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1、1,电工电子技术与技能（非电类少学时）,程周主编,中等职业教育课程改革国家规划新教材配套多媒体资源,2,13 放大电路与集成运算放大器,4,3,13.1 基本放大电路,VT 电流放大元件,UCC 直流电源。与 RB、RC 配合，保证管子的发射极正偏、集电极反偏；为输出信号提供能量。,RB 基极偏置电阻。与 UCC 配合，为三极管提供合适的基极电流。,RC 集电极负载电阻。将三极管的电流放大作用转化为电压放大。,C1、C2 耦合电容。“隔直通交”。,发射极是输入、输出回路的公共端,输入回路,输出回路,13.1.1 共发射极单管放大电路的结构,4,13.1.2 共发射极放大电路工作原理,1. 静态
2、工作情况,直流通路：直流信号在电路中流通的路径。,直流通路的画法：电容视为开路。,静态工作点：静态时，晶体管IB、IC、UCE 称该放大电路静态工作点。,静态：放大器无交流信号输入时的直流工作状态。,静态分析时可画出：,图13.2 基本共发射极放大电路的直流通路,5,根据直流通路的结构计算静态工作点,通常,则,6,例 UCC = 12 V, RB = 300 k, RC = 4 k, = 50, 求放大电路的静态工作点IB 、IC 和 UCE。,解,7,2动态工作情况,动态：有交流信号输入时放大电路的状态。,动态时，在输入交流信号 ui 作用下，电路中各极电压、电流在原静态值上叠加一个交流分量
3、。只要静态工作点合适，晶体管工作在放大状态，各极电压、电流交流分量的变化规律与输入交流信号 ui 相同。,8,放大电路的工作波形,输入交流信号 ui 经耦合电容 C1 加在晶体管的发射结。,经耦合电容 C2 “隔直通交”后，输出交流电压 uo。uo 与 ui 反相。,uBE = UBE + ui,由于晶体管处于放大状态，集电极电流 iC 受基极电流 iB 控制， iC = iB = IC + ic ，uCE = UCC iCRC随 iC 作相反的变化。,uBE 的变化引起基极电流 iB 的变化。 iB = IB + ib,9,放大电路在输入交流信号后，如果静态工作点选择的合适，在整个信号周期内
4、，晶体管都工作在线性放大区，放大电路能不失真地放大信号。,如果静态工作点选择不当，晶体管有时会进入截止状态或饱和状态，从而产生非线性失真。,13.1.3 静态工作点的选择与波形失真,10,1静态工作点设置太低时,UBE 小于 uim, 在交流信号的负半周，晶体管发射结因反偏而截止，没有放大作用，输出波形失真。,截止失真：因晶体管进入截止区而产生的失真。,克服截止失真的办法：增大静态工作点的值，通常减小基极偏置电阻 RB。,截止失真的特点：对于 NPN 型晶体管组成的放大电路，发生截止失真时，输出电压波形的正半周被削。,11,2静态工作点设置太高时,在交流信号的正半周，随输入信号增大，集电极电流
5、 iC 因受最大值 ICm 的限制不能相应增大，iB 对 iC 失去控制作用，晶体管进入饱和区，输出波形产生失真。,饱和失真：因晶体管进入饱和区而产生的失真。,饱和失真的特点：对于 NPN 型晶体管组成的放大电路，发生饱和失真时，输出电压波形的负半周被削。,克服饱和失真的办法：减小静态工作点的值，通常增大基极偏置电阻 RB。,12,为了不失真的放大信号，必须设置合适的静态工作点，同时工作点要稳定。,由于晶体管的参数与温度有关，当环境温度变化或更换管子时，晶体管的参数要发生变化，引起静态工作点的变化。,T,IC,例：,即，温度升高，静态工作点上移，可能会引起饱和失真。,稳定静态工作点，采用具有稳
6、定静态工作点作用的分压式放大电路。,13.1.4 静态工作点的稳定,13,分压式放大电路：,稳定静态工作点的原理：,如果 I1 IB，UCC UBE，,UE = UB UBE 也基本不变,基本不变,稳定静态工作点的过程：,T,IC,IE,VE,UBE (=UB UE),IC,CE：旁路电容。对交流信号 CE 视为短路。,14,交流通路,放大电路的交流通路,交流通路：交流信号在电路中流通的路径。,交流通路的画法：对交流信号阻抗很小的耦合电容、旁路电容视为短路；直流电源对交流信号内阻很小，也视为短路。,13.1.5 电压放大倍数、输入电阻和输出电阻,15,1电压放大倍数,电压放大倍数,所以,负号表
7、示输出与输入信号反相。,约为1 k。,16,2输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro,放大电路的输入电阻 Ri 是从放大电路的输入端看进去的交流等效电阻。,ri,Ri 相当于信号源或前级放大电路的负载。一般来说， Ri 越大，放大电路向信号源取用的电流越小，对信号源的影响越小。,17,放大电路的输出电阻 Ro 是从放大电路的输出端(不包括负载)看进去的交流等效电阻。,Ro 表示放大电路的带负载能力。放大电路对负载来说相当于一个内阻为 Ro 的信号源。 Ro 越小，放大电路带负载的能力越强。,18,例 UCC = 12 V, RB = 300 k, RC = 4 k, = 50，rbe = 1 k,
8、RL = 4 k，求放大电路的 Au、ri、ro。,解,若放大电路未带负载,19,多个单级放大电路通过一定的方式连接在一起，组合成多级放大电路 。,级间耦合：级与级间的连接方式。,级间耦合的要求： 一、前后级静态工作点影响应最小。 二、信号能顺利传递，传递过程中信号损耗和失真要尽可能的小。,13.2 多级放大电路,20,1耦合方式,常用的耦合方式有三种：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合。,(1)直接耦合,缺点：前后级静态工作点互相影响，存在“零点漂移”现象。,零点漂移：输入信号为零时，输出随外界条件变化而偏离静态值的现象。,优点：能够放大直流信 号和变化缓慢的信号。,零点漂移危害：轻则使电路输出
9、存在误差，重则使电路无法正常工作。,21,(2)阻容耦合,由于耦合电容的隔直作用，各级静态工作点可独立设置，互不影响。但不能放大直流信号和变化缓慢的信号。,(3)变压器耦合,优点：变压器一次、二次绕组间不能传递直流信号，因而前后级静态工作点互不影响；由于变压器的阻抗电压、电流的变换作用，可使放大电路传输效率高。,缺点：频率特性差，体积大，不适于集成化。,22,2多级放大电路的组成,多级放大电路的总电压放大倍数等于各单级放大电路放大倍数的乘积。,Au = Au1Au2 Aun,注意：在计算放大倍数时，后级的输入电阻即为前级的负载电阻。,23,射极输出器电路图,输出电压 uo 为晶体管发射极输出。
10、,13.3 射极输出器,24,1电压放大倍数,经理论分析可得,可见输出电压 uo 随 ui 变化而变化，大小近似相等，且相位相同，所以该电路又称射极跟随器。,13.3.1 电压放大倍数、输入电阻和输出电阻,25,2输入电阻 Ri,射极跟随器的输入电阻很高。通常为几千欧至几百千欧。,ri,ri,ro,3输出电阻 Ro,射极跟随器的输出电阻很小。通常为几十欧至几百欧。,原因：因 uoui，当 ui 不变， uo 也近似不变，可见，负载电阻对输出电压影响很小，说明输出电阻很小。,26,射极跟随器具有输入电阻高；输出电阻低；电压放大倍数近似等于 1；输出电压与输入电压同相位的特点，因而在电路中得到广泛
11、的应用。,1作输入级,2作输出级,3作中间隔离级,利用高输入阻抗可减小对信号源的影响。,利用低输出阻抗可提高带负载能力，使输出电压稳定。,利用其阻抗变换作用，接在两级共发射极放大电路之间，可减小后级对前级的影响。,13.3.2 射极输出器的应用,27,是以供给负载一定输出功率为主要目的的放大电路，简称功放。,对功放的要求：,1输出功率大：即输出信号的电压和电流幅值都应很大。,13.4.1 功率放大器的概念,2效率高：减小晶体管消耗的能量，使直流电源提供的直流功率尽可能多的转化为输出功率。,3失真小：功放中的晶体管工作在大信号状态，不可避免会产生非线性失真。要求非线性失真在规定的范围内。,28,
12、1 OCL 功放电路工作原理,该电路可看作两个射极输出器组合而成。射极输出器具备电流放大作用。,13.4.2 互补对称功率放大器(OCL 电路),29,工作原理：当输入信号 ui = 0 时，两管均不导通，无电流流过负载，输出电压 uo = 0。,30,ic2 自下而上流过负载，输出 uo 的负半周。,当输入信号 ui 0 时:,在 ui 正半周，VT1 发射结正偏导通，VT2 截止。,ic1,Ic1 自上而下流过负载，输出 uo 的正半周。,ic2,在 ui 负半周， VT2 发射结正偏导通， VT1 截止。,可见在 ui 的整个周期内，两管交替导通，负载上得到一个完整 波形。,31,结论：
13、,两管互补，工作性能对称，各自导通半个周期，因而称为互补对称电路。,2最大输出功率和效率,(1)最大输出功率 Pom,(2)效率 ,平均功率,实际 OCL 功放，其效率一般在 60 左右。,32,运算放大器是一个集成的高放大倍数的多级直接耦合放大器，简称运放。,运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。,输入级：采用具有抑制零点漂移作用的差分放大器。,中间级：采用多级电压放大器，以提供大的电压放大倍数。,结构：,13.5.1 运算放大器的结构和特点,13.5 运算放大器,33,输出级：,采用具有功率放大作用的射极输出器，以提高带负载能力；,偏置电路：给运放的各级提供合适的静态工作点。,特点：
14、,输入电阻很高，输出电阻很小，电压放大倍数很大，零点漂移很小。,符号：,34,Uopp,Uopp,线性区,正饱和区,负饱和区,运放的输入输出特性：,由于运放的电压放大倍数很大，为保证正常工作，需引入负反馈。,Ao 为开环电压放大倍数。,斜率A0,运放工作在线性区时,35,运算放大器实际电路,RP：调零电位器,C：消振电容,+UCC与-UEE：电源电压,RF：负反馈电阻,36,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，为简化分析，可将实际运放看作理想运放，按其理想化条件进行分析。,1开环电压放大倍数为无穷大，即 A = 。,2开环输入电阻无穷大，即 Ri = 。,3开环输出电阻为零，即 Ro
15、= 0,在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。,理想化的主要条件：,13.5.2 理想运算放大器,37,理想运放工作在线性区的依据,由于 Ao = ，uo 为有限值，,1u+ = u-,相当于两输入端之间短路, 但又未真正短路，故称 “虚假短路”，简称虚短 。,由于 Ri = 两输入端无电流流进，,相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称 “虚假断路”，简称虚断。,2i+ = i- = 0,38,1比例运算电路,(1)反相比例运算电路,可列出,平衡电阻,解得,结论：输出电压与输入电压为反相比例运算关系。反相输入端称为“虚地”。,若,反相器,由,i+ = i- = 0,得
16、,虚地,if,13.5.3 运算放大器组成的基本运算电路,39,(2)同相比例运算电路,可列出,解得,则 uo= ui,由,i+ = i-= 0,得,结论：输出电压与输入电压为同相比例运算关系。,电压跟随器,40,由图可列出,解得,当,时，,平衡电阻,2加法运算电路,结论：输出电压与输入电压之和成比例。,当 R1= R2= RF 时,加法器,反相加法电路,41,因为,，所以,由图可列出,3减法运算,平衡电阻,减法器,是实现若干个输入信号相减功能的电路,42,反馈：将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部，通过一定的方式(反馈电路)引回到放大电路输入端。,正反馈：如果反馈信号使净输入信号增加。 负反馈：如果反馈信号使净输入信号减小。,13.6.1 负反馈的概念,13.6 放大电路中的负反馈,43,负反馈放大电路的一般方框图,
