模拟电路基础课件：第二章 放大电路的基本原理和分析方法

1、 第二章 放大电路的基本原理 和分析方法 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 场效应管基本放大电路2.7 基本放大电路的派生电路放大把微弱的电信号的幅度放大。放大电路在保持信号不失真的前提下，将微弱的电信号（电压、电流、功率）放大到所需的量级，且功率增益大于1的电子线路。三极管是构成放大电路的核心元件之一一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即不失真。概 述2.1 放大的概念与放大电路的性能指标一、

2、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（通常情况）放大的本质：能量的控制与转换放大的特征：功率放大（电压或电流）放大的基本要求：不失真或失真小于一定值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二、性能指标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，任何放大电路均可等效成二端口网络。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。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输入电阻Ri从放大电路输

3、入端看进去的等效电阻Ri=ui / ii意义： Ri表征放大电路从信号源获取信号的能力。 （1）对于低阻电压源, Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小,ui就越接近uS。 输出电阻Ro从放大电路输出端看进去的等效电阻意义：输出电阻是一个表征放大器带负载能力的参数,对于电压放大器, Ro越小，放大电路带负载的能力越强。 输出电阻的定义： 3. 通频带4. 最大不失真输出电压Uom：交流有效值。 由于（耦合）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放大能力。下限频率上限频率5. 最大输出功率Pom和效

4、率：功率放大电路的参数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，同时作为负载的转换能源。Rc：将iC转换成uCE(uo) 。动态信号作用时： 输入（交变）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 输出电压波形必然发生（严重）失真！ 要解决失真问题，首先必需设置合适的静态工作点；且，Q点几乎影响着所有

5、的动态参数！ 为什么放大的对象是动态信号，却要求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饱和失真底部失真截止失真顶部失真输出和输入反相！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工作点合适：合适的直流电源、合适的电路（元件）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

6、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（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？动态时，C1、C2为耦合电容！UBEQUCEQuBEuIUBEQ，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二、图解法三、等效电路法 一、放大电路的直流通路和交流通路直流通路 确定原则： 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 确定原则：直流电源相当

7、于短路（内阻为0） ； 大容量电容相当于短路; 大容量电感相当于开路。 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，引入直流（偏置）通路和交流（信号）通路的概念。基本共射放大电路的直流通路和交流通路 列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ和作为已知条件，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。交流通路直流通路当VCCUBEQ时，已知：VCC12V， Rb600k， Rc3k ， 100。 Q？直流通路阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路交流通路二、图解法 应实测特性曲线 输入回

8、路负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线1. 静态分析：图解二元方程2. 电压放大倍数的分析斜率不变3. 失真分析截止失真消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。截止失真是在输入回路首先产生失真！减小Rb能消除截止失真吗？饱和失真消除方法：增大Rb，减小Rc，减小，减小VBB，增大VCC。Rb或或VBB Rc或VCC：饱和失真（主要）是输出回路产生的失真。最大不失真输出电压Uom ：比较（UCEQ UCES ）与（ VCC UCEQ ），取其小者，除以 (?) 。这可不是好办法！4. 直流负载线与交流负载线 对于上图所示的阻容耦合放大器，显然其交流（动态）输出电压是集电极电

9、流ic在Rc/RL上产生的压降！（Vce与直流不同！）直流负载线交流负载线过Q点新作一如后斜率的直线可得之？斜率：/ Rc斜率：/ (Rc /RL)参见书中图2.3.10（page93）交流通路讨论：基本电路与输出特性Q点如下1. 在什么参数、如何变化时Q1 Q2 Q3 Q4？2. 从输出电压上看，哪个Q点下最易产生截止失真？哪个Q点下最易产生饱和失真？哪个Q点下Uom最大？3. 设计放大电路时，应根据什么选择VCC？三、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。所谓等效就是：基于线性元件建立器件模型，从而近似地描述非线性器件的特性。1. 直流模型：适于Q点的分析理想二极管利用估

10、算法求解静态工作点，实质上是利用了直流模型。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b-e间的动态电阻内反馈系数交流电流放大系数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？简化的h参数等效电路交流等效模型查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用PN结的电流方程可求得由IEQ算出在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小

11、！3. 放大电路的动态分析放大电路的交流等效电路输入阻抗输出阻抗直流耦合电路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!交流等效电路例（2.3.3）已知：试求：解：（1）由（2）可求得静态Q点!交流等效模型讨论一用NPN型晶体管组成一个在本节授课中未见过的共射放大电路。3. 用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。2. 画出图示电路的直流通路和交流通路。2. 空载和带载两种情况下Uom分别为多少？讨论二 已知ICQ2mA，UCES0.7V。 1. 在空载情况下，当输入信号增大时，电路首先出现饱和失真还是截止失真？若带负载的情况下呢？3. 在图示电路中，有无可能在

12、空载时输出电压失真，而带上负载后这种失真消除？4. 增强电压放大能力的方法？讨论三：基本共射放大电路的静态分析和动态分析QIBQ35AUBEQ0.65V 为什么用图解法求解IBQ和UBEQ？讨论四：阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析讨论五：波形分析 失真了吗？如何判断？原因？饱和失真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一、温度对静态工作点的影响 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IBQT（ ）ICQQICEO若UBEQ不变IBQQ二、静态工

13、作点稳定的典型电路 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 UBEQ0UBE，若UBQ UBEQ0UBE，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，从而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UE影响UBE温度升高IC增大，

14、反馈的结果使之减小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？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？讨论一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Uo Ui交流等效模型？

15、2. 动态分析：输入电阻的分析Ri与负载有关！RL带负载电阻后从基极看Re，被增大到（1+）倍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！有功率增益！ 令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io, 。从射极看基极回路电阻，被减小到（1+）倍二、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，不放大电流！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 宽讨论一： 图示电

16、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。接法共射共集共基输入bbe输出cec电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。1. Q点怎么算？讨论二2. Re有稳定Q点的作用吗？3. 电路的交流等效电路？4. V 变化时，电压放大倍数如何变化？讨论二改变电压放大倍数2.6 场效应管基本放大电路一、场效应管放大电路静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路的动态分析夹断电压漏极饱和电流 复习:JFET转移特性场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。uDGUGS（off） 复习:MOS管的特性1)

17、增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压一、场效应管静态工作点的设置方法 根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源1. 基本共源放大电路2. 自给偏压电路由正电源获得负偏压称为自给偏压哪些种类的场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？3. 分压式偏置电路为什么加Rg3?其数值应大些小些？哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？即典型的Q点稳定电路例1目的：计算N沟道增强型MOSFET的栅源电压、漏源电流和漏源电压。电路如图所示。场效应管的参数为VTN=1V，Kn=0.5mA/V2。求VGS、ID和VDS。 RS的作用稳定静态工作点假设场效应管处于放大区，则：

18、即假设成立，场效应管处于放大区。另两种假设（电阻区或截止区）导致无解。解：由上两式可得：VGS=2.65V或VGS=-2.65V(舍去） ID=1.35mA FET的线性化模型的交流参数GSD跨导漏极输出电阻uGSiDuDS 一个重要参数跨导gm： gm=iD/uGS uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为转移特性曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。很大，可忽略。 FET的交流小信号线性模型 GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds二、场效应管放大电路的动态分析近似分析时可

19、认为其为无穷大！根据iD的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的h参数等效模型类比：1. 场效应管的交流等效模型 所有曲线的反向延长线都与电压轴相交于 vDS=-VA处，电压VA为正，它与双极型晶体管的Early电压相似。 令iD=0可得1/VA。2. 基本共源放大电路的动态分析若Rd=3k， Rg=5k， gm=2mS，则与共射电路比较。说明： 由于MOSFET的跨导较小，因此与双极型晶体管放大电路相比，MOSFET放大电路的小信号电压增益也较小。 小信号电压增益为负，表明输出电压与输入电压的相位相差180，即反相。 例（2.6.1）电路如侧，若解：由3. 基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mS，则基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?例2目的：确定MOSFET的小信号电压增益。电路如图4.17所示。设VGSQ=2.12V，VDD=5V，RD=2.5k。场效应管参数为VTN=1V，Kn=0.80mA/V，=0.02V-1。该场效应管工作于放大区。求AV=vo/