信号放大与运算电路

其中：R′L= RC∥RL
Ii (RB∥rbe ) U i ri = = = RB∥ rbe≈ rbe Ii Ii UOC －Ic RC ro = = = RC ISC － Ic
运用微变等效电路法作动态分析的步骤
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
第一步：画出交流通路
注意：直流电源置零，用接地代替;电容用短路 代替 第二步：晶体管用小信号模型代替,得到微变等效电路 注意：基极与发射极之间填入电阻rbe;集电极与 发射极之间填入受控电流源 第三步：利用微变等效电路求出动态性能指标Au，ri和 ro
动态性能指标
输入电阻 ri 输出电阻 ro
+ +
ro
ri
Uoc
-
Uoc
+ -
Isc Uoc
-
Isc Uoc
开路电压
Isc
短路电流
U ri i I i
电压放大倍数Au： 输入为正弦交流信号时 输入电阻ri： 输入为正弦交流信号时
U Au o U i
或 | Au |
U o U om U i U im
例2 求例1放大电路的空载电压放大倍数、输入电阻 和 输出电阻 。
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
解：(1) 空载电压放大倍数
C 26 rbe = 200 + C1 IC ＋ ＋ 26 = (200 + 50× ) = 1 084 ui 1.47 － RC 50×2 =－92.25 = － Ao =－ r 1.084 be (2) 输入电阻 ri = RB rbe = 180×1.084 k = 1.078 k 180＋1.084 (3) 输出电阻 ro = RC = 2 k
输出电阻ro：从放大电路输出端看进去的等效内阻 ro =
Uoc Isc
Ii Rs + Us _ ＋ Ui RB
Ib
B C
Ic
Io
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
rbe
E
Ib
＋ RC Uo －
RL
－
′ Uo －Ic (RC ∥ RL) RL =－ Au = = rbe Ui Ib rbe
2、工作原理（信号的放大过程 ）
RB 第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 ui
O
R
C
+ UCC C ＋ 2 ＋ u uO o o －
ui O uBE
UBE
t
t t t
C1 ＋ ＋ ui －
t
t
O iB
IB
O iC
IC
1. 静态时 ui = 0，直流电源单独作用。 2. 动态时 输入信号 ui，
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
i1 if1
u u 0
则
Rf 1 // Rf 2 uA uo Rf 1 // Rf 2 Rf 3
可得
Rf 1Rf 3 ui uo Rf 1 Rf 3 R1 Rf 2
ui i1 R1
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 R
C
直流通路的画法： (1) 信号源中的电动势短路； (2) 电容开路。
RB
+ UCC C ＋ 2 ＋ uo －
C1 ＋
＋ ui －
IBRB + UBE = UCC
放大电路 RB IB ＋ UBE － 直流通路
UCC－UBE IB = RB IC =βIB UCE = UCC－RCIC
输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。 输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。
静态和动态的概念
RB R
C
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
＋ ui －
C1 ＋
C ＋ 2
+ UCC ＋ uo －
静态: ui 0 时, 放大电路的工作状态，也称直流工作状态 动态: ui 0 时, 放大电路的工作状态，也称交流工作状态 注：1）放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。 2）分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确 地区分直流通道和交流通道。
反相比例运算电路
iF R uI i1 1 R2
RF uO
u － = u＋ = 0 iD = 0 i1 = iF uI － uO R1 = RF
∞ iD u－ － ＋ u＋ ＋
虚地
ＲF uI u O =－ Ｒ1
Af
iF uI i1 R1 R2
RF uO
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
∞ iD u－ － ＋ u＋ ＋
RF uO1=－ R uI2 12
根据叠加定理: uO = uO1＋ uO2
RF RF uO=－( R uI1 + R uI2 ) 11 12
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uI1 第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 uI2
iI1 R11 iI2 R12 R2
iF
RF
∞
u－ － u＋ ＋
＋
ＲF ＲF uO=－( Ｒ uI1 + Ｒ uI2 ) 11 12 uO
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
第4章
信号放大与运算电路
4.1 共发射极放大电路
本章主要内容 4.2 运算放大电路
4.1 共发射极放大电路
4.1.1 共发射极放大电路的工作原理 1、电路的组成
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 RB
B
C E
R
RC UCC RB B
C C
UC E
－ uI ∞ ＋ uO
＋
电压跟随器
4.2.2 求和运算电路 1、加法运算电路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
u＋ = u－ = 0
当 uI1 单独作用时,
uI1
uI2
iI1 R11 iI2 R12 R2
iF
RF ∞ ＋ uO
RF uO1=－ R uI1 11
当 uI2 单独作用时,
u－ － u＋ ＋
RB
R
C ＋ 2
+ UCC ＋ uo －
3. 非线性失真 若晶体管进入非线性区（截止区或饱和区）而失真， 称为非线性失真。
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
(1) 静态工作点的位置不合适引起的失真 ① 当静态工作点Q偏高时，容易发生饱和失真
② 当静态工作点Q偏低时，容易发生截止失真
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
＋
B
＋
Ｕbe
－
rbe E
电路图
输入端口等效电路
26 rbe 可以估算：rbe = 200 + IC
(2) 输出回路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
iC
在放大区:
IC=βIB
iB ＋ uBE －
C B E
＋
从输出端看，可以用一个 受控电流源代替。
Ib ＋ B C I C c
uCE
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
R R uo （ui1 0.2ui2） （ f ui1 f ui2） R1 R2
R1 Rf 10 k 10k 1 1
Rf 10 R2 k 50k 0.2 0.2
R R1 // R2 // Rf 4.5k
※ 利用集成运放工作在线性区的特性，可以构成比例、 加法、减法、积分与微分等运算电路。 集成运放工作在线性区的条件：通过外部电路引入负反馈
无反馈的放 大电路
有反馈的放 大电路
无反馈的放 大电路
负反馈：引回的信号削弱了输入信号，| u+ - u - | 减小
4.2.1 比例运算电路
1.
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
动态分析的目的：研究放大电路对信号的放大能力
※ 难点：双极型晶体三极管的非线性，电路为非线性 电路
※ 解决方法：在小信号条件下，双极型晶体三极管可 以等效为线性元件，用微变等效模型表示。电路转化 为线性电路
1. 晶体管的微变等效模型 ⑴ 输入回路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 iC iB ＋ uBE －
RB C1 ＋ ＋ ui －
R
C
+ UCC C ＋ 2 ＋ uo －
IC = IB = 50×0.029 4 mA = 1.47 mA UCE = UCC－RC IC = (6－2×1.47 ) V =3.06 V
4.1.2 共发射极放大电路的动态分析
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
－
Ｕbe
－
rbe E
Ib Ib Ｕce Ｕce
－ －
E
Ic ＋ ＋
晶体管的微变等效模型
2. 放大电路的微变等效电路 (1)先画交流通路。画法： C 短路，UCC 短路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 IC
c
Io ＋ R
C
RB
C1 ＋ ＋ ui －
R
C
+ UCC
C ＋ 2
＋ uo －
2、减法运算电路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
iB
＋ IB Q IB UBE 输入特性
C
B E 电路图
uCE － O
uBE
UBE rbe = 为一个常数 ΔIB
— 称为晶体管的输入电阻
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
晶体管从输入端看，可以用一个等效的动态电 阻 rbe代替。
iC iB ＋ uBE － C B E uCE － Ib
Ii
Ib
B
＋ Ui RB －
Uo
E
－
放大电路
(2)交流通路中晶体管用微变模型代替
Ii Rs + Us _ ＋ Ui － RB Ib B C Ic Io ＋ RC Uo －
rbe
E
Ib
RL
微变等效电路
3. 利用微变等效电路计算放大电路的性能指标 电压放大倍数 Au
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
说明 ＲF ①当 R11 = R12 = R1 时： uO=－ (uI1 + uI2) Ｒ ②当 R11 = R12 = RF 时： uO=－(uI1 + uI2) ， ③平衡电阻： R2 = R11∥R12∥RF 。
1
。
例2 试设计能实现运算关系 uo=－(ui1 +0.5 ui2 )的电路。
解: 可用反相加法运算电路实现。设Rf =10kΩ
ＲF uI u O =－ Ｒ1
反相比例运算电路
说明 (1) uO 与 uI 成反相比例； uO 的大小只与 R1 、 RF 的阻值和 uI 有关。 (2) 若 R1 = RF ，则 uO = －uI 。 故称为反相器。 (3) R2为平衡电阻， R2 = R1∥RF
例 1 电路如图所示，试求 uo 与 ui 的关系表达式。 解：根据理想集成运放工作在线性 区时的“虚短”和“虚断”可知
※ 示波器观察到的波形失真情况
截止失真
饱和失真
（2）信号过大引起的失真。 当信号过大时，即使静态工作点Q 合适，也容易 发生“截止－饱和失真”或“饱和－截止失真”。
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
（3）温度变化引起的失真
4.2 运算放大电路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
uA if1 Rf 1
2. 同相比例运算电路
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
uO= RF iF ＋ R1 i1 uI = R1 i1 iF = i1 RF ) uI uO = ( 1 ＋ R1
Af uI
iF
RF ∞ ＋
i1 R1
R2
u－ － u＋ ＋
uO
iF
RF uO
i1 R1
R
C
+ UCC
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路
例1 在如图所示的固定偏置放大电路中，已知 UCC = 6 V, RB = 180 kΩ， RC = 2 kΩ, = 50，晶体管为硅管。试求 放大电路的静态工作点。 解： UCC－UBE IB = RB 6－0.7 = mA 180 = 0.029 4 mA
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 uI R2
iD ∞ u－ － ＋ u＋ ＋
RF ) uI uO = ( 1＋ R1
说明 (1) uO 与 uI 同相位，且 Af≥1； uO 的大小只与R1、RF 的阻值和 uI 有关。 (2) 若 RF = 0, R1 = ∞, R2 = 0 时, uO = uI 称为电压跟随器 (3) 平衡电阻 R2 = R1∥RF 。
C
UBB
两个电源的放大电路
一个电源的放大电路 + UCC
＋ uo －
＋ ui －
C1 ＋
RB
R
C
C ＋ 2
第 四 章 信 号 放 大 与 运 算 电 路 ＋ ui －
C1 ＋
RB
R
C
C ＋ 2
+ UCC ＋ uo －
＋ ui －
C1 ＋
RB
R
C
C2 ＋ ＋ uo －
- UCC
NPN 管放大电路
PNP 管放大电路
uCE
O
UCE
O uo O
t
t
信号的放大过程
输出信号 uo= uce =－ RC ic
结论:放大电路中的信号是交直流共存，可表示成
uBE U BE ube iB I B ib iC IC ic uCE UCE uce
4.1.2 共发射极放大电路的静态分析
静态分析(静态工作点的确定)