基本放大及运放电路
基本放大及运放电路
第一部分:介绍
一、模拟信号和模拟电路的概念
模拟信号是在时间和大小上连续变化的电量。
模拟电子电路(简称模拟电路)就是实现这一类模拟信号放大、变换、处理和产生等功能的电路总称。
二、模拟电路的特点
模拟电路的电信号是连续变化的电量,其幅值的大小在一定范围内是任意的。所以要求电路要对这种信号不失真地进行放大或处理,因而对元器件及电路参数和外界条件的要求比较严格。例如放大电路中的半导体器件通常要工作在线性放大状态。
放大电路是模拟电路中最基本的单元电路。放大电路一般包含具有非线性特性的三极管或集成放大器件,它们需要直流提供静态工作点,而被放大的是交流信号。所以,在模拟电路工作时,既有直流又有交流,既有线性元件工作又有非线性器件工作,既需要有静态分析又需要有动态分析。因此,我们必须熟悉交直流电路、RC电路的过渡过程和半导体器件等方面的知识。所以在课外还要多看看模拟电路的一些基本电路的组成、工作原理和分析方法,以及它们的应用,为以后从事有关工作打下基础。
第二部分:基本放大电路三极管
一.基本放大电路的组成
1.基本放大电路
上图画出共射极基本放大电路。它由三极管、电阻、电容和直流电源组成。
由于三极管基本放大电路的放大元件是半导体三极管,要使它具有放大作用,必须外加直流电源,并保证三极管的发射极有正向偏置电压,集电结有反向偏置电压。
另外,输入信号和输入电极之间有信号通路,输出电极和负载之间有信号通路。
因为直流电源对交流信号呈现非常小(接近为0)的电阻,因此要避免交流信号与输入、输出电极相联的信号被直流电源短路。所以直流电源和输入、输出电极之间接有足够大的阻抗。
共射共集共基三种基本放大电路的构成都有这种特点。
2.基本放大电路的工作特点:
(1)电路中既有直流,又有交流。直流提供静态工作点,交流是被放大的信号;
(2)电路由线性元件和非线性元件组成,不能直接用线性电路的分析方法分析放大电路;
(3)三极管必须始终工作在放大状态,以保证被放大的信号不失真。
二.基本放大电路的两种分析方法
1.图解法:
主要功能:分析静态工作点,动态范围和波形失真。
分析步骤:
① 画出三极管的输出特性,根据电路参数求出IBQ;
② 作直流负载线,确定静态工作点;
③ 通过静态工作点作交流负载线;
④ 根据输入信号引起的ib变化,由交流负载线确定iC和uCE的变化范围;
⑤ 检查是否有失真,确定输出波形。
2.微变等效电路法:
主要功能:分析动态参数,计算放大倍数、输入和输出电阻。
分析步骤:
①利用估算法或图解法求静态工作点;
②根据放大电路的交流通路画出微变等效电路;
③根据三极管参数,求出r be;
④按照线性电路的分析方法求电压放大倍数Au 、输入电阻Ri 、输出电阻R0 。
三.放大电路的频率特性和多级放大电路性能特点
(一)、放大电路的频率特性
1.概念
放大电路的放大倍数与信号的频率之间的对应关系称为频率特性。当信号频率很高或很低时,放大倍数的幅值和相位都会改变,因此频率特性又分为幅频特性和相频特性。
2.耦合电容影响低频特性
信号在低频段,由于耦合电容的影响,放大倍数幅值比中频段的值要小,相位超前。当信号频率趋近0时,放大倍数也趋近于0;相位趋近于+90º。放大倍数下降到中频段值的0.707倍时,对应的频率称为下限频率,用fL表示。
3.三极管极间电容影响高频特性
信号在高频段,由于极间电容的影响,放大倍数幅值比中频段的值要小,相位落后。当信号频率趋近∞时,放大倍数也趋近于0;相位趋近于-90º。放大倍数下降到中频段值的0.707倍时,对应的频率称为上限频率,用fH表示。
4.带宽
上限频率与下限频率之差称为带宽,即
fbw = fH-fL
(二)、多级放大电路性能特点
1.三种耦合方式
阻容耦合:工作点独立,便于分析调试,低频特性差,不便集成。
直接耦合:低频特性好,便于集成,工作点不独立,易温漂。
变压器耦合:工作点独立,便于分析调试,笨重,低频特性差,不便集成。
2.多级放大电路性能特点
多极电路总电压放大倍数等于各级电压放大倍数之积;
多极电路频率特性的总带宽小于各级电路的带宽。
四.三极管的应用:
1.开关控制:如图1:PNP管的开关应用
如图2 NPN管的开关应用: 图1
图2
2.三级管在音频放大器中的应用:
如图3为音频功率放大器的应用:
图3
第三部分:集成运放
(一).集成运放组成的三种基本放大器
一.集成运放的两个工作区与特性
1.集成运放的传输特性:从电压传输特性可见OA有线性和非线性两个工作区。
2.运放线性工作基本特性
(1).条件:存在深负反馈
(2).基本关系式:UO=AOdUId(UP-UN)
线性区很窄为mV级或更小
(3).理想运放线性工作存在虚短和虚断 如图711
虚短 :UP=Un,即同相IN端与反相IN端等电位
虚断 :IP=In , 即两个IN端无电流
3.运放非线性工作基本特性
(1).条件:开环或正反馈
(2).基本关系式:UO =+UOS ―――――工作在正向饱和状态
=-UOS ―――――工作在负向饱和状态
(3).理想运放非线性工作无虚短有虚断 。
4.分析集成运放电路基本方法
(1).先确定工作区
(2).将集成运放视为理想运放
(3).双虚搭桥找电量关系
(4).根据待求参数引用电路定律列方程求解。
二.反相放大器(又称反相比例运算电路)
1.基本电路
(1).信号输入方式:单端反相输入
(2).反馈类型:负反馈
(3).RB—平衡电阻 ( RB=R1//Rf )
(4).反相放大器存在虚地,无公模信号输入
(5).根据理想运放虚短路条件解得反相放大器的闭
环增益为:Au=Uo / Ui =-Rf / R1
2、设计要点
(1).|Au|取值为0.1—100 ;
(2).R1、Rf取值为1kΩ—1MΩ;
(3).普通运放工作频率取0—10kHz;欲提高工作频率应选频带宽的高档运放。
3、反相求和运算电路:是基本反相放大器应用电路
(1).电路组成:可以等效为两个反相放大器相并联运用。
(2).推导UO=f(UI 1、UI 2)表达式
方法:采用三虚和叠加原理
UO=-(Rf / R1)UI 1-(Rf / R2)UI 2
若有多条支路求和(i=1~n)则为
UO=∑[-(Rf/Ri)UIi]
三.同相放大器:又称同相比例运算电路
1、电路组成
(1)、信号输入方式:单端、同相输入;
(2)、反馈类型:正反馈;
(3)、闭环电压增益:Au=UO/UI=1+(Rf/R1)
输出电压:Uo=AuUI
2、电压跟随器(缓冲器)
(1)、电路组成:将R1断开后的电路称电压跟随器。
(2)、基本特性
(a)关系式:Au=1 ,Uo=UI;因R1断开时,R1=∞,所以得该结论。
该式表明Uo与UI数值相等、相位相同,即Uo随UI同步变化,称电压跟随器。
(b)Ri极高,RO极小,跟随精度极高。 因此应用广泛,做缓冲器或阻抗变换。
四、差动放大器
1、基本电路组成
(1)、信号输入方式:双入单出。
UI1≠UI2时,分解成差模与共模两种IN信号。
(2)、存在电压负反馈保证线性工作。
(3)、在电路设计上,要求对称R1=R2,R3=Rf,
使电路平衡,保证UOC=0,有较高性能。
(4)、特点:放大差模信号,抑制共模信号。
2、推导Au、UO=f(UI 1,UI 2)表达式
Uo=(Rf/R1)×(UI2-UI1)----------(1)
Au=UO/(UI2-UI1)=Rf/R1 -------------(2)
由UO式可见,UO正比于两个输入电压之差,故称差动放大器, 又称减法器。
3、输入电阻 R i=R1+R2=2R1。
由于R1数值通常不高于数百千欧,因此R i不够高。
4、输出电阻RO极小。
5、数据放大器(仪表放大器,测量放大器)
(1)、基本差放存在缺点:输入电阻低。,运算精度低;在基本差放基础上改进,出现了数据放大器, 是应用广泛的优良电路。
(2)、电路组成
(a)从整体电路看,信号传输是双入单出。
(b)整个电路由两级差动放大器级联而成。 输入级组成双入双出差放,由于同相输入,使数放
Ri极高。输出级组成第二级差放(双入单出)。
(c)为提高性能,电路结构对称。
五、集成运放的应用:音频放大器前级预放大,电压跟随器,信号叠加,信号比较器,有源滤
波器等。
下图为射随器及信号叠加与放大运用:
下图为低通有源滤波器的应用: