《计算机电路基础》(1).ppt

计算机电路基础,第2讲,第2章放大电路,熟悉放大电路的组成和工作原理掌握用图解法、微变等效电路法分析放大电路了解放大电路的频率特性和主要技术指标以及差动放大电路,目标要求,第2章放大电路,放大电路的基本概念及性能指标基本放大电路的组成及工作原理放大电路的分析方法差动放大电路多级放大电路小结,讲课提纲,第2章放大电路,2.1.1放大电路的基本概念放大本质是能量的控制，即用能量比较小的信号去控制另一能量较大的能源，从而在负载上得到较大的能量输出。在计算机电路中放大电路是常用的一种典型电路，它能将一个较小的输入变化量放大至一个比较大的变化输出。为了实现能量的控制，达到放大的目的，需采用具有放大作用的电子器件作为放大电路的核心。读者可以回想一下第一章中我们介绍的基本半导体器件中有哪些可以达到这一目的。注意放大作用是针对变化量而言的，如果一个信号是恒定的，就没有放大的必要了。,2.1放大电路的基本概念及性能指标,第2章放大电路,2.1.2放大电路的性能指标如下图2-1所示是放大电路的组成框图，图中信号源Vs向放大电路提供输入信号，Rs是信号源内阻；Vi、Ii分别是实际加在放大电路输入端的交流输入电压及输入电流的有效值；是放大电路空载时的输出电压；RL是放大电路负载，其上的电压是输出电压V0。由此定义了放大电路常用的几个性能指标。,2.1放大电路的基本概念及性能指标,,,第2章放大电路,2.1.2放大电路的性能指标（1）电压放大倍数AV放大电路的电压放大倍数是指输出电压的变化幅值与输入电压的变化幅值之比，它反映了放大电路对输入信号Vi在幅度上的放大能力，又称为电压增益。其一般表达式为（2）电流放大倍数Ai电路输出电流与输入电流的变化量之比称为电路的电流放大倍数，表示为,2.1放大电路的基本概念及性能指标,,,第2章放大电路,2.1.2放大电路的性能指标3输入电阻Ri作为一个放大电路，一定要有信号源提供输入信号，放大电路与信号源相连，作为信号源的负载，其等效负载电阻就为Ri。Ri反映了放大电路对信号源的影响程度。Ri越大，表明它从信号源索取的电流越小，放大电路输入端所得到的电压Vi越接近信号源电压Vs。当信号频率不是很高时，输入电流与输入电压基本同相，输入电阻定义为4输出电阻R0放大电路将信号放大后，将其送到负载上。当我们改变负载大小时，会发现其上的输入电压也在改变，这种现象说明负载上得到的输出电压并不等于放大电路的输出电压，这是因为放大电路的输出端有一个等效内阻，称为输出电阻，记为R0，其上消耗的电压会随着输出电流的变化而变化。,2.1放大电路的基本概念及性能指标,第2章放大电路,2.2.1基本放大电路的组成基本放大电路是指由一个放大元件（三极管）所组成的简单放大电路，又称为单管放大电路.这里我们就以共射放大电路（如下图2-2所示）为例为大家介绍放大电路的电路组成。,2.2基本放大电路的组成及工作原理,,,第2章放大电路,2.2.1基本放大电路的组成图中T是NPN型三极管，在电路中起放大作用，也是整个电路的核心。输入信号经电容C1耦合到三极管基极上，输出信号从三极管集电极引出，发射极是输入、输出回路的公共电极，因此把该电路称为共发射极放大电路，简称共射电路。VCC是集电极回路的直流电源，它为输出信号提供能量；RC是集电极负载电阻，通过它可以把电流的变化转换成电压的变化反映在输出端；基极直流电源VBB和基极电阻Rb一边为发射结提供正向偏置电压，同时还要提供基极偏置电流Ib。在电路中，为了保证三极管能够工作在放大状态，必须使三极管的发射结正偏、集电结反偏，故而VCC、VBB、Rc和Rb之间要有一定的配合。电容C1、C2的作用是隔离直流、通过交流，称为隔直电容或耦合电容。在组成放大电路时，必须遵循以下几点原则。必须保证三极管的发射结正偏（可参见二极管正偏、反偏的概念）、集电结反偏，保证三极管工作在放大状态。,2.2基本放大电路的组成及工作原理,,,第2章放大电路,2.2.1基本放大电路的组成输入回路中，应使变化的输入电压信号产生变化的输入电流，通过三极管的电流控制特点去控制输出电流的变化。输出电流应尽可能多的流向负载，以得到较大的输出电压。为了保证放大电路的正常工作，在没有外加交流输入信号时，三极管必须有一个合适的工作电压和电流，既要合理设置静态工作点，否则电路输出将产生失真。在实际分析时，有时只在电源的正端标出＋VCC，负端接公共端，而不画出电源的符号。为了减少电源的种类，一般都由提供静态工作点，而不需接电源VBB，如右图2-3所示。,2.2基本放大电路的组成及工作原理,,,第2章放大电路,2.2.2基本放大电路的工作原理当输入信号Vs＝0，即没有交流信号输入时，称电路处于静态。此时电路中的直流电源及Rc和Rb等参数设置使三极管工作在放大状态，对输入回路而言，存在静态时的直流量IB、VBE；输出回路有静态时的直流量IC、VCE。当信号Vs加入电路以后，它将叠加在原来的直流量上，从而使三极管的基极电流发生变化，由。基极电流的变化被放大倍后成为集电极电流的变化，即。于是两端的电压降增大，其交流变化部分经电容C2后产生变化的输出电压V0。如果参数选择合适，就能得到比Vs大的多的V0。,2.2基本放大电路的组成及工作原理,第2章放大电路,2.3.1直流通路和交流通路在放大电路的分析中，一般都将交、直流量分开来讨论，因此在对放大电路进行分析时，主要有两个步骤。确定电路的直流状态。求出电路处于静态时各处的直流电压、直流电流。对电路进行动态分析，计算放大电路加入输入信号后的交流性能参数，如电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等我们通常把直流量作用时的电路结构称为直流通路，只有交流量作用的电路结构称为交流通路。这样可利用直流通路计算静态工作点，而利用交流通路分析电路的动态性能。由此，可画出图2-2电路对应的交流通路和直流通路，如下图2-4所示。,2.3放大电路的分析方法,第2章放大电路,2.3.2图解法图解法的关键是在承认三极管非线性特性的基础上，在管子的特性曲线上用作图的方法求解，继而分析放大电路的静态工作点和大信号输入时的电路动态情况，它是放大电路的基本分析方法之一。图解法的原理从适当的地方将放大电路断开，就可将电路划分为线性和非线性两部分。分别做出两者的伏安特性，其交点就决定了放大电路的工作状态。这里再次提醒放大电路中的非线性部分常为晶体三极管或场效应管，它们具有非线性的伏安特性。而外电路是由一些电源、电阻等线性元件组成，它们的伏安特性是一条直线，一般称为负载线。静态时的直流特性和交流特性都可利用图解法。静态工作点和直流负载线对图2-2所示的基本共射放大电路，据其直流通路可知，静态时的基极电流为,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.2图解法,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.2图解法交流负载线及动态分析交流负载线放大电路工作在动态时，输出回路的电流及电压既要满足外电路方程，又必须在三极管自身的特性曲线上运动，应该说两者的公共部分是放大电路的动态运动轨迹。基本放大电流的交流通路如图2-4（b）所示。,2.3放大电路的分析方法,图2-5,,,第2章放大电路,2.3.2图解法由此可见，交流信号作用时输出回路的外电路方程为其中另外，对输入的正弦波交流信号，存在过0即的时刻，此时放大电路刚好处于静态工作状态，因此外电路负载线是过Q点、由（2-8）式所决定的斜率为的一条直线，称为交流负载线。可得出，Q点也是晶体管各端口电流、电压交变分量的起始点。在输出的特性曲线平面上作交流负载线时，先从Q点出发，作横轴的垂线，并与之交于h点，然后从h点横轴方向水平移动（ICO可由静态工作点在输出特性曲线上的纵坐标位置决定）距离至点A，连接AQ两点即可得交流负载线，如下图2-6所示。图中直线MN为电路的直流负载线。,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.2图解法放大电路的动态分析放大电路的动态图解。因为放大电路的动态图解相对来说比较复杂，所以这里就不再赘述了，但是有一点一定要明确即在输出电压和电流中，只有交流分量才能反映输入信号的变化，所以我们说的放大作用只能是输出的交流分量和输入信号的关系，而决不能把直流成分也包含在内放大电路的非线性失真和动态范围。一个放大电路若对较大的输出信号放大时，在负载已定的情况下，为获得最大的输出电压，应把工作点悬在交流负载线距饱和区和截止区的中点。因为静态工作点的设置在很大程度上影响放大电路的性能，所以在放大电路的组成原则中，静态工作点的合理设置是电路正常工作的条件之一。,2.3放大电路的分析方法,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法前面介绍的图解法仅仅适合于输入信号变化较大的情况，如果电路所加信号变化范围很小，常采用微变等效电路法来处理三极管的非线性问题。其思路为在三极管静态工作点附近比较小的范围内认为其特性是线性的，由此推导出三极管的等效电路及一系列参数，从而将非线性问题转化为线性问题来处理。当三极管工作在一个微小的范围内时，其特性曲线在该范围可视为线性的，处理时可以用一个等效的线性电路来代替这个三极管。对微变等效法，所谓“等效”，即从该线性电路的引出端看进去，其上的电压、电流的变化关系和原来三极管一样。用这样一个微变等效电路来代替三极管以后，具有非线性元件的放大电路就转化成为我们熟悉的线性电路了。常用的等效电路是简化h参数模型，对于一般的实际应用，这种模型都可以满足要求。下面我们就介绍一下该模型。,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法,2.3放大电路的分析方法,由式（2-9）及（2-10）可画出晶体管的低频小信号模型，如图2-8所示。,,,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法,2.3放大电路的分析方法,图2-8,在输入回路中，表明输入电压由两个电压相加，其中，表示输入电流在输入电阻上的压降，表示输出电压对输入回路的影响，用电压源表示。输出回路表明输出电流由两个电流相加，其中，表示输入电流对输出电流的控制作用，为受控电流源；表示输出电压在输出电阻上产生的电流。,,,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法,2.3放大电路的分析方法,下面给出微变等效电路法分析放大电路的一般步骤。首先根据放大电路的直流电路计算出电路的静态工作点。画出电路的交流通路，用简化的h参数模型来代替三极管T，然后根据交流通路将外围元器件如电阻、电容接在相应的位置上，就得到该放大电路的微变等效电路，继而求出其交流参数。,,,第2章放大电路,2.3.3微变等效电路法下面给出一些结论，希望读者能够掌握。电路的放大倍数与三极管的参数有关，适当提高相关参数可增大电路的电压放大倍数；而提高静态工作点也可以达到提高电路电压增益的目的放大电路的输入电阻即是从放大电路的输入端往里看所看到的等效电阻放大电路的输出电阻也是放大电路的输出端（无负载时）向电路里看所看到的等效电阻,2.3放大电路的分析方法,第2章放大电路,2.3.4三极管的3种组态共集电极电路共集电极放大电路的基本形式如图2-11所示。图中三极管的基极是交流信号的输入端，发射极是交流信号的输出端。,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.4三极管的3种组态下面给出静态分析和动态分析时的计算公式静态分析动态分析,2.3放大电路的分析方法,从上面的计算公式我们可以看出共集电路的电压放大倍数接近1但小于1，射极输出信号能较好地跟随输入电压而变化，并且输入电压和输出电压是相同的，因此又把这种共集电路称为射极跟随器。共集电路电压放大倍数很小，不能进行电压放大，但由于它能进行电流放大，该电路仍具有一定的功率放大作用。共集电路的输入电阻相比共射电路更大，而共集电路的输出电阻很小，说明它的带负载能力强。正是由于共集电路具有输入电阻大、输出电阻小的特点，常用于多级放大电路（2.5节）的输入级和输出级。,,,第2章放大电路,2.3.4三极管的3种组态共基放大电路共基电路常用于功率放大和高频放大，图2-12（a）是它的电路原理图。在共基电路中，基极是输入回路和输出回路的信号公共极。,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.4三极管的3种组态静态分析静态时，电容、、足够大，可视为开路。三极管基极采用分压式偏置，有动态分析，电容使电阻、短路。画出共基电路的微变等效电路如图2-12（b）所示，其动态性能分析如下.从微变等效电路可知输入电阻输出电阻,2.3放大电路的分析方法,,,第2章放大电路,2.3.4三极管的3种组态3种基本放大电路的比较判断方法共射、共基、共集电路应视电路交流输入回路和输出回路的公共端是三极管的哪个极，若公共端是射极，则为共射电路，以此类推。3种电路的特点对比共射电路具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，同时输入电阻和输出电阻又比较适中，所以，一般只要对输入电阻、输出电阻和频率响应没有特殊要求的地方，均常采用共射电路，它被广泛地用作低频电压放大的输入级、中间级和输出级。共集电路的特点是电压跟随，其输入电阻很高，输出电阻很小，常被用作多级放大电路的输入级、输出级或作为隔离用的中间级。共基电路的突出特点在于它具有很低的输入电阻，使晶体管结电容的影响不明显，从而使频率响应得到很大改善。这种接法常用于宽频带放大器中。另外，由于输出电阻高，共集电路还可以作为恒流源。,2.3放大电路的分析方法,第2章放大电路,2.4.1差动放大电路的组成及原理差动放大电路又称为差分放大器。在多数线性集成电路的输入级常包含有一级或多级差动放大电路。在分立元件的直流放大器中，差动放大器也得到广泛地应用。它的特点是温漂小;有较大的动态范围;电路结构具有极佳的平衡对特点;适合于集成电路制造。差动放大电路是利用两个相同的三级管参数变化相同、电路结构对称的特点，抵消由于温度变化在输出端所引起的漂移。当加有信号时，两管的作用却并不抵消，具有放大作用，据此组成差动放大电路的基本形式，如右图2-13所示。,2.4差动放大电路,,,第2章放大电路,2.4.1差动放大电路的组成及原理对于图2-13的电路，我们可以总结出差动电路组成的一些特点T1、T2两管特性相同，组成对称的共发射极电路，为两管的公共发射极电阻。构成、两边的电路完全一样。两个输入信号分别接在两管的基极，输出信号从两管的集电极间取出，分别称为双端输出方式和单端输出方式。两个输入信号分别接在两管的基极，输出信号从两管的集电极间取出，分别称为双端输出方式和单端输出方式。下面我们总结出差动电路的一些电特性静态时，由于差动电路的两半边完全对称，两管的静态工作点相同，温度变化对两管的影响相同。双端输出时由于温度变化对静态工作点的影响在输出端反映不出来，也就是说零点漂移被抵消了。,2.4差动放大电路,第2章放大电路,2.4.2差动放大电路的分析静态工作点由于两管电路完全对称，静态工作点相同，只分析T1电路的Q点。从输入端回路来看，静态时VB0，且流过REE的电流是两管射极电流之和2IE1。于是有由输出直流通路可求出两管集电极对地电位为交流性能分析将信号、分别接到、的基极，信号的输入有两种情况。,2.4差动放大电路,,,第2章放大电路,2.4.2差动放大电路的分析,2.4差动放大电路,差模输入时放大电路的交流通路如图2-14所示。,,,第2章放大电路,2.4.2差动放大电路的分析由于两管集电极的差模输出电压Vod1、Vod2大小相等，相位相反，即Vod1＝－Vod2，负载RL的中点应为地点位，从而使每管的负载各为RL/2，这样，差动放大电路的分析可视为两个完全独立对称的共射电路。由此我们可以得到以下差模输入时相关参数的结论。电路差模输入的放大倍数称为差模电压增益，用Avd表示。对双端输出方式，电路的差模电压增益和单管放大电路的放大倍数相同。差模放大电路对零漂的抑制作用是以牺牲一个放大管来换取的差模输入电阻指从两个差模信号输入端看进去的等效电阻，为Rid2rbe差模输出电阻指从两个差模信号输出端看进去的等效电阻，为Rod2Rc共模输入Vi1＝Vi2共模输入指两个输入信号和幅值相等，极性相同，则称它们为共模输入信号，,2.4差动放大电路,,,第2章放大电路,2.4.2差动放大电路的分析在共模输入电压的作用下，和两管的电流变化相同，，两管射极电流增量以相同的方向流过，所产生的电压为，它等效为一只管子的电流在2REE电阻上产生的电压；由于电路两边完全对称，两管集电极电压等值、变化相同，即Voc1＝Voc2，RL中无电流流过，因此，RL对共模信号可看作开路。这时，差动放大器可分成两个独立对称的共发射极放大电路，这样可画出如图2-11所示差动放大电路的共模输入交流通路，如右图2-15所示。,2.4差动放大电路,第2章放大电路,2.4.2差动放大电路的分析我们可以得到一些参数的结论为共模电压增益为这从另一方面证实了差动放大电路双端输出时的共模电压增益近似为0，即它对共模信号具有很强的抑制能力，因此能很好地克服温漂。共模输入时，差动放大电路的两个输入端是并接的，其输入电阻应为每个共射电路输入电阻的一半。差动放大电路的输出电压可由两部分组成，一部分是由差模信号产生的，一部分是由共模信号所产生的。共模抑制比因为在实际的差动放大电路中不可能做到完全对称，共模输出就不可能完全被抵消。如何衡量差动放大电路对有益差模信号的放大作用和对无益的共模信号的抑制能力呢通常用共模抑制比KCMR来表征，定义为,2.4差动放大电路,,,第2章放大电路,2.4.2差动放大电路的分析共模抑制比是差动电路一个极为重要的技术指标，共模抑制比越大，表明差放电路对共模信号的抑制能力越强。在差放电路完全对称时，如果为双端输出形式，则共模放大倍数为0，共模抑制比趋于无穷大。事实上，差放电路微量不对称是难免的，所以，共模抑制比不可能达到无穷大，一般为以上。共模抑制比用分贝形式可以表示为,2.4差动放大电路,第2章放大电路,2.5.1多级电路的级间耦合方式直接耦合把前级放大电路的输出端直接（或经过电阻）接到下一级放大电路输出端的耦合方式称为直接耦合。直接耦合方式中由于没有采用电抗元件进行信号耦合，电路具有良好的低频特性，对变化缓慢的信号也能进行放大，同时适用于集成工艺，故而它是线性集成电路中的主要耦合方式。阻容耦合通过电容将前级电路的输出和后级电路连接起来的方式称为阻容耦合。阻容耦合电路由于采用了电容耦合，能将前、后级的直流信号隔开，因此它的优点是各级直流电路互不相通，各级静态工作点都是相互独立的，这样就给分析、设计、调试带来了方便。变压器耦合前、后两级通过变压器传送信号的方式称为变压器耦合方式。变压器耦合方式由于具有阻抗变换的作用，级间的阻抗匹配容易实现。另外，由于变压器不能传送直流量，前后两级的直流工作点是相互独立的。,2.5多级放大电路,,,第2章放大电路,2.5.2多级放大电路的分析多级放大电路的分析同样涉及静态分析和动态分析。静态分析应视电路的耦合方式而有所区别。阻容耦合电路各级间可分开讨论；对直接耦合多级电路，各级静态工作点是相互影响的，前面的例子中已经有所反映。对于多级放大电路的动态分析，常采用的仍然是简化h参数等效电路法，即在电路交流通路的基础上画出电路中频微变等效电路，从而进行性能分析。对于阻容式放大电路，在中频交流信号作用时，电路中各电容视为短路，计算时先分级计算，但必须考虑级与级之间的相互影响的，其影响总结如下前级输出电压及输入电阻应作为后级电路的信号源及其内阻。后级电路的输入电阻应作为前级的负载。这样，求得各级的交流参数后，就很容易求出整个多级放大电路的交流参数。,2.5多级放大电路,,,第2章放大电路,2.5.2多级放大电路的分析这里我们给出结论多级放大电路的增益是各级放大电路增益之积，可表示为输入电阻Ri多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻，但需注意的是，若第一级放大电路为共集组态时，输入电阻还将与后级的输入电阻有关，这是因为第二级的输入并到共集电路的射极电阻上的。输出电阻Ro多级放大电路的输出阻抗，在输出级为共射、共基组态时，主要决定于输出级的输入阻抗；当输出级为共集组态时，还将与前一级的输出阻抗有关。,2.5多级放大电路,第2章放大电路,2.5.3多级电路的频率响应通常把放大电路的放大倍数随频率变化的函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。以共射放大电路为例，在各种容抗影响可以忽略的频率范围（通称为中频）内时，其电压放大倍数基本不随频率变化，这时输出电压和输入电压的相位相反，即放大倍数的相角为180。当频率过低时，由于耦合电容的容抗变大，信号在电容两端的压降增加，放大倍数会下降，同时产生一定的附加相移；频率太高时，由于三极管级间电容的存在，它也会使放大倍数下降，并产生相移。于是，放大电路的放大倍数可写成复数的形式其中幅度和相移都是频率的函数，分别称为幅频特性和相频特性，如右图2-19所示是共射基。,2.5多级放大电路,,2.5.3多级电路的频率响应把放大电路的下限降到中频放大倍数时响应的低频频率和高频频率分别称为放大电路的下限频率fL和上限频率fH，二者之间的频率范围称为通频带fBW,fBWfH-fL。通频带的宽度说明了电路对不同频率输入信号的响应能力。多级放大电路的上限频率和组成它的各级电路上限频率间有如下关系一般来说，放大电路的级数越多，上式的误差越小，有时为了得出更精确的结果，在该式前面乘以修正系数1.1。上式也说明多级电路总的上限频率高于各级电路的上限频率。多级电路的下限频率与组成它的各级下限频率的关系为上式仍可乘以修正系数1.1，以得到更为精确的结果。该式说明多级电路的下限频率低于各级电路的下限频率。因此，多级电路的通频带宽度小于各级电路。,第2章放大电路,2.5多级放大电路,第2章放大电路,放大电路就其本质而言，是一种能量转换器。利用电子器件的控制作用，在输入信号的作用下，将直流电源提供的功率转换成输出信号的功率。放大电路有两个基本问题放大和失真。放大电路的基本分析方法图解法和微变等效电路法。放大电路有3种组态共射、共基和共集（射极输出器）。放大电路在中频段的放大倍数最大且恒定不变，但当信号频率太高或太低时，放大倍数都将下降。因此，放大电路的电压放大倍数是频率的函数，称这种关系为放大电路频率响应。多级放大电路常用的耦合方式有3种直接耦合、阻容耦合和电隔离耦合。差动放大电路常作为集成运放输入级，是集成运放的关键部分，其主要性能是能抑制零点漂移。抑制零点漂移的关键是电路的对称性以及引入了差动后对晶体管的公共发射极电阻产生的影响。用晶体管恒流源取代，使电路性能大大改善。对功率放大电路的主要要求是能够向负载提供足够的输出功率，同时应有较高的功率和较小的非线性失真。为此，多采用晶体管工作在甲乙类的互补对称电路（甲乙类的互补对称电路相关知识可参阅相关资料）。,2.6小结,第2章放大电路,1.三极管组成图2-20中（a）～（e）所示的各种电路，试判断这些电路能还是不能对输入的交变信号进行正常的放大，并说明理由。,课后作业,,,第2章放大电路,2.试分析图2-21中（a）、（b）所示的各电路能否正常放大交流信号若不能，应作何改动才能实现放大,课后作业,第2章放大电路,暂无上机试验,上机实验,