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电子学4课件.ppt

上传人:微传9988 文档编号:3356650 上传时间:2018-10-17 格式:PPT 页数:75 大小:2.24MB
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资源描述

1、1,三、负反馈对放大器性能的影响,1、降低放大倍数,2、提高放大倍数的稳定性,3、改善波形失真,4、展宽通频带,5、对输入电阻和输出电阻的影响,2,1、降低放大倍数,负反馈,增益减小,(2)深度负反馈时,2、提高放大倍数的稳定性,(1)放大倍数变化量,3、改善波形失真,3,4、展宽通频带BW,无反馈时放大器的通频带: fbw= f HfL f H有反馈时放大器的通频带: fbwf= f HffLf f Hf,可以证明:fbwf = (1+AF) fbw 放大器的一个重要特性:增益与通频带之积为常数。 即: Amf fbwf= Am fbw,4,5、对输入电阻和输出电阻的影响,对输入电阻的影响,

2、(1)串联负反馈使输入电阻增大,(2)并联负反馈使输入电阻减小,对输出电阻的影响,(3) 电压负反馈 使输出电阻减小。,(4) 电流负反馈 使输出电阻增大。,5,为改善性能引入负反馈的一般原则,要稳定直流量,引直流负反馈,要稳定交流量,引交流负反馈,要稳定输出电压,引电压负反馈,要稳定输出电流,引电流负反馈,要增大输入电阻,引串联负反馈,要减小输入电阻,引并联负反馈,6,例:从四种组态中选择,按要求引入适当的反馈。,(3)将输入电流转换成与之成稳定线性关系的输出电流, 引入电流并联负反馈;,(4)将输入电流转换成与之成稳定线性关系的输出电压,引入电压并联负反馈;,(1)将输入电压转换成与之成稳

3、定线性关系的输出电压, 引入电压串联负反馈;,(2)将输入电压转换成与之成稳定线性关系的输出电流, 引入电流串联负反馈;,(5)减小放大电路从信号源索取的电流并增强带负载能力,引入电压串联负反馈;,7,举例:在下面的放大器中按要求引入适当的反馈。 (1)希望加入信号后,ic3的数值基本不受R6改变的影响,IC3,8,(2)希望接入负载后,输出电压UO基本稳定。,9,(3)希望输入端向信号源索取的电流小。,10,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,基本放大电路,11,RB,RC,C1,C2,T,由于大电容的交流阻抗很小,直流电源内阻一般也很小,所以放大电路中的耦合电容和直流电源可视为对交流信

4、号短路。,RL,ui,uo,12,交流通路,13,第三节 直流放大器,极间耦合形式:,直接 耦合,电路简单,能放大交、直流 信号,“Q” 互相影响,零点 漂移严重。,阻容 耦合,各级 “Q” 独立,只放大交流 信号,信号频率低时耦合电 容容抗大。,变压器 耦合,用于选频放大器、 功率放大器等。,14,直接耦合为了避免耦合电容对缓慢变化信号带来不良影响,可以把前级的输出端直接或通过电阻接到下级的输入端,这种连接方式称为直接耦合。,15,直接耦合方式优点:,(1)既能放大交流信号,也能放大缓慢变化的直流信号。,(2)便于集成化,实际集成运算放大电路一般都是采用直接耦合多级放大电路。,直接耦合方式缺

5、点:,(1)零点漂移严重。,(2)前后级之间存在直流通路,造成各级工作点互相影响,使多级放大电路的分析、设计和调试比较麻烦。,16,一、直流放大器的零点漂移,有时会将信号淹没,零点漂移:输入电压为零,而输出电压缓慢变化的现象。即当 ui 等于零时, uo不等于零。,17,零漂的衡量方法:,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,若输出有1V的漂移电压,则等效输入有100 uV的漂移电压。,假设Au1=100, Au2=100 则 Au=10000,第一级是关键,等效 100 uV,漂移 1 V,18,产生零点漂移的原因,电阻、管子参数的变化,电源电压的波动。如果采用高精度电阻并经过老

6、化处理和采用高稳定度的电源,则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因,能引起电路中静态工作点的变化,故零点漂移也称温漂。,减小零漂的措施,用热敏元件进行温度补偿,如用热敏电阻、半导体二极管。,引入直流负反馈以稳定Q点来减小零点漂移。,采用差分式放大电路,19,二、差分放大器,T1、T2管的特性和参数相同,具有相同的温度特性和静态工作点;输入信号ui1、ui2由两管的基极输入,输出电压uo取自两管的集电极。对称的双端输入双端输出差分放大器,20,1=2= UBE1=UBE2= UBErbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC RB1=RB2= RB,差分放大电路的参数对称

7、性,21,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。,22,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。,23,1、零点漂移的抑制,uo= UC1 - UC2 = 0,uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0,当 ui1 = ui2 =0 时:,当温度或电源电压变化时:,24,2、差分放大器对信号的放大作用,(1)共模输入(common-mode input),(2)差模输入(differential-mode input),两管基极输入的信号大小相等,极性相同,即u

8、i1= ui2。 零点漂移和其它干扰信号可视为共模信号。,两管基极输入的信号大小相等,极性相反,ui1= ui2。,25,(1)共模输入,当 ui1 = ui2 ,uo= Uc1 - Uc2 = 0,对共模信号的抑制能力反映出对零点漂移的抑制水平。,理想情况下共模放大倍数为零。,ui1,ui2,RC1,RB1,T1,RS1,RC2,RB2,T2,RS2,ui1ui /2,UCC,26,Ic1,(2)差模输入,当 ui1 = -ui2 ,,Ic2,Uc1,Uc2,27,存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差分放大电路,它实际上不可能完全抑制零漂,因为两半电路不会完全对称。另外,如果从一管输

9、出,则与单管放大电路一样,对零漂毫无抑制能力,而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。,稳定静态工作点,就是要减小ICQ的变化,而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法,在管子的射极上接一电阻。,28,3、典型差分放大器,T(),IC1 IC2,IE,UE,UBE1 UBE2,IB1,IB2,RE,IC1,IC2,稳定静态工作点,补偿电压,调零电位器,29,RE的作用:电流负反馈,也是共模负反馈,使每个管子的漂移得到一定程度的抑制。其阻值愈大,电流负反馈作用就越强,抑制零点漂移的作用愈显著。但当 UCC 一定时

10、,过大 RE 的会使集电极静态电流过小,造成三极管的静态工作点过低,不利于差模信号的放大。为此在射极电路中引入负电源 UEE来补偿 RE 两端的直流压降,从而获得合适的静态工作点。对差模信号可视为短路,基本上没有影响。,电位器Rw的作用:因为电路不会完全对称,当输入电压为零时,输出电压不一定为零,可以通过调节 Rw 来改变两管的初始工作状态,从而使输出电压为零,但由于 Rw分别串在两管射极电路中,对差模信号有负反馈作用,因此阻值不宜过大,一般取值在几十欧到几百欧之间。,30,双端输入双端输出差分放大电路,由于R分压作用,差模输入信号,输出信号,31,(1) 静态分析,基极电路电压:,基极电流:

11、,集电极电流:,集电极电位:,(对地),32,关键在于画出差模信号作用下,半电路的交流通路:对差模信号,若一管的射极电流增大 I ,则另一管的射极电流必然减小 I ,因而流过射极电阻 RE 的总电流不变,即 Rw 的滑动端的电位恒定,相当于交流接地; Rw阻值很小可以忽略。,(2) 动态分析,33,单管差模放大倍数:,双端输出电压:,差模电压放大倍数:,放大倍数与共射单管放大器的相同,但差分放大器可以减小零点漂移。,34,集电极之间接负载时:,(对交流信号而言, RL中点相当于接地),从两个输入端看进去的差模输入电阻:,两集电极间的输出电阻:,为了全面衡量差分放大器对零漂的抑制效果,需要提出一

12、个技术指标,这就是共模抑制比(common-mode rejection ratio) 。,(3) 共模抑制比KCMRR,35,共模抑制比KCMRR衡量差分放大器对共模信号的抑制能力和对差模信号的放大能力。,差模输入电压:两个差放管的输入电压大小相等,但极性相反。,共模输入电压:两个差放管的输入电压大小相等,且极性相同。,如果温度变化,两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小,相当于给放大电路加上一个共模输入信号。故可以认为,差模输入信号反映了有效的信号,而共模输入信号可以反映由于温度变化等原因而产生的漂移信号或其他干扰信号。,36,Ad 越大越好,Ac 越小越好,因此 KCMR 越大越好

13、。理想情况下,双端输入双端输出放大电路的Ac=0。,差模电压放大倍数:放大电路对差模输入电压的放大倍数。,共模电压放大倍数:放大电路对共模输入电压的放大倍数。,37,具有恒流源差分放大电路,(1)电路的组成和工作原理,在差分放大器中,要减小Ac,提高共模抑制比,应增大RE,但RE不能太大,因为RE上的压降由UEE提供。在保持T1、T2两管的工作电流为一定值时,要加大RE,必须提高UEE,这是有困难的。能不能找到这样一种元器件,它的直流电阻很小,而它的交流电阻却很大,这样静态时不需要很大的UEE,动态时的Ac却很小,KCMR很大?,三极管输出特性的恒流区:当集电极电压有较大的变化量时,集电极电流

14、基本不变,此时三极管c、e之间的等 效电阻 的值很大。,38,(2)恒流源式差分放大电路,而ic1+ ic2= ic3,所以ic1、 ic2将不会因温度变化而同时增大或减小,从而抑制了共模信号的变化。,恒流管基极电位由电阻R1、R2分压后得到,基本不受温度变化的影响,则发射极电位与电流也基本保持稳定.,39,4、差分放大器输入输出方式,(1) 双端输入、双端输出(双入双出)(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,40,(1)双端输入双端输出

15、,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,41,(2)双端输入单端输出,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,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。,所以,单端输出时,可以选择从不同的三极管输出,从而使输出电压与输入电压反相或同相。,42,ui1=ui2 =uic,,设ui1 ,ui2 ie1 , ie2 。 iRe (=2 ie1 ),画出共模等效电路,43,求共模电压放大倍数:,44,(3) 单端输入双端输出,单端输入等效双端输入:,ui1 = ui2 = ui /2,计算同双端输入双端输出:,因为Re 有

16、很强的共模负反馈作用,两个三极管仍基本上工作在差分状态,于是有,45,(4) 单端输入单端输出,计算同双入单出:,46,差分放大器动态参数计算总结,(1)差模电压放大倍数,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:,47,(3)差模输入电阻,(4)输出电阻,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。,单端输出时,双端输出时,48,(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。,双端输出时KCMR可认为等于无穷大, 单端输

17、出时共模抑制比:,,或,49,第四节 功率放大器,概 述,一、功率放大器的特点和分类,二、互补对称功率放大器,三、集成功率放大器,50,例1: 扩音系统,什么是功率放大器? 在电子系统中,模拟信号被放大后,往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器。,概 述,51,例2:温度控制,R1-R3:标准电阻,Ua : 基准电压,Rt :热敏电阻,A:电压放大器,Rt,T,UO,室温T,Ub,UO1,52,1、功率放大器的特点,(1) 要求输出功率尽可能大,工作于极限状态。电流、电压要求都比较大,但电路

18、参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEO 、 PCM 。,一、功率放大器的特点和分类,53,(2) 电源提供的能量尽可能转换给负载,减少晶体管及线路上的损失。即电路的效率()要高。,Pom : 负载上得到的最大功率。 PE :电源提供的直流功率。 PT:管耗,54,(3) 电流、电压信号比较大,必须注意防止波形失真,即非线性失真要小。,(4) 散热问题:注意对功放管的散热和保护。,(5) 分析方法:功放处于大信号极限工作状态,功放管的非线性不可忽略。小信号的微变等效电路法不适用,必须采用图解分析法。,思考题:功率放大电路与前面介绍的电压放大电路有本质上的区别吗?,无本质的区别,都是能量

19、的控制与转换。不同之处在于,各自追求的指标不同:电压放大电路追求不失真的电压放大倍数;功率放大电路追求尽可能大的不失真输出功率和转换效率。,55,2、功率放大器的分类,甲类:Q点位于负载线中点,在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。,按静态工作点在交流负载线上的位置不同,可以分为甲类、乙类和甲乙类三种工作状态。,56,乙类:静态电流为0,BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。,57,甲乙类:介于前两者之间,导通角大于180,iC,uCE,58,导通角,甲类( = 2 ),乙类( = ),甲乙类( 2 ),59,Q,Q,Q,乙类工作状态失真大,静态电流为零 ,管耗小,效率高。,甲乙类工作状态

20、失真大, 静态电流小 ,管耗小,效率较高。,甲类工作状态失真小,静态电流大,管耗大,效率低。,60,二、互补对称功率放大器,1、OCL (output capacitorless)互补对称功率放大器,电路结构特点,(1) 由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。,(2) 双电源供电。,(3) 输入输出端不加隔直电容。,61,静态时:,ui = 0 ic1、ic2均=0(乙类工作状态) uo = 0,动态时:,ui 0,T1截止,T2导通,ui 0,T1导通,T2截止,io= ie1 ,uo= ie1 RL;,io=ie2, uo= ie2 RL 。,T1、T2两个管子交替工

21、作,在负载上得到完整的正弦波,工作原理(设ui为正弦波),电流放大作用,62,OCL功率放大器的效率,(1)输出功率Po,忽略功率管饱和压降UCES,其最大输出电压幅值 Uom= UCC,最大输出电流幅值:,最大输出功率为:,63,(2)直流电源供给的功率PE,因T1、T2轮换导通,两个电源轮换提供功率,则交流输出功率最大时,电源提供的功率:,64,(3)效率,放大器输出功率最大时的效率:,(4)管耗PT,PT PE PO,65,2、OTL (output transformerless)互补对称功率放大器,电路结构特点,(1) 单电源UCC,T2的集电极接地,每个功率管的实际工作电源电压为U

22、CC /2。,(2) 输出端串联大电容C,使负载上仅获得交流信号。,66,ui 0,T1截止,T2导通,ui 0,T1导通,T2截止,电容C相当于RL的负电源 。,工作原理(设 ui 为正弦波),UC=UCC /2,效率计算时只需将OCL中的UCC改为UCC /2。最大效率也为78.5,效 率,67,3、交越失真及消除交越失真的措施,死区电压,OCL输入输出波形图,工作在乙类静态时,当增大到一定值时才能克服死区电压,造成输出电压或电流正、负半周在过零处波形衔接失真。,交越失真:,68,组合特性分析图解法,负载上的最大不失真电压为Uom=UCC- UCES,69,克服交越失真的措施: 甲乙类互补

23、对称功率放大器,静态时:,T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降,致使两管均处于微弱导通状态甲乙类工作状态,由于电路对称,静态时两管中电流大小相等方向相反,负载上无静态电流,故uo0,70,动态时:,设 ui 加入正弦信号。正半周 T2 截止,T1 基极电位进一步提高,进入良好的导通状态;负半周T1截止,T2 基极电位进一步降低,进入良好的导通状态。从而克服死区电压的影响,消除交越失真。,注意:静态工作点不应设置太高。,71,三、集成功率放大器,组成:,前置级、中间级、输出级、偏置电路,特点:,输出功率大、效率高,有过流、过压、过热保护,应用:,收录机、电视机、伺服放大

24、系统等。,工作可靠,使用方便,72,举例: LM386 集成功放及其应用,2. 典型应用参数:,直流电源:,4 12 V,额定功率:,660 mW,带 宽:,300 kHz,输入阻抗:,50 k,1. 特点:功耗低、电压增益可调、电源电压范围大的音频集成功率放大器,73,1功率放大器的特点:工作在大信号状态下,输出电压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下,尽可能提高输出功率和效率。 2为了提高效率,在功率放大器中,BJT常工作在乙类和甲乙类状态下,并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率放大器理论上的最大输出效率可以达到78.5。 3互补对称功率放大器的几种主要结构:OCL(双电源)乙类甲乙类。OTL(单电源)乙类甲乙类。,小 结,74,5. 功率管的工作类型,4随着半导体工艺、技术的不断发展,输出功率几十瓦以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率VMOS管的出现,也给功率放大器的发展带来了新的生机。,75,结构简单,效率高, 频率响应好,易集成,结构简单,效率高,频率 响应好,易集成,单电源,双电源, 电源利用率不高,输出需大电容, 电源利用率不高,最大输出功率,直流电源消耗功率,效率,最大管耗,6. OCL 和 OTL 功放电路的特性,

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