1.1放大电路基本概念(1).pdf

第1章 放大电路的建模与分析 1.1 放大电路的基本概念 1.1.1 放大电路的基本组成 典型共射放大电路 负载 电阻 右图是一个 典型的共射 极放大电路 （CE） 信号源 放大电路必须具备以下环节： （1）以放大器件（BJT、FET） 为核心，配以工作电源和电阻， 以保证器件始终工作在放大区。 （直流偏臵） （2）信号能畅通地加到放大器的输入端，尽 量不影响电路的直流工作状态。（信号耦合） （3）经放大后的信号能尽量多的不失真传 到负载上，并从负载上取出。 阻容耦合 直接耦合等 一、输入信号源 适用于单端与地之间输入信号的放大电路 单端信号源 放大电路 放大电路 信号源为电压源 信号源为电流源 1.1.2 放大电路的输入信号源与输出负载 二、输出负载 放大电路的负载种类很多，对不同的负载， 要求有不同的指标输出。 只要求放大器有足够大的电压幅度输出， 如放大器负载是高内阻的电压表； 只要求放大器有足够大的输出电流，如 放大器负载是继电器线圈； 要求放大器有足够大的输出功率，即既 要有大的输出电压幅度，还要有尽量大的 输出电流。如低频功放的负载是扬声器， 能放出响亮的声音。 典型共射放大电路 1.1.3 放大电路静态与动态关系 一、放大电路是交直流共存的电路 信号源 负载 必须施加直流偏臵电 源使 BJT、FET工作 在放大状态，才有可 能放大交流信号。 直流偏臵 大写大下标大写大下标：直流量直流量，如，如IB、 IBQ、VCEQ。 符号表示符号表示 小写小下标小写小下标：交流量交流量，如，如ib、 vce、 、vi、 、vo。 小写大下标小写大下标：总量总量，如，如iB、 vCE。 大写小下标大写小下标：交流量的有效值、峰值交流量的有效值、峰值 如如Ib、Vo、 Vom 例：例： V sin38tvCE V 2/3 oce VV VCEQ8 V oce vtvV sin3 V 3 omcem VV 瞬时总量瞬时总量 直流量直流量(静态分量静态分量) 交流量交流量(动态分量动态分量) 交流分量的有效值交流分量的有效值 峰值峰值 二、放大电路的交直流分析 两种方法 图解法 等效电路估算法（小信号分析法） 线性化等效处理 应用迭加原理，分解为直流通路和交流通路两部分 分别单独作用，再将分别计算所得的结果相迭加。 欲放大的交流电压信号的幅值通常很小，三极管 (非线性元件)除了直流偏臵电压外，又迭加了一个很 小的交流信号电压。因此特性曲线在工作点附近的一 段很小范围内可近似地用直线表示。三极管电路就可 以有条件线性化后，采用线性电路的处理方法。 (1)当直流电源VCC单独作用: 电路中只有直流量： B I C I BE V CE V 1.图解法 已知输入和输出特性曲线，通过作图 方法求取电流和电压。 直流通路 bBCCBE RIVV ), 0( b CC R V )0 ,( CC V BEQ V BQ I 输入回路直 流负载线 Q 从输入特性求从输入特性求IBQ、VBEQ 输入回路：输入回路： C CC R V , 0 0 , CC V CQ I CEQ V 输出回路直 流负载线 BQ I Q 从输出特性求从输出特性求ICQ、VCEQ CCCCCEQ RIVV 1 () C R 斜率 输出回路：输出回路： (2)加入输入信号 0.02sin i vt V后 则各支路电流和电压为一 个直流量叠加了一个交变 量（小信号） 0.02sin BEBE vVt bBB iIi 1 301CFfkHz 1 5.3 C X 交流通路 Q B i t 0 BE v t 0 B I BE V i v b i bBB iIi 0.02sin BEBE vVt t CE v0 t C i 0 CEQ V b i o v QC I c i (/) oCLcCcce vRRiRiv 1 () C R 斜率 cCbBbBBC iIiIiIii)( )( LC L cCCCCCCCCCE RR R iIRViRVv (/)+ CCCCCLcCEce VR IRR iVv t CE v0 t C i 0 CEQ V b i 当RL=时，交直流负载线重合 o v QC I c i (/) oCLcCcce vRRiRiv 1 () C R 斜率 当RL时，交直流负载线不重合 t CE v0 t C i 0 CEQ V b i o v QC Ic i ) / 1 ( LC RR 斜率 交流负载线 带了负载电阻RL后，输 出电压幅度变小了。 (/) oCLcce vRRiv (/) oCLcce vRRiv 波形图：波形图： 2.等效电路-用电路模型计算法 条件:已知管子导电时VBE、值 动态时，输入信号很小，管子仅工作在 Q点附近的一小段，特性可以有条件线 性化，采用小信号分析法求解。 (1) 0 i v静态,求: B I C I CE V 此时用直流通路（直流等效电路） BE = 0.7VV b BECC B R VV I BC II CCCCCE RIVV (2) 0 i v动态,求: b i c i ce v 采用交流通路： 电容短路 直流电压源短路 晶体管用低频小信号模型代入，求各指标。 这些指标在放大电路的动态分析中解决。 三、直流偏臵电路的组成和类型 为保证以放大器件为核心的电路能正常 放大信号,必须合理配臵供电电源和偏臵 电阻，以保证放大器件(晶体管或场效应 管)工作在放大区（对BJT三极管时：发射 结正偏、集电结反偏），使之有合适的IB 和IC电流。 1.BJT放大电路的直流偏臵电路 此时输入交流信号为零，即静态，只考 虑直流电源作用下的通路. (a) (a) 基极固定偏置电路基极固定偏置电路 (b) (b) 具有稳定工作点的具有稳定工作点的 基极偏置电路基极偏置电路 (c) (c) 射极偏置电路射极偏置电路 (a) (a) 基极固定偏臵电路基极固定偏臵电路 B I C I 由图可得：发射结正偏，集电结可以 保证反偏（VCVB)， 620 7 . 0 V R VV I b BE B b BE BC R VV II cCCE RIVV 确保器件工作在放大状态 (mA) (mA) (V) 【例例】 已知已知VCC=12V，VBE=0.7V，=50。 (1)若若Rb=280k，Rc=3k，求静态工作点求静态工作点Q； (2)若若Rb改为改为110k，其余参数不变其余参数不变，重新计算重新计算Q值值。 解：解： A40 b BEQCC BQ R VV I (1) 假定假定工作在放大状态工作在放大状态 mA2 BQCQ II 假设成立。假设成立。 V7 . 0V6 cCQCCCEQ RIVV A 103 b BEQCC BQ R VV I 同样先假定工作在放大状态同样先假定工作在放大状态 mA15. 5 BQCQ II 假设不成立，电路处于饱和状态，需重新计算 mA9 . 3/ )( V3 . 0 cCESCCCSCQ CESCEQ RVVII VV (2) 若若Rb改为改为110k V7 . 0V45. 3 cCQCCCEQ RIVV 110k 在例中，已知输出特性曲线，也可用在例中，已知输出特性曲线，也可用图解法图解法求求Q点。点。 直流负载线方程：直流负载线方程： cCCCCE RIVV 从图中直接读出：从图中直接读出：ICQ2 mA，VCEQ6 V。与。与 估算法结果基本相同。估算法结果基本相同。 从图中可看出，当温度变化时，静态工作点要产从图中可看出，当温度变化时，静态工作点要产 生变化，生变化，工作点不稳定工作点不稳定。 (b)工作点稳定的偏臵电路工作点稳定的偏臵电路 电路同样能保证JE正偏， JC反向偏臵。 其中： CC bb b b V RR R V 21 2 21 / bbb RRR 1 )1 ( eb BEb B RR VV I 1 )1 ( eb BEb BC RR VV II )( 1111ecCCCeEcCCCCE RRIVRIRIVV 戴维南 等效 先补充！先补充！ 1 (1) BbBEBeb I RVIRV 该电路能稳定静态工作点： B I C I B I C I 当温度上升，最终表现 为集电极电流IC增大。自 动调整过程如下： C I E I E V EBBE VVV B I CT O 在静态情况下在静态情况下，温度上升引起温度上升引起IC增加增加，由于基极电位由于基极电位VB 固定固定，该电流增量通过该电流增量通过Re产生产生负反馈负反馈，迫使迫使IC自动下降自动下降, 使使Q点保持稳定点保持稳定。 (c) 射极偏臵电路射极偏臵电路 由于发射极接负电源， 两个发射极均正向偏臵. 12 60.7 2.1 8.2(1) 2 208.251 40 EEBE BB VV IIA mAIII BCC 105. 0 21 121 5.160.105 5.1 ( 0.7)6.16 CECECCCE VVVIVV 3 8.20.72.1 108.20.7 EBEB VVIV 11 8.2+2 (1)20 BBEBEE IVIV E 【例例】 若图（若图（a a）电路中的）电路中的BJTBJT改为改为PNPPNP三极管，试重三极管，试重 画电路配置合理的直流偏置。画电路配置合理的直流偏置。 （a） 解：解：重画时，可以先将图（重画时，可以先将图（a a）中的）中的BJTBJT改为改为PNPPNP管，管， 然后然后+V+VCC CC改为 改为- -V VCC CC； ；- -V VEE EE改为 改为+V+VEE EE，以适应 ，以适应PNPPNP管对电管对电 源极性的要求。源极性的要求。 2.FET放大电路的直流偏臵电路 FET晶体管栅极不取电流，而且 漏极电流ID受栅源电压vGS控制，所 以栅极电位用分压器组成。 另外各种型号的FET，其栅源电压 vGS和漏源电压vDS极性如表所示。 增强型 耗尽型 种类 电压 NMOS PMOS N 结型 P 结型 NMOS PMOS v GS 正 负 负 正 负 ( 或正 ) 正 ( 或负 ) v DS 正 负 正 负 正 负 D i D i D i D i D i D i 各种各种FET管的电源偏置极性要求管的电源偏置极性要求 固定偏压偏臵电路固定偏压偏臵电路 自给偏压偏臵电路自给偏压偏臵电路 混合偏臵电路混合偏臵电路 FET偏臵电路类型： (a)固定偏压偏臵电路 DD gg g GS V RR R V 21 2 只要Rg1和Rg2及Rd取的合理， 能满足VGSVT的导电要求， 同时保证VDSVGS-VT，使 管子工作在恒流区（放大 区） 2 ) 1( T GS DOD V V II dDDDDS RIVV (b) 自给偏压偏臵电路 由于是耗尽型NMOS管， 栅源电压可以是正，也 可以是负。 SDSGGS RIVVV 2 )1 ( P GS DSSD V V II )( sdDDDDS RRIVV VGS电压靠ID流过源 极电阻产生压降自 已建立起来的称 自偏压 (c) 混合偏臵电路 Rg1和Rg2组成固定偏压电 路，Rs为自给偏压，所 以整个偏臵电路为混合 式偏臵。 sD gg g DDsDGGS RI RR R VRIVV 21 2 2 ) 1( T GS DOD V V II )( sdDDDDS RRIVV 构成放大电路的基本原则构成放大电路的基本原则 放大电路必须有合适的放大电路必须有合适的静态工作点静态工作点：直流电源的：直流电源的 极性与三极管的类型相配合，电阻的设臵要与电极性与三极管的类型相配合，电阻的设臵要与电 源相配合，以确保器件源相配合，以确保器件工作在放大区工作在放大区。 外加外加输入信号输入信号能有效地能有效地加到放大器件的输入端加到放大器件的输入端， 使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比使三极管输入端的电流或电压跟随输入信号成比 例变化。例变化。 经三极管放大后的经三极管放大后的输出信号输出信号（如（如ic=ib）应能有效应能有效 地地转变为负载上转变为负载上的输出电压信号的输出电压信号。 四、整体放大电路构成四、整体放大电路构成 CEOBC III CEOBE III)1 ( 三极管三极管是一种是一种电流控制电流控制器件器件 IB IC IE 输入信号改变输入信号改变vBE的大小，即的大小，即 改变改变iB的大小，放大器件转的大小，放大器件转 换为换为iC或或iE的变化，从而改变的变化，从而改变 输出电压。输出电压。 + + v vBE BE - - + vCE - （1 1）对于）对于BJTBJT组成的放大电路，输入信号源应该接入组成的放大电路，输入信号源应该接入 到到b b或或e e，即，即b b- -e e之间的电压中必须包含输入信号，从之间的电压中必须包含输入信号，从 而导致而导致 的变化，转化为的变化，转化为 的变化，输出信的变化，输出信 号可从号可从c c或或e e取出，因为它们都能反映取出，因为它们都能反映 变化。变化。 B i CE ii CE ii (2) (2) 同样，对于同样，对于FETFET组成的放大电路，输入信号必须组成的放大电路，输入信号必须 加到加到g g或或s s，即，即g g- -s s之间的电压中必须包含输入信号，之间的电压中必须包含输入信号， 从而导致从而导致 的变化，转化为的变化，转化为 的变化。输出的变化。输出 信号可从信号可从d d或或s s取出，因为它们都能反映取出，因为它们都能反映 变化。变化。 GS v D i D i 场效应管场效应管是一种是一种电压控制电压控制器件器件 2 ) 1( T GS DOD V v Ii 通过电容耦合通过电容耦合 信号信号 输出输出 信信 号号 源源 最简便的一种耦合最简便的一种耦合 方式。电容将二者方式。电容将二者 耦合起来时，既可耦合起来时，既可 防止信号源内阻防止信号源内阻R RS S 对放大电路静态工对放大电路静态工 作点的影响，又可作点的影响，又可 利用在工作频率下利用在工作频率下 其容抗很小的特性，其容抗很小的特性， 对输入信号在电容对输入信号在电容 上的损失减至最小。上的损失减至最小。 为防止信号在为防止信号在ReRe上上 的损失，输入回路的损失，输入回路 中中ReRe两端通常也要两端通常也要 并联一只旁路电容并联一只旁路电容 CeCe。 优点是电路简单，静态工作点不受优点是电路简单，静态工作点不受 影响，在分立元件电路中应用广泛。影响，在分立元件电路中应用广泛。 缺点是不能放大频率较低的信号和缺点是不能放大频率较低的信号和 直流信号，直流信号，低频响应较差低频响应较差，且不便，且不便 于集成化。于集成化。 耦合方式耦合方式 直接耦合直接耦合 因因FETFET无栅极电流，无栅极电流， 并采用自偏压方式，并采用自偏压方式， 所以信号源的接入不所以信号源的接入不 会影响放大电路的直会影响放大电路的直 流工作点。前面流工作点。前面BJTBJT 电路直接耦合方式，电路直接耦合方式， 信号源对静态工作点信号源对静态工作点 就有影响就有影响. . 信号信号 输出输出 信信 号号 源源 优点是低频特性好优点是低频特性好，可以放大变化缓慢可以放大变化缓慢 的信号的信号，易于集成化易于集成化。缺点是多级放大缺点是多级放大 电路各级静态工作点相互影响电路各级静态工作点相互影响，分析和分析和 调试较困难调试较困难, ,并且还存在零点漂移问题并且还存在零点漂移问题。 变压器耦合变压器耦合 信信 号号 源源 信号信号 输出输出 优点是静态工作点互不影响，能实现阻抗变换。优点是静态工作点互不影响，能实现阻抗变换。 缺点是缺点是频率特性不好频率特性不好，且非常笨重。，且非常笨重。 （1）分析静态工作状况用直流通路 此时 0 i v 称静态,求静态工作点: BQ I CQ I BEQ V CEQ V 直流通路的画法： 输入交流电压信号短路； 只有直流电源作用，电容开路、电感 线圈短路处理。 说明：直流通路和交流通路： （2）分析动态指标用交流通路 由vi单独作用下的电流、电压通路， 用来求放大电路的技术指标。 i v 加入后， vA . i R o R L f H f 交流通路画法： 所有耦合电容和旁路电容都当作交流短路； 所有直流电压源当作交流短路。 共射放大组态(CE) 典型共射放大电路 交流通路 BJT放大电路的三种基本组态及其交流通路 共集电极放大组态(CC) 交流通路 共集电路组态（射极输出器） 共基极放大组态(CB) 共基极放大电路 交流通路 FET放大电路的三种基本组态及其交流通路 共源极放大组态(CS) 交流通路 共源极放大电路 共漏极放大组态(CD) 交流通路 共漏极放大电路 共栅极放大组态(CG) 共栅极放大电路 交流通路 【例例】图（图（a a）- -（f f）为）为BJTBJT和和FETFET组成的各种放大电路组成的各种放大电路 （1 1）分别画出直流通路和交流通路；）分别画出直流通路和交流通路； （2 2）从直流供电电源极性、三极管类型、偏臵电路和）从直流供电电源极性、三极管类型、偏臵电路和 信号输入、输出电路等几方面信号输入、输出电路等几方面检查检查各放大电路的组成是各放大电路的组成是 否合