北京交通大学模拟电子技术

1、放大电路基础,本课程的重点章节,教学基本要求： 1. 如何组成基本放大电路 2. 如何评价放大电路 3. 如何分析放大电路,放大的概念及基本性能指标,一、放大的概念,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为出发点,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,二、基本性能指标,利用实验的方法得到。,从输入端看进去的等效电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输

2、出电阻。,放大电路II的输入电阻Ri2是放大电路I的负载电阻。,放大电路I可看作放大电路II的信号源，内阻就是放大电路I的输出电阻RO1。,输入电阻和输出电阻都会影响放大电路的放大能力。,通频带：衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。,Am为中频放大倍数； fL为下限截止频率； fH为上限截止频率； fbw= fH- fL为通频带 。,通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 。,非线性失真：,D：非线性失真系数； A：基波、谐波幅值。,最大不失真输出电压：输入电压再增大就会使输出电压波形失真。用UOM表示或UOPP。,最大输出功率与效率：输出信号不失真情况下负载获得的最大功率，用

3、POM表示。 效率：,基本放大电路,放大器的工作原理,放大电路的分析方法,共集放大电路,共基放大电路,放大器的工作原理, 基本放大电路的组成,简化：,1. 两个电源用一个Ec,去掉Eb, Rb改接由Ec供电。,2. 公共端接地，设其电位为0，其他各点电位以它做参考点。因此可不画Ec,只标出极性和大小。, 基本放大电路的组成,放大器的工作原理,基本组成如下： 三 极 管T 负载电阻RC 、RL 偏置电路EC 、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,使三极管工作在线性区 给输出信号提供能量,起隔直作用,对交流起耦合的作用, 放大电路的静态分析,工作原理,静态,

4、Ui=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值IBQ、ICQ、UCEQ,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量。,静态分析方法,计算法,图解分析法,1. 计算法,借助于放大电路的直流通路来求。,直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到。, 放大电路的静态分析,工作原理,1. 计算法,Si管：UBEQ=0.6V0.7V,Ge管: UBEQ=0.2V0.3V,（2）求静态值,（1） 首先画出直流通路,求解顺序是先求IBQICQUCEQ,UCEQ=EC-ICQRC, 放大电路的静态分析,工作原理,2. 图解法,放大电路

5、的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ,UBE=EC-IBRb, 直流负载线,Ec/Rb,Ec,IBQ,Q,- 1/Rb,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定IBQ、UBEQ。,UCE=EC-ICRc, 直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ, 放大电路的静态分析,工作原理,2. 图解法,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求ICQ、UCEQ,求两点,IC=0 UCE=EC,UCE=0 IC=EC/Rc,作出直流负载线，直流负载线和输出特性曲线的

6、有多个交点。,只有与iB=IBQ对应的那条曲线的交点才是静态工作点。, 放大电路的静态分析,2. 图解法,工作原理,由图可见：,如改变Ib的数值，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量。,3.由直流负载列出方程 UCE=UCCICRc 4.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,关键：直流负载线的确定方法：,1.在输入回路列方程式UBE =UCCIBRb,2.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。, 放大电路的静态分析,2. 图解法,工作原理,EC 、 EC /Rc, 放大电路交流（动态）分析,工作原理

7、,动态,有输入信号Ui0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,1. 放大电路的交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数AU 或AI 输入电阻ri和输出电阻ro 。,（1） 将放大电路中电容视作短路；,交流通路的画法：,（2） 直流电源电阻很小，对交流可视作短路。,即可得到放大电路的交流通路。, 放大电路交流（动态）分析,工作原理,1. 放大电路的交流通路,2. 放大电路的工作过程,当有交流信号ui加到放大器的输入端时，晶体管各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量，此时电路中的信号即有直流，又有交流。,ui,uo,工作原理,规定,直流分量：,大写字母、大写下标,交流分量：,小写字

8、母、小写下标,交直流叠加量：,小写字母、大写下标,工作原理, 放大电路交流（动态）分析,2. 放大电路的工作过程,三极管放大作用,变化的 通过 转变为 变化的电压输出,ui ube ib ic(ib) icRc uce uo,uo与ui的极性相差1800。,uce= -icRL,2-1,工作原理, 放大电路的放大倍数,输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。,电压放大倍数定义为,电流放大倍数定义为,放大电路的分析方法,放大电路的图解分析方法,晶体管的h参数低频小信号模型,共射极h参数等效

9、电路的分析方法,放大器工作点稳定问题,放大电路的图解分析方法,通过作图的方法求AU、AI及放大电路的最大不失真电压。, 交流负载线,交流负载线确定方法： 1. 通过输出特性曲线上过Q点做一条斜率为1/RL直线。,2.交流负载电阻RL= RLRc,3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。,比直流负载线要陡,2-2, 图解分析方法,图解分析,1. 求出静态工作点Q。,2. 画出交流通路，求出交流负载电阻。,RL=Rc/RL,3. 以Q为基准，在输入特性曲线上，根据ui的变化波形求出ib的波形及幅值Ibm。,作出交流负载线。, 图解分析方法,图解分析,不截止 Ucm1,不饱和 Ucm2

10、,2-3, 图解分析方法,图解分析,6. 求增益,AU=Ucm/Uim,AI=Icm/Iim,7. 确定放大器的最大工作范围-最大不失真电压,Ucm=min(Ucm1,Ucm2),通过图解分析，可得如下结论： 1.ui uBE iB iC uCE uo 2.uO与ui相位相反； 3.可以量出放大电路的电压放大倍数； 4.可以确定最大不失真输出幅度。,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点 达到了三极管的饱和区 而引起的非线性失真。,由于放大电路的工作点 达到了三极管的截止区 而引起的非线性失真。,波形的失真,双向失真,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲

11、线放大区的中间部位；,2-4,2-5,2.要有合适的交流负载线；,3. 输入信号的幅度不能太大。,工作点位置合适 信号过大 而引起的非线性失真。,2-3-1,放大电路的等效电路分析方法, 共射h参数模型,模型建立：,小信号、,忽略晶体管的电容效应和非线性,输入特性曲线：,输出特性曲线：,取全微分：,等效电路分析, 共射h参数模型,hie=Ube/ IbUce=C,称为输入电阻，即 rbe。,称为反向电压传输系数。 也称电压反馈系数。,hfe=Ic/ IbUce=C,称为电流放大系数，即。,称为输出电导，即1/rce。,等效电路分析, 共射h参数模型,Ib,Ic, 共集h参数模型,等效电路分析,

12、 共基h参数模型,等效电路分析,三种h参数是可以互换,例：,已知三极管共射h参数:,hie=1.4K hre=3.3710-4 hfe=44 hoe=27 10-6S,该三极管连成共基电路，求它的共基h参数值。,解：,共射和共基的反向传输系数很小，输出电阻都很高。,等效电路分析,h参数简化模型,简化条件：,1. RLhie 可忽略,1. 输入阻抗 ri,ri=hie,如考虑Rb的影响，,ri=Rb/hie,定义：,等效电路分析, 共射h参数等效电路分析方法,2. 电流增益AI,= hfe,3. 电压增益AU,考虑信号源内阻RS的影响,增加放大增益有效的方法：适量增加IEQ。,=,-IcRL,I

13、ihie,等效电路分析, 共射h参数等效电路分析方法,4. 输出阻抗,步骤：,（1）将输入信号源电压Us短路，即 Us =0 （2）将负载开路即RL=,并在输出端外加一激励信号Uo （3）在Uo激励下，产生电流Io,则输出阻抗ro,Ro=,如考虑Rc电阻对输出阻抗的影响,Ro=Rc,放大电路的工作点的稳定,温度漂移,晶体管参数随温度变化的结果使原来设置的工作点随温度而移动的现象。, 温度对晶体管参数的影响,T,IBQ , ,ICBO ,ICEO ,ICQ ,工作点上移,2-7,工作点稳定, 分压式电流负反馈稳定偏置电路,射极偏置电路,Rb1、Rb2和Re构成偏置电路。 Rb1、Rb2组成分压器

14、，提供一个固定的基极电位UB。 Re发射极电阻，提供电流负反馈。,当满足I1IBQ时，,固定,稳定工作点的过程：,T, ICBO ,ICQ ,IEQ ,UE=IEQRe,UBE=UB-UE ,IBQ ,ICQ ,2-8,工作点稳定,射极偏置电路的分析,1. 静态分析,近似估算法：,当满足I1IBQ时，,UE=UB-UBEQ IEQ=UE/Re,工作点稳定,射极偏置电路的分析,2. 动态分析,工作点稳定,射极偏置电路的分析,2. 动态分析,电压增益,-hfeIbRL,=,Ibhie+(1+hfe)IbRe,RL=Rc/RL,由式可看出： Re的引入虽然可以稳定静态工作点，但它也引入交流负反馈，使

15、放大增益大幅度降低。 改进的方法：Re上并联旁路电容,工作点稳定,2. 动态分析,输入电阻,Ib,=,Ibhie+(1+hfe)IbRe,ri=hie+(1+hfe) Re,ri=Rb1/Rb2/hie+(1+hfe) Re,输出电阻,ro=,ro=Rc,电压增益,放大电路的分析步骤,1. 作静态分析,画出电路的直流通路,计算法,图解法,静态值 IBQICQUBEQUCEQ,2. 作动态分析,画出电路的交流通路,三极管用微变等效电路代替,放大电路的微变等效电路,hie,AU ri ro ri ro,图解法：适合于大信号的分析,等效电路法：适合于小信号的分析,等效电路法：,Si:UBEQ=0.6

16、0.7V Ge:UBEQ=0.20.3V,共集放大电路,静态分析,动态分析,静 态 分 析,1. 静态工作点的计算,电压增益AU,(1+hfe)IbRL,=,Ibhie+(1+hfe)IbRL,(1+hfe) RL,=,hie+(1+hfe) RL,RL=Re/RL,AU,(1+hfe)RLhie,hie,共集电路的输入电阻比共射高,输出电阻,=,-Ib(Rs+ hie),-(Ib+ hfeIb),ro=,Rs+ hie,1+hfe,Rs=Rs/Rb,共集电路具有 很低的输出电阻,共集电路,2. 动态分析,输出电阻,ro= Re/ro,电流增益AI,AI=Ie/Ib=1+ hfe,特点：,输入

17、阻抗高 输出阻抗低 电压增益近似为1 电流增益大,2-9,共基放大电路,静态分析,动态分析,静 态 分 析,1. 静态工作点的计算,与射极偏置电路相同,电压增益AU,- hfbIeRL,=,Iehib,RL=Rc/RL,动 态 分 析,共基电路,电压增益AU,电流增益AI,= hfb,电流增益恒小于1， 且近似等于1,输入电阻,ri = hib,ri= ri/Re,共基电路具有 很低的输入电阻,输出电阻,ro = ,ro= ro/Rc= Rc,共基电路,特点： 1. 共基电路输入电阻较小，输出电阻较大，电流增益近似等于1，电压增益与共射电路相同。 2. 直流工作点的温度稳定性好。 3. 共基电

18、路可工作在较高的频率。,级间耦合方式,阻容偶合,变压器偶合,直接耦合,光电耦合,级间耦合方式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。, 阻容耦合,优点：结构简单，各工作点互不影响，放大效果好。 缺点：不能传送较慢的信号或直流信号。 不适宜集成化。, 变压器耦合,耦合方式,级与级之间利用变压器来传送交流信号。, 直接耦合,各级电路之间直接连接或采用对直流呈导通特性的电阻、二极管等元件相接。,存在问题： 1. 前后级工作点相互影响，即存在级间电位匹配的问题。 2. 零点漂移。 3.集电极电位逐级升高。, 光电耦

19、合,耦合方式,工作过程：电光电, 多级放大电路放大倍数的计算,即多级放大器的放大倍数等于各个单级放大电路放大倍数的积,注意：,在求单级放大电路的放大倍数时必须将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联。,复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,判断下列各图是否能组成复合管,在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。,复合管共射电路增强了电流的放大能力，增大倍。减小了对信号源驱动电流的要求。,共射与共基电路组合在一起，既保

20、持了电压的放大能力，又获得共基电路的较好高频特性。,若2远远大于1，则,场效应管及其基本放大电路,场效应管的主要参数和微变等效电路,场效应管基本放大电路,概 述,场效应管与晶体管的区别,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单级型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管,场效应管的主要参数和微变等效电路,直流参数,微变参数,微变等效电路,场效应管的直

21、流参数,2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型JFET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,场效应管的直流参数,4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比。结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,场效应管的微变参数,1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作

22、用,gm的求法: 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率 解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2,场效应管的微变参数,2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,微变参数,3. 漏极电阻rds,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率。,微变参数,5. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,场效应管的微变等效电路, 低频微变等效电路,由输出特性：,ID=f(UGS,UDS),微变

23、等效电路, 高频微变等效电路,场效应管放大电路,场效应管偏置电路,三种基本放大电路,场效应管偏置电路, 自给偏置电路,自给偏置电路：,适合结型场效应管和耗尽型MOS管,外加偏置电路：,适合增强型MOS管,UGS = UG-US,= -ISRS, -IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),RS的作用： 1. 提供栅源所需的直流 偏压。 2. 提供直流负反馈，稳 定静态工作点。 RS越大，工作点越稳 定。但会造成工作点偏 低，放大增益减少，非 线性失真增大。,偏置电路, 自给偏置电路,大电阻（M)， 减小R1、R2对放大电 路输入电阻的影响。,UGS = UG-US,-I

24、DRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),偏置电路, 外加偏置电路,-IDRS,R1和R2提供一个固定栅压,UGS = UG-US,注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作。,三种基本放大电路, 共源放大电路,1. 直流分析,基本放大电路, 共源放大电路,D,S,Ui,Uo,未接Cs时,一般rds较大可忽略,=,- gmUgsRD,Ugs,+ gmUgsRs,RD=RD/RL,基本放大电路, 共源放大电路,未接Cs时,ri=RG+(R1/R2),RG,ro RD,接入Cs时,AU= -gm(rds/RD/RL),ri=RG+(R1/R2),RG,ro

25、 =RD/rds RD,Rs的作用是提供一个直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它同时对交流也起负反馈作用，使电路的放大倍数降低。 接入CS可以消除RS对交流的负反馈作用。,基本放大电路, 共漏放大电路,Ui,Uo,=,gmUgsRS,Ugs,+ gmUgsRs,RS=rds/RS/RL RS/RL,1,AU1,ri=RG,电压增益,输入电阻,基本放大电路, 共漏放大电路,输出电阻,- gmUgs,Ugs= -Uo,=Uo(1/Rs+gm),电压增益,基本放大电路, 共栅放大电路,电压增益,Id=gmUgs+Uds/rds,Uds=Uo-Ui,Uo= -IdRD,Ugs= -Ui,Id

26、= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds,AU gmRD,输入电阻,ri=Ui/Id,rdsRD gmrds1,ri1/gm,riRs/1/gm,基本放大电路, 共栅放大电路,电压增益,AU gmRD,输入电阻,ri1/gm,riRs/1/gm,输出电阻,ro=rds,ro=rds/RD RD,电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相。,小 结, 放大电路的构成：有源器件，如晶体管。要保证有源器件能正常工作，既要有合适的静态工作点，又要使变化的信号能输入、放大、输出并基本不失真。,小 结, 放大电路的性能分析主要有静态分析和动态分析。 静态分析求输入信号为零时，放大电路的工作