最新模电课件杨素行主编-第二章课件PPT.ppt 129页

'模电课件杨素行主编-第二章 §2.1放大的概念电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。本章所讲的主要是电压放大电路。放大的本质：实现能量的控制（小能量对大能量的控制作用）。放大的对象：变化量放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。 电压放大电路可以用有输入端口和输出端口的四端网络表示，如图：uoAuAu放大倍数指输出信号与输入信号的变化量之比。双极型三极管和场效应管都可以实现放大作用。ui 三、输出电阻Ro放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。Au~US~roUS"输出电阻越小，说明放大电路的带负载能力越强。§2.2放大电路的主要技术指标 如何确定电路的输出电阻Ro？方法一：计算步骤：1.所有的电源置零(将独立源置零，保留受控源)。2.加压求流法。UI 如何确定电路的输出电阻Ro？方法二：测量步骤：在输入端加一固定的正弦交流电压1.测量开路电压。2.测量接入负载后的输出电压。~RoUs"Uo"~RoUs"RLUo3.计算。 §2.2放大电路的主要技术指标四、通频带fAufL下限截止频率0.707AumAumfH上限截止频率放大倍数随频率变化曲线通频带越宽，表明放大电路对信号频率的变化具有更强的适应能力。通频带：fBW=fH–fL 2.3.1共射放大电路的组成RbVBBRCVT～VCCuIuo+－+－iBiC集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。 2.3.1共射放大电路的组成RbVBBRCVT～VCCuIuo+－+－iBiC集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。 2.3.1共射放大电路的组成RbVBBRCVT～VCCuIuo+－+－iBiC基极电源与基极电阻使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。 2.3.1共射放大电路的组成RbVBBRCVT～VCCuIuo+－+－iBiC放大元件△iC=△iB，工作在放大区，要保证发射结正偏，集电结反偏。 2.3.2基本放大电路的工作原理一、放大作用RbVBBRCVT～VCCuIuo+－+－IBICUBE+△uBE+△iB+△iC+△uo电路实现了放大作用。 判断放大电路有无放大作用的原则外加直流电源的极性是否能保证三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。输出回路是否将放大了的信号能送出来，以实现icuo.uIiB；输入回路的接法应保证信号能输入，以实现 采用单电源供电RbVBBRCVT～VCCuIuo+－+－iBiC 采用单电源供电VCCRbRCC1C2VTRLuIuo+—+—++ 采用单电源供电Rb+VCCRCC1C2VTRLuIuo+—+—++ 2.3.2基本放大电路的工作原理一、静态工作点IBQICQUBEQUCEQ(ICQ,UCEQ)(IBQ,UBEQ)Rb+VCCRCC1C2RL++ (IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。IBUBEUBEQIBQQICUCEUCEQICQQ静态工作点 UBEQuitibt假设uBE有一微小的变化ICUCEibtictuCE怎么变化二、工作原理IB2.3.2基本放大电路的工作原理 ICUCEictucetuCE的变化沿一条直线,称为负载线uce相位如何工作原理Rb+VCCRCC1C2VTRL++ 各点波形uituiiCuCEuoiBiBtuCEtiCtuotRb+VCCRCC1C2RL++ §2.4放大电路的基本分析方法放大电路分析静态分析动态分析计算机仿真估算法图解法微变等效电路法图解法 直流通路直流通路Rb+VCCRCRb+VCCRCC1C2RL++开路开路2.4.1直流通路和交流通路 置零交流通路uoRbRCRLui+-+-交流通路Rb+VCCRCC1C2RL++短路短路 直流负载线和交流负载线一、直流负载线直流通路Rb+VCCRCICUCE~IC满足什么关系？1.三极管的输出特性。2.UCE=VCC–ICRC。iCuCEQVCCUCE+－ 交流通路其中：△iCRbRCRL△uiuo△uCE+-+-+-交流负载线这条直线通过Q点，称为交流负载线。变化沿着斜率为： 交流负载线的作法iCuCEVCCQIB过Q点作一条直线，斜率为： 静态工作点分析一、估算法：静态工作点（IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ）+VCC直流通路RbRC（1）根据直流通路估算静态参数IBQIBQRb称为偏置电阻，IBQ称为偏置电流。UBEQ+－硅管UBEQ=(0.6~0.8)V锗管UBEQ=(0.1~0.3)V （2）根据直流通路估算UCEQ、ICQ直流通道RbRCICQUCEQ+－+VCC静态工作点分析 静态工作点分析二、图解法先用估算法估算IBQ，然后在输出特性曲线上作出直流负载线，与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。ICUCEVCCQ 例2.4.1：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=3k，Rb=280k，RL=3k，三极管的=50，求静态工作点。静态工作点分析实例Rb+VCCRCC1C2VTRL++ 解：静态工作点分析实例Rb+VCCRCC1C2VTRL+++VCCRbRC 静态工作点分析实例例2.4.2：用图解法确定静态工作点。已知电路参数同上题，三极管的输出特性曲线如下图。解：Q412uCE/ViB=806040200iC/mA026作直流负载线与IB=40的交点，即是静态工作点Q.由图知：ICQ=2mA,UCEQ=6V 动态分析一、三极管的微变等效电路1.输入回路当信号很小时，输入特性在小范围内近似线性。iBuBEiBuBE对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻rbe。对于小功率三极管：rbe的量级从几百欧到几千欧。 2.输出回路iCuCE近似平行iCuCE所以：(1)输出端相当于一个受ib控制的电流源。(2)考虑uCE对iC的影响，输出端相当于并联一个大电阻rce。rce的含义动态分析 动态分析3.三极管的微变等效电路icibrbeibibrce等效rbeibibbceicube+－uce+－ube+－uce+－三极管的h参数等效电路 放大电路的微变等效电路交流通路RbRCRLuiuo+-+- 动态参数特点：负载电阻越小，放大倍数越小。1.电压放大倍数(增益）的计算－rbeRbRCRL++－ 动态参数2.输入电阻的计算对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。输入电阻的定义：是动态电阻。电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。rbeRbRCRL+-+- 3.输出电阻的计算对于负载而言，放大电路相当于信号源，可以将它进行戴维南等效，戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。计算输出电阻的方法：(1)所有独立电源置零，保留受控源;(2)负载开路，加压求流法。-放大电路RLRS++--+动态参数 用加压求流法求输出电阻rbeRbRC00所以：+- 等效电路法的步骤1.画直流通路，确定静态工作点。2.画出放大电路的微变等效电路。3.求rbe.4.求动态参数、Ri、Ro。 例2.4.5Rb+VCCRCC1C2280kΩ3kΩ+12VRL3kΩ+-uo+-ui已知电路如图，求（1）、Ri、Ro;(2)欲提高，应调整哪些参数？微变等效电路法的应用 直流通路RbRC+Vcc解：由直流通路得静态工作点微变等效电路法的应用 ＝300＋51×26／2＝963ΩRi=rbe//Rb≈rbe=963ΩRo=Rc=3kΩ欲提高，可调整Q点使IEQ增大，从而使rbe减小，提高放大倍数。即rbeRbRCRL+-+-微变等效电路法的应用 UBEQuitibt假设uBE有一微小的变化ICUCEibtict二、图解法IB动态分析ucet 各点波形uituiiCuCEuoiBiBtuCEtiCtuotRb+VCCRCC1C2RL++动态分析 图解法的应用在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。为了得到尽量大的输出信号，要把Q设置在交流负载线的中间部分。如果Q设置不合适，信号进入截止区或饱和区，就会造成非线性失真。一、分析非线性失真 选择静态工作点iCuCEib可输出的最大不失真信号 选择静态工作点1.Q点过低，信号进入截止区iCuCE输入波形ib放大电路产生截止失真输出波形顶部失真减小Rb，提高Q点，可消除该失真。 2.Q点过高，信号进入饱和区iCuCEib输入波形uo输出波形放大电路产生饱和失真底部失真增大Rb，降低Q点，可消除该失真。选择静态工作点 图解法的应用二、估算最大输出幅度uCE/ViB=806040200iC/mA0直流负载线交流负载线QDCEAB最大不失真输出幅度Uom将由CD和DE二者中较小的一个决定。当静态工作点Q在交流负载线AB的中点时,CD=CE，Uom最大。 图解法的应用三、分析电路参数对静态工作点的影响uCE/ViB=806040200iC/mA0Q增大基极电阻Rb,IBQ将减小,Q点下移。Q1增大Vcc,直流负载线将平行右移，Q点移向右上方。Q2Vcc增大Rc，直流负载线与纵轴的交点(Vcc/Rc)下降，而IBQ不变，Q点移近饱和区。Q3 增大β，特性曲线宽度增大，Q随之上移。uCE/ViC/mA0VccQQ4图解法的应用三、分析电路参数对静态工作点的影响 1.Rb↑→IBQ↓→Q1点靠近截止区→易截止失真2.VCC↑→直流负载线平行右移（Q2）→动态范围↑，静态功耗↑3.RC↑→VCC/RC↓→直流负载线更平坦→Q3靠近饱和区→易饱和失真4.β↑→ICQ↑→Q4靠近饱和区→易饱和失真电路参数对静态工作点的影响 思考题：用示波器观察NPN管共射单极放大器输出电压，得到下图所示三种削波失真的波形，试分别写出失真的类型。uoωtuoωtuoωt截止失真饱和失真输入信号过大引起的削波失真电路参数对静态工作点的影响 §2.5工作点的稳定问题2.5.1温度对静态工作点的影响为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。对于前面的电路（固定偏置电路）而言，UBE、和ICBO这三个参数会随温度而变化，使静态工作点发生变化。TUBEICBOQ 一、温度对UBE的影响50ºCiBuBE25ºCTUBEIBIC2.5.1温度对静态工作点的影响 二、温度对值及ICEO的影响iCuCEQT、ICBOIC温度上升时，造成Q点上移，易饱和失真；温度下降时，Q点下移，易截止失真。总的效果是：Q´UCE=VCC–ICRC2.5.1温度对静态工作点的影响 小结：TIC固定偏置电路的Q点是不稳定的。Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。2.5.1温度对静态工作点的影响 2.5.2分压式静态工作点稳定电路（电流负反馈式工作点稳定电路）一、电路组成上偏电阻下偏电阻uoui+－+VCCRb2RCC1C2Rb1CeReRLiRiB＋－旁路电容 条件：IR>>IBQ时，有UBQ由Rb1、Rb2分压得到，不受温度影响。TICQIEQUEQ=IEQReUBEQ=UBQ－UEQIBQICQRe起负反馈作用，使ICQ基本不变，从而稳定静态工作点。一般取IR=(5~10)IB,UBQ=(3~5)V，Rb1、Rb2取几十千欧.2.5.2分压式静态工作点稳定电路 二、静态与动态分析TIBQ+VCCRCReI1Rb1IRRb2直流通路1.静态：uoui+－+VCCRb2RCC1C2Rb1CeReRLiRiB＋－2.5.2分压式静态工作点稳定电路 2.动态：uoui+VCC+－Rb2RCC1C2Rb1CeReRL+－RC交流通路Rb1ui＋－uoRLRb2－＋2.5.2分压式静态工作点稳定电路 问题1：如果去掉Ce，放大倍数怎样？Ce的作用：交流通路中，Ce将Re短路，使Re对交流不起作用，放大倍数与基本共射放大电路相同。uoui+VCC+－Rb2RCC1C2Rb1CeReRL+－问题 去掉Ce后的交流通路和微变等效电路：uoRb1RCRLuiRb2Re＋－＋－＋－rbeRCRLRe＋－Rb1Rb2问题 问题2：如果电路如下图所示，如何分析？uoRb2+VCCRCC1C2TRb1CeRe1RLuiRe2＋－＋－问题 静态分析：IRI1IBQRb2+VCCRCC1TRb1Re1Re2动态分析：uo＋Rb1RCRLuiRb2Re1＋－－rbeRCRLRe1＋－＋－问题 uoui+－+VCCRb2RCC1C2Rb1CeReRLiRiB＋－例2.5.1已知Rb1=2.5kΩ，Rb2=7.5kΩ，RC=2kΩ，Re=1kΩ，RL=2kΩ，VCC=12V，三极管的=30.例子①估算放大电路的静态工作点及、Ri和Ro②信号源内阻RS=10kΩ,则此时③若=60,其余参数不变,则静态工作点有何变化? 解：①TIB+VCCRCReI1Rb1IRRb2例子 例子②考虑信号源内阻Rs，则源电压放大倍数为：当Rs>>Ri时，电压放大倍数将下降很多。③当β＝60时，UBQ、IEQ、ICQ、UCEQ的值基本不变，仅仅 uoui+－+VCCRbRCC1C2ReRLiRiB＋－例子例2.4.4已知RC=RL=3kΩ，Re=820Ω，Rb=240kΩ，VCC=12V，三极管的=50.估算放大电路的静态工作点及、Ri和Ro 解：T+VCCRCReIBRbICIEIBQRb+UBEQ+IEQRe=Vcc例子 uoRbRCRLuiRe＋－＋－rbeRCRLRe＋－＋－例子 §2.6放大电路的三种基本组态根据输入信号与输出信号公共端的不同，三极管构成的放大电路可有三种基本接法，也称三种基本组态：共射组态、共集组态、共基组态。 2.6.1共集电极放大电路（射极输出器、射极跟随器）Rb+VCCRe直流通路UoRsC1C2RLUi+VCCRb+-+-Re+-UsuiRbReRLuo+-+- 一、静态分析Rb+VCCRe直流通路IBQIEQVCC－IBQRb－UBEQ－IEQRe=02.6.1共集电极放大电路 二、动态分析rbeReRLRb微变等效电路+-UiIiIbIc+-Uo2.6.1共集电极放大电路uiRbReRLuo+-+- cebrbeReRLRb+－+－微变等效电路rbeReRLRbbce+-Ui+-Uo二、动态分析2.6.1共集电极放大电路 1.电流放大倍数2.电压放大倍数+－rbeRbR’e+－2.6.1共集电极放大电路 结论：输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。2)1)所以但是，有较大的电流放大倍数。2.6.1共集电极放大电路二、动态分析 3.输入电阻输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。rbeReRLRb+-+-2.6.1共集电极放大电路二、动态分析 4.输出电阻用加压求流法求输出电阻。U外+－rbeReRbRsRo2.6.1共集电极放大电路二、动态分析 一般：所以：射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。2.6.1共集电极放大电路4.输出电阻 射极输出器特点电压增益近似等于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低。射极输出器的使用将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。2.将射极输出器放在电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。3.将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。2.6.1共集电极放大电路 例：2.6.1VCC=12V,RC=3kΩ,Re=5.6kΩ,Rb=240kΩ,RS=10kΩ,RL=5.6kΩ三极管的=40.例子①估算静态工作点②估算、、、Ri和Ro。RsC1C2RLUi+VCCRb+-+-Re+-Us 解：Rb+VCCRe直流通路例子VCC－IBQRb－UBEQ－IEQRe=0 微变等效电路rbeReRLRbbce+-Ui+-UoAi=－(1+β)=－41例子 可见：输入电阻很大，输出电阻很小。例子 2.6.2共基极放大电路uoC1C2RLuiVCCRcReRb2Rb1Cb+-+-Rb2+VCCRe直流通路Rb1Rc 一、静态分析2.6.2共基极放大电路Rb2+VCCRe直流通路Rb1RcICQIEQIBQ 二、动态分析RLUiRcRe+-微变等效电路ecRLUiRcRerbeb+-uoC1C2RLuiVCCRcReRb2Rb1Cb+-+-2.6.2共基极放大电路 1.电流放大倍数2.电压放大倍数+-UoecRLUiRcRerbeb+-2.6.2共基极放大电路 2.6.2共基极放大电路3.输入电阻4.输出电阻Ib=0RO≈RC共基组态输入电阻小。+-UoeR’LRerbeb+-UicecRcRerbeb+-U外Rs 例2.6.2解：Rb2+VCCRe直流通路Rb1RcICQIEQIBQ例子 例子Ro≈Rc＝5.1kΩ+-UoecRLUiRcRerbeb+- 2.6.3三种基本组态的比较共射电路:有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，电压反相，输入输出电阻值比较适中，频率响应差，在低频电压放大电路广泛应用。共集电路:电压跟随，电压放大倍数接近1，输入电阻高输出电阻低，可用作多级放大电路的输入级、输出级或作为隔离用中间级。共基电路：输入电阻低，使晶体管结电容的影响不显著，因此频率响应好，常用于宽频带放大电路中。 §2.8多级放大电路第一级放大电路输入输出第二级放大电路第n级放大电路……第n-1级放大电路功放级耦合：即信号的传送。耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合。2.8.1多级放大电路的耦合方式 一、阻容耦合优点：1）各级静态工作点相互独立，设计调试方便。2）传送中交流信号损失小，放大倍数大。缺点：1）不能放大缓慢变化及直流信号，低频特性差。2）不便于集成化。2.8.1多级放大电路的耦合方式 二、直接耦合优点：1）可放大交流和直流信号，低频特性好。2）便于集成化。缺点：1）各级工作点互相影响。2）有零点漂移现象。2.8.1多级放大电路的耦合方式 直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。可采用以下几种方法：电位移动直接耦合放大电路(1)NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路(2)2.8.1多级放大电路的耦合方式 电位移动直接耦合放大电路(1)如果将基本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，如下图所示。于是UCQ1=UBQ2UCQ2=UBQ2+UCB2＞UBQ2（UCQ1）这样，集电极电位就要逐级提高，为此在第二级加入较大的发射极电阻，但会使第二级放大倍数严重下降。这种方式只适用于级数较少的电路。 (2)NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，如下图所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。 三、变压器耦合优点：1）各级工作点相互独立。2）进行阻抗变换，可获得较大的输出功率。缺点：1）不能放大变化缓慢的信号，低频特性差。2)体积重量大，不能集成化。2.8.1多级放大电路的耦合方式 2.8.2多级放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻一、电压放大倍数前一级的输出作为后一级的输入，则N级放大电路总的增益为：或用分贝（dB)表示，则： 二、输入电阻Ri=Ri1三、输出电阻总的输出电阻为最后一级的输出电阻。总的输入电阻为第一级的输入电阻。RO=RON2.8.2多级放大电路的电压放大倍数和输入、输出电阻 例子例：已知下图为两级放大电路，有关参数示于图中。三极管的参数为1=2==100，UBE1=UBE2=0.7V。计算总电压放大倍数，以及输入、输出电阻。 （1）求静态工作点解：例子 例子 例子（2）求电压放大倍数先计算三极管的输入电阻电压增益其中RL=∞ Ri=Ri1=rbe1//Rb1//Rb2=3//51//20=3//14.4=2.48k（3）求输入电阻（4）求输出电阻Ro=Rc2=4.3k例子 结束第二章放大电路的基本原理 116X射线衍射XRayDiffraction,XRD 117X射线的发现◆1895年，德国物理学家伦琴研究阴极射线时发现，由于对其本质不了解，称为X射线，亦称伦琴射线。Roentgen 118X射线的发现劳厄(1879～1960)德国物理学家1912年发现了X射线通过晶体时产生的衍射现象，从而导致了X射线衍射技术的诞生，它成为研究晶体内部结构的重要技术手段。他因此项成果于1914年获奖。 119X射线的发现L.布拉格(1890～1971)H.布拉格(1862～1942)布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构，并提出了“布拉格公式”，为最终建立现代晶体学打下了基础，于1915年获奖。当时，小布拉格年仅25岁，是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者。 X射线区紫外区可见光区红外区微波区无线电区X射线的本质X射线的本质是一种电磁波，与可见光完全相同，仅仅是波长短，波长为10-2-102Å，即0.001nm-10nm,介于紫外线与γ射线之间，因此不能用肉眼观察到；同样能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。120 121X射线的产生原理◆原理：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中99%的能量转换为热量，而1%的能量转换为X射线。： 122X射线的产生◆X射线产生的三个基本条件●产生自由电子；●使电子作定向的高速运动；●在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。： 123接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图X射线的产生过程演示40KV高压220V400mA电流 124X射线谱◆由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：●连续X射线●标识X射线： 125连续X射线谱的产生机理◆连续X射线●具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。●产生机理：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。 126标识X射线谱的产生机理◆产生机理标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。： 127标识X射线谱的产生机理： 128什么情况下会产生X射线衍射？布拉格方程2dsin=nn=1,2,3….波长：由布拉格方程2dsin=n得，sin=n/2d∵sinθ≤1,且当n=1时∴λ≤2dX射线衍射d光程差为波长的整数倍。各散射X射线之间在某个方向上相互加强称为X射线衍射。什么情况下有最大程度的相互加强（即晶体表面产生衍射条件）？产生衍射的极限条件是什么？ 129X射线的应用◆X射线广泛地应用医学、工程、材料、宇航事业上。例如：人体探伤晶体结构分析材料和构件无损探伤'