[课件资料]模电课件 第一章

1,1.1信号,1.2信号的频谱,1绪论,1.3模拟信号和数字信号,1.4放大电路模型,1.5放大电路的主要性能指标,2,信号:信息的载体,1.1信号,等效变换,声音信号：可以传达语言、音乐或其他信息图像信号：可以传达人类视觉系统能够接受的信息等,信息的处理：传感器-电信号-电子系统,模拟信号：时间上幅值上连续变化,信号源,电压源等效电路,电流源等效电路,3,1.1信号,话筒输出的声音信号如图所示：,某一段声音信号,无规则的波形，分析其特性比较困难，因此要提取其特征参数；,这些特征参数即是设计放大电路和电子系统的重要依据。,4,1.正弦信号,正弦波形,1.2信号的频谱,为简化信号特征参数的提取，通常将信号从时域变换到频域,信号在频域中表示的图形或曲线称为信号的频谱；,傅立叶变换,三要素完全确定一个正弦波,5,方波的时域表示,由高等数学知识知，任一周期函数只要满足狄利克雷条件都可以展开成傅立叶级数；,时间函数表达式,傅立叶级数表达式,直流分量,基波,高次谐波分量,1.2信号的频谱,6,如果截取n为有限值时的信号组合，则可以得到原周期信号的近似波形,n=1,3,5时,n=11时,1.2信号的频谱,7,幅度频谱,相位频谱,频谱表现为一系列离散频率上的幅值，且随谐波次数的递增，v()的幅值总趋势逐渐减小。,1.2信号的频谱,8,3.非周期信号,通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函数。,非周期信号包含了所有可能的频率成分,预制棒加热炉温度波动曲线,波形的频谱函数,1.2信号的频谱,选择适当的截止角频率，截断高于此频率的的部分，不会太多影响信号本身的特性，把保留的频率部分称作带宽。,9,1.3模拟信号和数字信号,模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。,数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。,数字信号,10,放大是最基本的模拟信号处理功能。,放大电路,模拟电子中研究的最主要电路：放大电路,这里的“放大”是指把微小的、微弱的信号不失真的进行放大。,所谓“不失真”就是保证原信号波形的形状、基本参数等不变。,具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。,11,电子系统举例:收音机接收广播信号,广播电台,电磁感应,前置放大器,功率放大器,天线,扬声器,属于交流放大！,12,1.4放大电路模型,1.放大电路的符号及模拟信号放大,大多数模拟电子系统都存在各种各样、不同类型的放大电路；放大电路是构成其他功能电路的基本单元。,13,放大电路表示方法,输入端口有电压、电流，输出端口有电压、电流，因此，根据实际的输入信号和所需的输出信号是电压或电流，放大电路可分为四种类型。,电压增益,电流增益,电流放大电路,互阻增益（）,互导增益（S）,互阻放大电路,互导放大电路,1.4放大电路模型,14,1.4放大电路模型,负载开路时的电压增益,2.电压放大模型,输入电阻,输出电阻,则电压增益为,AV的恒定性受到负载RL的影响。为减小负载对放大电路电压增益的影响，要求在电路设计时力求减小RO,使输出回路中RORs时，信号源内阻Rs对信号vs的衰减作用才会减小。,电压放大电路适用于信号源内阻Rs较小且负载电阻RL较大的场合,当RLRO时，RL的变化对Av的影响就小。,16,1.4放大电路模型,负载短路时的电流增益,3.电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,只有RORL时，才会减小RO的分流，减小信号的衰减；,17,1.4放大电路模型,3.电流放大模型,则电流增益为,只有Ri；,一个实际的放大电路原则上可以取四类电路中任意一种作为它的电路模型，但是根据信号源的性质和负载的要求，一般只有一种模型在运用中最明确。,19,1.5放大电路的主要性能指标,1.输入电阻,Ri的大小决定了放大电路从信号源获取信号的能力,以电压vi作为输入的放大电路，Ri越大越好，此时输入电压vi大。电压放大电路、互导放大电路,以电流ii作为输入的放大电路，Ri越小越好，此时输入电流ii大。电流放大电路、互阻放大电路,20,1.5放大电路的主要性能指标,2.输出电阻,输出电阻的大小决定了放大电路带负载的能力,21,2.输出电阻,以电压作为输出的放大电路，Ro越小,带负载能力越强。电压放大电路、互导放大电路,以电流作为输出的放大电路，Ro越大,带负载能力越强电流放大电路、互阻放大电路,1.5放大电路的主要性能指标,22,3.增益,反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。,1.5放大电路的主要性能指标,例：甲电路增益变化-20dB，乙电路增益变化-20倍，谁增益大？负号意味着什么？,其中,四种增益,常用分贝（dB）表示,23,4.频率响应,A.频率响应及带宽,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。,或写为,其中,1.5放大电路的主要性能指标,实际的放大电路中存在一些电抗性元器件耦合电容、半导体元器件的极间电容、接线电容、接线电感等，因此，放大电路的输出与输入之间关系必然和信号的频率有关。,24,普通音响系统放大电路幅频响应,对数坐标：波特图（BodePlot）,半功率点:增益下降3dB的点,此时输出功率约为中频区功率的一半,下限频率,上限频率,带宽（通频带）:BW=fH-fL,通常:fLIC，VCE0.3V。,c.截止区(cut-offregion)VBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0。,4.1.3BJT的特性曲线,（2）输出特性(outputcharacteristic),117,117,4.1.3BJT的特性曲线,iE=f(vBE)vCB=const,iC=f(vCB)iE=const,2.共基极电路的特性曲线,118,118,参数是表征器件性能的优劣和适应范围,是合理选择和正确使用BJT的依据.,共发射极直流电流放大系数,共基极直流电流放大系数,1.电流放大系数,直流电流放大系数,4.1.4BJT的主要参数,119,119,共发射极交流电流放大系数,反映的是动态(交流工作状态)时的电流放大特性,反映的是静态(直流工作状态)时的电流放大特性,共基极交流电流放大系数,1.电流放大系数,交流电流放大系数,4.1.4BJT的主要参数,120,120,例：VCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,一般放大电路采用=3080。,1.电流放大倍数,4.1.4BJT的主要参数,121,121,（1）集-基极反向饱和电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度变化的影响。,2.极间反向电流,4.1.4BJT的主要参数,122,122,E,C,N,N,P,IB=0,B,由BJT的电流分配规律，此处电流为ICBO,集电结反偏，空穴漂移到基区。,发射结正偏，电子扩散到基区。,复合形成ICBO,（1）ICBO,（2）集-射极反向饱和电流ICEO,2.极间反向电流,4.1.4BJT的主要参数,123,123,（1）集电极最大允许电流ICM,BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流即为ICM。当电流超过时，管子的性能将显著下降，甚至有烧坏管子的可能。,3.极限参数,4.1.4BJT的主要参数,124,124,集电结上允许损耗功率的最大值。,PCPCM,ICVCE=PCM,安全工作区,（2）集电极最大允许功耗PCM,3.极限参数,4.1.4BJT的主要参数,练习：P1864.1.3,125,125,（3）反向击穿电压,3.极限参数,4.1.4BJT的主要参数,V(BR)EBO，集电极开路时，发射极基极间的反向击穿电压。,V(BR)CBO，发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。,V(BR)CEO，基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。,126,126,当VCE,ICEO,集电结出现雪崩击穿,V(BR)CEOV(BR)CERV(BR)CEO,射基间有电阻时,射基间短路时,基极开路时,（3）反向击穿电压,3.极限参数,4.1.4BJT的主要参数,V(BR)CEO与ICEO的大小有关：,127,127,4.1.5温度对BJT参数及特性的影响,（1）温度对ICBO的影响,（2）温度对的影响,温度每升高1oC，增加0.5%1%,1.温度对BJT参数的影响,温度每升高10oC，ICBO约增加一倍,（3）温度对反向击穿电压V(BR)CBO、V(BR)CEO的影响,集电结的反向击穿为雪崩击穿，具有正的温度系数，温度升高，反向击穿电压提高,128,128,4.1.5温度对BJT参数及特性的影响,2.温度对BJT特性曲线的影响,温度T输出特性曲线上移，曲线族间距增大,温度T输入特性曲线左移,温度每升高1oC，vBE减小2mV2.5mV,129,129,4.2基本共射极放大电路,电路组成,工作原理,130,130,1.电路组成,4.2共射极放大电路,放大元件iC=iB，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。,+,+,+,iB,iC,iE,commonemitterconfiguration,131,131,1.电路组成,4.2共射极放大电路,基极电源与基极电阻,使发射结正偏，并提供适当的静态IB和VBE。,集电极电阻RC，将变化的电流转变为变化的电压。,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,132,输入回路（基极回路）,输出回路（集电极回路）,1.电路组成,4.2共射极放大电路,133,共射电路组成,134,习惯画法,共射极基本放大电路,简化电路及习惯画法,4.2共射极放大电路,135,135,4.2共射极放大电路,2.基本共射极放大电路的工作原理,根据直流通路可知：,采用该方法，必须已知三极管的值。,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。,a.静态(直流工作状态),136,136,放大电路如图所示。已知BJT的=80，Rb=300k，Rc=2k，VCC=+12V，求：,（1）放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？,（2）当Rb=100k时，放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域？（忽略BJT的饱和压降）,解：（1）,（2）当Rb=100k时，,静态工作点为Q（40uA，3.2mA，5.6V），BJT工作在放大区。,其最小值也只能为0，即IC的最大电流为：,所以BJT工作在饱和区。,VCE不可能为负值，,此时，Q（120uA，6mA，0V），,例题,137,交流通路,直流通路,共射极放大电路,4.2共射极放大电路,2.基本共射极放大电路的工作原理,138,138,4.2共射极放大电路,2.基本共射极放大电路的工作原理,b.动态,输入信号不为零时，放大电路的工作状态，即交流工作状态,耦合电容：通交流、隔直流,直流电源：内阻为零,直流电源和耦合电容对交流相当于短路,139,交流通路,4.2共射极放大电路,2.基本共射极放大电路的工作原理,140,140,vi=0,vi=Vsint,先静态：确定静态工作点Q（IBQ、ICQ、VCEQ）,后动态：确定性能指标（AV、Ri、Ro等）,放大电路为什么要建立正确的静态？,4.2共射极放大电路,2.基本共射极放大电路的工作原理,141,141,4.2共射极放大电路,2.基本共射极放大电路的工作原理,工作点合适,工作点偏低,合适的静态工作点,保证Je正偏，Jc反偏,保证有较大的线性工作范围,142,142,(a),(b),1.下列af电路哪些具有放大作用？,(c),(d),(f),(e),143,143,4.3放大电路的分析方法,静态工作点的图解分析,动态工作情况的图解分析,BJT的H参数及小信号模型,用小信号模型分析共射极放大电路,小信号模型分析法的适用范围,4.3.1图解分析法,4.3.2小信号模型分析法,静态工作点对波形失真的影响,144,144,4.3放大电路的分析方法,放大电路分析,静态分析,动态分析,估算法,图解法,微变等效电路法,图解法,计算机仿真,放大电路性能指标的定义放大电路中各个元件的作用,放大电路的直流通路与交流通路,本节重点,145,145,采用该方法分析静态工作点，必须已知三极管的输入输出特性曲线。,1.静态工作点的图解分析,4.3.1图解分析法,146,146,1.静态工作点的图解分析,4.3.1图解分析法,VCE=VCCICRC,直流负载线,由估算法求出IB，IB对应的输出特性与直流负载线的交点就是工作点Q,147,147,2.动态工作情况的图解分析,4.3.1图解分析法,由交流通路得纯交流负载线：,vce=-ic(Rc/RL),因为交流负载线必过Q点，则交流负载线为,148,148,2.动态工作情况的图解分析,4.3.1图解分析法,通过图解分析，可得如下结论：1.vo与vi相位相反；2.可以测量出放大电路的电压放大倍数；3.可以确定最大不失真输出幅度。,149,149,3.静态工作点对波形失真的影响,4.3.1图解分析法,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，则造成非线性失真。,动画演示,动画演示,150,150,3.静态工作点对波形失真的影响,4.3.1图解分析法,iC,vCE,iC,vCE,对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反,Vom=ICQRc,Vom=VCEQ-VCES,151,151,4.3.1图解分析法,放大电路的动态范围,可输出的最大不失真信号,工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位,要有合适的交流负载线,信号幅度不大，不产生失真和保证一定的电压增益，Q可选得低些,动画演示,152,152,？,思考题,1.试分析下列问题：,共射极放大电路,（1）增大Rc时，负载线将如何变化？Q点怎样变化？,（2）增大Rb时，负载线将如何变化？Q点怎样变化？,（3）减小VCC时，负载线将如何变化？Q点怎样变化？,（4）减小RL时，负载线将如何变化？Q点怎样变化？,153,153,共射极放大电路,？,思考题,2.放大电路如图所示。当测得BJT的VCE接近VCC的值时，问管子处于什么工作状态？可能的故障原因有哪些？,截止状态,答：,故障原因可能有：,Rb支路可能开路，IB=0，IC=0，VCE=VCC-ICRc=VCC。,C1可能短路，VBE=0，IB=0，IC=0，VCE=VCC-ICRc=VCC。,154,154,4.图解分析法的适用范围,4.3.1图解分析法,特别适用于分析信号幅度较大而工作频率不太高的情况,直观、形象，有助于一些重要概念的建立和理解，如交直流共存、静态和动态等,能全面分析放大电路的静态、动态工作情况，有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性,不能分析信号幅值太小或工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标,155,155,4.3.2小信号模型分析法,BJT的H参数及小信号建模,共射极放大电路的小信号模型分析,H参数的引出,H参数小信号模型,小信号模型的简化,利用直流通路确定Q点,画小信号等效电路,H参数的确定,求放大电路动态指标,小信号模型分析法的适用范围,156,156,BJT的H参数及小信号建模,建立小信号模型(smallsignalmodel)的意义,建立小信号模型(smallsignalmodel)的思路,当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。,由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型，就是将非线性器件作线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。,157,157,1.H参数的引出,在小信号情况下，对上两式取全微分得,用小信号交流分量表示,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,对于BJT双口网络，我们已经知道输入输出特性曲线如下：,iB=f(vBE)vCE=const,iC=f(vCE)iB=const,可以写成：,BJT双口网络,158,158,输出端交流短路时的输入电阻，用rbe表示。,输入端开路时的电压反馈系数，用uT表示。,1.H参数的引出,159,159,输出端交流短路时的电流放大系数，用表示。,输入端开路时的输出电导，用1/rce表示。,1.H参数的引出,160,160,2.H参数小信号模型,根据,可得小信号模型,vbe=hieib+hrevce,ic=hfeib+hoevce,H参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。H参数与工作点有关，在放大区基本不变。H参数都是微变参数，所以只适合对交流信号的分析。,161,161,即rbe=hie=hfeuT=hrerce=1/hoe,一般采用习惯符号,则BJT的H参数模型为,uT很小，一般为10-310-4，rce很大，约100k。故一般可忽略它们的影响，得到简化电路,ce,3.小信号模型的简化,162,162,4.H参数的确定,一般用万用表测出；,rbe与Q点有关，可用示波器测出。,一般也用公式估算rbe,rbe=rb+(1+)re,其中对于低频小功率管rb200,则,163,163,用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,1.利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,164,164,2.画小信号等效电路,共射极放大电路,165,165,3.求放大电路动态指标,根据,则电压增益为,.,.,166,166,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。,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。,3.求放大电路动态指标,167,167,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：所有独立电源置零，保留受控源，加压求电流法。,168,168,小信号模型分析法的适用范围,用图解法定出静态工作点,当输入电压幅度较小或BJT基本工作在线性区，放大电路较复杂，可用小信号模型分析,当输入电压幅度较大，BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分，需要采用图解法。分析放大电路输出电压的最大幅值等应用图解法较方便,169,169,例题,放大电路如图所示。试求：（1）Q点；（2）,（已知=40）,170,170,空载时的电压放大系数：,有载时的电压放大系数：,例题,171,171,4.4放大电路工作点的稳定问题,温度变化对ICBO的影响,温度变化对输入特性曲线的影响,温度变化对的影响,基极分压式射极偏置电路,含有双电源的射极偏置电路,4.4.1温度对工作点的影响,4.4.2射极偏置电路,含有恒流源的射极偏置电路,172,172,4.4.1温度对工作点的影响,1.温度变化对ICBO的影响,2.温度变化对输入特性曲线的影响,温度T输出特性曲线上移,温度T输入特性曲线左移,3.温度变化对的影响,温度每升高1C，要增加0.5%1.0%,温度T输出特性曲线族间距增大,动画演示,173,173,4.4.1温度对工作点的影响,小结：,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。电路见下页。,ICBOICEO,TVBEIBIC,174,174,4.4.2射极偏置电路,（1）稳定工作点原理,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，b点电位能基本不变，则射极偏置电路(four-resistorcircuit)可实现静态工作点的稳定。,T,IC,IE,IC,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,1.基极分压式射极偏置电路,175,175,（2）放大电路指标分析,静态工作点,4.4.2射极偏置电路,176,176,电压增益,动画演示,4.4.2射极偏置电路,177,177,输入电阻,根据定义,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,4.4.2射极偏置电路,178,178,输出电阻,输出电阻,其中,当,时，,可见三极管电流源的内阻比三极管的输出电阻rce还要大。,动画演示,4.4.2射极偏置电路,179,179,4.4.2射极偏置电路,2.含有双电源的射极偏置电路,180,180,4.4.2射极偏置电路,3.含有恒流源的射极偏置电路,181,181,4.5共集电极电路和共基极电路,静态分析,动态分析,静态分析,动态分析,4.5.1共集电极电路,4.5.2共基极电路,4.5.3三种组态的比较,182,182,4.5.1共集电极放大电路,1.静态分析,该电路也称为射极跟随器(emitterfollower)。,由,得,183,183,2.动态分析,动画演示,动画演示,4.5.1共集电极放大电路,184,184,电压增益,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,电压跟随器,4.5.1共集电极放大电路,185,185,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,当,，,时，,输入电阻大,4.5.1共集电极放大电路,186,186,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,动画演示,4.5.1共集电极放大电路,187,187,4.5.1共集电极放大电路,射极输出器的输入输出同相，电压增益小于1而近似于1，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。没有电压放大能力，仍具有电流和功率放大能力输入电阻大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大。常用作放大器的输入级输出电阻很小，带负载能力强，用于输出级用于中间级起阻抗变换的作用，隔离前后级间的影响,188,188,4.5.2共基极放大电路,共基极放大电路(common-baseamplifier)如图所示。,189,189,电流分配关系,当,=0.98时，,4.5.2共基极放大电路,190,190,直流通路：,1.静态分析,4.5.2共基极放大电路,191,191,2.动态分析,电压增益,4.5.2共基极放大电路,192,192,输入电阻,输出电阻,4.5.2共基极放大电路,193,193,4.5.3三种组态的比较,194,194,4.6组合放大电路,复合管的主要特征,共集共集放大电路的动态分析,4.6.1共射共基放大电路,4.6.2共集共集放大电路,195,195,4.6.1共射共基极放大电路,串接放大电路,高频特性好，具有较宽的频带,Ri=Rb11|Rb21|rbe1,RoRc2,196,196,4.6.1共射共基极放大电路,在计算各级电压增益时，必须考虑级间的相互影响，前一级的输出电压是后一级的输入电压，后一级的输入电阻是前一级的负载电阻,197,197,作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe。,复合管（darlingdonconnection）也称为达林顿管。,4.6.2共集共集放大电路,T1,T2,T,T1,T2,T,T1,T2,T,T1,T2,T,必须保证两只管子均工作在放大状态,1.复合管的主要特征,198,198,4.6.2共集共集放大电路,IC=IC1+IC2=1IB+2(1+1)IB=1+2(1+1)IB,=IC/IB=1+2(1+1)12,IC,IB,IE,1,2,IC1,IC2,IB2,199,199,4.6.2共集共集放大电路,例4.6.1,2.动态分析,200,200,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,RC低通电路的频率响应,RC高通电路的频率响应,4.7放大电路的频率响应,4.7.3单极共射极放大电路的频率响应,4.7.4单级共基极和共集电极放大电路的频率响应,4.7.5多级放大电路的频率响应,201,201,（1）频率响应表达式：,幅频响应：,相频响应：,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,1.RC低通电路频率响应(frequencyresponse),202,202,（2）RC低通电路的波特图(bodeplot),最大误差-3dB,0分贝水平线,斜率为-20dB/十倍频程的直线,幅频响应：,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,203,203,相频响应,其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。,这种对数频率特性曲线称为波特图(bodeplot)，,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,动画演示,204,204,（1）频率响应表达式：,幅频响应：,相频响应：,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,2.RC高通电路频率响应,205,205,其中，fL是一个重要的频率点，称为下限截止频率。,幅频响应：,相频响应：,（2）RC高通电路的波特图,4.7.1单时间常数RC电路的频率响应,动画演示,206,206,基区电阻50300,发射结参数，结电容几十几百pF,集电结参数，由于反偏，结电阻约100k10M；结电容210pF,约为100k,关于受控电流源：高频时发射结电容分流的影响，IC与Ib不能保持比例关系；因而用发射结电压表示控制量，该电压直接决定发射极电流和集电极电流。,.,.,.,.,.,.,受控电流源，gm称为互导，几十mS,1.BJT高频小信号模型,动画演示,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,207,207,rbc很大，可以忽略。rce很大，也可以忽略。,模型的简化,动画演示,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,208,208,低频时，忽略电容，混合模型与H参数模型等效,所以,由：,.,.,.,.,2.BJT高频小信号模型中元件参数值的获得,动画演示,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,209,209,又因为,从手册中查出,所以,+,+,+,+,I,V,b,c,c,+,b,be,+,I,r,ce,be,V,e,i,b,.,.,.,.,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,2.BJT高频小信号模型中元件参数值的获得,210,210,3.BJT的频率参数,根据定义：,将c、e短路。,得:,动画演示,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,211,211,做出的幅频特性曲线：,当=1时对应的频率,当20lg下降3dB时对应的频率,f,0,fT,f共发射极截止频(3-dBfrequency)fT特征频率(transitionfrequency),其中：,3.BJT的频率参数,动画演示,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,212,212,f并非是BJT具有电流放大作用的最高极限频率。定义当下降到1时对应的频率为BJT的特征频率fT，显然fTf,4.7.2BJT的高频小信号模型及频率参数,3.BJT的频率参数,213,213,4.7.3单极共射极放大电路的频率响应,1.高频响应,求密勒电容,高频响应与上限频率,增益-带宽积,2.低频响应,214,214,1.共射极放大电路的高频响应,共射放大电路的中频响应,在中频段，耦合电容的容抗远小于串联回路中的其它阻抗值，故视其为交流短路；BJT的发射结电容的容纳远小于发射结的电导，视其为交流开路；结电容的容抗很大，视其为开路；(忽略Rb和RL),中频电压放大倍数：,215,215,1.共射极放大电路的高频响应,在高频段，耦合电容的容抗远小于串联回路中的其它阻抗值，故视其为交流短路；BJT的发射结电容的容纳和结电容的容抗不能忽略。（1）求密勒电容高频等效电路如图所示。用“密勒定理”将集电结电容单向化。,b,c,R,s,V,s,r,be,C,V,be,V,be,g,m,i,V,e,b,V,o,r,bb,+,+,+,C,bc,.,.,.,.,.,+,be,动画演示,216,216,1.共射极放大电路的高频响应,用“密勒定理”将集电结电容单向化：,其中：,忽略CN，并将两个电容合并成一个电容:得简化的高频等效电路。,217,217,1.共射极放大电路的高频响应,用戴维南定理将C左端的电路进行变换：,（2）高频响应与上限频率,动画演示,218,218,1.共射极放大电路的高频响应,219,219,例题,解：,模型参数为,中频电压增益为,又因为,所以上限频率为,220,220,1.共射极放大电路的高频响应,3.增益带宽积,中频电压增益与通频带相乘所得的乘积称为增益带宽积,可见，当BJT及电路选定后，增益带宽积基本是一个常数。,221,221,放大电路的低频响应主要取决于外接的电容器，隔直耦合电容及射极旁路电容。,BJT的结电容的容抗比中频区更大，仍视为交流开路。以射极偏置电路为例分析。,对射极旁路电容而言有不同的处理方法：当容抗远小于射极电阻时，一是视射极电阻为开路（本教材），另是视旁路电容为短路。,动画演示,2.共射极放大电路的低频响应,222,222,低频等效电路的简化,R,V,.,动画演示,2.共射极放大电路的低频响应,223,223,2.共射极放大电路的低频响应,224,224,中频增益,输入回路高通,输出回路高通,取fL1、fL2中大者作为低频截止频率，一般fL1fL2,2.共射极放大电路的低频响应,225,225,完整的共射放大电路的频率响应,226,226,1.共基极放大电路的高频响应,共基极电路的输入阻抗很小，Rs可视为开路；,Cbc和rbb的数值很小。其作用也略去。,在节点e运用KCL，有：,动画演示,4.7.4单极共基极和共集电极放大电路的高频响应,227,227,0,f,因此共基极放大电路的电流增益的上限频率fH约为fT。具有很宽的频带。共基极电路中的BJT的极间电容直接并联在输入、输出端，不产生密勒效应。,4.7.4单极共基极和共集电极放大电路的高频响应,228,228,4.7.4单极共基极和共集电极放大电路的高频响应,2.共集电极放大电路的高频响应,b,b,c,e,Rb,rbe,Cbc,rbb,Rs,Cbe,Cbc只接在输入回路中，不会产生密勒效应,信号源及电阻Rb可用戴维宁等效电路代替,b,c,e,rbe,Cbc,rbb,Rs,Cbe,229,229,4.7.5多极放大电路的频率响应,前级的开路电压是下级的信号源电压,前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗,下级的输入阻抗是前级的负载,以两级RC耦合(capacitiveresistancecoupling)的放大电路为例分析:,230,230,思考：多级放大电路的相频响应？,4.7.5多极放大电路的频率响应,动画演示,231,231,小结:,BJT具有电流分配与放大的外部条件。2.BJT的输入特性、输出特性。3.理解BJT中小信号模型中各个参数的意义。熟练掌握利用小信号模型分析法求算交流放大电路的动态参数，电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。温度对静态工作点的影响。分压偏置放大电路稳定静态工作点的原理。分压偏置放大电路的静态及动态分析。共基极、共集电极放大电路的静态与动态分析与计算。,232,232,小结:,放大电路三种基本组态的性能、特点及主要应用场合。BJT的高频小信号模型参数、频响特性、BJT的特征频率及截止频率、极间电容的计算。共射极放大电路的高频模型、上限频率计算；共射极放大电路的低频模型、下限频率计算；共射极放大电路的频响特性描绘、波特图。,5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.3结型场效应管（JFET）,*5.4砷化镓金属-半导体场效应管,5.5各种放大器件电路性能比较,5.2MOSFET放大电路,233,234,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,234,235,5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.1N沟道增强型MOSFET,5.1.5MOSFET的主要参数,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3P沟道MOSFET,5.1.4沟道长度调制效应,235,236,5.1.1N沟道增强型MOSFET,1.结构（N沟道）,L：沟道长度,W：沟道宽度,tox：绝缘层厚度,通常WL,236,237,5.1.1N沟道增强型MOSFET,剖面图,1.结构（N沟道）,符号,动画演示,237,238,5.1.1N沟道增强型MOSFET,2.工作原理,（1）vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。,当0VT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,动画演示,239,240,当vGS一定（vGSVT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT,240,241,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,241,242,2.工作原理,（3）vDS和vGS同时作用时,vDS一定，vGS变化时,给定一个vGS，就有一条不同的iDvDS曲线。,242,243,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,243,244,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,可变电阻区vDS（vGSVT）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,244,245,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,可变电阻区,n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,245,246,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,饱和区（恒流区又称放大区）,vGSVT，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I特性：,246,247,3.V-I特性曲线及大信号特性方程,（2）转移特性,动画演示,注：动画是JFET的转移特性,247,248,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,1.结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,248,249,5.1.2N沟道耗尽型MOSFET,2.V-I特性曲线及大信号特性方程,（N沟道增强型）,249,250,5.1.3P沟道MOSFET,250,251,5.1.4沟道长度调制效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,251,252,5.1.5MOSFET的主要参数,一、直流参数,NMOS增强型,1.开启电压VT（增强型参数）,2.夹断电压VP（耗尽型参数）,3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）,4.直流输入电阻RGS（1091015）,二、交流参数,1.输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,252,253,5.1.5MOSFET的主要参数,2.低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,253,254,5.1.5MOSFET的主要参数,end,三、极限参数,1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源电压V（BR）DS,4.最大栅源电压V（BR）GS,254,255,5.2MOSFET放大电路,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,2.图解分析,3.小信号模型分析,255,256,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,256,257,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGSVT，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,257,258,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,VDD=5V，VT=1V，,258,259,5.2.1MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路