电工学-第9章基本放大电路

第9章基本放大电路9.1双极型晶体管9.2放大电路的工作原理

9.3放大电路的静态工作点9.4放大电路的主要性能指标9.5双极型晶体管基本放大电路9.7场效晶体管*9.8场效晶体管基本放大电路

9.9多级放大电路

9.10差分放大电路

9.11功率放大电路

*9.6双极型晶体管放大电路的分析9.12应用实例1

下一章

上一章

返回主页2BEC9.1双极型晶体管

一、基本结构

PNP型：NPN型：NPN基极

基区

集电极

集电区

集电结

发射极

发射区

发射结

NPNPNP基极

基区

集电极

集电区

集电结

发射极

发射区

发射结

PNPCBE结构示意图和图形符号高等教育出版社3二、工作状态条件:发射结正偏,集电结反偏。

发射区发射载流子

→形成电流IE

少部分在基区被复合

→形成IB

大部分被集电区收集

→形成IC

1．放大状态⑴电流的形成NPNB

E

CRCUCCUBBRB晶体管中载流子的运动过程IEICIB高等教育出版社4⑵电流的关系

IE=IB+IC

当IB=0时，

直流(静态)电流放大系数

交流(动态)电流放大系数≈ICIBIC－ICEOIBβ

=ICIBβ=

UCE=常数

ICIB≈IC=ICEONPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB电路图高等教育出版社5IB微小的变化，会产生IC很大的变化。IC

=βIB

。0＜UCE＜UCC，

UCE

=UCC－RC

IC

。晶体管相当于通路。⑶特点高等教育出版社6特点：

IB↑,IC基本不变。

IC≈UCC

/RC。

UCE≈0。晶体管相当于短路。条件:发射结正偏,集电结正偏。IB↑,IC

↑UCE=(UCC－RCIC)↓

ICM=UCC/RC2.饱和状态电路图NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC饱和状态时的晶体管高等教育出版社7特点：

IB=0IC=0UCE=UCC

晶体管相当于开路。3.截止状态条件:发射结反偏,集电结反偏。电路图CERCUCC截止状态时的晶体管NPNB

E

CRCUCCUBBRBIEICIB高等教育出版社8晶体管处于放大状态。

(2)开关S合向b时

[例9.1.1]

图示电路，晶体管的=100，求开关S合向a、b、c

时的IB、IC

和UCE，并指出晶体管的工作状态（忽略UBE

）。[解](1)开关S合向a时

UBB1RB15

500×103

IB==A=0.01mAIC=IB

=100×0.01mA=1mAUCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×1×10－3)V=10VUCC=15V

UBB1=5V

UBB2=1.5VRB1=

500kRB2=

50kRC=

5kUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abc高等教育出版社9UCE=0V晶体管处于饱和状态。因为若

IC=IB=100×0.1mA=10mA

UCE=UCC－RCIC

=(15－5×103×10×10－3)V=－35VUCE＜0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。

(3)开关S合向c时

IB=0，IC=0，UCE=UCC=15V晶体管处于截止状态。UCCRC＞=3mAUCCRC15

5×103

IC==A=3mAUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUBB1RB25

50×103

IB==A=0.1mA高等教育出版社10三、特性曲线1.输入特性

IB=f(UBE)UCE=常数

UCE≥1V25℃UCE≥1V75℃80604020UBE/VIB/AO0.40.8※

硅管：UBE0.7V

锗管：UBE0.3ViC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC输入特性工作方式高等教育出版社112.输出特性

IC=f(UCE)∣IB=常数放大区IC/mA4321369UCE/VOIB=020A40A60A80A100A饱和区截止区输出特性iC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC工作方式高等教育出版社12

动态电流放大系数

2.穿透电流ICEO3.集电极最大允许电流

ICM4.集电极最大耗散功率

PCM

PC

=UCE×IC5.反向击穿电压U(BR)CEO静态电流放大系数

四、主要参数1.电流放大系数4321369ICUCEO放大区截止区饱和区过损耗区安全工作区U(BR)CEOICMPCM功耗曲线高等教育出版社139.2放大电路的工作原理一、电路组成BCERBRCUCCUBBUCCBCERBRC两个电源的放大电路一个电源的放大电路高等教育出版社14RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RBRC-UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋NPN管放大电路PNP管放大电路放大电路的简化画法：高等教育出版社15iBuBE二、信号的放大过程1.静态时

ui=0，直流电源单独作用。2.动态时

输入信号ui，

Ouit

iCuCE输出信号uo=uce

=－RC

icRBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋Otuit

uoOt

UBEOIBtOt

UCEOt

ICOtuoO信号的放大过程高等教育出版社169.3放大电路的静态工作点一、静态工作点ICIBUBE

QUCEUCCUCC

RC

已知IB确定Q点确定

UBE

。⑵在输出特性曲线上已知IB可确定Q

点

可知IC

,

UCE。

UBEIBOUCEICO输入特性输出特性Q直流负载线⑴在输入特性曲线上Q

点IBUBEICUCE高等教育出版社17该电路参数一定时，偏流IB是固定的，称之为固定偏置放大电路。RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋高等教育出版社18二、静态工作点的影响1.当IB太小，Q

点很低，引起后半周截止失真。2.当IB太大，Q

点很高，引起前半周饱和失真。※

截止失真和饱和失真统称为非线形失真。UCEuCEOtIBiBOtICiCOtUCEuCEOtICiCOtIBiBOtuOOtuOOt截止失真饱和失真高等教育出版社199.4放大电路的主要性能指标一、

电压放大倍数其分贝值:|Au|(dB)=20lg|Au|定义：Uo

UiAu=

Uo

UiAu

=Uo

Ui

绝对值:

|Au|=Uom

Uim=当输入信号为正弦交流信号时,高等教育出版社20在放大电路中:二、输入电阻定义：Ui

Iiri

=Ui

Iiri=当输入信号为正弦交流信号时

ri

RS＋ri

Ui

=Us

Us

RS＋ri

Ii

=

＋

Ui

－+_UsIiRS放大电路ri放大电路信号源输入电阻高等教育出版社21ri

大

Ui大

Uo

大；

ri大

Ii

小可减轻信号源的负担；

ri

RS＋ri

Ui

=Us

Us

RS＋ri

Ii

=ri越大越好，ri

RS

。可见：

＋

Ui

－+_UsIiRS放大电路ri输入电阻高等教育出版社22三、输出电阻

UOC

ISCro

=

UOC

ISCro

=当输入信号为正弦交流信号时：定义：其中:Ues=UOC=A0Ui

RL

RL＋ro

UoL

=UOC

RL

RL＋ro

|Au|

=|A0|

＋

Uo

－+_UesIoroRL放大电路负载输出电阻高等教育出版社23

若ro

小，带载能力强；反之带载能力差。

RL

RL＋ro

UoL

=UOC

RL

RL＋ro

|Au|

=|A0|

可见：

ro

越小越好，ro

RL。

＋

Uo

－+_UesIoroRL高等教育出版社24四、放大电路的频率特性

幅频特性:|Au|

—f270o180o90oOf

相频特性:

—f

|Am|

fO|Au|f1f2通频带0.707|Am|高等教育出版社25[解](1)

ri

RS＋ri

Ui

=Us

9×103(1＋9)×103

=×10mV

=9mV

UOC

=|A0

|Ui

=100×9×10-3V

=0.9V=900mV

[例9.4.1]某放大电路的空载电压放大倍数|A0|

=100，输入电阻ri=9k

，输出电阻ro

=1k，试问:(1)

输入端接到Us

=10mV，RS

=1k

的信号源上，开路电压UOC应等于多少？(2)输出端再接上RL=9k

的负载电阻时，负载上的电压UoL应等于多少？这时电压放大倍数|Au

|是多少？高等教育出版社26

RL

RL＋ro

|Au|

=

|A0|

(2)=

810mV

=

0.81V

RL

RL＋ro

UoL

=UOC

9×103(1＋9)×103

=×900×10-3V

9×103(1＋9)×103

=×100=90Uo

Ui或|Au|=8109==90高等教育出版社279.5双极型晶体管基本放大电路一、共射放大电路1.电路组成

增加一个偏流电阻RB2，可以固定基极电位。

只要满足:I2>>IB

RB2RB1＋RB2

UB=UCC

选择参数时，一般取I2≈(5～10)IB。共射放大电路RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1高等教育出版社28(2)增加发射极电阻RE，可以稳定IC。

只要满足UB>>

UBE

≈

UBREUEREIE=

IC

=

1＋βIE

选择参数时,一般取

UB≈(5~10)UBE。TICEOIE

URE

ICIC

UBE

共射放大电路RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1高等教育出版社29(3)增加CE

,避免|Au|下降。对电压、电流和功率都有放大作用，输出与输入电压相位相反。

ube

=ui-

REie2.性能特点

共射放大电路RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1高等教育出版社30RB+UCC

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2＋＋RE二、共集放大电路共集放大电路RBRC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋固定偏置放大电路(1)RE取代RC，RE可以稳定QC点。

(2)改集电极输出为发射极输出与固定偏置放大电路结构的不同：1.电路组成射极输出器或射极跟随器高等教育出版社31二、共集放大电路(1)无电压放大作用(2)有电流和功率放大作用2.性能特点

Au≈1且Au＜1RB+UCC

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2＋＋RE共集放大电路（输出与输入电压同相位）(3)与共射放大电路相比：ri大，ro小①用作输入级，减小信号源负担；②用作输出级，提高放大器带载能力。高等教育出版社32RB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－CBC2＋＋RB2RE＋C1三、共基放大电路1.电路组成共基放大电路增加一个偏流电阻RB2和射极电阻RE，以稳定Q点。

(2)信号改为发射极输入

(3)增加了CB，使基极成为信号输入和输出的公共端。与固定偏置放大电路相比：高等教育出版社33RB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－CBC2＋＋RB2RE＋C12.性能特点共基放大电路三、共基放大电路

(1)无电流放大作用(2)有电压和功率放大作用，且输出与输入电压同相位。(3)与共射放大电路相比：

ri小，ro相同同频带宽，稳定性好，具有恒流输出特性，适用于要求同频带宽和频率高的场合。高等教育出版社RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB134*9.6双极型晶体管放大电路的分析一、静态分析(1)图解法1.共射放大电路的静态分析共射放大电路RB1RC+UCCRB2RE共射放大电路的直流通路(2)计算法高等教育出版社35UB－UBEREIE=

IB

=

11＋

IE

IC=IB

UCE

=UCC－RC

IC－REIE

≈UCC－(RC＋RE)ICRB2RB1＋RB2

UB=UCC

1.共射放大电路的静态分析RB1RC+UCCRB2RE共射放大电路的直流通路高等教育出版社36RB+UCC

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2＋＋RERBIB＋UBE＋RE(1＋)IB

=

UCCIC

=IB

UCE

=UCC－REIE

=UCC－RE

(1＋

)IB

UCC－UBERB+

(1＋)RE

IB=

2.共集放大电路的静态分析RB+UCCRE直流通路高等教育出版社373.共基放大电路的静态分析RB1RC+UCCRB2RERB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－CBC2＋＋RB2RE＋C1共基放大电路直流通路直流通路共基与共射放大电路的静态分析相同共射放大电路RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1高等教育出版社38二、动态分析(1)晶体管的交流小信号电路模型①输入端电压和电流的关系UBEΔIB为一个常数。IBIBUBE——称为晶体管的输入电阻。rbe=iBuBEOQiC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC电路图输入特性高等教育出版社39

晶体管从输入端看，可以用一个等效的动态电阻rbe代替。rbe

可以估算：rbe=200+

26ICiC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC

＋Ｕbe

－BErbe

Ib电路图输入端口等效电路高等教育出版社40

＋Ｕce

－CIcE

Ib②输出端电压和电流的关系

在放大区:IC=βIB

从输出端看，可以用一个受控电流源代替。iC

＋

uCE

－

＋

uBE

－iBBEC

＋Ｕbe

－BErbe

Ib晶体管的小信号模型共射接法共集接法共基接法CE

IbIcBIbrbeCE

IbIcBIbrbe电路图E

高等教育出版社41(2)放大电路的交流通路只研究放大电路中的交流分量时的电路，即信号源单独作用时的电路，称为交流通路。作法:将直流电源的电动势和C

代之以短路。(3)放大电路的微变等效电路交流通路中的晶体管用交流小信号模型代替微变等效电路高等教育出版社421.共射放大电路的动态分析IiIbIcIoRB2RC

＋

Uo

－

＋

Ui

－IeRB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1交流通路高等教育出版社431.共射放大电路的动态分析IiIbIcIoRB2RC

＋

Uo

－

＋

Ui

－IeRB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RECE＋RB1

＋Ｕce

－CIcIb

＋Ｕbe

－Brbe

IbE

Ib

IiIcIoBrbeC

IbRB1RCE＋Uo

－＋Ui

－RB2+_RSUSRL共射放大电路的微变等效电路共射放大电路的交流通路晶体管小信号模型(共射)高等教育出版社441.共射放大电路的动态分析

Ib

IiIcIoBrbeC

IbRB1RCE＋Uo

－＋Ui

－RB2+_RSUSRL高等教育出版社452.共集放大电路的动态分析RB+UCC

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2＋＋RE交流通路RB+UCC

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2＋＋RERE

＋

Uo

－

＋

Ui

－RBBEC共集放大电路的交流通路高等教育出版社462.共集放大电路的动态分析RB+UCC

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2＋＋RE交流通路RE

＋

Uo

－

＋

Ui

－RBBEC共集放大电路的交流通路

IbIo

Ii

Ib

＋

Ui

－BrbeERE

＋

Uo

－RBC+_RSUSRL共集放大电路的微变等效电路高等教育出版社472.共集放大电路的动态分析

IbIo

Ii

Ib

＋

Ui

－BrbeERE

＋

Uo

－RBC+_RSUSRL小大高等教育出版社RB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－CBC2＋＋RB2RE＋483.共基放大电路的动态分析共基放大电路的交流通路RB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－CBC2＋＋RB2RE＋C1交流通路IiRERC

＋

Uo

－

＋

Ui

－IoBEC高等教育出版社493.共基放大电路的动态分析共基放大电路的交流通路RB1RC+UCC

＋

uo

－

＋

ui

－CBC2＋＋RB2RE＋C1交流通路IiRERC

＋

Uo

－

＋

Ui

－IoBEC

IbIiRERC

＋

Uo

－

＋

Ui

－IoBECrbe

β

Ib+_RSUSRL共基放大电路的微变等效电路高等教育出版社503.共基放大电路的动态分析

IbIiRERC

＋

Uo

－

＋

Ui

－IoBECrbe

β

Ib+_RSUSRL小高等教育出版社519.7

场效晶体管一、基本结构SiO2NMOS管PMOS管源极漏极SD铝片栅极

GBP型硅衬底

N+N+BN型硅衬底

P+P+源极栅极漏极SGD高等教育出版社52P型硅衬底

N+N+BSGD二、基本类型按导电沟道的不同分为：

N型沟道MOS管—NMOS管

P型沟道MOS管—PMOS管N型硅衬底

P+P+BSGDNMOS管PMOS管导电沟道++++高等教育出版社53按导电沟道形成的不同分为：

增强型—简称E型耗尽型—简称D型场效应管的图形符号:GE型

NMOSSDBGE型

PMOSSDBD型

NMOSSDGBD型

PMOSSDGB高等教育出版社54三、工作原理形成反型层导电沟道的条件是：

E型NMOS管UGS>UGS(th)>0E型PMOS管UGS<UGS(th)<0D型NMOS管UGS>UGS(0ff)<0D型PMOS管UGS<UGS(off)>0

总之,改变UGS

,可以改变导通沟道的厚度和形状，从而实现控制ID。高等教育出版社55四、特性曲线耗尽型NMOS管UGSIDUGS(off)O增强型NMOS管UGSIDUGS(th)O转移特性漏极特性UDSIDUGS=+UGS=+UGS=+OUDSIDUGS=0UGS=+UGS=-O高等教育出版社56耗尽型PMOS管增强型PMOS管转移特性漏极特性UGS(th)OIDUGSUGS(off)OIDUGSIDOUDSUGS=-

UGS

=-UGS=-OUDSUGS=+

UGS

=0UGS=-ID高等教育出版社57*9.8场效晶体管基本放大电路一、增强型MOS管共源放大电路DRG1RD+UDD

＋

uo

－

＋

ui

－C1C2RG2RSRGGS1.静态时RG2RG1＋RG2

UG=UDD

当UGS>UGS(th)时,才能建立反型层沟道。

ID=

ISUGS=UG－RSISUD=

UDD－RDID分压偏置共源放大电路高等教育出版社582.动态时uo=－idRD

uG=UG＋uiuD=UDD－iDRDuGS=UGS＋

ugsiD=ID＋iduGSuGOuit

iDuDt

uoOt

UGOUGStOt

UDOt

IDO电压电流波形高等教育出版社59

只要UGS>UGS(off),导电沟道就不会消失。

IG=01.静态时

uGS=－RSIS2.动态时与增强型一样。二、耗尽型MOS管共源放大电路RD+UDD

＋

uO

－

＋

ui

－C1C2RGRSGDS自给偏置共源放大电路高等教育出版社609.9多级放大电路

级间耦合方式

阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。一、阻容耦合1.静态分析

前、后两级静态工作点彼此独立，互不影响。RB1RC

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RE1CE＋RB3+UCC

＋

uo

－C3＋RE2高等教育出版社612.动态分析⑴Au=Au1×Au2

，其中：RL1=ri2,

RL1′=RC∥ri2。

阻容耦合放大电路，只能放大交流信号，无法传递直流信号。RB1RC

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RE1CE＋RB3+UCC

＋

uo

－C3＋RE2⑵ri=ri1⑶ro=ro2

高等教育出版社621.静态分析前后级静态工作点相互影响，相互制约。二、直接耦合RB1RC

＋

ui

－C1＋RB2RE1RB3+UCC

＋

uo

－RE22.动态分析

方法同阻容放大电路；交、直流信号均可放大。3.零点漂移输入端无输入信号时，输出端的电压会偏离初始值而上下漂动。零漂严重时会使放大电路无法正常工作！高等教育出版社63[例9.9.1]如图所示放大电路,已知RB1

=33k，RB2

=RB3

=10k,RC=2k,RE1

=RE2

=1.5k,两晶体管的1=2=60,rbe1

=rbe2

=0.6k。求总电压放大倍数。RL1

=ri2

[解]第一级为共射放大电路，其负载电阻即为第二级的输入电阻。=RB3∥[rbe2＋(1＋2)RE2]RB1RC

＋

ui

－C1C2＋＋RB2RE1CE＋RB3+UCC

＋

uo

－C3＋RE2高等教育出版社64=k10×[0.6×(1＋60)×1.5]10＋[0.6×(1＋60)×1.5]=8.46k=k2×103×8.46×1032×103＋8.46×103=1.62kAu1

=－

1RL1

rbe′1.620.6=－60×

=－162

第二级为共集放大电路,可取Au

=1，Au

=Au1×Au2=－162×1

=－162

RL1=RC∥RL1′RL1=RB3∥[rbe2＋(1＋2)RE2][解]高等教育出版社659.10差分放大电路

IC1＝IC2

UC1=UC2Uo

=UC1－UC2

=0一、工作原理1.静态时

ui1=ui2

=0

RC+UCC

＋uo－

＋

ui1

－RERC

＋

ui2

－－UEET1T2基本差分放大电路高等教育出版社66(1)

共模输入信号

ui1=ui2

uc1=uc2

uo=uc1－uc2

=0

对共模信号无放大作用；即Ac=0。

2.动态时

RE抑制零点漂移的过程T↑iRE↑→uRE↑

→iB1↓→iB2↓↓↓iC1↑

iC2↑uBE↑

uBE↑基本差分放大电路RC+UCC

＋uo－

＋

ui1

－RERC

＋

ui2

－－UEET1T2高等教育出版社67(2)差模输入信号

ui1=ui2

uc1=

uc2

uo=uc1

uc2=2uc1对差模信号有放大作用，即Ad≠0。

Ad

AcKCMR=

共模抑制比：基本差分放大电路RC+UCC

＋uo－

＋

ui1

－RERC

＋

ui2

－－UEET1T2高等教育出版社68RC+UCC

uo

u