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模拟与数字电路

(模拟电路)复旦大学材料科学系第四章晶体管放大器这一章，我们要讨论什么?本章研究晶体管放大器：如何将原理电路转换为其等效电路如何根据等效电路求解电路输入输出信号之间的关系，得到电路的电学特性根据电路特性的讨论，掌握不同类型晶体管放大器的特点

晶体管放大器是所有放大器的基础！放大器最基本的模拟电子电路所有电子信息处理的基础放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电放大器的一般描述放大器的性能指标增益电压增益电流增益跨阻增益跨导增益功率增益输入阻抗输出阻抗频率响应非线性失真1.放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成双口网络。放大器的性能指标2.输入电阻和输出电阻

将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻通常是复数,在电抗分量远小于电阻分量的条件下近似为输入电阻与输出电阻3.通频带4.最大不失真输出电压Uom：交流有效值。

由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率5.最大输出功率Pom和效率η：功率放大电路的参数。定义电压（电流）增益下降3dB为截止频率3dB6.非线性失真非线性失真一般指谐波失真与频率失真有本质的区别总谐波失真系数的定义！放大器的分析

下面的内容是本章的重点，也是本课程的重点之一。放大器的一般分析过程按照分析的目的画出等效电路根据等效电路列出电路方程求解方程（上述3个步骤有可能要根据实际情况作合理的简化）根据得到的所有结果，分析电路的性能晶体管单管放大器单管放大器的一般结构单管放大器的分析方法单管放大器的频率特性单管放大器的比较单管放大器的类型BJT单管放大器共发射极放大器共集电极放大器共基极放大器FET单管放大器共源极放大器共漏极放大器共栅极放大器共射放大器的结构直流偏置负载信号源信号输入输出共用发射极直流偏置作用：提供晶体管合适的直流工作点注意点：正确区分直流回路(电容开路，电感短路）分析方法：估算法图解法C2C1RLRCRBVCC+vsvors设置静态工作点的必要性

输出电压必然失真！

设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！

为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？基本共射放大电路的波形分析饱和失真底部失真截止失真顶部失真动态信号驮载在静态之上与iC变化方向相反要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！C晶体管直流偏置的估算法分析已经在第2章详细讲述要点：用带阈值的二极管模型等效发射结，用CCCS等效集电结晶体管直流偏置的图解法分析在晶体管输入回路中，联合晶体管输入特性曲线与输入部分的偏置电路特性曲线，其交点就是输入回路的偏置点（静态工作点）在晶体管输出回路中，联合晶体管输出特性曲线与输出部分的偏置电路特性曲线，其交点就是输出回路的偏置点（静态工作点）图解法的例子（输入回路）模拟电子学基础212024/4/14图解法的例子（输出回路）模拟电子学基础222024/4/14交流小信号分析在直流偏置基础上叠加交流小信号只考虑交流回路足够大的电容短路，足够大的电感开路直流电压源短路，直流电流源开路线性化近似晶体管用工作点附近交流小信号等效模型代替对线性电路求解232024/4/14共射放大器的低频小信号等效电路所有电容短路所有直流电源短路晶体管以其等效模型替代模拟电子学基础242024/4/14晶体管参数计算电压增益以及输入阻抗的部分电路（必须计及负载的影响）计算输出阻抗的部分电路（必须计及源内阻的影响）模拟电子学基础252024/4/14求输入电阻、电压增益：输入电阻：电压增益：源电压增益：模拟电子学基础262024/4/14求输出电阻：输出电阻：

由于在低频条件下晶体管的共射模型中输入和输出相互独立，所以计算特别简单，几乎可以不用列节点方程。模拟电子学基础272024/4/14例1已知在23页晶体管放大器中，VCC=9V，RB=620kW，RL=2kW，信号源内阻rs=600W；晶体管b＝100，VA=40V；所有电容对交流信号短路。计算RC

=3kW

时放大器的静态工作点，证明三极管工作在放大区，求放大器的输入电阻ri、输出电阻ro

以及源电压增益vo/vs。计算RC

=10kW

时放大器的静态工作点，证明三极管工作在饱和区。解：（1）RC

=3kW

时，静态工作点计算所以，晶体管工作在放大状态，此时有晶体管等效参数放大区计算放大器诸特性参数（2）RC

=10kW

时，静态工作点计算若按照放大状态估计，则所以晶体管不能工作在放大状态，而是饱和状态。此时有

在饱和状态下，VCEQ一定等于晶体管饱和压降VCES0.88mA312024/4/14输出回路静态工作点随集电极电阻变化而变化模拟电子学基础322024/4/14例2晶体管共射放大器如图，求输入电阻、输出电阻以及电压放大系数。其中晶体管的rce较大可忽略，所有电容的交流电抗很小可忽略。

晶体管放大器解题三部曲：1、静态工作点2、晶体管小信号等效参数3、电路特性参数模拟电子学基础332024/4/14比较共射放大器模拟电子学基础342024/4/14解：第一步：求解静态工作点根据第二章的讨论，发射极带有电阻的电路静态工作点计算：验证晶体管工作在放大区模拟电子学基础352024/4/14第二步：求解晶体管等效参数第三步：求解电路特性参数模拟电子学基础362024/4/14单管放大器的一般分析过程总结根据要放大信号的特征，区分直流回路与交流回路求晶体管的静态工作点（保证晶体管工作在放大区），并求得晶体管小信号等效参数画出交流小信号等效电路在交流小信号等效电路中，通过列节点方程等手段求出输入输出的电压、电流关系，最后得到放大器的性能指标模拟电子学基础372024/4/14单管共射放大器的输出动态范围研究输出动态范围的目的：保证晶体管工作在放大区模拟电子学基础382024/4/14直流负载线与交流负载线的画法直流负载线：两点法：经过VCC和VCC/RC点斜法：经过VCC，斜率为j=arctan(1/RC)交流负载线：点斜法：经过Q点，斜率为q=arctan(1/RC′)，其中RC′是交流负载电阻模拟电子学基础392024/4/14由于动态范围不够引起的输出失真A饱和失真B截止失真QAQB模拟电子学基础402024/4/14

所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。若温度升高时要Q’回到Q，则只有减小IBQT（℃）→β↑→ICQ↑→Q’ICEQ↑若UBEQ不变IBQ↑Q’温度对静态工作点的影响模拟电子学基础412024/4/14直流通路？Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路1.电路组成静态工作点稳定的典型电路模拟电子学基础422024/4/142.稳定原理

为了稳定Q点，通常I1>>IB，即I1≈I2；因此基本不随温度变化。设UBEQ＝UBE＋ΔUBE，若UBQ－UBE>>ΔUBE，则IEQ稳定。模拟电子学基础432024/4/14Re的作用T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓（UB基本不变）→IB↓→IC↓Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。Re有上限值吗？IC通过Re转换为ΔUE影响UBE温度升高IC增大，反馈的结果使之减小模拟电子学基础442024/4/143.

Q点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是否可忽略不计？判断方法：4.动态分析利?弊?无旁路电容Ce时：如何提高电压放大能力？引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数？稳定静态工作点的方法共集电极放大器直流偏置负载信号源共集放大器的直流与交流回路注：直流回路的解法已经在第二章解决模拟电子学基础492024/4/14共集放大器的交流小信号等效电路计算电压增益以及输入阻抗的部分电路计算输出阻抗的部分电路模拟电子学基础502024/4/14计算输入电阻以及电压增益其中针对前页图中红色框内部分（不计RB）可以写出：根据上述方程(2)，并考虑，可以求电压增益。在上述方程组中消去vo，可以求输入阻抗。模拟电子学基础512024/4/14共集放大器的特性（1）电压增益一级近似，近似条件：b>>1二级近似，近似条件：模拟电子学基础522024/4/14共集放大器的特性（2）输入电阻近似情况一，近似条件：近似情况二，近似条件：此项可能很大计算输出电阻针对p36图中蓝色框内部分，将电压源vs短路，并在输出端加激励电流源io，可以写出：根据上述方程，考虑，消去vi可以求输出电阻模拟电子学基础542024/4/14共集放大器的特性（3）输出电阻其中近似情况一，近似条件：

rce远大于式中其余的电阻近似情况二，近似条件：信号源内阻较小，模拟电子学基础552024/4/14例3已知共集放大器中，晶体管b=150，VA=80V；偏置电阻RB1=10kW，RB2=2kW，RE=1kW；负载电阻RL=1kW；信号源内阻rs=600W；电源电压VCC=12V。假设所有电容对于信号的电抗可以忽略不计，试求放大器的输入电阻、输出电阻以及源电压放大倍数。模拟电子学基础562024/4/14解：第一步：求解静态工作点根据第二章的讨论，发射极带有电阻的电路静态工作点为，其中代入本题数据由于本题满足，所以模拟电子学基础572024/4/14第二步：求解晶体管小信号模型参数第三步：求解电路小信号特性参数注意数值的单位因为满足一级近似条件b

>>1，所以模拟电子学基础602024/4/14共基极放大器直流偏置负载信号源共基放大器的交流小信号等效电路注意：vbe的方向与vi相反列节点方程可求解各特性参数模拟电子学基础622024/4/14共基放大器的特性（1）电压增益近似情况，近似条件：

晶体管共基极放大器的电压增益与共发射极的基本相同，相差一个符号。模拟电子学基础632024/4/14共基放大器的特性（2）输入电阻一级近似，近似条件：rce很大以致可以忽略其影响二级近似，近似条件：rbe/(1+b)远小于RE共基放大器的特性（3）输出电阻近似情况一，近似条件：信号源具有高内阻，rs//RE>>rbe近似情况二，近似条件：集电极偏置电阻较小，RC<<rce模拟电子学基础652024/4/14共源极放大器模拟电子学基础662024/4/14FET放大器的偏置已经在第2章解决一般用估算法计算：用场效应管的大信号模型（ID的表达式）求解方程，要注意得到的解中有一个是多余的也可以用图解法求解，方法与BJT放大器的完全一致模拟电子学基础672024/4/14共源放大器的交流小信号等效电路模拟电子学基础682024/4/14共源放大器的特点输入电阻很高。若不考虑偏置电阻，可以达到极高的数值电压增益的形式类似共发射极放大器，但是一般FET的gm较小，所以电压增益小于共射放大器输出电阻的形式也类似共射放大器只有电压控制模式（FET放大器共同特点）模拟电子学基础692024/4/14共漏极放大器模拟电子学基础702024/4/14共漏放大器的交流小信号等效电路模拟电子学基础712024/4/14共漏放大器的特点输入电阻很高。若不考虑偏置电阻，可以达到极高的数值电压增益的形式类似共集电极放大器，但是一般FET的gm较小，所以电压增益小于1输出电阻较低，且与信号源内阻无关模拟电子学基础722024/4/14共栅极放大器共栅放大器的交流小信号等效电路放大器低频特性总结一、电压增益共射、共源共集、共漏共基、共栅其中RL′是在晶体管输出端看到的所有负载，包含晶体管的输出电阻模拟电子学基础752024/4/14二、输入电阻共射共源共集共漏共基共栅晶体管输入端的偏置电阻晶体管的输入电阻模拟电子学基础762024/4/14三、输出电阻共射共源共集共漏共基共栅晶体管输出端的偏置电阻晶体管的输出电阻模拟电子学基础772024/4/14单管放大器的频率特性频率特性包含高频特性与低频特性需考虑电路中电抗元件（电容、电感以及晶体管极间电容等）的影响作等效电路时应该采用晶体管的高频等效模型为了简化分析过程，有时用密勒定理对被分析的等效电路作单向化近似模拟电子学基础782024/4/14密勒定理将跨接在四端网络两端的阻抗等效到四端网络两侧注意：Av(s)包含Z(s)的作用模拟电子学基础792024/4/14共射放大器的频率特性分析耦合电容影响低频特性（将在多级放大器中讨论）晶体管极间电容影响电路的高频特性模拟电子学基础802024/4/14共射放大器的高频小信号等效电路晶体管极间电容。注意电容Cb'c跨接在输入输出之间模拟电子学基础812024/4/14密勒等效前：密勒等效后：模拟电子学基础822024/4/14等效电源变换等效电源变换以后可以明显看到电路具有2个极点模拟电子学基础832024/4/14共射放大器的频率特性由于密勒效应，Cb'c'变得很大，极点w1的频率较低（主导极点）模拟电子学基础842024/4/14例4某晶体管参数为，，，现接成共射放大器，静态工作点电流ICQ=5mA，信号源内阻（含偏置电阻）为500W，总负载电阻（含偏置电阻）为1kW。试求其高频响应。解：晶体管小信号参数为密勒等效后的晶体管极间电容为模拟电子学基础852024/4/14两个极点频率为可见第一个极点频率远远低于第二个极点频率，所以第一个极点为主导极点。此放大器的高频响应特性主要由此主导极点所左右。模拟电子学基础862024/4/14共集放大器的频率特性分析只讨论极间电容的影响共集放大器的高频等效电路为了简化分析，先忽略此电容，节点电压方程如下：RL'共集放大器的频率特性由节点电压方程解得：特点：1、零点与极点的频率都很高，接近特征频率

2、极点与零点频率比较接近，具有互补作用

3、实际放大器由于Cb‘c的存在，上截止频率受到影响低频增益模拟电子学基础892024/4/14共基放大器的频率特性分析只讨论晶体管极间电容的影响模拟电子学基础902024/4/14共基放大器的高频等效电路忽略基区电阻rbb′后的简化电路rs’共基放大器的频率特性两个极点：特点：不存在密勒效应，另外发射结电阻re

远小于共射放大器的rbe，所以两个极点的频率都比较高，高频特性良好模拟电子学基础922024/4/14共源放大器的频率特性分析只讨论晶体管极间电容影响模拟电子学基础932024/4/14共源放大器的高频等效电路密勒等效前密勒等效后模拟电子学基础942024/4/14共源放大器的频率特性存在两个极点其中由于密勒效应，Cgd′比较大，导致输入电容较大高频响应较差第一个极点是主导极点由于FET放大器的gm较小，密勒效应不如BJT放大器显著模拟电子学基础952024/4/14共漏放大器的频率特性分析只讨论晶体管极间电容影响模拟电子学基础962024/4/14共漏放大器的频率特性1个零点、2个极点：输入电容较小高频响应优于共源放大器Cgs模拟电子学基础972024/4/14共栅放大器的频率特性分析只讨论晶体管极间电容影响模拟电子学基础982024/4/14共栅放大器的频率特性2个极点：高频响应优于共源放大器模拟电子学基础992024/4/14BJT放大器与FET放大器的比较共射共集共基共源共漏共栅电压放大系数高≈1高高<1高电流放大系数高高≈1－－－输入电阻中等高低极高极高低输出电阻高低高高中高高频特性差好好差好好模拟电子学基础1002024/4/14双管组合放大器双管组合放大器的特点：发挥基本放大器的优点，避免其缺点双管组合电路的基本形式：共射-共基电路共集-共集电路共集-共射电路共集-共基电路复合管模拟电子学基础1012024/4/14共射－共基电路vivorbe1rbe2gm1vbe1gm2vbe2RLbebccT1T2RBvbe1++++evbe2模拟电子学基础1022024/4/14共射－共基电路的特点电压增益与共射电路相同输入电阻与共射电路相同输出电阻与共基电路相同，是共射电路的(1+b)倍高频特性比共射电路好得多模拟电子学基础1032024/4/14共集－共集电路高输入电阻低输出电阻电压增益近似等于1模拟电子学基础1042024/4/14共集－共射电路电压增益近似与共射电路相同高输入电阻部分改善共射电路的高频特性模拟电子学基础1052024/4/14复合晶体管极性取决于第一个晶体管不同的复合方式有不同的特性参数共同的参数特点是：b极大（103～104）高频特性一般都较差复合晶体管结构等效的晶体管模拟电子学基础1062024/4/14多级放大器多级放大器的结构多级放大器的小信号放大特性多级放大器的频率特性模拟电子学基础1072024/4/14多级放大器的结构前置放大级：与信号源的耦合，低噪声主放大级：完成放大器的主要特性指标输出级：与负载的耦合，功率输出模拟电子学基础1082024/4/14多级放大器的交流小信号放大特性总放大倍数等于各级放大倍数之积以分贝表示的总增益为各级增益之和后级的输入阻抗是前级放大器的负载阻抗前级放大器的输出阻抗是后级放大器的信号源阻抗总输入阻抗等于首级放大器的输入阻抗总输出阻抗等于末级放大器的输出阻抗模拟电子学基础1092024/4/14多级放大器的频率特性多级放大器的总带宽总是小于各级的带宽若存在某级的下截止频率远远高于其他级的下截止频率，某级的上截止频率远远低于其他级的上截止频率的情况下，多级放大器的频率响应主要就由这两个频率确定。模拟电子学基础1102024/4/14多级放大器的级间耦合方式阻容耦合变压器耦合直接耦合模拟电子学基础1112024/4/14阻容耦合放大器静态工作点相互独立，不存在相互影响无法放大很低频率的信号模拟电子学基础1122024/4/14阻容耦合放大器的频率特性高频特性由各级放大器的高频特性确定（由晶体管确定）各级的低频特性由耦合电路确定第一级第二级模拟电子学基础1132024/4/14带发射极电阻及其旁路电容的共发射极放大电路的低频响应节点电压方程组模拟电子学基础1142024/4/14低频极点，相当于电容缩小为原来的1/(1+b)结论：发射极旁路电容对于放大器低频响应的影响十分显著消去vb和ve，得近似情况，近似条件：模拟电子学基础1152024/4/14讨论如果图中的几个电容相同，低频特性主要由哪个电容决定？C1C2模拟电子学基础1162024/4/14可以同样方法得到带源极电阻及其旁路电容的共源放大电路的响应：同样，源极电容被缩小，对低频的影响加大（