基本放大电路

1、.,第二章 基本放大电路,.,第二章 基本放大电路,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,2.2 基本共射放大电路的工作原理,2.3 放大电路的分析方法,2.4 静态工作点的稳定,2.5 晶体管放大电路的三种接法,2.6 场效应管及其基本放大电路,2.7 基本放大电路的派生电路,.,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,一、放大的概念,二、放大电路的性能指标,.,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出发点,至少一路直流电源供电,.,二、性能指标,1. 放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大

2、倍数是最常被研究和测试的参数,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,.,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。,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,.,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。,5. 最大输出功率Pom和效率：功率放大电路的参数,.,补充：符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流分量。,uA,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下

3、标，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,.,2.2 基本共射放大电路的工作原理,一、电路的组成及各元件的作用,二、设置静态工作点的必要性,三、波形分析,四、放大电路的组成原则,.,如图所示为声音放大的简单演示实验电路，BJT选用NPN硅管3DD6，Rc为动圈式8扬声器，Rb选用电话机炭精式送话器，送话器是一个声控电阻，说话时，送话器电阻受声控而改变，引起iB的变化iB，而iC=iB，因此可得到放大的声音信号。,一、电路的组成及各元件的作用,.,一、电路的组成及各元件的作用,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。,VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。,

4、Rc：将iC转换成uCE(uo) 。,动态信号作用时：,输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、 ICQ（IEQ）、 UBEQ、 UCEQ。,共射,.,二、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？,.,三、基本共射放大电路的波形分析,输出和输入反相！,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！,.,四、放大电路的组成原则,静态

5、工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。 动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。 对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,.,两种实用放大电路：（1）直接耦合放大电路,问题： 1. 两种电源 2. 信号源与放大电路不“共地”,共地，且要使信号驮载在静态之上,静态时，,动态时，VCC和uI同时作用于晶体管的输入回路。,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失, ,UBEQ,.,两种实用放大电路：（2）阻容耦合放大电路,耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。,静态时，C1、C2上电压？,

6、动态时，,C1、C2为耦合电容！,uBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。 负载上只有交流信号。,.,2.3 放大电路的分析方法,一、放大电路的直流通路和交流通路,三、图解法,四、等效电路法,二、分析方法概述,.,一、放大电路的直流通路和交流通路,1. 直流通路： Us=0，保留Rs；电容开路； 电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。 2. 交流通路：大容量电容相当于短路；直流电源相当于短路（内阻为0）。,通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。,.,A)基本共射放大电路的直流通路和交流通路,列晶体管输

7、入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQIBQ，可估算出静态工作点。,VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。,., 近似计算法求静态工作点Q,目标：求解IBQ 、VBEQ 、ICQ 、VCEQ,1. 静态(直流工作状态),直流通路,找4个方程联立求解即可,(1) 根据Je正偏，即由基极发射极回路,(2) 根据Jc反偏，即由集电极发射极回路,(3) 假设三极管处于放大状态，则 IC = IB,(4) 由二极管恒压降模型（近似）,硅管VBE = 0.7V，锗管VBE = 0.2V。,例 已知 =80, Rc=5.1k,VCC=12V,VBB= 4V。 (1) Rb=22

8、0k； (2) Rb=100k；,工作在放大区。,工作在饱和区。,.,例题,电路如图所示，已知晶体管50，在下列情况下，用直流电压表测晶体管的集电极电位，应分别为多少？设VCC12V，晶体管饱和管压降UCES0.5V。,(1)正常情况;(2)Rb1短路;(3)Rb1开路;(4)Rb2开路;(5)RC短路。,解: 设UBE0.7V。则,(1),UBE=0V T截止 UC=12V。,(2),由于ICICS，故T饱和，UCUCES0.5V。,(3),T截止，UC12V。,UCVCC12V,(4),(5),0.7V,.,当VCCUBEQ时，,已知：VCC12V， Rb600k， Rc3k ， 100。

9、 Q？,B)阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,.,二、分析方法概述,图解分析法,小信号模型分析法,优点：直观、形象 建立交、直流共存，静态和动态等重要概念； 理解合理的静态工作点。 全面分析放大电路的静态动态工作情况。,优点：实用、简洁方便（有使用条件） 分析放大电路的动态性能指标(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时的分析。,.,三、图解法应实测特性曲线,共射极放大电路, 图解分析法思路, 输入回路求解 vBE、iB, 输出回路求解 iC 、vCE,输入回路KVL 直线,三极管输入特性（非线性）, 先静态、后动态,输出回路KVL 直线,三极管输出特性（非线性）,交点

10、,交点,近似处理！,.,1. 静态工作点的图解分析,输入信号vs0 直流通路, 输入回路 求解 VBE、IB,输入回路KVL,三极管输入特性,三极管输出特性, 输出回路 求解 IC 、VCE,输出回路KVL,直流负载线,三、图解法应实测特性曲线,.,2. 动态工作情况的图解分析,输入正弦信号vs Vsmsint 交流通路？, 输入回路 求解 vBE、iB波形,输入回路KVL,三极管输入特性,三极管输出特性, 输出回路 求解 iC 、vCE波形,输出回路KVL,交点沿直流负载线上下移动,交点沿输入特性上下移动,三、图解法应实测特性曲线,.,2. 动态工作情况的图解分析,交点沿直流负载线上下移动,

11、交点沿输入特性上下移动,可得如下结论：,(2) vo 与vi 相位相反（反相电压放大器）；,(3) 可以测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。 ？失真？,三、图解法应实测特性曲线,.,2. 动态工作情况的图解分析,交点沿直流负载线上下移动,交点沿输入特性上下移动,几个问题： 几个重要概念！,(1) 静态工作点Q的位置不妥 非线性失真（饱和、截止）,(3) 最大不失真输出幅度 线性范围（动态范围）,(5) 接入负载对放大的影响？,(4) 能否使用叠加原理？如何使用？,(2) Q点适中但输出幅值较大 非线性失真,三、图解法应实测特性曲线,.,3. 静态工作点对波形失真

12、的影响,三、图解法应实测特性曲线,.,因动态工作点进入饱和区而产生的失真称为饱和失真，在输出回路产生的失真,线性范围 用最大不失真输出幅度Vom来衡量,Q点偏高 易出现饱和失真， Vom为Q点到饱和区边沿的距离,3. 静态工作点对波形失真的影响,问题(1) 静态工作点Q的位置不妥 非线性失真（饱和、截止）,三、图解法应实测特性曲线,.,Q点偏高 易出现饱和失真， Vom为Q点到饱和区边沿的距离,Q点偏低 易出现截止失真， Vom为Q点到截止区边沿的距离,3. 静态工作点对波形失真的影响,因动态工作点进入截止区而产生的失真称为截止失真，首先在输入回路产生,线性范围 用最大不失真输出幅度Vom来衡

13、量,问题(1) 静态工作点Q的位置不妥 非线性失真（饱和、截止）,三、图解法应实测特性曲线,.,非线性失真与线性范围,饱和失真,截止失真,当工作点达到了饱和区而引起的非线性失真。 NPN管 输出电压为底部失真,当工作点达到了截止区而引起的非线性失真。 NPN管 输出电压为顶部失真。,饱和区特点： iC不再随iB的增加而线性增加，即,此时,，vCE= VCES ，典型值为0.3V,截止区特点：iB=0， iC= ICEO,注意：对于PNP管，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,发射结正偏 集电结正偏,发射结反偏,3. 静态影响工作点对波形失真的,三、图解法应实测特性曲线,.,2. 动态工作情况

14、的图解分析,交点沿直流负载线上下移动,交点沿输入特性上下移动,几个问题： 几个重要概念！,(1) 静态工作点Q的位置不妥 非线性失真（饱和、截止）,(3) 最大不失真输出幅度 线性范围（动态范围）,(5) 接入负载对放大的影响？,(4) 能否使用叠加原理？如何使用？,(2) Q点适中但输出幅值较大 非线性失真,三、图解法应实测特性曲线,.,放大电路要想获得最大的不失真输出幅度，要求:, 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。,问题(2) Q点适中但输出幅值较大 非线性失真,.,2. 动态工作情况的图解分析,几个问题： 几个重要概念！,(1) 静态工作点Q的位置

15、不妥 非线性失真（饱和、截止）,(3) 最大不失真输出幅度 线性范围（动态范围）,(5) 接入负载对放大的影响？,(4) 能否使用叠加原理？如何使用？,(2) Q点适中但输出幅值较大 非线性失真,叠加原理使用条件 小信号,输入特性: 范围小,输出特性: 不超出放大区,三、图解法应实测特性曲线,.,问题(5) 接入负载对放大有无影响？,输出回路(负载线) 出现变化,缺点1: 负载影响太大：影响Q和线性范围，且使输出幅值下降。,.,4、直流负载线和交流负载线,直流负载线：直流量所遵循的负载线(IC和UCE之间关系的直线) 交流负载线：动态信号(交直流共存)遵循的负载线 (全量iC和uCE之间关系的

16、直线) 直流负载线：静态特性(图解法求Q点) 交流负载线：动态特性(放大倍数Au，失真情况，最大不失真输出电压Uom) 直接耦合放大电路：交流负载线和直流负载线合二为一 阻容耦合放大电路：空载时，交流、直流负载线合二为一 有负载时，交流负载线和直流负载线交点为Q，斜率不同,.,四、等效电路法,半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。,1. 直流模型：适于Q点的分析,利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。,输入回路等效为恒压源,输出回路等效为电流控制的电流源,.,2. 晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）,在交流通路中可将晶体管看成

17、为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。,低频小信号模型,.,在低频、小信号作用下的关系式,交流等效模型（按式子画模型）,电阻,无量纲,无量纲,电导,.,h参数的物理意义,输出端交流短路时,b-e间的动态电阻,输入端交流开路时的反向电压传输比，即内反馈系数,输出端交流短路时,正向电流传输比或电流放大系数,输入端交流开路时，c-e间的电导,分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？,四个参数量纲各不相同，故称为混合参数（H参数）,.,简化的h参数等效电路交流等效模型,查阅手册,利用PN结的电流方程可求得,在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！, H参数都是小信号参

18、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。,注意：, ib 是受控源，电流方向与ib的方向是关联的。(PNP型管的模型相同),其中对于低频小功率管 rbb200,则,.,3. 放大电路的动态分析,放大电路的 交流等效电路,.,1）. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。,2）. 加压求流法。,3.1 求输出电阻Ro方法：,.,3.2 用H参数小信号模型分析共射极放大电路,(1) 求Q点(利用直流通路, vs=0),(2) 画小信号等效电路,(3) 求放大电路动态指标,电压增益、输入和输出电阻,例 已知 =80, VCC=12V,VBB= 4V; Rc=5.1

19、k, Rb=220k。 (a) RL=； (b) RL=5.1k；,工作在放大区。,(a) RL = :,(b) RL = 5.1k:,一般硅管VBE0.7V,锗管VBE 0.2V, 已知。,工作在放大区(负载对Q影响大),A) 直接耦合共射放大电路的动态分析,.,(2) 画小信号等效电路,(1) 求Q点(利用直流通路, vs=0),(3) 求放大电路动态指标,电压增益,H参数小信号等效电路,3.2 用H参数小信号模型分析共射极放大电路,输入电阻,输出电阻,（可作为公式）?,A) 直接耦合共射放大电路的动态分析,.,例已知 =80, VCC=12V,VBB= 4V; Rc=5.1k, Rb=2

20、20k。 (a) RL=； (b) RL=5.1k；,3.2 用H参数小信号模型分析共射极放大电路,(2) 画小信号等效电路,(1) 求Q点,(3) 求放大电路动态指标,H参数小信号等效电路,(a) RL = :,(b) RL = 5.1k:,缺点2: 电压增益太小，原因是偏置电阻Rb上信号的衰减太多。,缺点1: 负载影响太大：影响Q和线性范围，且使输出幅值下降(输出电阻较大)。,.,B) 阻容耦合共射放大电路的动态分析,输入电阻中不应含有Rs!,输出电阻中不应含有RL!,3.2 用H参数小信号模型分析共射极放大电路,C1、C2典型取值：10100F,f =1kHz时电抗：,.,例(自学)请对

21、以下阻容耦合共射放大电路进行静态分析和动态分析,3.2 用H参数小信号模型分析共射极放大电路,.,作业： 2.2、6、7、13,.,2.4 静态工作点的稳定,一、温度对静态工作点的影响,二、静态工作点稳定的典型电路,三、稳定静态工作点的方法,.,温度T ,少子浓度,IC ,ICBO , ICEO ,IC = IB +(1+)ICBO,IB ,VBE ,载流子运动加剧，发射相同数量载流子所需电压,输入特性曲线左移, ,载流子运动加剧，多子穿过基区的速度加快，复合减少,IC IB,输出特性曲线上移,输出特性曲线族间隔加宽,Q点上移 rbe AV ,一、温度对静态工作点的影响,.,一、温度对静态工作

22、点的影响,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IBQ,.,二、静态工作点稳定的典型电路,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,1. 电路组成,.,2. 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 UBEUBE，若UBQ UBEUBE，则IEQ稳定。,.,Re 的作用,T()ICUE 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

23、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？,.,3. 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？,有旁路电容Ce时：,.,1,带射极旁路电容的共射极电路,妥协、折衷的解决方案：,.,三、稳定静态工作点的方法,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？,.,讨论,图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？,若采用了措施，则是什么措

24、施？,.,2.5 晶体管放大电路的三种接法,一、基本共集放大电路,二、基本共基放大电路,三、三种接法放大电路的比较,.,一、基本共集放大电路,1. 静态分析,.,2. 动态分析：电压放大倍数,故称之为射极跟随器,.,2. 动态分析：输入电阻的分析,Ri与负载有关！,带负载电阻后,.,2. 动态分析：输出电阻的分析,Ro与信号源内阻有关！,3. 特点：输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在一定条件下有电压跟随作用！,令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io, 。,.,二、基本共基放大电路,1. 静态分析,.,2. 动态分析,3. 特点：,输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电

25、流！,.,三种组态的判别,从直流偏置看结构特点均属于正负电压偏置电路,共射极 vi施加在基极 从集电极取出vo,共集电极 vi施加在基极 从发射极取出vo (射极输出器),共基极 vi施加在发射极 从集电极取出vo,三、三种接法的比较,.,三、三种接法的比较：空载情况下,接法 共射 共集 共基 Au 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 频带 窄 中 宽,.,三种组态的特点及用途（请参考康华光版本的教材）,.,三种组态的特点及用途,共射极放大电路： 电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级

26、。 共集电极放大电路： 只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。可用于输入级、输出级或缓冲级。 共基极放大电路： 只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。,.,讨论一： 图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。,.,电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。,1. Q为多少？ 2. Re有稳定Q点的作用吗？ 3. 电路的交

27、流等效电路？ 4. V 变化时，电压放大倍数如何变化？,讨论二,.,讨论二,改变电压放大倍数,.,2.6 场效应管及其基本放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,.,一、场效应管（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,1. 结型场效应管,符号,结构示意图,导电沟道,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,.,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s

28、必须加负电压？,UGS（off）,.,漏-源电压对漏极电流的影响,uGSUGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。,预夹断,uGDUGS（off）,VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,uGDUGS（off）,uGDUGS（off）,.,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。,uDGUGS（off）,.,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,击 穿 区,夹断区（截止区）,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,.,2. 绝缘栅型场效应管,uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,SiO2绝缘层,衬底,反型层,增强型管,大到一定值才开启,.,增强型MOS管uDS对iD的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流