的规律不能变,即不失真。
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(1)电压放大倍数定义为: AU=uo/ui
二.放大电路的主要技术指标 1.增益(Gain,放大倍数)——表示放大器的放大能力 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求,放大器可分为四种类型,所以有四种放大倍数的定义。 (1)电压放大倍数定义为: AU=uo/ui (2)电流放大倍数定义为: AI=io/ii (3)互阻增益定义为: Ar=uo/ii (4)互导增益定义为: Ag=io/ui
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2. 输入电阻Ri——从放大电路输入端看进去的等效电阻
Ri=ui / ii 一般来说, Ri越大越好。 (1)Ri越大,ii就越小,从信号源索取的电流越小。 (2)当信号源有内阻时, Ri越大, ui就越接近uS。
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3. 输出电阻Ro——从放大电路输出端看进去的等效电阻
输出电阻的定义: 输出电阻是表明放大电路带负载能力的,Ro越小,放大电路带负载的能力越强,反之则差。
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放大倍数随频率变化曲线——幅频特性曲线 4. 通频带(频率失真P151) A Am 0.7Am 3dB带宽 f 下限截止频率 上限截止频率
fL 下限截止频率 fH 上限截止频率 3dB带宽 何时产生失真? 是否有其他类型失真? (参考P ) 通频带: fbw=fH–fL
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4.2 单管共射放大电路的工作原理 P77-79 一.三极管的放大原理 放大原理: ui → uo 三极管工作在放大区: 发射结正偏,
集电结反偏。 放大原理: ui →△UBE →△IB →△IC(b△IB) →△UCE(-△IC×Rc) 电压放大倍数: → uo 参考P77
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从三极管中载流子的运动情况可知,我们只要在制造上将基区做得很薄,掺杂浓度又低,那么从发射区扩散过来的电子将绝大部分越过基区流向集电极,形成Ic,只有很小一部分流向基极形成IB,管子在做成以后,Ic 和IB的比例基本保持一定。因此我们可以通过改变IB的大小控制Ic,这就是所谓的三极管的电流放大作用。
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注意:三极管的电流放大作用和电压放大作用,都是变化量的放大!
三极管的电流放大作用又可转化为电压放大作用 从共射电路的电压关系看,be间正向偏置,UBE只要有少量变化,就会发生较大的IB的变化(PN结的正向特性),通过电流放大作用,又能引起更大的IC的变化,这个变化的电流通过集电极电阻RC以后,在RC两端所产生的电压变化量 ,可能比ΔUBE大很多倍。 注意:三极管的电流放大作用和电压放大作用,都是变化量的放大!
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二.单管共射极放大电路的结构及各元件的作用
放大元件iC=iB,工作在放大区,要保证集电结反偏,发射结正偏。
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各元件作用: 参考:偏置电路P138 集电极电阻RC,将变化的电流转变为变化的电压。 使发射结正偏,并提供适当的静IB和UBE。
基极电源与基极电阻 集电极电源,为电路提供能量。并保证集电结反偏。 参考:偏置电路P138
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各元件作用: + + 耦合方式P142 作用:隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系,同时能使信号顺利输入输出。 耦合电容:
电解电容,有极性, 大小为10F~50F + + 耦合方式P142
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基本放大电路的习惯画法
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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
(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 (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。 (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 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 (1)交流信号源:us为其开路电压,Rs为其内阻 us Rs C1 Rb1 Rb2 Rc Re RL C2 + ui - uo EC uCE=UCE+uce Ce iB=IB+ib iC=IC+ic 阻容耦合共射放大器电路 uBE (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 iC =IC +ic iB=IB +ib uCE=UCE +uce uBE = UBE + ube
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在晶体管放大电路的设计和分析中有两类基本问题
直流通路——即保证晶体管发射结处于正偏,集电结处于反偏,使晶体管工作在放大区,以实现电流的控制作用。 交流通路——使输入的待放大信号能加到发射结上,以控制三极管的电流,而且放大了的信号能从电路中输出 在晶体管放大电路的设计和分析中有两类基本问题 直流偏置问题:在放大电路直流通道上设计和分析静态工作点,即确定IBQ 、UBEQ 、ICQ 、UCEQ等。主要的分析方法有:估算法、图解法等。 交流动态(传输)问题:在放大电路的交流通道上分析和设计交流信号的放大与传输关系,求解放大电路的电压、电流、功率增益(A i、A u、A p)以及输入、输出电阻(R i 、Ro)等。动态分析的主要方法有:图解法和微变等效电路法。
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- 三. 静态工作点 P70-71 - ui=0时 1.静态工作点——Ui=0时电路的工作状态 由于电源的存在,电路中存在一组直流量。 +
IB IC + UCE - + UBE - IE ui=0时
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为什么要设置静态工作点? IC IB Q Q IB IB IC UBE UCE UCE UBE
由于(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点,所以称为静态工作点。 放大电路建立正确的静态工作点,是为了使三极管工作在线性区,以保证信号不失真。 为什么要设置静态工作点? IC UCE IB IB UBE Q Q IB IC UCE UBE
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2. 静态工作点的估算 将交流电压源短路,将电容开路。 画出放大电路的直流通路 直流通路的画法: 开路 开路
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用估算法分析放大器的静态工作点( IB、UBE、IC、UCE)
画直流通路: IC= IB Rb1称为偏置电阻,IB称为偏置电流。
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例:用估算法计算静态工作点。 已知:VCC=12V,RC=4K,Rb=300K ,=37.5。 解: 请注意电路中IB和IC的数量级
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4.3 放大电路的图解分析法 P68 Q IB 静态IC VCC 静态UCE 一. 用图解法分析放大器的静态工作点 IC 直流负载线
一. 用图解法分析放大器的静态工作点 直流负载线 UCE=VCC–ICRC IC UCE Q 静态IC IB 由估算法求出IB,IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q VCC 静态UCE
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ib ic ib Q ui uce 二. 用图解法分析放大器的动态工作情况 1. 交流放大原理(设输出空载) iB iC iCE uBE
二. 用图解法分析放大器的动态工作情况 1. 交流放大原理(设输出空载) iB uBE Q 静态工作点 iC iCE ib ic ib ui uce 假设在静态工作点的基础上,输入一微小的正弦信号 ui 注意:uce与ui反相!
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iC 各点波形 uo uCE iB ui 工作原理演示
uo比ui幅度放大且相位相反
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结论:(1)放大电路中的信号是交直流共存,可表示成:
ui t uBE t iB iC uCE 虽然交流量可正负变化,但瞬时量方向始终不变 (2)输出uo与输入ui相比,幅度被放大了,频率不变,但相位相反。 uo t
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2.放大器的交流通路 置零 短路 短路 对交流信号(输入信号ui) 交流通路——分析动态工作情况 交流通路的画法:
将直流电压源短路,将电容短路。 对交流信号(输入信号ui) 置零 短路 短路
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交流通路
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3.交流负载线 输出端接入负载RL:不影响Q 影响动态!
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交流负载线 ic uce=-ic(RC//RL) = -ic RL 其中:
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交流量ic和uce有如下关系: uce=-ic(RC//RL)= -ic RL 或ic=(-1/ RL) uce 即:交流负载线的斜率为: 交流负载线的作法: ①斜 率为-1/R'L 。( R'L= RL∥Rc ) ②经过Q点。
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交流负载线的作法: iCE 交流负载线 直流负载线 Q IB VCC
①斜 率为-1/R'L 。 ( R'L= RL∥Rc ) Q IB ②经过Q点。 VCC 注意: (1)交流负载线是有交流 输入信号时工作点的运动轨迹。 (2)空载时,交流负载线与直流负载线重合。
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4.非线性失真与Q的关系 (1)合适的静态工作点 iC uCE ib 可输出的最大不失真信号 uo
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(2)Q点过低→信号进入截止区 iC uCE 信号波形 uo 称为截止失真
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(3)Q点过高→信号进入饱和区 信号波形 iC uCE 称为饱和失真 uo 动画演示 动画演示 动画演示
截止失真和饱和失真统称“非线性失真” uo 动画演示 动画演示 动画演示
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4.4 小信号等效电路分析法 思路:将非线性的BJT等效成一个线性电路 条件:交流小信号
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ic ic uce ib ube uce ube b c e 简化的小信号电路模型 ib c ib rbe rce b rce很大, ib
一般忽略。 rbe ib ib b c e e 等效
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一、电路分析与性能指标计算 1. 画出放大器的小信号等效电路 动画演示 (1)画出放大器的交流通路
(2)将交流通路中的三极管用小信号等效电路代替 动画演示
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2、电压放大倍数的计算: 负载电阻越小,放大倍数越小。
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电路的输入电阻越大,从信号源取得的电流越小,因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。
3、输入电阻的计算: 根据输入电阻的定义: 电路的输入电阻越大,从信号源取得的电流越小,因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。
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当信号源有内阻时: 定义: 由图知: 所以:
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4、输出电阻的计算: 根据定义: 所以: + -
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例1 共射放大电路如图所示。设:VCC=12V,Rb=300kΩ,Rc=3kΩ, RL=3kΩ,BJT的b =60。
1、试求电路的静态工作点Q。 解:
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2、估算电路的电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。
解:画微变等效电路 Ri=rbe//Rb≈rbe=993Ω Ro=Rc=3kΩ
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3. 若输出电压的波形出现如 下失真 ,是截止还是饱和 失真?应调节哪个元件?如何调节?
解:为截止失真。 应减小Rb。
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Q变 T 二. 静态工作点的稳定 UBE IC变 变 变 ICEO
1. 温度对静态工作点的影响 对于前面的电路(固定偏置电路)而言,静态工作点由UBE、和ICEO决定,这三个参数随温度而变化。 UBE ICEO 变 Q变 T 变 IC变
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1、温度对UBE的影响 T UBE iB uBE 25 ºC 50ºC IB IC
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2、温度对值及ICEO的影响 IC T 、 ICEO iC Q´ Q uCE 总之: T IC
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3. 静态工作点稳定的放大器 (1) 结构及工作原理 IC I1 IB I2 IE 选I2=(5~10)IB ∴I1 I2
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IC I1 IB I2 IE UBE T IC IE UE IB IC 演示 静态工作点 稳定过程: UB稳定 UBE=UB-UE
=UB - IE Re UBE T IC IE UE IB 由输入特性曲线 IC 演示
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(1)直流通道及静态工作点估算: UCE = VCC - ICRC - IERe 电容开路,画出直流通道 IC IE =UE/Re
= (UB- UBE)/ Re IB=IC/ UCE = VCC - ICRC - IERe
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(2)动态分析: 将电容短路,直流电源短路,画出电路的交流小信号等效电路
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电压放大倍数: RL= RC // RL
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输入电阻: 输出电阻:
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思考:若在Re两端并电容Ce会对Au、Ri、Ro有什么影响?
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4.5 共集和共基放大电路 一. 共集电极放大电路 1. 结构:
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2. 直流通道及静态工作点分析: IB IE UBE UCE
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3. 动态分析 (1)交流通道及微变等效电路
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(2)电压放大倍数:
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(3)输入电阻
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(4)输出电阻
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动画演示 射极输出器的特点:电压放大倍数=1, 输入阻抗高,输出阻抗小。 射极输出器的应用
1、放在多级放大器的输入端,提高整个放大器的输入电阻。 2、放在多级放大器的输出端,减小整个放大器的输出电阻。 2、放在两级之间,起缓冲作用。 动画演示
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二. 共基极电路
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1. 静态工作点 直流通路:
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2. 动态分析 画出电路的交流小信号等效电路 (1)电压放大倍数
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(2)输入电阻 (3)输出电阻
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三. 三种组态的比较 共基 共集 共射 电压增益: 输入电阻: 输出电阻:
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4.6 多级放大电路 . 多级放大器的耦合方式 1.阻容耦合 优点: 缺点: 各级放大器静态工作点独立。 输出温度漂移比较小。
不适合放大缓慢变化的信号。 不便于作成集成电路。
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2.直接耦合 缺点: 优点: 各级放大器静态工作点相互影响。 电路中无电容,便于集成化。 可放大缓慢变化的信号。 输出温度漂移严重。
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二. 多级放大器的分析 1. 两级之间的相互影响 2. 电压放大倍数(以两级为例)
• 后级的输入阻抗是前级的负载 • 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗 2. 电压放大倍数(以两级为例) 注意:在算前级放大倍数时,要把后级的输入阻抗作为前级的负载! 扩展到n级:
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3. 输入电阻 Ri=Ri(最前级) (一般情况下) 4. 输出电阻 Ro=Ro(最后级) (一般情况下)
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举例1:两级放大电路如下图示,求Q、Au、Ri、Ro
设:1=2==100,UBE1=UBE2=0.7 V。
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解:(1)求静态工作点
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(2)求电压放大倍数 先计算三极管的输入电阻
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画微变等效电路:
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电压增益:
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(3)求输入电阻 Ri =Ri1 =rbe1 // Rb1 // Rb2 =2.55 k (4)求输出电阻 RO =RC2 =4.3 k
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4.7 差分放大器与电流源电路 对称性结构 一.电路结构: 即:1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe
4.7 差分放大器与电流源电路 一.电路结构: 对称性结构 即:1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb
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二. 几个基本概念 1. 差动放大电路一般有两个输入端: 2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输入——从两输入端同时加信号。
二. 几个基本概念 1. 差动放大电路一般有两个输入端: 双端输入——从两输入端同时加信号。 单端输入——仅从一个输入端对地加信号。 2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出——从C1 和C2输出。 单端输出——从C1或C2 对地输出。
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3. 差模信号与共模信号 差模信号: 共模信号: 差模电压增益: 共模电压增益: 总输出电压: 4. 共模抑制比
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三.差分放大器基本工作原理 1. 静态工作点的计算: 忽略Ib,有:Ub1=Ub2=0V
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2.电路的动态分析 ui1=-ui2 =uid/2, uic=0。 若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2
(1)加入差模信号 ui1=-ui2 =uid/2, uic=0。 若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变 UE不变 所以,Re对差模信号相当于短路。
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①求差模电压放大倍数: 因为ui1 =- ui2 uo= uo1 – uo2=2 uo1
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②差模输入电阻 ③输出电阻
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(2)加入共模信号 ui1=ui2 =uic, uid=0。 设ui1 ,ui2 uo1 , uo2 。
共模电压放大倍数 动画演示
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3.差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出(双入双出) 主要讨论的问题有:
2. 双端输入、单端输出(双入单出) 3. 单端输入、双端输出(单入双出) 4. 单端输入、单端输出(单入单出) 主要讨论的问题有: 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻
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1.双端输入双端输出 (1)差模电压放大倍数 (2)共模电压放大倍数 (3)差模输入电阻 (4)输出电阻
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2. 双端输入单端输出 (1)差模电压放大倍数 这种方式适用 于将差分信号转换 为单端输出的信号。 (2)差模输入电阻 (3)输出电阻
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(4)共模电压放大倍数 ui1=ui2 =uic, 设ui1 ,ui2 ie1 , ie1 。 iRe (=2 ie1 ) 画出共模等效电路
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求共模电压放大倍数:
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3. 单端输入双端输出 单端输入等效双端输入: 计算同双端输入双端输出:
3. 单端输入双端输出 单端输入等效双端输入: 因为Re>>从T2发射极看进去的等效电阻,故 Re 可视为开路,于是有 ui1 = -ui2 = ui /2 计算同双端输入双端输出:
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4. 单端输入单端输出 计算同双入单出: 注意放大倍数的正负号: 设从T1的基极输入信号,如果从uo1 输出为负号;从uo2 输出为正号。
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差动放大器动态参数计算总结 (1)差模电压放大倍数 (2)共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关,只与输出方式有关: 双端输出时:
单端输出时: (2)共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关,只与输出方式有关: 双端输出时: 单端输出时:
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(3)差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入,差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。 (4)输出电阻 单端输出时, 双端输出时,
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共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
(5)共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。 ,或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大, 单端输出时共模抑制比: 动画演示
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四.电流源电路 用普通的三极管接成电流负反馈电路,即可构成一个基本的电流源电路。射极偏置放大电路就具有这一功能。 Ic电流是恒定的: UBE
UE IB IC
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用等效电路来求该电路的内阻 联立方程组: 可以解出: 可见三极管电流源的内阻比三极管的输出电阻rce还要大。
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基本镜像电流源电路 减小 影响的镜像电流源电路 比例式镜像电流源电路 微镜像电流源电路 有源负载差分放大电路
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加大Re,可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re 。
五. 有源负载差分放大电路 1. 带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式: 加大Re,可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re 。 恒流源的作用 恒流源使共模放大倍数减小,而不影响差模放大倍数,从而增加共模抑制比。 等效很大的交流电阻,直流电阻并不大。
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带恒流源的差动放大电路计算: 静态工作点: 动态: 恒流源等效电阻:
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2. 有源负载差动放大电路 T3、T4组成镜像电流源,作T1、T2的负载。 同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。
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4.8 BJT放大电路的频率响应 频率响应——放大器的电压放大倍数 与频率的关系 其中: 称为放大器的幅频响应 称为放大器的相频响应
其中: 称为放大器的幅频响应 称为放大器的相频响应 下面先分析无源RC网络的频率响应
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一. 无源RC电路的频率响应 1. RC低通网络 (1)频率响应表达式: 则: 令: 幅频响应: 相频响应:
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(2) RC低通电路的波特图 幅频响应: 0分贝水平线 斜率为 -20dB/十倍频程 的直线 最大误差 -3dB f 0.1fH fH
fH 10fH 100fH -20 -40 -20dB/十倍频程 0分贝水平线 斜率为 -20dB/十倍频程 的直线 最大误差 -3dB
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相频响应 f 0.1fH fH 10fH 100fH -20 -40 -20dB/十倍频程 f 0.1fH 0° fH 10fH 100fH -45° -90° 这种对数频率特性曲线称为波特图 可见:当频率较低时,│AU │ ≈1,输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高, │AU │下降,相位差增大,且输出电压是滞后于输入电压的,最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点,称为上限截止频率。
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2. RC高通网络 (1)频率响应表达式: 则: 令: 幅频响应: 相频响应:
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(2) RC高通网络的波特图 幅频响应: 斜率为 -20dB/十倍频程 的直线 最大误差 -3dB f 0.01fL 0.1fL fL
0.1fL fL 10fL -20 -40 20dB/十倍频 斜率为 -20dB/十倍频程 的直线 最大误差 -3dB
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相频响应 其中,fL是一个重要的频率点,称为下限截止频率。
0.1fL fL 10fL -20 -40 20dB/十倍频 f 0.01fL 0° 0.1fL fL 10fL 90° 45° 可见:当频率较高时,│AU │ ≈1,输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低, │AU │下降,相位差增大,且输出电压是超前于输入电压的,最大超前90o。 其中,fL是一个重要的频率点,称为下限截止频率。
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二.共发放大器频率特性 1.BJT的混合π型模型 混合π型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。 b'是假想的基区内的一个点。
rbb' ——基区的体电阻 rb‘e——发射结电阻 Cb‘e——发射结电容 rb‘c——集电结电阻 Cb‘c——集电结电容 ——受控电流源,代替了
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2.简化的混合π型等效电路 特点:(1)体现了三极管的电容效应 (2)用 代替了 。因为β本身就与频率有 Rb’c很大,可以忽略
rce很大,也可以忽略 动画演示 特点:(1)体现了三极管的电容效应 (2)用 代替了 。因为β本身就与频率有 关,而gm与频率无关。
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又因为 所以 从手册中查出
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3. 晶体三极管的频率参数fβ、 fT 当fT>> f 时, 可得: fT ≈β0 f fβ——共发射极截止频率
-20dB/十倍频程 fβ fT 当β=1时对 应的频率 当20lgβ下降3dB 时对应的频率 fβ——共发射极截止频率 fT——特征频率 当fT>> f 时, 可得: fT ≈β0 f
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4. 阻容耦合共射放大电路的频率响应 对于如图所示的共射放大电路,分低、中、高三个频段加以研究。 (1) .中频段 中频电压放大倍数:
所有的电容均可忽略。可用前面讲的h参数等效电路分析 中频电压放大倍数:
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(2). 低频段 在低频段,三极管的极间电容可视为开路,耦合电容Cb1、Cb2不能忽略。
该电路有 一个RC高通环节。 有下限截止频率: 可推出低频电压放大倍数:
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共射放大电路低频段的波特图 幅频响应 : 相频响应 : f 0.01fL 0.1fL fL 10fL f 0.01fL -180°
20dB/十倍频 f 0.01fL -180° 0.1fL fL 10fL -90° -135°
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(3). 高频段 在高频段,耦合电容Cb1、Cb2可以可视为短路,三极管的极间电容不能忽略。
这时要用混合π等效电路,画出高频等效电路如图所示。 用“密勒定理”将集电结电容单向化。
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用“密勒定理”将集电结电容单向化: 其中:
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忽略CN,并将两个电容合并成一个电容: 得简化的高频等效电路。
其中:
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该电路有 一个RC低通环节。 有上限截止频率: 其中: 可推出高频电压放大倍数: 其中:
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共射放大电路高频段的波特图 幅频响应 : 相频响应 : f 0.1fH fH 10fH 100fH -20dB/十倍频程 f 0.1fH
-180° fH 10fH 100fH -225° -270°
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4. 完整的共射放大电路的频率响应 f -180° fH fL -225° -270° -20dB/十倍频程 -135° -90°
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5. 频率失真——由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。
两个频率响应指标: (1)通频带: (2)带宽-增益积:│fbw×Aum│ BJT 一旦确定,带宽增益积基本为常数 f -180° fH fL -225° -270° -20dB/十倍频程 -135° -90° 20dB/十倍频程 频率失真动画演示 5. 频率失真——由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。
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