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(1)放大区 (2)饱和区 (3)截止区 晶体管的输出特性曲线分为三个工作区: 发射结处于正向偏置;集电结处于反向偏置
发射结处于正向偏置;集电结处于正向偏置 (2)饱和区 UCE=0 (3)截止区 IB=0 ,IC=ICEO 发射结处于反向偏置;集电结处于反向偏置 UCE=VCC 1 3 2 4 6 9 IC/mA 100 80 60 40 20µA IB=0 UCE/V
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第10章 交流放大电路 10.1 基本放大电路的组成 10.2 放大电路的静态分析 10.3 放大电路的动态分析 10.4 静态工作点的稳定 10.5 射极输出器 10.6 差动放大器 10.7 功率放大电路
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放大的概念(放大的对象是变化量) 放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。输出电压或电流在幅度上得到了放大,主要讲电压放大电路 放大的实质:(能量控制和转换) 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用,将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。
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10.1 基本放大电路的组成 RC UCC RB EB N P + - EC B E C ICBO ICE IBE IB RB EB IE
10.1 基本放大电路的组成 N P + - EC B E C ICBO ICE IBE IB RB EB IE IC RC C B UCC T RB E EB
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RB RC T +VCC 简单画法 RC C B UCC T RB E EB
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uo ui es 1.基本交流放大电路的组成 共发射极接法放大电路 集电极负载电阻 +VCC 直流电源 偏置电阻 C1 C2 RC RB
耦合电容: 电解电容,有极性, 大小为10F~50F 共发射极接法放大电路 集电极负载电阻 +VCC 直流电源 偏置电阻 C1 C2 uo ui RC RB T RL 负载 耦合电容 RS es 耦合电容的作用 1.隔断直流通路 2.交流耦合
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uo ui es 分析思路: 步骤1: 静态分析 IB 、 UBE、 IC 、UCE、IE +VCC RC IC C2 RB C1 IB
T C1 C2 uo ui RL RS es IC IB UCE UBE IE UBE IB IC UCE uBE t O iB iC uCE 无输入信号(ui = 0)时:
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iC uo uCE uBE ui iB uCE = UCC- iC RC 步骤2:动态分析 VCC UC2 RB RC C1 C2 UC1
+ T iC C2 + UC1 uo uBE uCE RL ui uCE t O uo t O iC t O uBE t O iB t O ui t O
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电压放大电路用有输入口和输出口的四端网络表示
uo ui Au 性能指标: 一、电压放大倍数Au 二、输入电阻ri 三、输出电阻ro
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UA ua uA uA t 大写字母、大写下标,表示直流量。 小写字母、小写下标,表示交流量。 小写字母、大写下标,表示全量。 直流量 全量
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10.2 共发射极放大电路的分析 估算法 静态分析 图解法 放大电路分析 微变等效电路法 动态分析 图解法 11
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uo ui es 10.2.1静态分析: 确定静 态值(直流值) IB 、 UBE、 IC 、UCE、IE +VCC IC RC C2 RB
T C1 C2 uo ui RL RS es IC IB UCE UBE IE 用放大电路的直流通路来分析。
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一、估算法 IC = IB UCE = VCC - IC RC
画出直流通路 IB= VCC–UBE RB +VCC RB RC IC IB 硅管的UBE 约为 0.6V UCE 锗管的UBE约为 0.2V UBE IE IC = IB UCE = VCC - IC RC
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二.图解法 例:在基本共射放大电路中,已知 VCC = 12V, RC = 4k, RB =280k,三极管的特性曲线如图所示,试求静态值。 解:先估算 IB: IB= VCC–UBE RB 280 = ~ 40µA 14
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将方程 UCE = VCC - IC RC所表示的直线:
直流负载线 +12V 画在三极管输出特性曲线的坐标平面上 1 RC 即为直流负载线的斜率 280K 4K RB RC IC IB UCE UBE IE 15
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IC / mA 直线上的两点: 直流负载线 N点 : IC = VCC / RC = 3mA , UCE =0 M点 : IC = 0 ,
UCE = VCC = 12V 2 静态工作点 40 µA 求得静态值为 : IC = 1.5mA ; UCE = 6V ; IB = 40µA 1.5 Q 1 20µA IB = 0 µA VCC M 2 4 6 8 10 12 UCE /V 16
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三. 静态工作点与电路参数的关系 1.Vcc和RC不变, RB增大为RB +VCC IC / mA RB IC RC IB IE UBE
UCE UBE RB IB +VCC IE IC / mA VCC RC N 80 3 60 Q 2 Q IB IB = 4 0 µA 1 M VCC UCE /V 2 4 6 8 10 12
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2、Vcc和RB不变, Rc增大为Rc +VCC RB IC RC IB IC / mA IE UBE Q Q UCE /V UCE
N 80 3 N VCC RC´ 60 2 Q Q IB = 4 0 µA 1.5 1 20 M UCE /V 2 4 6 8 10 12 VCC
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3、Rc和RB不变, Vcc减小为Vcc´ +VCC RB IC RC IC / mA IB IE UBE Q IB´ Q UCE /V
N 80 3 N´ VCC´ RC 60 2 Q IB = 4 0 µA IB´ 1 Q 20 M´ M VCC´ 2 4 6 8 10 12 VCC UCE /V
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uo ui 10.2.2 放大电路的动态分析 es 交流通路 放大电路有输入信号时的工作状态称为动态
放大电路的动态分析 放大电路有输入信号时的工作状态称为动态 动态分析:在静态值确定后,分析信号的传输情况 +VCC RB RC T C1 C2 uo ui RS es RL 交流通路 RB RC RL ui uo
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ui = Uim sin t = 0.02sin t (v) iC
1、图解法 (结果不精确) VCC 例:已知 VCC = 12V, RC = RL = 4k, RB =280k, C1 =C2 =50F, 三极管的特性曲线 如图所示。 输入信号 ui = Uim sin t = 0.02sin t (v) iC RB RC iB C1 + T C2 + uCE uo uBE RL ui 21
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uBE = ui ube uBE 的波形 uBE/V ube ui /V
根据输入回路的KVL方程: uBE = UC1 + ui = UBE Uim sin t + = sin t(V) ube uBE 的波形 = t uBE/V 0.6 0.62 0.58 ube UBE + t ui /V 0.02 –0.02 (ube/V) Ubem t UBE /V 0.6 直流分量 交流分量 交直流总量 注意各种符号的不同含义 22
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uBE/V uBE/V ube iB iB ib µA µA t t Q1 Q Q2 IB UBE 60 60 40 40 20 20
0.6 t 0.58 0.62 uBE/V ube UBE t 23 23
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交流负载线的作法 IC 交流负载线 直流负载线 IB= 60 Q IB= 40 IB= 20 UCE VCC 过Q点作一条直线,斜率为:
RC 直流负载线 IB= 60 Q IB= 40 IB= 20 VCC 交流负载线的作法 过Q点作一条直线,斜率为: 24
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uCE /V uCE /V iC / mA iC / mA ic Au = uce (uo) t Uom Uim Uo Ui t
作交流负载线 交流负载线 iC / mA N 80 3 Q1 60 2.25 2.25 ic Q IB = 4 0 µA 1.5 1. 5 0.75 0.75 20 Q2 IC M uCE /V t 3 6 9 12 3 6 9 = 电压放大倍数 Au = Uom Uim Uo Ui uCE /V uce (uo) t UCE 25
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iC / mA iC / mA uCE /V uo波形 uce负半周变平 uce (uo) ic正半周变平 2. 用图解法分析非线性失真 t
2. 用图解法分析非线性失真 iC / mA iC / mA (1)静态工作点偏高引起饱和失真 ic正半周变平 80 A 3 Q1 Q IB = 60 A 2 Q2 40 A 1 20A IB = 0 t uCE /V uo波形 uce负半周变平 饱和失真 t uce (uo)
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iB / µA iB / µA ib uBE / V uBE / V ube
(2)工作点偏低引起截止失真 (a)工作点偏低引起 ib失真 iB / µA iB / µA 设静态值 IB = 5 µA 在ube负半周t1 ~ t2时 间内, uBE小于死区 电压, iB =0 Q1 ib Q 5 uBE / V t1 t2 t Q2 uBE / V t1 t2 ube t 27 27
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(b)工作点偏低引起 ic 、 uce (uo)失真
iC / mA iC = iB 80 iC / mA 3 60 2.25 2.25 40 1.5 1. 5 Q1 0.75 0.75 20 ic Q IB = 5 µA 0.25 0.25 uCE /V Q2 t 3 9 12 6 uo波形 uCE /V uce (uo) 正半周 变平 截止失真 t 28
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小结: 放大电路中出现截止失真说明静态工作点Q太低应减小RB, 即增大IB ;出现饱和失真说明静态工作点Q太高应增大RB, 即减小IB
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例:放大电路如图所示。已知BJT的 ß=80, Rb=300k , Rc=2k, VCC= +12V,求
(1)放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域? (2)当Rb=100k时,放大电路的Q点。 此时BJT工作在哪个区域? (忽略BJT的饱和压降) 解(1)
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静态工作点为Q(40A,3.2mA,5.6V),BJT工作在放大区。
(2)当Rb=100k时, VCE不可能为负值,其最小值也只能为0
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即IC的最大电流为: 此时,Q(120uA,6mA,0V), 所以BJT工作在饱和区
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iB和 ic 的变化。 放大电路的组成原则 (1) 为了不失真的放大交变电压信号, 必须给放大电路 设置合适的静态工作点。
(1) 为了不失真的放大交变电压信号, 必须给放大电路 设置合适的静态工作点。 (2) 在输入回路加入ui 应能引起 uBE 的变化, 从而引起 iB和 ic 的变化。 (3) 输出回路的接法应当使ic 尽可能多地流到负载RL 中去, 或者说应将集电极电流的变化转化为电压的 变化送到输出端。 课堂讨论题:下面各电路能否放大交流电压信号?
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uo uo ui ui VCC VCC T EB (b) (a) 图(b)中,有静态偏 置, 但ui被EB短路, 图(a)中,没有设置静
RB VCC RC C1 C2 T RL uo ui EB (b) VCC RC C1 C2 T RL uo ui (a) 图(b)中,有静态偏 置, 但ui被EB短路, 不能引起iB的变化, 所以不能放大。 图(a)中,没有设置静 态偏置,不能放大。
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uo ui VCC 图(c)中,有静态偏置, 有变化的iB和ic, 但因 没有RC ,不能把集电 极电流的变化转化为 电压的变化送到输出
T RL uo ui RB (c) C1 图(c)中,有静态偏置, 有变化的iB和ic, 但因 没有RC ,不能把集电 极电流的变化转化为 电压的变化送到输出 端,所以不能放大交流 电压信号。
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rbe :三极管的输入电阻 3.微变等效电路法 一、三极管的微变等效电路(线性化) 1. 输入回路
1. 输入回路 当信号很小时,输入特性在小范围内近似线性。 iB uBE iB rbe :三极管的输入电阻 uBE 用下式来估算: rbe的量级从几百欧到几千欧。
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IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 6 9 12 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 2. 输出回路
(2) 考虑 uCE对 iC的影响,输出端要并联一个大电阻。 uCE
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ic ic c b uce ib ube e 3. 三极管的微变等效电路 微变等效电路只能分析放大电路变化量之间的关系 ib c b rbe
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ui uo 二、交流放大电路的微变等效电路 交流通路 RB RC RL ui uo RB RC C1 C2 RL ui rbe ib ib
T C1 C2 uo ui RL ui rbe ib ib ii ic uo RB RC RL 微变等效电路
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三、电压放大倍数Au的计算 rbe RB RC RL RS 源电压放大倍数
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四、输入电阻的计算 RS RL RB rbe RC ri 对于电压放大电路,输入电阻越大,对信号源的影响越小
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五、输出电阻的计算 对于负载而言,放大电路相当于信号源 输出电阻是戴维南等效电路的内阻 RB RB rbe rbe RC RC
用加压求流法求输出电阻: rbe RB RC rbe RB RC 对于电压放大电路,输出电阻越小,带负载的能力越强
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10.3 工作点稳定的放大电路 10.3.1 温度对静态工作点的影响 T IC ICEO ICEO IC / mA IC / mA
10.3 工作点稳定的放大电路 温度对静态工作点的影响 造成Q点上移 T IC IC / mA 60 C o IC / mA 40µA IB = 0 20 60 25 C o 3 3 Q 80 Q 60 2 2 40µA 1 1 20 IB = 0 ICEO ICEO UCE /V UCE /V 温度对三极管输出特性的影响 UBE RB VCC – IB = 固定不变
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10.3.2 分压式偏置电路 +VCC +VCC RB1 RC IC I1 RB1 RC C2 C1 IB T I2 RL RB2 RE
分压式偏置电路 I1 I2 IB RB1 +VCC RC T RB2 RE 直流通路 IC IE RB1 +VCC RC C1 C2 RB2 CE RE RL ui uo RE射极直流负反馈电阻 CE 交流旁路电容
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条件: T IC UE UBE IC IB I1 I2 IB RB1 +VCC RC T RB2 RE 直流通路 IC IE
1.静态工作点稳定的原理 条件: T IC UE UBE IC IB
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要求:(1)计算静态值 IB 、 IC 和 UCE ;
2 .静态分析和动态分析 例:在分压式偏置电路中,已知:VCC =12V,RB1= 30K, RB2 = 10K, RC =4K, RE =2.2K, RL =4K, CE = 100µF , C1 = C2 = 20µF , 三极管的 = 50。 要求:(1)计算静态值 IB 、 IC 和 UCE ; (2)计算 和 ro 、ri Au • 46
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VB UBE VB IC≈ IE IC IB UCE = VCC–ICRC–ICRE 解:(1)可用估算法求静态值 B RC IC RB1
+ = 12 10 30+10 = 3V = VB – UBE RE 3– 0.6 2.2 = 1.09 mA IC≈ IE IB = IC 1.09 50 21.8 µA UCE = VCC–ICRC–ICRE 直流通路 = 12–1.09(4+2.2)=5.24V 47
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画出交流通路→微变等效电路 (2)动态分析 VCC RC C1 C2 T RL + RB1 uo RS us RB2 RE CE 48
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rbe = 200 +(1+ ) rbe ri ro = RC= 4 k
Ib • Ib • RC RL Uo • Ui • RB1 RB2 分压式偏置电路的微变等效电路 rbe = 200 +(1+ ) 26 IE = 1.09 =1.42k __ Au= – RC//RL rbe = – 50 4//4 1.42k = – 70.4 • ri = RB1 // RB2 // rbe =30//10//1.42=1.19 k ro = RC= 4 k 49
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例:分析RE1对 Au • 和 ri 的影响 T + uo RC RS us C1 C2 RL RB2 RB1 RE1 RE2 VCC
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= RB1 // RB2 // [rbe +(1+ )RE1 ]
微变等效电路 rbe Ib • • Ib RC RL Uo • RB2 Ui • RB1 RE1 ri ro = RC Au= – RC// RL rbe • +(1+ )RE1 ri = RB1 // RB2 // = RB1 // RB2 // [rbe +(1+ )RE1 ] RE1使Au减小, ri增加。
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作业:
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10.4 射极输出器 一、静态分析 RB +VCC C1 C2 RE RL ui uo RB +VCC RE 直流通道
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一、静态分析 RB +VCC RE 直流通路 折算 IB UCE UBE IE 三极管的输入电阻
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二、动态分析 RB RE RL ui uo 交流通道 RB +VCC C1 C2 RE RL ui uo
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rbe RE RL RB 微变等效电路 RB RE RL ui uo 交流通道
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1. 电压放大倍数Au rbe RB RE RL 微变等效电路 输入输出同相
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2. 输入电阻 RS rbe RB RE RL ri ri' 输入电阻高
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3. 输出电阻 射极输出器的输出电阻很小 rbe RE RB RS RS rbe 电源置0 RB RE ro
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(2) 输出电压与输入电压同相,具有跟随作用。 可以用射极输出器作多级放大电路的输入级、输出级或中间级。
射极输出器的特点: (1) 电压放大倍数小于1,但近似等于1。 (2) 输出电压与输入电压同相,具有跟随作用。 (3) 输入电阻高。 (4) 输出电阻低。 射极输出器的应用 可以用射极输出器作多级放大电路的输入级、输出级或中间级。 用射极输出器作输入级时,因其输入电阻高,可以减小放大电 路对信号源的影响; 作输出级时,利用它输出电阻低的特点,可以稳定输出电压, 提高带负载能力;
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补充: 多级阻容耦合放大电路 多级放大电路对耦合电路要求: 输 入 第一级 第二级 … … 放大电路 功放级 输 出 第 n-1 级
补充: 多级阻容耦合放大电路 第一级 放大电路 输 入 输 出 第二级 第 n 级 … … 第 n-1 级 功放级 耦合:即信号的传送。 耦合方式:直接耦合;阻容耦合; 多级放大电路对耦合电路要求: 要求:波形不失真,减少压降损失。 1. 静态:保证各级Q点设置 2. 动态: 传送信号。
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前级 后级 +UCC RC2 R1 R2 (+24V) 设: 1=2=50, C2 rbe1 = 2.9k , 1M 82k
RS 1M (+24V) R1 20k 27k C2 C3 R3 R2 RL RE2 82k 43k 10k 8k C1 RC2 T1 RE1 CE T2 设: 1=2=50, rbe1 = 2.9k , rbe2 = 1.7 k 后级 前级
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1 ri , ro : 概念同单级 2 ri ro 考虑级间影响 +UCC RC2 R1 R2 (+24V) C2 1M 82k C1 C3
RS 1M (+24V) R1 20k 27k C2 C3 R3 R2 RL RE2 82k 43k 10k 8k C1 RC2 T1 RE1 CE T2 ri ro
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微变等效电路: RS R1 RC2 R2 R3 RL RE1 ri2 +UCC RS 1M (+24V) R1 20k 27k C2 C3
T1 RE1 CE T2 微变等效电路: RE1 R2 R3 RC2 RL RS R1
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ri =1000//(2.9+51×1.7) 82k 1. ri = R1 //[ rbe1 +( +1)RL1']
其中: RL1= RE1// ri2 = RE1// R2 // R3 // rbe2=RE1//RL1 = RE1//ri2= 27 // 1.7 1.7k ri =1000//(2.9+51×1.7) 82k 2. ro = RC2= 10k RE1 R2 R3 RC2 RL RS R1
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3. 中频电压放大倍数: 其中: RE1 R2 R3 RC2 RL RS R1
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RE1 R2 R3 RC2 RL RS R1
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多级阻容耦合放大器的特点: (1) 由于电容的隔直作用,各级放大器的静态工作点相互独立,分别估算。 (2)总输入电阻 ri 即为第一级的输入电阻ri1 。 (3)总输出电阻即为最后一级的输出电阻。 (4)前一级的输出电压是后一级的输入电压。 (5)后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。 (6)总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。
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作业: ,
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u u uo 10.5 差分放大器 R R R T U T R 10.5.1 直接耦合方式及其存在问题 +VCC
直接耦合方式及其存在问题 1. 前、后级静态工作点的相互影响 +VCC R R t uo R C1 C2 B1 T U 2 u CE1 T o u 1 E2 R i 当放大器的输入电压 ui = 0 时,其输出电压,uO往往不为常数 ,称这种现象为放大器的零点漂移(温漂)。
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基本差动放大器 1、结构 2、 抑制零漂的原理 uo RC R1 T1 RB T2 ui1 ui2 特点:结构对称。
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共模输入信号: ui1 = ui2 (大小相等,极性相同)
+UCC uo ui1 RC R1 T1 RB T2 ui2 共模输入信号: ui1 = ui2 (大小相等,极性相同) uo= 0 共模放大倍数:
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差模输入信号: ui1 = - ui2 (大小相等,极性相反)
+UCC uo ui1 RC R1 T1 RB T2 ui2 差模输入信号: ui1 = - ui2 (大小相等,极性相反) 差模放大倍数Ad :
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比较输入:输入信号即非共模又非差模 共模分量: 任意输入信号可分解成共模分量和差模分量。 差模分量: ui1 = uC + ud ;ui2 = uC - ud 例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV 则:ud = 5mV , uc = 15mV
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共模抑制比(CMRR) KCMRR = KCMRR (dB) = (分贝) 例: Ad= -200 Ac= 0.1
Common Mode Rejection Ratio KCMRR = KCMRR (dB) = (分贝) 例: Ad= -200 Ac= 0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB
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10.5.3 典型差动放大器 1、结构 特点:加入射极电阻RE ;加入负电源 -UEE ,采用正负双电源供电。 +UCC RC uo RB
典型差动放大器 uo ui1 +UCC RC T1 RB T2 ui2 RE –UEE 1、结构 特点:加入射极电阻RE ;加入负电源 -UEE ,采用正负双电源供电。
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2、 静态分析 IC1= IC2= IC= IB IC1 IC2 IB IE 用于调零 RE用于稳定电路的静态工作点 +UCC RC uo
T1 RB T2 RE –UEE 2、 静态分析 IB IC1 IC2 IE 用于调零 IC1= IC2= IC= IB RE用于稳定电路的静态工作点
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3、 动态分析 ic2 ic1 (一)共模输入 uoc1 uoc2 uC iRE +UCC RC uoc RB T1 T2 uRE RE
–UEE uC uoc2 uoc1 ic1 ic2 iRE uRE 3、 动态分析 (一)共模输入 RE的负反馈对共模信号有抑制作用
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(二)对差模信号的作用 +UCC ib2 ib1 ic2 ic1 iRE RC uo RC RB RB T1 T2 ui1 RE –UEE
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1. 差放电路的几种接法 (二) 差模输入 双端 单端 双端 单端 输入端 接法 输出端 接法 +UCC RC RC uo RB RB T1
(二) 差模输入 1. 差放电路的几种接法 +UCC RC 输入端 接法 双端 单端 uo RC RB RB T1 T2 ui1 ui2 输出端 接法 双端 单端 RE –UEE
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R uo ui +UCC RC T1 RB T2 RE –UEE 双端输入
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单端输入 R C B o1 u uo2 CC +U E UEE i T1 T2
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在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级,对功率
10.6 功率放大电路 在多级放大电路的末级或末前级是功率放大级,对功率 放大电路的基本要求是: (1) 输出功率尽可能大 (2) 效率要高 效率定义为 PO PE 100% = 交流输出功率 直流电源功率 100%= (3) 非线性失真要小
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iC iC uCE uCE iC uCE 10.6.1功率放大电路的三种工作状态 t t t (1)甲类工作状态 (2)甲乙类工作状态
IB=0 Q t uCE iC Q IB=0 t uCE iC Q IB=0 (3)乙类工作状态
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在ui正半周, T1导通, T2截止, T1的集电极电流ic1流过负载RL
互补对称功率放大电路 ui 1.无输出电容的互补对称功率 放大电路(OCL电路) (1) 原理电路 t iL Ec1 Ec2 RL ic2 ic1 ui T1 T2 iL t 在ui正半周, T1导通, T2截止, T1的集电极电流ic1流过负载RL 在ui负半周, T1截止, T2导通, T2的集电极电流ic2流过负载RL
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iB1 iB uBE2 uBE1 iB2 uBE2 uBE1 t t 交越失真 t3 t1 t2 t4
o uBE2 t o t1 t3 uBE1 t2 t4 iB2 由于三极管T1 、 T2没有静态偏压,在发射结电压小于死区电压时,产生交越失真。 o uBE2 t1 uBE1 t2 t3 t4 t
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uo ui iC2 T1 + Vcc1 R1 iC1 RP D1 RL D2 T2 R2 (2) 设置静态偏置消除交越失真 偏置电路由二
(2) 设置静态偏置消除交越失真 + Vcc1 R1 RP D1 D2 R2 偏置电路由二 极管D1 、 D2 电阻R1 、 R2 和电位器RP 组成。 T1 B1 iC1 ui uo RL T2 B2 iC2 –Vcc2
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2. 复合管 ic1 ic ic ib ie ic2 T1 ib=ib1 T2 ie1=ib2 ie=ie2 复合管为NPN型
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ie1 ie ie ic2 ic ic=ie2 ic ib=ib1 ib ic1=ib2 ib T1 T2 复合管为PNP型 ≈ 1 2
= ic ib ≈ 1 2
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