第05次课 20131014(放大电路静态分析)

1、浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础2. FET2. FET放大电路的直流偏置放大电路的直流偏置场效应管栅极电流为零，是一种压控型有源器件场效应管栅极电流为零，是一种压控型有源器件,其漏极电流其漏极电流ID在恒流区内仅取决于栅源电压。在恒流区内仅取决于栅源电压。FET放放大电路的偏置电路有其自身特点。大电路的偏置电路有其自身特点。 栅极固定偏置电路栅极固定偏置电路 只适用于增强型只适用于增强型MOS管管 栅极电压由电阻分压得到栅极电压由电阻分压得到212gggDDGSQRRRVV 2)1( TGSQDODQVVIIDQdDDDSQIRVV 分压偏置电路分压偏置电路浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基

2、础 自偏置电路自偏置电路自偏压偏置电路自偏压偏置电路 Rg为为栅极泄放电阻栅极泄放电阻，泄放，泄放栅极感生电荷，并提供栅栅极感生电荷，并提供栅极与源极间直流电压，通极与源极间直流电压，通常取常取0.110M。 Rs为为源极偏置电阻源极偏置电阻，作用，作用类似于共射电路的类似于共射电路的Re，可，可以稳定静态工作点以稳定静态工作点 。 只适用于耗尽型只适用于耗尽型FET。sDSGGSRIVVV 由于耗尽型由于耗尽型FET在在VGS0时存在导电沟道，所以电时存在导电沟道，所以电路有漏极电流路有漏极电流ID。 由于由于IG0，所以，所以Rg上上无直流压降，无直流压降，VG0。应为耗尽型应为耗尽型浙江

3、大学 蔡忠法 集成电子技术基础 混合偏置电路混合偏置电路 VGS与栅极电压有关，还与栅极电压有关，还与漏极电流相关与漏极电流相关分压自偏置电路分压自偏置电路 适用于耗尽型和增强型适用于耗尽型和增强型FET 若若VGIDRs，则可适用于增强型管（，则可适用于增强型管（N沟道）；沟道）；若若VGIDRs，则可适用于耗尽型，则可适用于耗尽型MOS管或管或JFET。sDgggDDsDGGSRIRRRVRIVV 212上式称为上式称为偏压线方程偏压线方程浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 改进的电路改进的电路增加增加Rg3，以提高输，以提高输入电阻入电阻典型电路典型电路由于由于IG=0， Rg3无压无压

4、降，静态没有影响降，静态没有影响 Q点的确定点的确定 )1(2212TGSDODsDDDgggGSVVIIRIVRRRV解联立方程得到：解联立方程得到：浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 已知漏极饱和电流已知漏极饱和电流IDSS=1mA，夹断电压，夹断电压VP =2V。求静态工作点（。求静态工作点（VGSQ、IDQ、VDSQ），并验证其），并验证其合理性。合理性。例2.1.7图（图（a）图中应为耗尽型图中应为耗尽型浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础解 已知已知IDSS=1mA，VP =2V )21(1)1(106 . 41612030012022GSPGSDSSDDsDGSVVVIIIRIV

5、V8 . 3mA84. 0GSQDQVI V6 . 0mA52. 0GSQDQVI（舍去）（舍去）V 6 . 5)( sdDDDDSQRRIVV因因说明说明FET工作在放大区工作在放大区V 4 . 1 PGSQDSQVVV浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 已知已知IDSS = 4mA，VGSQ =2V，VP =4V。求。求IDQ、RS1，并确定，并确定RS2的最大值。的最大值。例2.1.7图（图（ b ）图中应为耗尽型图中应为耗尽型浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础解已知已知IDSS = 4mA，VGSQ =2V，VP =4VVGSQ = -2VmA 1)421(4)1(22 PGSQDSS

6、DQVVIIV 21 sDGSQRIV k 21sR为保证场效应管工作为保证场效应管工作在放大区，要求：在放大区，要求：V 2 PGSQDSQVVVV 2)( 2021 SsdDQDSQRRRIV k 62SR浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础二、耦合方式（信号输入与输出电路）二、耦合方式（信号输入与输出电路）放大电路除了合适的静态工作点，还要保证信号放大电路除了合适的静态工作点，还要保证信号输入信号加得进来，输出信号取得出来，即合适的输入信号加得进来，输出信号取得出来，即合适的输入耦合和输出耦合。输入耦合和输出耦合。 电容耦合电容耦合 直接耦合直接耦合 变压器耦合变压器耦合常见的常见的3种耦

7、合方式：种耦合方式：浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 电容耦合电容耦合 电容有隔直流作用，电容有隔直流作用，不影响直流偏置。不影响直流偏置。 对交流信号而言，对交流信号而言，电容的容抗很小，电容的容抗很小，可忽略（交流短可忽略（交流短路）。路）。 电容耦合只适用于电容耦合只适用于输入信号为交流，输入信号为交流，且频率一般在且频率一般在20Hz以上。以上。 设信号频率为设信号频率为f=1 kHz，C1=10 F，则容抗为，则容抗为 9 .151010211531 C浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 直接耦合直接耦合 输入信号源与放大输入信号源与放大电路直接相连。电路直接相连。 由于由于FET

8、栅极无电栅极无电流，所以信号源直流，所以信号源直接相连不会影响直接相连不会影响直流偏置。流偏置。 直接耦合可以适用于直接耦合可以适用于放大变化缓慢的信号放大变化缓慢的信号（如温度变化）。（如温度变化）。浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 变压器耦合变压器耦合 直流通路中，电感直流通路中，电感相当于短路。相当于短路。 交流通路中，变压器交流通路中，变压器起阻抗变化作用。起阻抗变化作用。 变压器耦合可以放大交变压器耦合可以放大交流信号，还起信号隔离、流信号，还起信号隔离、阻抗变换作用。阻抗变换作用。浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础例2.1.9分别画出直流通路和交流通路；从电源极性、三分别画出直流

9、通路和交流通路；从电源极性、三极管类型、偏置电路和信号输入、输出电路等几方面极管类型、偏置电路和信号输入、输出电路等几方面检查各放大电路的组成是否合理？应如何改正？检查各放大电路的组成是否合理？应如何改正？(a) (c) (e)浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础解图（图（a）直流通路直流通路交流通路交流通路改正后改正后浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础图（图（c）直流通路直流通路交流通路交流通路改正后改正后浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础图（图（e）直流通路直流通路交流通路交流通路改正后改正后浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础第第2章章 放大电路的动态分析放大电路的动态分析本章主要讨论：本章

10、主要讨论： 三极管和场效应管的小信号模型三极管和场效应管的小信号模型 基本放大电路的动态分析基本放大电路的动态分析 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础2.2.1 放大电路的动态性能指标放大电路的动态性能指标一、输入信号源和输出负载一、输入信号源和输出负载放大电路有时简称放大器，它的性能指标因信放大电路有时简称放大器，它的性能指标因信号源和负载的不同要求而定。例如，音频放大器号源和负载的不同要求而定。例如，音频放大器（扩音机、音响）的输入信号源有话筒、收录音和（扩音机、音响）的输入信号源有话筒、收录音和CD、VCD、DVD等音源，负载为扬声器或耳机。等

11、音源，负载为扬声器或耳机。音频放大器的许多性能指标（放大倍数、输入阻抗、音频放大器的许多性能指标（放大倍数、输入阻抗、频率响应等）必须与上述信号源和负载相匹配。频率响应等）必须与上述信号源和负载相匹配。放大电路示例：音响、电话机、门铃、测量电放大电路示例：音响、电话机、门铃、测量电路（如测温度、压力、流量）、驱动电路路（如测温度、压力、流量）、驱动电路浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础1.1.输入信号源输入信号源 单端信号源与双端信号源单端信号源与双端信号源 大部分信号源都为单端信号源，即一端接公共地。大部分信号源都为单端信号源，即一端接公共地。电压源型电压源型等效内阻小等效内阻小电流源型电流

12、源型等效内阻大等效内阻大 另一种信号源的两个输出都不与公共地相连，称为另一种信号源的两个输出都不与公共地相连，称为双端信号源（也称为对称信号源）。双端信号源（也称为对称信号源）。浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础例应力测量电路 测量前，应变片电阻测量前，应变片电阻 RP=350 ，电桥处于，电桥处于平衡状态平衡状态 测量开始后，应变片测量开始后，应变片阻值因受力而发生变阻值因受力而发生变化，电桥失去平衡。化，电桥失去平衡。设设va=5V, vb=4.98V。 mV 20 baIdvvvV 99. 42 baIcvvv差值反映了被测应力的变化，差值反映了被测应力的变化，需要放大。称为需要放大。称

13、为差模分量差模分量。均值反映了测量初始条件，不均值反映了测量初始条件，不需要放大。称为需要放大。称为共模分量共模分量。浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 输入信号的波形输入信号的波形 慢变信号或直流信号慢变信号或直流信号 交流信号（正弦信号）交流信号（正弦信号） 周期性信号，总可以分解为周期性信号，总可以分解为一系列正弦信号，因此输入一系列正弦信号，因此输入以正弦信号为代表以正弦信号为代表 常用常用相量相量符号来表示符号来表示 对放大电路的通频带有要求对放大电路的通频带有要求 随时间变化缓慢的信号随时间变化缓慢的信号 常用常用增量增量符号来表示符号来表示浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 瞬变

14、信号瞬变信号 随时间变化很快的信号随时间变化很快的信号 需考虑放大电路的响应速度需考虑放大电路的响应速度2.2.输出负载输出负载输出负载包括后级放大电路，电压、电流表，输出负载包括后级放大电路，电压、电流表，扬声器，继电器和伺服电机等，大致分三类：扬声器，继电器和伺服电机等，大致分三类： 要求有足够大的输出信号要求有足够大的输出信号电压电压，而对输出信号电，而对输出信号电流没有要求。这类负载的流没有要求。这类负载的等效电阻较大等效电阻较大，如高内，如高内阻电压表或后级放大电路。阻电压表或后级放大电路。浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 要求有足够大的输出信号要求有足够大的输出信号电流电流，而对

15、输出信号电，而对输出信号电压没有要求。这类负载的压没有要求。这类负载的等效电阻较小等效电阻较小，如继电，如继电器线包等。器线包等。 要求有足够大的输出信号要求有足够大的输出信号功率功率，即要求放大器件，即要求放大器件的输出信号电压和输出信号电流均应有尽可能大的输出信号电压和输出信号电流均应有尽可能大的动态范围。的动态范围。不同类型的信号源和负载对放大电路有不同的不同类型的信号源和负载对放大电路有不同的要求。不仅需要选择适当要求。不仅需要选择适当类型类型的放大电路，还需的放大电路，还需要用要用性能指标性能指标来表示放大电路对信号源和负载的来表示放大电路对信号源和负载的适应能力适应能力。浙江大学

16、蔡忠法 集成电子技术基础 增益增益又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号能力。又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号能力。最常用的是最常用的是电压增益电压增益：iovVVA 开路电压增益开路电压增益：源电压增益源电压增益：sovsVVA ioovoVVA 放大电路性能的优劣，常用性能指标来衡量。放大电路性能的优劣，常用性能指标来衡量。二、放大电路的主要性能指标二、放大电路的主要性能指标浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础增益常用分贝增益常用分贝(dB)作为单位，作为单位，1分贝分贝1/10贝尔，贝尔，源于功率增益的对数：源于功率增益的对数： iovVVdBAlg20)( “ 0dB” 相当于相当于

17、Av1；“20dB”相当于相当于 Av10；“40dB”相当于相当于 Av100；“-20dB”相当于相当于Av0.1 ；“-40dB”相当于相当于Av0.01 ； iopPPdBAlg10)( 当用于电压增益时：当用于电压增益时： 分贝分贝浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础输入电阻输入电阻Ri是从放大是从放大电路输入端看进去的等电路输入端看进去的等效电阻。效电阻。iiiIVR 输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。的能力。Ri越大越大，则信号电压损失越小，输入电压，则信号电压损失越小，输入电压越接近信号源电压越接近信号源电压。 输入电阻输入电

18、阻 RivsiisiiosovsARRRVVVVVVA 输入电阻影响源电压增益：输入电阻影响源电压增益：浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 输出电阻输出电阻 Ro放大电路负载开路时放大电路负载开路时从输出端看进去的等效从输出端看进去的等效信号源内阻。信号源内阻。输出电阻的大小，反映了放大电路带负载的能输出电阻的大小，反映了放大电路带负载的能力。力。Ro越小越小，则放大电路，则放大电路带负载能力越强带负载能力越强，电路输，电路输出越接近恒压源输出。出越接近恒压源输出。 输出电阻输出电阻Ro的确定：的确定： LsRVoooIVR0 电路分析法电路分析法浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 实验测量法

19、实验测量法ooLoLoVRRRV LooooRVVR 1IoVoVooRo=0Ro O负载特性负载特性 测量空载（测量空载（ RL开路）时的开路）时的输出电压输出电压Voo； 测量带载（接已知阻值的测量带载（接已知阻值的RL）时的输出电压）时的输出电压Vo。负载特性负载特性“硬硬”的含义是什么？的含义是什么？浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础低频段或高频段：低频段或高频段：结电容和极间电容结电容和极间电容的影响。的影响。通频带越宽通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。适应能力越强。如对于扩音机电路，其通频带应大于音频范围如对于扩音机电路，其通频带应

20、大于音频范围(20Hz20kHz)。下限频率下限频率上限频率上限频率通频带通频带：HLHfffBW 通频带通频带浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电产生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电压压(或输出电流或输出电流)的峰值，用的峰值，用Vom (或或Iom)表示。表示。 截止失真截止失真：由于进：由于进入截止区而产生的入截止区而产生的失真。失真。 饱和失真饱和失真：由于进：由于进入饱和区而产生的入饱和区而产生的失真。失真。 最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度浙江大学

21、蔡忠法 集成电子技术基础2.2.2 三极管的低频小信号模型三极管的低频小信号模型(1)输入回路：输入回路：b-e之间等效为之间等效为动态电阻动态电阻rbe 。一、双极型管的低频小信号模型一、双极型管的低频小信号模型浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础(2) 输出回路：输出回路：集电极电流的变化集电极电流的变化iC可以看作可以看作iB和和vCE分别单独变化时引起的。分别单独变化时引起的。当当vCEVCEQ不变不变时，时，BCii 当当iBIBQiB不变不变时时, tgivrCCEce1 ceCECrvi 当当iB和和vCE同时作用同时作用时，时，ceCEBCCCrviiii 浙江大学 蔡忠法 集成

22、电子技术基础动态输出电阻动态输出电阻rce一般一般很大很大，通常可以忽略。，通常可以忽略。所以，输出回路所以，输出回路c-e间的模型由间的模型由受控电流源受控电流源“iB”和和c-e间间动态输出电阻动态输出电阻rce并联组成。并联组成。ceCEBCCCrviiii 若若rce= ，则三极管输出特性曲线是怎么样？，则三极管输出特性曲线是怎么样？浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础 也可由网络方程导出模型也可由网络方程导出模型vBE=h11iB+h12vCEiC=h21iB+h22vCEh11是输出端交流短路时的输入电阻是输出端交流短路时的输入电阻bevBBErivhCE 011H参数模型参数模型浙

23、江大学 蔡忠法 集成电子技术基础h21是输出端交流短路时的电流放大系数是输出端交流短路时的电流放大系数 021CEvBCiihh22是输入端交流开路时的输出电导是输入端交流开路时的输出电导ceiCECrvihB1022 当忽略当忽略h12时，时，H参数模型与小信号模型是相同的参数模型与小信号模型是相同的。0012 BiCEBEvvh输出电压的变化对输入端电输出电压的变化对输入端电压变化的影响很小，可忽略。压变化的影响很小，可忽略。h12是输入端交流开路时的电压反馈系数是输入端交流开路时的电压反馈系数浙江大学 蔡忠法 集成电子技术基础只适用于只适用于低频低频小信号下。小信号下。变化量变化量或或交流分量交流分量，不允许出现直流量或瞬时量，不允许出现直流量或瞬时量符号。符号。微变参数，微变参数，与与Q点有关点有关，不是固定常数。，不是固定常数。电流源电流源“iB” 方向和大小由方向和大小由iB