模拟电子技术经典教程 半导体电路分析基础.ppt

3半导体电路分析基础,3.1放大电路及其性能表征,放大的概念,放大的实质,输出信号大于输入信号即为放大,放大电路输出信号的能量来源于有源器件上的直流偏置电源，所以放大器实质上是一种能量控制器或能量转换器。,放大电路的性能表征,放大倍数,电压放大倍数,电压增益,电流放大倍数,互导放大倍数,互阻放大倍数,放大电路的性能表征,输入电阻,所以,对信号源的电压放大倍数,放大电路的性能表征,输出电阻,空载时的输出电压,输出电阻越小，负载上得到的输出电压越大，电路带负载能力越强。,放大电路的性能表征,频率响应,电路增益随输入信号的工作频率改变的特性称为放大电路的频率响应/频率特性,放大电路的性能表征,失真,线性失真：由电路的频率响应引起的失真,非线性失真：由器件的非线性引起的失真,频率失真,3.2放大电路的直流分析,放大电路的两种工作状态,静态（直流）,动态（交流）,在线性放大区，交流信号与直流信号间是线性叠加的关系，故可将交流分析、直流分析分开分别加以讨论。,直流工作点分析,直流分析的目的,直流分析的分析方法,图解法,估算法,对于三极管放大电路，图解法是利用三极管的特性曲线和外部电路所确定的负载线为基础，通过作图的方法求解电路的工作情况。,根据电路的工作情况，进行近似计算,图解法,写出输入回路方程,在输入特性曲线上画出输入回路方程,VBBRBiBvBE,输入回路,求两条曲线的交点Q，并读出交点处的坐标,图解法,写出输出回路方程,在输出特性曲线上画出输出回路方程（此曲线称为直流负载线）,输出回路,求两条曲线的交点Q，并读出交点处的坐标,VCCRCiCvCE,直流负载线,估算法,双极型三极管电路,假设电路工作在放大状态,估算法,场效应管电路,假设电路工作在放大状态，利用回路方程和IDVGS间的关系式，通过解联立方程的方法求得。,输入回路方程：,ID和VGS间的关系式,3.3放大电路的交流分析,基本共射放大电路的组成,基本组成如下：,三极管T,负载电阻Rc、RL,偏置电路VCC、Rb,耦合电容C1、C2,起放大作用。,将变化的集电极电流转换为电压输出,提供电源，并使三极管工作在线性区。,输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。,VBB=VCC,交流通路,画交流通路的两条原则,直流电源对地短路,电容短路,交流分析的方法,模型分析法,小信号模型,器件模型,图解分析法,既适合于小信号分析，也适合于大信号分析,交流负载线,过静态工作点，在三极管输出特性曲线上做电路的交流输出回路方程，此曲线称为交流负载线。,交流输出回路方程：,交流负载线,直流负载线,图解分析法,输入特性曲线,输出特性曲线,交流负载线,根据vi和输入特性上求出iB的波形；,根据iB的波形画出iC的波形；,图解法分析步骤,图解法分析步骤,利用静态工作点Q和交流负载线，根据ic的波形，在输出特性曲线上求出vCE的波形；,vCE中的交流分量vce即为输出电压vo的波形。,Q点选取对输出波形的影响,（动画3-2),Q点太高,会出现饱和失真,Q点太低,会出现截止失真,Q点取在交流负载线的中点时，输出波形可取得最大动态范围。,（动画3-1）,（动画3-4),用H参数小信号模型分析共射极基本放大电路,共射极放大电路,1.利用直流通路求Q点,一般硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V，已知。,2.画出小信号等效电路,共射极放大电路,H参数小信号等效电路,3.求电压放大倍数,根据,则电压放大倍数,4.求输入电阻,令,1.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。,解：,例题,例题,解：,（1）,（2）,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,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）,I1IB,此时，,不随温度变化而变化。,且Re可取大些，反馈控制作用更强。,一般取I1=(510)IB,2.放大电路指标分析,静态工作点,2.放大电路指标分析,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,2.放大电路指标分析,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻,2.放大电路指标分析,输出电阻,输出电阻,求输出电阻的等效电路,网络内独立源置零,负载开路,输出端口加测试电压,对回路1和2列KVL方程,考虑rce对输出电阻的影响,其中,则,当,时，,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,共射极放大电路,3.固定偏流电路与射极偏置电路的比较,固定偏流共射极放大电路,Ro=Rc,#射极偏置电路做如何改进，既可以使其具有温度稳定性，又可以使其具有与固定偏流电路相同的动态指标？,共集电极电路,1.电路分析,共集电极电路结构如图示,该电路也称为射极跟随器,求静态工作点,由,得,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,画小信号等效电路,确定模型参数,已知，求rbe,增益,1.电路分析,其中,一般,，则电压增益接近于1，,即,射极跟随器,输入电阻,根据定义,由电路列出方程,则输入电阻,当,，,时，,1.电路分析,输入电阻大,输出电阻,由电路列出方程,其中,则输出电阻,当,，,时，,输出电阻小,共基极电路,1.静态工作点,直流通路与射极偏置电路相同,2.动态指标,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,#共基极电路的输入电阻很小，最适合用来放大何种信号源的信号？,2.动态指标,输入电阻,输出电阻,3.三种组态的比较,1.直流偏置电路,FET的直流偏置电路及静态分析,（1）自偏压电路,（2）分压式自偏压电路,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS=,-iDR,Q点：,VGS、,ID、,VDS,vGS=,VDS=,已知VP，由,VDD,-ID(Rd+R),-iDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,FET放大电路的小信号模型分析法,1.FET小信号模型,（1）低频模型,2.动态指标分析,（1）小信号模型,2.动态指标分析,（2）电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略rD,由输入输出回路得,则,例4.4.2共漏极放大电路如图示。试求电压增益、输入电阻和输出电阻。,（2）电压增益,（3）输入电阻,得,解：,（1）小信号模型,由,例题,（4）输出电阻,所以,由图有,例题,3.4放大电路的频率响应分析,频响的基本概念,幅频响应,相频响应,基本反相放大器的频率响应,下限频率,上限频率,通频带,频率失真,幅度失真,相位失真,（动画51）,对数频率特性,频率采用对数刻度，而幅度或相位采用线性刻度所表示的频率特性，称为对数频率特性。,对数刻度,线性刻度,波特图,幅频响应和相频响应图不采用逐点描绘取得，而采用折线近似得到，称为波特图。,近似折线,简单RC电路的频率响应,RC低通电路的频率响应,幅频响应和相频响应,幅频响应,相频响应,幅频响应,幅频特性图,上限频率,最大误差-3dB,频率响应曲线描述,幅频响应,0分贝水平线,斜率为-20dB/十倍频程的直线,相频响应,RC低通电路的频率响应,表示输出与输入的相位差,高频时，输出滞后输入,因为,所以,动画3.7.2,RC高通电路的频率响应,幅频响应和相频响应,幅频响应,相频响应,幅频响应,幅频特性图,下限频率,动画3.7.4,相频响应,相频特性图,动画3.7.4,三极管电流放大倍数的频率响应,共射极截止频率,特征频率,共基极截止频率,BJT的高频小信号模型,由于电容的容抗是与频率有关的，所以在高频时要考虑BJT的极间电容。,Cbe发射结电容,Cbc集电结电容,rbc集电结电阻,低频小信号模型,高频简化模型,密勒定理等效后的模型,令,密勒等效后的模型,密勒电容,共射极放大电路的高频响应,处理方法,耦合电容/隔直电容短路,三极管用高频小信号模型取代,共射放大电路,共射极放大电路的高频响应,电路简化,电压放大倍数的频率响应,上限频率主要取决于输入回路的时间常数,上限频率：,共射极放大电路的低频响应,处理方法,耦合电容/隔直电容要考虑,三极管用低频小信号模型取代,三极管极间电容视为开路,共射放大电路,幅频响应和下限