第4章信號放大與運算電路

1、第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路第第4 4章章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路4.1 共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路4.2 運算放大電路運算放大電路第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路4.1.1 4.1.1 共發(fā)射極放大電路的工作原理共發(fā)射極放大電路的工作原理1 1、電路的組成、電路的組成 BCERBRCUCCUBBUCCBCERBRC兩個電源的放大電路兩個電源的放大電路一個電源的放大電路一個電源的放大電路RBRC+ UCC uo ui C1C2第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路RBRC+ UCC uo ui C1C2RBRC- UCC

2、uo ui C1C2NPN 管放大電路管放大電路PNP 管放大電路管放大電路輸入耦合電容輸入耦合電容C1保證信號加到發(fā)射結(jié)，不影響發(fā)射結(jié)偏置。保證信號加到發(fā)射結(jié)，不影響發(fā)射結(jié)偏置。輸出耦合電容輸出耦合電容C2保證信號輸送到負載，不影響集電結(jié)偏置。保證信號輸送到負載，不影響集電結(jié)偏置。第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 靜態(tài)靜態(tài): 時時, 放大電路的工作狀態(tài)，也稱放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)直流工作狀態(tài)0iu注：注：1 1）放大電路）放大電路建立正確的靜態(tài)建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。，是保證動態(tài)工作的前提。 2 2）分析放大電路必須）分析放大電路必須要正確地區(qū)分

3、靜態(tài)和動態(tài)要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確，正確地區(qū)分地區(qū)分直流通道直流通道和和交流通道交流通道。 靜態(tài)靜態(tài)和和動態(tài)動態(tài)的概念的概念 動態(tài)動態(tài): : 時時, , 放大電路的工作狀態(tài)，也稱放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)交流工作狀態(tài)0iuRBRC+ UCC uo ui C1C2第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路iB uBE ui = 0，直流電源單獨作用。，直流電源單獨作用。 輸入信號輸入信號 ui， Oui t iC uCE 輸出信號輸出信號 uo= uce = RC ic RBRC+ UCC uo ui C1C2O t ui t uo O t UBEOIB tO t UCEO

4、 t ICO t uoO信號的放大過程信號的放大過程結(jié)論結(jié)論: :放大電路中的信號是交直流共存，可表示成放大電路中的信號是交直流共存，可表示成ceCECEcCCbBBbeBEBEuUuiIiiIiuUu第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路RBRC+ UCC uo ui C1C2直流通路的畫法：直流通路的畫法：(1) (1) 信號源中的電動勢短路；信號源中的電動勢短路； (2) (2) 電容開路。電容開路。IBRB + + UBE = UCC IC =IBUCE = UCCRCIC UCCUBE RBIB = IB RBRC+ UCCUBE直流通路直流通路放大電路放大電路 靜態(tài)分析

5、靜態(tài)分析( (靜態(tài)工作點的確定靜態(tài)工作點的確定) )4.1.2 共發(fā)射極放大電路的共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)靜態(tài)分析分析第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路例例1 在如圖所示的固定偏置放大電路中，已知在如圖所示的固定偏置放大電路中，已知 UCC = 6 V, RB = 180 k， RC = 2 k, = 50，晶體管為硅管。試求，晶體管為硅管。試求放大電路的靜態(tài)工作點。放大電路的靜態(tài)工作點。RBRC+ UCC uo ui C1C2解：解：IC = IBUCE = UCCRC IC UCCUBE RBIB = 60.7 180= mA = 0.029 4 mA = 500.029 4

6、 mA = 1.47 mA= (621.47 ) V =3.06 V 第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路4.1.2 共發(fā)射極放大電路的共發(fā)射極放大電路的動態(tài)動態(tài)分析分析動態(tài)動態(tài)分析的目的：研究放大電路對分析的目的：研究放大電路對信號的放大能力信號的放大能力 難點：難點：雙極型晶體三極管的雙極型晶體三極管的非線性，非線性，電路為電路為非線性非線性電路電路 解決方法：解決方法：在小信號條件下，雙極型晶體三極管可在小信號條件下，雙極型晶體三極管可以等效為線性元件，用以等效為線性元件，用微變等效模型微變等效模型表示表示。電路轉(zhuǎn)化。電路轉(zhuǎn)化為線性電路為線性電路第四章第四章 信號放大與運算

7、電路信號放大與運算電路 輸入回路輸入回路 UBE IB 為一個常數(shù)為一個常數(shù)IB IB UBE 稱為稱為晶體管的輸入電阻晶體管的輸入電阻rbe =iBuBEOQiC uCE uBE iBBEC電路圖電路圖輸入特性輸入特性第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 晶體管從輸入端看，可以用一個等效的動態(tài)電晶體管從輸入端看，可以用一個等效的動態(tài)電 阻阻 rbe代替代替。 rbe 可以估算：可以估算：rbe = 200 + 26 ICiC uCE uBE iBBEC be BErbe Ib 電路圖電路圖輸入端口等效電路輸入端口等效電路第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 ce

8、CIcE Ib輸出回路輸出回路 在放大區(qū)在放大區(qū): : IC=IB 從輸出端看，可以用一個從輸出端看，可以用一個 受控電流源代替。受控電流源代替。iC uCE uBE iBBEC be BErbe Ib ce CIc Ib晶體管的微變等效模型晶體管的微變等效模型第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路IiIbIcIoRBRC Uo Ui RBRC+ UCC uo ui C1C2+_UsRsRL IbIc IiUo Ui BrbeCRBRCEIo Ib放大電路放大電路微變等效電路微變等效電路B EC(1)(1)先畫交流通路。先畫交流通路。畫法：畫法： C 短路，短路，UCC 短路短路(

9、2)(2)交流通路中晶體管用微變模型代替交流通路中晶體管用微變模型代替第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路動態(tài)性能指標動態(tài)性能指標電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) Au輸入電阻輸入電阻 ri輸出電阻輸出電阻 ro電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)Au： 輸入為正弦交流信號時輸入為正弦交流信號時 或或iouUUAimomiouUUUUA |輸入電阻輸入電阻ri：輸入為正弦交流信號時輸入為正弦交流信號時iiiIUrri輸出電阻輸出電阻ro：從放大電路輸出端看進去的等效內(nèi)阻從放大電路輸出端看進去的等效內(nèi)阻roIscIsc+-UocUoc+-+-Uocro=IscUocUoc開路電壓開路電壓Isc短路電流

10、短路電流第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路Au = = Uo Ui其中：其中：RL= RCRL Ic (RC RL)Ib rbe = = RL rbe = = ri Ui Ii = = Ii (RBrbe ) Ii = = = = RB rbe rbe UOC ISC ro = =Ic RC Ic = = = = RC +_UsRsRL IbIc IiUo Ui BrbeCRBRCEIo Ib第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 運用運用微變等效電路法微變等效電路法作動態(tài)分析的步驟作動態(tài)分析的步驟 第一步：畫出交流通路第一步：畫出交流通路 注意：注意：直流電源置零

11、，用接地代替直流電源置零，用接地代替; ;電容用短路代電容用短路代替替 第二步：晶體管用小信號模型代替第二步：晶體管用小信號模型代替, ,得到微變等效電路得到微變等效電路 注意：注意：基極與發(fā)射極之間填入電阻基極與發(fā)射極之間填入電阻rbe; ;集電極與集電極與發(fā)射極之間填入受控電流源發(fā)射極之間填入受控電流源 第三步：利用微變等效電路求出動態(tài)性能指標第三步：利用微變等效電路求出動態(tài)性能指標Au，ri和和 ro o第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路例例2 求例求例1放大電路的空載電壓放大倍數(shù)、輸入電阻放大電路的空載電壓放大倍數(shù)、輸入電阻 和和輸出電阻輸出電阻 。(1) (1) 空載

12、電壓放大倍數(shù)空載電壓放大倍數(shù)解：解：26 ICrbe = 200 + = (200 + 50 ) 261.47= 1 084 Ao =RC rbe= 502 1.084=92.25 ri = RB rbe(2) 輸入電阻輸入電阻 = k 1801.0841801.084= 1.078 k (3) 輸出電阻輸出電阻 ro = RC = 2 k RBRC+ UCC uo ui C1C2第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路(1) (1) 靜態(tài)工作點的位置不合適靜態(tài)工作點的位置不合適引起的失真引起的失真 若晶體管進入非線性區(qū)（截止區(qū)或飽和區(qū)）而失真，若晶體管進入非線性區(qū)（截止區(qū)或飽和區(qū)）

13、而失真，稱為非線性失真。稱為非線性失真。 當靜態(tài)工作點當靜態(tài)工作點Q偏高偏高時，容易發(fā)生時，容易發(fā)生飽和失真飽和失真第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 當靜態(tài)工作點當靜態(tài)工作點Q偏低偏低時，容易發(fā)生時，容易發(fā)生截止失真截止失真 示波器觀察到的波形失真情況示波器觀察到的波形失真情況 截止失真截止失真 飽和失真飽和失真第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路（2）信號過大信號過大引起的失真。引起的失真。 當當信號過大信號過大時，即使靜態(tài)工作點時，即使靜態(tài)工作點Q 合適，也容易合適，也容易發(fā)生發(fā)生“截止飽和失真截止飽和失真”或或“飽和截止失真飽和截止失真”。（3）溫度變化溫

14、度變化引起的失真引起的失真第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 利用集成運放工作利用集成運放工作在線性區(qū)在線性區(qū)的特性，可以構(gòu)成比例、的特性，可以構(gòu)成比例、加法、減法、積分與微分等運算電路。加法、減法、積分與微分等運算電路。集成運放工作集成運放工作在線性區(qū)在線性區(qū)的條件：的條件：通過外部電路引入負反饋通過外部電路引入負反饋無反饋的放無反饋的放大電路大電路有反饋的放有反饋的放大電路大電路無反饋的放無反饋的放大電路大電路負反饋：負反饋：引回的信號削弱了輸入信號，引回的信號削弱了輸入信號，| u+ - u - | 減小減小第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路Af u= u

15、= 0 iD = 0 i1 = iF uIR1uO RF= =F 1uO = uI uuuO RFiF R1R2uI i1 iD 虛地虛地 4.2.1 比例運算電路比例運算電路第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路(1) uO 與與 uI 成反相比例成反相比例； uO 的大小只與的大小只與 R1 、 RF 的阻值和的阻值和 uI 有關(guān)有關(guān)。(2) 若若 R1 = RF ，則則 uO = uI 。 故稱為反相器故稱為反相器。(3) R2為平衡電阻為平衡電阻， R2 = R1RF 說明說明 F 1uO = uI 反相比例運算電路反相比例運算電路uuuO RFiF R1R2uI i1 i

16、D 第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路例例 1 電路如圖所示，試求電路如圖所示，試求 uo 與與 ui 的關(guān)系表達式。的關(guān)系表達式。解：解：根據(jù)理想集成運放工作在線性根據(jù)理想集成運放工作在線性區(qū)時的區(qū)時的“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”可知可知f11ii 0uu則則1i1Rui 1fAf1Ruio3f2f1f2f1fA/uRRRRRu可得可得2f3f1f3f1f1ioRRRRRRuu第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路i1 uuuO RFiF R1R2uI Af RF R1 uO = ) uI ( 1 uO= RF iF R1 i1 uI = R1 i1 iF = i

17、1第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 說明說明 (1) uO 與與 uI 同相位同相位，且，且 Af1； uO 的大小只與的大小只與R1、RF 的阻值和的阻值和 uI 有關(guān)有關(guān)。(2) 若若 RF = 0, R1 = , R2 = 0 時時, uO = uI 稱為電壓跟隨器稱為電壓跟隨器 (3) 平衡電阻平衡電阻 R2 = R1RF 。uO uI 電壓跟隨器電壓跟隨器RF R1 uO = ) uI ( 1 i1 iD uuuO RFiF R1R2uI 第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路1、加法運算電路、加法運算電路u= u = 0 uuuO RF iF R12

18、R2uI1 iI1 iI2 uI2 R11 RF R12 RF R11 + uI2 ) uO=( uI1 當當 uI1 單獨作用時單獨作用時, uO1= RF R11uI1當當 uI2 單獨作用時單獨作用時, 根據(jù)疊加定理根據(jù)疊加定理: uO = uO1 uO2uO1= RF R12uI2 4.2.2 求和運算電路求和運算電路第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路當當 R11 = R12 = R1 時時： 當當 R11 = R12 = RF 時時： uO=(uI1 + uI2) ， 平衡電阻平衡電阻： R2 = R11R12RF 。 說明說明 uuuO RF iF R12 R2uI

19、1 iI1 iI2 uI2 R11 F 12 F 11 + uI2 ) uO=( uI1 F 1 uO= (uI1 + uI2) 第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路例例2 試設(shè)計能實現(xiàn)運算關(guān)系試設(shè)計能實現(xiàn)運算關(guān)系 uo=(ui1 +0.5 ui2 )的電路。的電路。）（）（i22fi11fi2i1o2 . 0uRRuRRuuuk10k1101f1RRk50k2 . 0102 . 0f2RRk5 . 4/f21RRRR解解: 可用反相加法運算電路實現(xiàn)。設(shè)可用反相加法運算電路實現(xiàn)。設(shè)Rf =10k。第四章第四章 信號放大與運算電路信號放大與運算電路 當當 uI1 單獨作用時單獨作用時, uO1=F1uI1當當 uI2 單獨作用時單獨作用時, RF R1 uO2= (1 ) u R3R2R3u=uI2 = (1 RF R1 ) R3R2R3 uI2 uuuO RF R1 R2 uI2 uI1 R3 uuuO RF R1 R2 uI1 R3 uuuO RF R1