什么是放大電路
我們要設(shè)計一個放大電路,首先要明白什么是放大的概念。模擬信號的放大,傳感器輸出的電信號通常是很微弱的,這些微弱的電信號一般情況下既無法直接顯示,也很難作進一步分析處理。對這些信號的處理離不開放大電路。
放大:指的是把輸入微弱的電信號的功率放大,你可以想象,評判一個東西行不行,或者說為什么無法處理,回到最根本是能量問題。只有把小功率的微弱電信號放大到一定功率,給予一定的能量,才能被使用。放大一般都是指線性放大,也就是說放大電路輸出信號中包含的信息與輸入信號完全相同,既不減少任何原有信息,也不增加任何新的信息,只改變信號的幅度或功率的大小(在時域或頻域觀察,信號任何一點的賦值都是按照相同的比例變化)。
比如,家用音響系統(tǒng)為例:
聲音給了話筒(傳感器),將聲音轉(zhuǎn)化為電信號,這個電信號十分微弱,如果直接把這個電信號給到揚聲器,基本什么都聽不到。經(jīng)過一個放大電路,可以把小功率信號放大,這樣就可以驅(qū)動揚聲器了。
放大電路的特征:功率的放大。
放大電路的本質(zhì):能量的轉(zhuǎn)換(控制),把外供電源的能量轉(zhuǎn)換為放大的信號。
放大電路的必要條件(核心元件):需要有源元件(工作時需要電源)用小信號的輸入控制大信號的輸出。這個大信號的能量是由外加電源給的。比如BJT中體現(xiàn)的是iB對iC的控制,在MOSFET中體現(xiàn)的是uGS對iD的控制。
放大電路的前提:不失真。
放大電路的測試信號:正弦波,思考下,為什么是正弦波?因為這種待放大的電信號都是可以由不同頻率的正弦波疊加(信號與系統(tǒng))。
怎么構(gòu)建一個基本放大電路
目標(biāo):小功率信號 轉(zhuǎn)為 大功率信號;
條件:有源元件(提供控制),電源(提供能量);
技術(shù)路線:
有源元件(三極管)需要工作在放大狀態(tài)下(實現(xiàn)iB控制iC);
小信號(輸入信號)利用uBE 控制iB;
合理的輸出(把放大信號取出去);
設(shè)計圖
vs如果直接加到be之間,這個想到什么?前面提到的交流信號加在二極管上的效果是一樣的,PN結(jié)不能導(dǎo)通,需要騎在一個直流源上,加入VBB。
Rb的作用呢?限流作用。
Rc的作用呢?VCC加入時,集電結(jié)是反偏的,無需限流,那么RC起什么作用呢?RC的作用是把變化的電流iC轉(zhuǎn)為隨其變化的電壓:
如下圖:問題就是沒有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。
有沒有什么要改進的呢?很明顯前面有兩個直流源,過于繁瑣,可不可以共用呢?
如果設(shè)計電阻RC兩端的電壓低于電阻Rb兩端的電壓,那么,是不是b極電位是不是也會低于c極電位?那不就是集電結(jié)反偏嗎?
上圖中,這樣接法能起作用嗎?三極管的發(fā)射結(jié)能導(dǎo)通嗎?uBE還是等于V2啊,顯然三極管不能導(dǎo)通(沒有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點)。那么如何改進呢?
根據(jù)疊加原理,現(xiàn)在uBE的電位是不是兩個電源的疊加呢?這樣不就把直流加進入了嘛,這種電路一般稱為直接耦合共射放大電路。
直接耦合的特點:沒有濾波,直接傳遞,有兩個情況我們要想到:1. 輸入電阻Rb1上存在阻抗,信號被削弱了;2. 輸出信號里面是存在直流分量的,它不是純交流的。
如何解決上述兩個問題呢,要純交流信號呢?
上述電路稱為阻容耦合共射放大電路,利用電容的通交流阻直流的特點。電容一般采用容量比較大,所以一般采用電解電容,使用時要注意正負極。
無輸入信號(ui=0)(類似你音響打開了,卻不說話),讓三極管工作在放大狀態(tài)
加入直流源UCC,首先C1,C2斷路,uo=0
管子已經(jīng)開啟了,肯定存在一個uBE=UBE,根據(jù)輸入特性曲線,肯定有直流電壓IB,再根據(jù)輸出特性曲線,肯定有一個放大的直流電壓IC,也有一個電壓UCE。
有輸入信號(類似你現(xiàn)在開始說話了)
加入輸入信號ui,ui的變化引起了uBE的變化,根據(jù)輸入特性曲線,uBE的變化引起了iB的變化,根據(jù)輸出特性曲線,變化的iB產(chǎn)生變化的iC,從而引起uCE的變化:
?
再經(jīng)過C2去掉直流分量,得到uo。
放大電路的性能指標(biāo)
等效示意圖(根據(jù)戴維南定理)
等效輸入電阻Ri
對于后面的放大電路來說,前端的信號源可以看作是一個電壓源與一個電阻串聯(lián)(或者電流源與電阻并聯(lián));
對于前端的信號源來說,后面整個放大電路可以看作為電阻,用Ri表示。Ri決定了信號源給予放大電路多大的信號。如果信號源是一個電壓型信號,這個信號由信號源的電阻Rs與Ri分壓:
?
此時,Ri越大越好。還可以從另外一個方面,前級的Us是一個理想源,但是實際應(yīng)用時,我們要考慮Us的功耗,不能讓其失真,這種情況也要把Ri變大,這樣保證相同的Ui下Us的功耗就小。
等效輸出電阻Ro
同上,對于輸出負載RL來說,前面的放大電路就是一個大的信號源,可以等效成一個電源跟一個電阻相連的形式(電壓源與電阻串聯(lián),電流源與電阻并聯(lián))。
如果我們想前端電路近似一個電壓源,即io變化時,uo變化小,此時Ro越小越好。
如果想前端電路近似一個電流源,即uo變化時,io的變化小,此時Ro越大越好。
放大倍數(shù)
A u u ˙ \dot{A_{uu}}
通頻帶(頻率響應(yīng))
放大電路的頻率指標(biāo)
對于阻容耦合中有電容,以及三極管中有極間電容,各容抗都跟頻率有關(guān)。
非線性失真
最大不失真輸出電壓
最大輸出功率與效率
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