電工電子技術 課件 模塊8 放大電路與集成運算放大器

電工電子技術

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(模塊8放大電路與集成運算放大器)

模塊8放大電路與集成運算放大器單元1基本放大電路

一、電路組成及各元器件作用如圖是三極管組成的最簡單的單管電壓放大電路---共射放大電路圖中：

(1)VT為晶體三極管，起電流放大作用；是組成放大電路的核心元件。(2)UCC

為直流電源，為電路提供工作電壓和電流。電源負極接在三極管的發(fā)射極上，正極分為兩路，一路通過電阻Rc加到集電極，另一路通過電阻Rb加到基極，為三極管提供合適的電壓、電流，以保證晶體管工作在放大狀態(tài)，即滿足IC＝βIB。電源電壓一般為幾伏到十幾伏。(3)RB

為基極偏置電阻，電源電壓通過Rb向基極提供合適的偏置電流IB，以保證發(fā)射結正偏。(4)RC

為集電極負載電阻，電源VCC通過RC為集電極提供合適電壓，以保證集電結反偏；另一個作用是將放大的電流iC轉換為放大的電壓u0輸出。(5)

C1、C2

分別為輸入、輸出耦合電容，耦合輸入、輸出的交流信號ui和u0，并起隔離直流的作用。C1與C2的電容量較大，通常為幾十微法，故選用電解電容器。電解電容器的極性必須正確連接，使用時不能接反。（6）ui是輸入電壓信號，uo是輸出電壓信號，RL是負載電阻。二、放大電路的靜態(tài)1.靜態(tài)及靜態(tài)值

放大電路沒有輸入信號（即ui=0）時的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)時的電路即是直流電源作用下的直流通路。此時，晶體管的各極電流以及各極之間電壓的值稱為靜態(tài)值。分別用IBQ、ICQ、UBEQ、UCE表示。靜態(tài)值IBQ、ICQ、UBEQ、UCE的大小，與晶體管輸入特性曲線及輸出特性曲線上的某點坐標想對應，故稱為靜態(tài)工作點。顯然，靜態(tài)值的大小，決定了晶體管的放大狀態(tài)。而一個合適的靜態(tài)工作點是保證放大電路正常放大且不失真的前提條件。2.靜態(tài)值的計算晶體管處于放大狀態(tài)時，其發(fā)射結正向偏置，集電極反向偏置。這時，靜態(tài)值UBEQ約為0.7V（硅管）或0.3V（鍺管）。其它靜態(tài)值估算如下：由上可知，當UCC和RC選定后，靜態(tài)工作點便由IB所決定?？梢?，基極電流對于確定靜態(tài)工作點起著關鍵作用。當改變基極偏置電阻RB時，IB隨之變化。因此，通常以調節(jié)基極偏置電阻RB的方法使放大電路獲得一個靜態(tài)工作點。例題：圖示電路，已知UCC=12V，RC=2kΩ，Rb=280kΩ，硅三極管β=50，試用估算法求電路的靜態(tài)工作點。解：硅管UBEQ=0.7VIBQ=（UCC-UBEQ）/Rb=（12-0.7）/280

≈0.04mA=40μAICQ=βIBQ=50x0.04=2mAUCEQ=UCC-ICQRC=12-2×2=8V三、放大電路的動態(tài)

放大電路在有輸入信號時的工作狀態(tài)為動態(tài)。只有交流信號作用的電路中只有交流電流流通，這樣的電路稱為交流通道。當輸入信號ui≠0，放大電路在正常放大工作時，放大電路處于直流電源和輸入的交流信號共同作用下，電路中的電流和電壓既有直流成分，又有交流成分，總的電流與電壓是隨交流信號變化的脈動直流。動態(tài)過程即放大過程分析：可見，共射極放大電路具有如下特點：①

它具有電壓放大作用，交流量是迭加到直流量上進行放大的。②

輸出信號電壓與輸入信號電壓的相位相反。③放大電路體現了以較小能量控制較大能量的思想。四、放大電路的圖解分析及波形失真1.放大電路的圖解分析由上放大電路的集電極輸出回路知，集電極電流IC與集-射電壓UCE的關系從三極管內部看由輸出特性曲線決定，從三極管外部電路看，應滿足直線方程UCE=UCC-ICRC，直線UCE=UCC-ICRC稱直流負載線。兩者的交叉點即是靜態(tài)工作點Q。若輸入正弦信號電壓，隨著信號電壓的變化，工作點Q在一定的范圍內，沿負載線作往復運動。電路中各電流、電壓也按照正弦規(guī)律做周期性變化。由此可見，若靜態(tài)工作點選擇不當或信號幅值過大，則信號的變化范圍可能超越三極管特性曲線的線性區(qū)，發(fā)生失真現象。即輸出信號的波形與輸入信號的波形不再相似，發(fā)生了畸變。動態(tài)過程圖解分析如下圖：2.放大電路的波形失真（1）若基極電流太小，即靜態(tài)工作點Q的設置偏低，Q點接近截止區(qū)；產生的失真稱為截止失真。（2）若基極電流太大，而靜態(tài)工作點Q偏高，Q接近飽和區(qū)；產生的失真稱為飽和失真。（3）若放大電路的靜態(tài)工作點在設計時已經給定，但輸入信號幅值過大，也會使工作點同時進入截止區(qū)和飽和區(qū)，輸出信號既出現截止失真，又出現飽和失真，稱作飽和截止失真，五、放大電路中的特性指標計算1．電壓放大倍數電壓放大倍數表示放大電路對信號電壓的放大能力，其大小定義為輸出信號電壓有效值與輸入信號電壓有效值的比值，用A表示：如圖若放大電路的電源電壓、電阻給定，且?guī)в胸撦d時：其中稱為交流負載等效電阻。rbe為三極管基、射極間輸入等效電阻，其值大約為1KΩ左右，式中負號表示輸出信號電壓與輸入信號電壓相位相反。若放大電路空載時（即不帶負載，負載電阻RL→∞），交流負載

就是集電極電阻

，即RL’=RC，因此空載時電壓放大倍數為：放大電路的電壓放大倍數由電路元件的參數β、RC、rbe所決定，但又受到外接負載電阻

的影響。當放大電路外接負載時，由于RL’＜

RC

，故A＜AO

，其電壓放大倍數比空載時下降了。放大電路接入負載后電壓放大倍數下降的程度，反映了放大電路帶負載能力的大小2．輸入電阻與輸出電阻（1）輸入電阻從輸入端來看，放大電路對輸入信號所呈現的交流等效電阻稱為輸入電阻，用ri

表示。一般故：（2）輸出電阻相對于負載，放大電路的內阻，為其輸出電阻，用rO

表示輸入電阻大，則放大電路對信號源影響小，可保證信號源正常工作。輸出電阻小，電路帶負載的能力就強。例題:在圖示的放大電路中，已知硅三極管

β=40，rbe=1.2KΩ，Ucc=12V，RC=5.1KΩ，RB=380KΩ，RL=2.2KΩ

，試求:（1）電路的靜態(tài)工作點；（2）空載和帶載時的電壓放大倍數；（3）放大電路的輸入電阻和輸出電阻；（4）若輸入正弦信號電壓Ui=9mV（有效值），則負載可得到信號電壓的最大值為多少？解：（1）靜態(tài)工作點取(2)電壓放大倍數空載時:帶載時:(3)輸入電阻和輸出電阻(4)輸出電壓幅值

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單元2分壓式偏置放大電路

一、溫度對放大器靜態(tài)工作點的影響我們知道，一個性能良好的放大電路必須設置一個合適的工作點，但是當環(huán)境溫度變化時，共射放大電路的工作點將隨之變化，嚴重時，將導致電路不能正常工作，一般而言，溫度升高會引起集電極電流IC的增加，最終導致靜態(tài)工作點Q的上移。而發(fā)生失真現象。因此，共射放大電路在實際應用中較少采用。為了能自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點，常采用分壓式偏置放大電路。二、分壓式偏置放大電路分壓式偏置放大電路如圖：與共射放大電路相比，其電路結構增加了

，基極偏置電阻由

與

串聯(lián)而成，

稱為上偏置電阻，

稱為下偏置電阻。在發(fā)射極與地之間增加了發(fā)射極電阻

和與其并聯(lián)的旁路電容

。1．RB1與RB2

組成串聯(lián)分壓電路固定了基極電位

只要IB1《IB2，便有此式表明，由于電源電壓和電阻阻值基本上不受溫度變化的影響，所以，基極電位不隨溫度而變化，被固定下來。2．穩(wěn)定了集電極電流

及穩(wěn)定了靜態(tài)工作點若溫度t上升，使IC

增加，將有如下過程發(fā)生：由此可見，分壓式偏置電路通過自身的調節(jié)，控制穩(wěn)定了集電極電流

，從而穩(wěn)定了靜態(tài)工作點。實際上這是一種直流電流負反饋過程，發(fā)射極電阻

是反饋元件旁路電容

的作用是旁路交流信號，使交流信號不經過發(fā)射極電阻

，故

只對電路中的直流信號起作用，而對交流信號不起作用。

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單元3集成運算放大電路

一、運算放大器的基本知識集成運算放大器，簡稱集成運放。是一個直接耦合的、高電壓放大倍數的、高輸入電阻、低輸出電阻的多級放大電路。1.集成運放的外形和符號符號中，方形框的左邊引線端為信號輸入端，其中“-”端為反相輸入端，“+”端為同相輸入端，它們與“地”之間的電壓分別用u+

和u-

來表示；長方形框右邊引線端為信號輸出端，輸出信號可用輸出端對“地”電壓uo來表示；框內三角形表示放大器?！薇硎緸槔硐脒\放的電壓放大倍數（一般只討論理想運放）。2.集成運放的輸入方式（1）單端輸入

①

反相輸入端輸入:這時輸入信號從反相輸入端輸入，同相輸入端通過電阻接地，輸入端與輸出端相位相反；

②

同相輸入端輸入:

這時輸入信號從同相輸入端輸入，反相輸入端通過電阻接地，輸入端與輸出端電壓相位相同。（2）雙端輸入

這時輸入信號從兩輸入端輸入，輸入信號為

，稱為差分輸入信號，這時輸入端與輸出端相位相反。3.集成運放的組成

集成運放主要由輸入級、中間級和輸出級組成。

輸入級通常采用差動放大電路，以抑制零點漂移、提高輸入電阻；中間級由一級或多級電壓放大電路組成，以提供較高的電壓放大倍數。輸出級一般為射極輸出器或互補對稱放大電路構成，以提高運放的輸出功率和帶負載能力。4.理想集成運算放大器理想運放具有以下特征：（1）開環(huán)差模電壓放大倍數Ao→∞；（2）輸入電阻ri→∞；（3）輸出電阻ro→0；理想運放兩個重要的結論：（1）虛短兩輸入端虛假短路，簡稱虛短，即（2）虛斷兩輸入端虛假斷開，簡稱虛斷，即二、放大電路中的反饋1.反饋放大電路中的反饋，就是把放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，經過一定的電路（稱為反饋電路）送回到它的輸入端，與原來的輸入量（電壓或電流）結合以共同控制該放大電路的過程。具有反饋電路的放大器稱為反饋放大器，反饋放大器的方框圖如圖：圖中方框A代表基本放大電路，方框F代表反饋電路。圖中Xi表示原輸入信號，Xf表示反饋信號，Xi‘，表示凈輸入信號，X0表示輸出信號。

在基本放大電路中，信號從輸入端向輸出端正向傳輸；而在反饋電路中，信號傳輸方向與之相反，由輸出端回授給輸入端。反饋電路與基本放大電路一起構成封閉的環(huán)路。因此，將含有反饋的電路稱為閉環(huán)電路；不包含反饋的電路稱為開環(huán)電路。2．反饋類型（1）按反饋極性分可分為負反饋正反饋。若引入的反饋信號是削弱輸入信號而使放大電路的放大倍數降低，則為負反饋;反之，則為正反饋。負反饋可以改善放大電路的性能，幾乎所有的實用放大器中都設有負反饋電路。（2）按交直流性質分可分為交流反饋和直流反饋。直流通路中存在的反饋為直流反饋；交流通路中存在的反饋為交流反饋；直流反饋多用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點，交流反饋主要用于放大電路性能的改善。（3）按輸出端取樣對象分可分為電壓反饋和電流反饋。在輸出端，反饋信號取自輸出電壓為電壓反饋；反饋信號取自輸出電流為電流反饋。電壓反饋

電流反饋（4）按輸入端的連接方式分可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。在輸入端，反饋信號與輸入信號串聯(lián)后獲得凈輸入信號，為串聯(lián)反饋；反饋信號與輸入信號并聯(lián)后獲得凈輸入信號，為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋

并聯(lián)反饋3.負反饋特性如圖反饋電路框圖中，若電路是負反饋電路，輸入信號xi，反饋信號xf

，凈輸入信號xi’三者關系為反饋系數F定義為反饋信號與輸出信號的比值，即基本放大電路（開環(huán)電路）的放大倍數負反饋放大電路（閉環(huán)電路）的放大倍數由上面幾式可以推出上式是負反饋放大電路的基本關系式，它表達了閉環(huán)和開環(huán)放大倍數及反饋系數之間的關系。因為

，所以

，即負反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數小于開環(huán)放大倍數?？梢姡糯箅娐芬胴摲答伜?，放大倍數降低了，

稱為反饋深度，

值越大，則負反饋作用愈強，就愈降低。4.負反饋的四種組態(tài)及對放大器性能的影響負反饋放大電路按反饋電路與輸入、輸出的連接方式分有四種基本組態(tài)，即電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。由上可知，放大電路引入交流負反饋后，消弱了輸入信號，降低了放大倍數；但它卻以此為代價換取了以下性能指標的改善：（1）提高放大電路放大倍數的穩(wěn)定性；

（2）減小了非線性失真；（3）展寬了電路通頻帶；（4）減小了內部噪聲干擾（5）改變了放大器的輸入、輸出電阻。即：串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大，并聯(lián)負反饋使輸入電阻減??；電壓負反饋使輸出電阻減小，電流負反饋使輸出電阻增大。另外，在放大電路中引入直流負反饋可以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點。5.引入負反饋的一般原則（1）要穩(wěn)定靜態(tài)工作點，應引入直流負反饋。（2）要改善交流性能（如提高放大倍數的穩(wěn)定性，擴展通頻帶，家小非線性失真等）應引入交流負反饋。（3）要穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻，應引入電壓負反饋，要穩(wěn)定輸出電流，增大輸出電阻，應引入電流負反饋（4）要提高輸入電阻，應引入串聯(lián)負反饋；要減小輸入電阻，應引入并聯(lián)負反饋。根據以上原則，針對具體要求綜合分析，便可確定引入負反饋的類型。三、集成運放的基本應用1.反相比例運算放大電路由節(jié)點A，應用KCL得: 而

（虛斷）所以：由圖得：

又因為：

（虛斷）

（虛短）所以：

閉環(huán)電壓放