怎么构建一个基本放大电路

CHANBAEK

描述

什么是放大电路

我们要设计一个放大电路,首先要明白什么是放大的概念。模拟信号的放大,传感器输出的电信号通常是很微弱的,这些微弱的电信号一般情况下既无法直接显示,也很难作进一步分析处理。对这些信号的处理离不开放大电路。

放大:指的是把输入微弱的电信号的功率放大,你可以想象,评判一个东西行不行,或者说为什么无法处理,回到最根本是能量问题。只有把小功率的微弱电信号放大到一定功率,给予一定的能量,才能被使用。放大一般都是指线性放大,也就是说放大电路输出信号中包含的信息与输入信号完全相同,既不减少任何原有信息,也不增加任何新的信息,只改变信号的幅度或功率的大小(在时域或频域观察,信号任何一点的赋值都是按照相同的比例变化)。

比如,家用音响系统为例:

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声音给了话筒(传感器),将声音转化为电信号,这个电信号十分微弱,如果直接把这个电信号给到扬声器,基本什么都听不到。经过一个放大电路,可以把小功率信号放大,这样就可以驱动扬声器了。

放大电路的特征:功率的放大。

放大电路的本质:能量的转换(控制),把外供电源的能量转换为放大的信号。

放大电路的必要条件(核心元件):需要有源元件(工作时需要电源)用小信号的输入控制大信号的输出。这个大信号的能量是由外加电源给的。比如BJT中体现的是iB对iC的控制,在MOSFET中体现的是uGS对iD的控制。

放大电路的前提:不失真。

放大电路的测试信号:正弦波,思考下,为什么是正弦波?因为这种待放大的电信号都是可以由不同频率的正弦波叠加(信号与系统)。

怎么构建一个基本放大电路

目标:小功率信号 转为 大功率信号;

条件:有源元件(提供控制),电源(提供能量);

技术路线:

有源元件(三极管)需要工作在放大状态下(实现iB控制iC);

小信号(输入信号)利用uBE 控制iB;

合理的输出(把放大信号取出去);

设计图

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vs如果直接加到be之间,这个想到什么?前面提到的交流信号加在二极管上的效果是一样的,PN结不能导通,需要骑在一个直流源上,加入VBB。

Rb的作用呢?限流作用。

Rc的作用呢?VCC加入时,集电结是反偏的,无需限流,那么RC起什么作用呢?RC的作用是把变化的电流iC转为随其变化的电压:

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如下图:问题就是没有设置合适的静态工作点。

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有没有什么要改进的呢?很明显前面有两个直流源,过于繁琐,可不可以共用呢?

如果设计电阻RC两端的电压低于电阻Rb两端的电压,那么,是不是b极电位是不是也会低于c极电位?那不就是集电结反偏吗?

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上图中,这样接法能起作用吗?三极管的发射结能导通吗?uBE还是等于V2啊,显然三极管不能导通(没有设置合适的静态工作点)。那么如何改进呢?

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根据叠加原理,现在uBE的电位是不是两个电源的叠加呢?这样不就把直流加进入了嘛,这种电路一般称为直接耦合共射放大电路。

直接耦合的特点:没有滤波,直接传递,有两个情况我们要想到:1. 输入电阻Rb1上存在阻抗,信号被削弱了;2. 输出信号里面是存在直流分量的,它不是纯交流的。

如何解决上述两个问题呢,要纯交流信号呢?

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上述电路称为阻容耦合共射放大电路,利用电容的通交流阻直流的特点。电容一般采用容量比较大,所以一般采用电解电容,使用时要注意正负极。

工作原理

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无输入信号(ui=0)(类似你音响打开了,却不说话),让三极管工作在放大状态

加入直流源UCC,首先C1,C2断路,uo=0

管子已经开启了,肯定存在一个uBE=UBE,根据输入特性曲线,肯定有直流电压IB,再根据输出特性曲线,肯定有一个放大的直流电压IC,也有一个电压UCE。

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有输入信号(类似你现在开始说话了)

加入输入信号ui,ui的变化引起了uBE的变化,根据输入特性曲线,uBE的变化引起了iB的变化,根据输出特性曲线,变化的iB产生变化的iC,从而引起uCE的变化:

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再经过C2去掉直流分量,得到uo。

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放大电路的性能指标

等效示意图(根据戴维南定理)

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等效输入电阻Ri

对于后面的放大电路来说,前端的信号源可以看作是一个电压源与一个电阻串联(或者电流源与电阻并联);

对于前端的信号源来说,后面整个放大电路可以看作为电阻,用Ri表示。Ri决定了信号源给予放大电路多大的信号。如果信号源是一个电压型信号,这个信号由信号源的电阻Rs与Ri分压:

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此时,Ri越大越好。还可以从另外一个方面,前级的Us是一个理想源,但是实际应用时,我们要考虑Us的功耗,不能让其失真,这种情况也要把Ri变大,这样保证相同的Ui下Us的功耗就小。

等效输出电阻Ro

同上,对于输出负载RL来说,前面的放大电路就是一个大的信号源,可以等效成一个电源跟一个电阻相连的形式(电压源与电阻串联,电流源与电阻并联)。

如果我们想前端电路近似一个电压源,即io变化时,uo变化小,此时Ro越小越好。

如果想前端电路近似一个电流源,即uo变化时,io的变化小,此时Ro越大越好。

放大倍数

A u u ˙ \dot{A_{uu}}

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通频带(频率响应)

放大电路的频率指标

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对于阻容耦合中有电容,以及三极管中有极间电容,各容抗都跟频率有关。

非线性失真

最大不失真输出电压

最大输出功率与效率

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