1、第六章 放大电路初步,6.1 放大电路概述,6.1.1 放大电路的基本概念,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值得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。,信号源,负载,6.1.2 放大电路的主要技术指标,放大倍数也称增益，是衡量放大电路放大能力的最主要的指标。常用的放大倍数有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,1. 放大倍数,（a）电压放大倍数定义为: AU=Uo/Ui,（b）电流放大倍数定义为: AI=Io/Ii,（c）功率放大倍数定义为: AP=Po/Pi,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
2、,一般来说， Ri越大越好。当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。,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。,输出电阻的定义：负载开路，信号源输出电压为零，输出端外加电压U0时，输出端电流为I0，则,放大电路的模型,Auo：负载开路时的电压放大倍数,例6.1.1 设一放大电路空载时的电压放大倍数Auo=100，输入电阻Ri=2k，输出电阻Ro=400，现接入电动势US=50mV、内阻RS=500的信号源，求放大电路空载时和接入1.6k负载时的输出电压。,解：信号源的输出电压即放大电路的输入
3、电压,空载时的输出电压,接上1.6k负载时的输出电压,4. 通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,5. 失真与谐波失真度,两类失真: (1).由带宽限制产生的频率失真; (2).由放大器（如半导体三极管和集成运算放大器）的非线性特性引起的非线性失真,频率失真是对包含有多种频率成份的信号而言的，包括幅度失真和相位失真，它们都是由电路中的线性电抗元件引起的，也称为线性失真,非线性失真是对带宽内单一频率的正弦信号而言的。由于放大器件的非线性特性，输出信号中除了基波外，还有高次谐波。谐波分量越多且越大，失真就越严重。,常用高次谐波电压总有效值与基波电压有效值之比来表征
4、非线性失真的程度，记作D，其定义式为,6.2 三极管放大电路,6.2.1 基本放大电路的组成,共发射极放大电路,电源EC的作用是保证三极管的集电结反向偏置、它与集电极电阻RC配合，使三极管的集电极和发射极之间有一个合适的电压，这个电压称为三极管的管压降； 电源EB的使用是保证发射结正向偏置； 基极电阻RB与EB配合，为三极管提供合适的静态基极电流，也称偏置电流。 集电极电阻RC的另一个作用是将放大后的电流转化为电压；电容C1、C2称为耦合电容，起隔离直流耦合交流的作用,三极管T是电路的核心，起电流放大作用;,基本放大电路的习惯画法,A,A,规定： 直流电压用大写字母U和大写下标表示，如UBE表
5、示基极和发射极电压的直流分量或静态值； 纯交流电压用小写字母u和小写下标表示，如ube； 总电压或电压瞬时值用小写字母u和大写下标表示，如uBE； 纯交流电压的有效值用大写字母U和小写下标表示，如Ube。,直流通路和交流通路直流通路：放大电路中直流通过的途径交流通路：放大电路中交流通过的途径,直流通路的画法：,交流放大电路,直流通路,.直流通路和静态值的计算,将交流电压源短路，将电容开路。,计算静态工作点Q（ IB、UBE、IC、UCE）：,IC= IB,2. 求B、C 、CE,1. 画直流通路,当UCCUBE时,硅管UBE 0.7V，锗管UBE 0.2V,当UCE0.7V时,2. 交流通路,
6、交流通路,交流放大电路,将直流电压源短路，将电容短路。,交流通路的画法：,电源对交流相当于短路,例：计算静态值B、C 、CE,解： UBE 0.7V,请注意电路中IB和IC的数量级,课堂练习：计算静态值B、C 、CE,解：,CE不可能为负，三极管己饱和C12/101.2 A,6.2.2 基本放大电路的工作原理,ic的一部分经过电容C2在RL上产生电压降，这就是输出电压uo。由于一般在几十以上，因此，只要电路参数选择合适，输出电压uo将远大于输入电压ui，从而实现放大作用。,放大电路的输入端加上时变电压ui后(即ube= ui )，在三极管的基极产生对应的时变电流ib，在集电极产生对应的时变电流
7、ic，如果三极管工作在线性放大区，则有,为了使输出没有失真，或失真尽可能小，在输入信号变化即三极管中电流、电压变化过程中，三极管应始终处在放大状态。由于输入信号是正负对称的正弦信号，这就要求在没有输入信号时三极管应处在特性曲线中间的线性部分,UBEQ的变化范围很小，可近似认为硅管为0.60.8V，锗管为0.20.3V,Q,ICQ,UCEQ,假设在静态工作点的基础上，输入一微小的正弦信号 ui,静态工作点,注意：uce与ui反相！,若ube与UBE相比，是一时变的小信号电压，则ib、ic和uce也是时变的小信号电流或电压,uo,Q点过低信号进入截止区,称为截止失真,信号波形,动态工作点进入截止区
8、,uo,Q点过高信号进入饱和区,称为饱和失真,信号波形,截止失真和饱和失真统称“非线性失真”,动态工作点进入饱和区,6.2.3 三极管放大电路的类型和特点,共发射极放大电路,较高的电压放大倍数， 输入电阻较小（一般在1千欧左右） 输出电阻较大（一般为几千欧） 常作电压放大级,共集电极放大电路,电压放大倍数接近1 输入电阻很大 输出电阻很小 常作输入级、输出级和起阻抗变换作用的中间极,功率放大电路,在一个周期内，T1、T2交替导通，iC1和iC2以不同方向流过负载，合成一个正弦波,差动放大电路,抑制零点漂移,多级放大电路,放大电路的输入信号微弱时，大多为毫伏级甚至微伏级，而单级放大电路的电压放大
9、倍数一般只有几十倍，往往不能满足要求。为了推动负载工作，必须把若干个单级放大电路连接起来组成多级放大电路，对微弱信号进行连续放大，才能在输出端获得足够的电压幅值或功率,各级互相串联起来，前一级的输出就是后一级的输入，总的电压放大倍数为,6.3 集成运算放大器,集成电路：具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高和价格便宜等特点,集成电路的分类 按集成度分：小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）和超大规模（VLSI）。,按导电类型分：双极型（普通三极管）、单极型（场效应管）及二者兼容型。,按功能分，模拟集成电路、数字集成电路及模数混合电路。,集成运算放大电路（集成运放），是一种高电压放大
10、倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合的多级放大电路。,集成运放由输入级、电压放大级、输出级和偏置电路四部分组成,CF741由24个三极管、10个电阻和一个电容组成,6.3.1 集成运算放大器的组成及工作原理,集成运算放大器符号,反相输入端 u,同相输入端 u+,输出端 uo,通用符号：,国标符号：,uo=Aod(u+-u-),运放工作在线性区时,受电源电压的限制，输出电压不可能随输入电压的增加而无限增加，当增大到一定数值后，就进入饱和区。 饱和区的输出电压为UOPP。略低于正、负电源电压。,6.3.2 集成运算放大器的技术指标,(1) 开环差模电压放大倍数(开环增益)大Ao(Aod)=uo/
11、(u+-u-)=105107倍; (2) 共模抑制比高 CMRR=100db以上; (3) 输入电阻大 ri1M, 有的可达100M以上; (4) 输出电阻小ro =几-几十,理想运放：,Aod = KCMRR= ri = ro = 0,集成运放的分析方法按理想运放分析,理想集成运算放大器的分析方法,线性工作区：,uo为有限值,Aod,即u+- u- =0,u+ =u-,虚短,因ri ,故：I+ = I- =0,虚断,非线性工作区：, u+ u-,uo = uopp,u+ u-,uo = -uopp,I+ = I- =0,例6.3.1 已知A741运算放大器的电源电压为18V，开环电压放大倍数
12、为2105，最大输出电压为15V，求下列三种情况下运放的输出电压。,解：运放在线性工作区时，由此得运放在线性工作区时,输出为饱和输出，由于反相端电位高于同相端电位，故为负饱和输出，,(1),(2),(3),例6.3.2 求同相加法电路的输出电压。设运放工作在线性区。,解：由虚断可得,运放工作在线性区,课堂练习：求O与i1、i2之间的关系。,解：,解得：,6.4 放大电路中的负反馈,1 反馈的基本概念和分类,2 负反馈对放大电路性能的影响,6.4.1 反馈的基本概念和分类,1 反馈的基本概念,反馈：将放大电路的输出信号（电压或电流）的部分或全部， 通过一定的方式，回送到电路的输入端 。,基本放大
13、电路,：反馈信号,：净输入信号,若xdxi，反馈使净输入信号增大，则称为正反馈,若xdxi，反馈使净输入信号减小，则称为负反馈,反馈的正、负称为反馈极性，一般采用瞬时极性法来判断反馈极性,反馈网络,2 反馈的分类,(1) 直流反馈和交流反馈,如反馈信号中只有直流成分，则称为直流反馈；如反馈信号中只有交流成分，则称为交流反馈,直流负反馈的作用是稳定工作点，对动态性能无影响；交流负反馈的作用是改善电路的动态性能,在实用的放大电路中，往往同时存在直流负反馈和交流负反馈。,(2) 电压反馈和电流反馈,根据反馈信号在输出端的采样方式，反馈分为电压反馈和电流反馈,如反馈信号取自输出电压，则称为电压反馈；
14、如反馈信号取自输出电流，则称为电流反馈,在放大电路中，引入电流负反馈，将使输出电流保持稳定；在放大电路中，引入电压负反馈，将使输出电压保持稳定,(3) 串联反馈和并联反馈,根据反馈信号与输入信号在输入端的连接形式的不同，反馈可分为串联反馈和并联反馈。,如反馈信号与输入信号在输入端以串联形式叠加，则为串联反馈， 若以并联形式叠加，则为并联反馈,负反馈有四种组态： 电压串联负反馈、电压并联负反馈、 电流串联负反馈、电流并联负反馈 。,1. 反馈放大电路的基本方程,基本放大电路A的放大倍数,反馈网络F的反馈系数为,反馈放大电路的闭环放大倍数为：,反馈放大电路的基本方程,A和Af均为广义放大倍数,6.
15、4.2 负反馈对放大电路性能的影响,称为环路放大倍数，表示信号沿着基本放大电路和反馈网络组成的环路绕行一周后所得到的放大倍数,一般负反馈,深度负反馈,正反馈,自激振荡,引入负反馈后，电路的放大倍数下降了|1+ |倍，但电路的其它性能指标得到了改善，如提高了放大倍数的稳定性，减小了非线性失真等，同时可根据需要灵活地改变放大电路的输入电阻和输出电阻 。,2. 提高放大倍数的稳定性,均为实数时,两边同除以Af，得,引入负反馈后，在外界条件有相同的变化时，放大倍数的相对变化量减小为1/（1+AF）倍,例如，当1+AF=100时，,若,则,相对变化量减小了100倍,3. 减小非线性失真和抑制干扰,可以证
16、明，当非线性失真不太严重时，在基波成份保持不变的情况下，负反馈使输出波形的非线性失真减小为1/（1+AF）倍。,注意：负反馈是利用失真的波形来改善波形失真，因此，负反馈不能消除失真。,无反馈,引入负反馈,4. 展宽频带,引入负反馈后，通频带展宽为 倍。,由于引入反馈后中频放大倍数降为1/（1+AMF）倍，故中频放大倍数与通频带的乘积（简称增益带宽积）保持不变 ：,5. 对输入电阻和输出电阻的影响,输入电阻与输入回路有关，从负反馈与输入回路的联系看，可把负反馈分为串联型和并联型两类考虑；,输出电阻与输出回路有关，从负反馈与输出回路的联系看，可把负反馈分为电压型和电流型两类考虑,(1) 对输入电阻
17、的影响,开环放大电路A的输入电阻,Uf是净输入电压经放大电路放大再经反馈网络后得到的 ,故,串联负反馈：反馈信号是电压,闭环放大电路的输入电阻,(2) 对输出电阻的影响,对电压负反馈，将信号源和放大电路看作一个有源二端网络，根据戴维南定理，负载上的电压即输出电压 ， ro越小，负载RL变化时，UO的变化就越小。,由于电压负反馈具有稳定输出电压的作用，因此，电压负反馈减小了输出电阻。可以证明，引入电压负反馈后，输出电阻减小为原值的 倍，即,并联负反馈 反馈信号是电流,If是净输入电流经放大电路放大，再经反馈网络后得到的，故,对电流负反馈，按诺顿定理，输出电流 , 负载变化时，输出电流随之变化，输出电阻越大，输出电流变化就越小 。输出电阻为无穷大时，输出电流不随RL变化而变化。,电流负反馈具有稳定输出电流的使用，因此电流负反馈能增大输出电阻。可以证明，引入电流负反馈后，输出电阻增大为 倍，即,综上所述，负反馈对输入、输出电阻的影响可归结为如下：,串联负反馈提高输入电阻，并联负反馈降低输入电阻；,电压负反馈降低输出电阻，电流负反馈提高输出电阻；,负反馈对输入、输出电阻影响的程度均与反馈深度有关，或增大为 倍 ，或减小为 倍。,
