模拟电路基础讲稿第一章

模拟电路根底讲稿自动化工程学院谭峰课程根本要求：授课学时：64学分：4授课时间：周二7－8节；周五1－2节成绩构成：平时〔20分〕+期中〔30分〕+期末〔50分〕作业：每周一次教材：华成英，童诗白，《模拟电路根底》，高教出版社，第4版吴援明，唐军，《模拟电路分析与设计根底》，科学出版社，2006.8辅导材料：吴援明，唐军，曲健，《模拟电路分析与设计根底学习指导书》，科学出版社，2007.8参考教材：刘光祜,饶妮妮，《模拟电路根底》，电子科技大学出版社，2003.1引入模拟电路与其它几门课程的关系，突出该课程的根底性和重要性模拟电路、数字电路的不同内容模拟电路：处理和分析模拟信号的电路，关注模拟信号的放大电路原理、结构和分析方法。数字电路：处理和分析数字信号的电路，是模拟电路的后续课程。低频模拟电路、高频模拟电路、微波毫米波电路本课程属于低频模拟电路范畴，高频模拟电路和微波毫米波电路是分析更高频率的涉及模拟信号的相关电路。在高频模拟电路和微波毫米波电路中要考虑电抗元件对电路的影响，而低频模拟电路在分析时根本不设计电抗元件，即电路特性与频率无关〔除第5章〕。本课程的主要内容：本课程是讲解中低频率下模拟放大电路的根本知识，是最根底、应用最广泛的电路。主要介绍BJT及FET放大电路的根本知识，以根本放大电路为根底的差放、功放、恒流源电路及运放，还要重点介绍负反应对放大电路的作用。根底知识：半导体二极管、三极管〔BJT、MOSFET〕。应用电路：电流源电路、差动放大电路、功率放大电路、负反馈电路，集成运放。根本要求：掌握半导体晶体管〔BJT和MOSFET〕放大电路的根本概念、根本结构及根本分析方法，在此根底上掌握根本放大电路的应用电路〔恒流源电路、差动放大电路、功率放大电路和集成运放〕，熟悉放大电路的频率特性及重要的电路结构－负反应放大电路。能运用所学知识进行相关电路的分析、设计。常见的模拟电路器件如上图，通过这些具体器件的介绍引入模拟电路及半导体材料知识。第一章半导体材料及二极管概述自然界中的物质从其电结构和导电性能上区分，可分为导体、绝缘体和半导体。导体具有良好的导电性，绝缘体具有良好的绝缘性，而半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间。半导体在不同情况下，导电能力会有很大差异，有时犹如导体，现代电子电路所用的器件绝大多数都是半导体器件。1.1半导体材料及其特性半导体材料类型：Ⅳ族元素硅〔Si〕、锗〔Ge〕；III-V族元素的化合物砷化嫁〔GaAs〕等。半导体材料的三大特性：温度；光照；掺杂。在以上条件下导电能力显著增强。一、本征半导体本征半导体是纯洁的具有晶体结构的半导体。晶格是在本征Si和Ge的单晶中，原子在空间形成排列整齐的空间点阵。本节介绍以下四个方面的知识：共价键结构；本征激发；本征半导体中的两种载流子；本征浓度。硅、锗都有四个价电子，故都是四价元素。其简化图如下图。硅和锗的四个价电子本征半导体的共价键结构1.共价键结构当硅、锗等半导体材料被制成单晶时，原子靠的非常紧密，价电子在受自身原子核的束缚的同时，还受受相邻四个原子的影响，形成共价键结构。2.本征激发在绝对零度OK=-237℃时，本征半导体中没有可移动带电粒子，但半导体在外界〔热或光或其他〕激发下，会产生自由电子空穴对，这一现象叫本征激发，如以下图所示。3.本征半导体中的两种载流子本征激发电子和空穴的运动可以自由运动的带电粒子称为载流子。本征激发会产生自由电子和空穴两种载流子。原子因失去一个价电子而带正电，这个带正电的“空位”叫空穴。导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。半导体具有极性相反的两种载流子——自由电子和空穴空穴导电：当有电场作用时，价电子定向填补空位，使空位作相反方向的移动，这与带正电荷的粒子作定向运动的效果完全相同。为了区别于自由电子的运动，我们就把价电子的运动虚拟为空穴运动〔方向相反〕，认为空穴是一种带正电荷的载流子。4.本征浓度本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度载流子复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子空穴对消失的现象。载流子的动态平衡：在一定温度下，单位时间内本征激发所产生地自由电子空穴对的数目与复合而消失的自由电子空穴对的数目相等，就到达了载流子的动态平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。本征载流子的浓度表示如下。室温下本征载流子浓度和原子密度如下表所示本征载流子浓度原子密度Si1.43×1010cm-35.0×1022cm-3Ge2.38×1013cm-34.4×1022cm-3得出两个结论：①Ge的热稳定性比Si差〔Ge的本征载流子浓度高，导电能力强〕；②本征半导体导电性能很差〔载流子浓度很低〕。问题：如何提供半导体的导电能力？掺杂！二、杂质半导体掺入杂质的半导体称为杂质半导体。掺杂后可以大幅提高半导体的导电能力。杂质半导体中两种：N型半导体和P型半导体。1.N型半导体掺入少量的Ⅴ族元素〔如磷、砷、锑等〕后，形成的杂质半导体称为N型半导体。多出一个价电子只能位于共价键之外，成为“自由电子”，使本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一局部自由电子，使自由电子数量超过了空穴数量。杂质原子称为施主原子，带正电，不能自由移动，不能参与导电。自由电子在N型半导体中成为多数载流子〔简称多子〕，空穴在N型半导体中成为少数载流子〔简称少子〕。显然，参与导电的主要是电子，故N型半导体又称电子型半导体。2.P型半导体在本征半导体硅〔或锗〕中掺入二价元素，如硼，就可构成P型半导体。在这种半导体中，共价键结构中多出一个空穴，很容易接受自由电子的填充，使空穴游离在晶格之间，使本征半导体中除了本征激发产生的电子空穴对之外，又多出一局部空穴，使空穴数量超过了自由电子数量，我们说，空穴在P型半导体中成为多数载流子〔简称多子〕，自由电子在P型半导体中成为少数载流子〔简称少子〕。显然，参与导电的主要是空穴，故P型半导体又称空穴型半导体。3.杂质半导体的载流子浓度在一定条件下，掺杂半导体的两种载流子浓度与本征半导体本征浓度有如下关系。其中，多子浓度与杂质浓度近似相等，与温度无关，而少子浓度是温度的敏感函数。三、半导体中的电流1.漂移电流在外电场作用下，半导体中的载流子受电场力作宏观定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体内的传导电流。电子的漂移电流密度为其中，μn是电子的迁移率,表征电子在半导体中运动容易度的参数。空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流，空穴的漂移电流密度为是空穴的迁移率。所以和的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总的漂移电流为两者之和，总的漂移电流密度为其中，式中是半导体的电导率，与载流子浓度及迁移率有关。2.扩散电流因载流子浓度差而产生的载流子宏观定向运动形成的电流叫扩散电流。半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差〔即浓度梯度〕，而与该处的浓度值无关。即扩散电流与载流子在扩散方向上的浓度梯度成正比，浓度差越大，扩散电流也越大。注意扩散电流和漂移电流的不同：漂移电流是由于外电场而产生的载流子的定向运动，而扩散电流与外电场无关，只与载流子的浓度差有关。1.2PN结问题：半导体材料如何使用？半导体器件的根本结构是PN结。一、PN结的形成及特点1.PN结的形成①多子扩散：扩散的结果，在交界面附近，N区出现带正电的离子，P区出现带负电的离子，从而形成空间电荷区和内建电场，方向从N区指向P区如图1.5所示。②少子漂移:少数载流子将在内建电场的作用下产生运动。当扩散与漂移到达一个动态平衡时，空间电荷区也就到达了一个平衡状态，这就形成了PN结。内建电场的作用：阻止多子扩散，促进少子漂流2.PN结的特点内建电场的表达式如下内建电位φ0的典型值〔Si：0.7VGe:0.3V〕空间电荷区的另外三个名称：耗尽层、阻挡层和势垒层，具体表征了空间电荷区的不同特性。实际使用中大多数PN结都是不对称PN结，P区和N区掺杂浓度不一样。思考：高掺杂和低掺杂PN结，其空间电荷区的宽度和内建电场的大小有何区别？二、PN结的单向导电特性提出偏置的概念，强调偏置的重要性。PN结两端外接直流电压称为偏置工作点1.正向偏置的PN假设PN结外加直流电压使P区电位高于N区电位，称PN结加正向电压或正向偏置〔简称正偏〕。PN结正偏时空间层和势垒的变化及正向电流方向如下图。正向偏置时减小了内建电场的大小，正偏电流实质是多子的扩散电流，因此电流较大。正偏PN结呈现低阻态，即正偏PN结是导通的2.反向偏置的PN假设外加直流电压使P区电位低于N区电位，称PN结加反向电压或反向偏置〔简称反偏〕。反向偏置时增大了内建电场的大小，反偏电流实质是少子的漂移电流，仅有很小的反向饱和电流。Is很小〔Si：皮安量级；Ge：微安量级〕，通常可忽略，即反偏PN结是截至的。如下图。PN结正偏PN结反偏PN结的重要特性：单向导电特性，即正偏导通，反偏截止。3.PN结的伏安特性伏安特性方程如下v—正偏电压,为负值时即反偏。i—从正极经过PN结流向负极的电流，与v为关联参考方向。伏安特性方程验证了PN结的单向导电性。简介PN结的伏安特性曲线，强调PN结单向导电性在半导体器件中的特殊作用。1.3晶体二极管及其应用二极管的核心是一个PN结，其结构如下图。先介绍二极管的不同分类，重点说明二极管的两种不同结果类型：点接触和面接触型。二极管的结构和电路符二极管的两种结构点接触型：PN结面积小，工作电流小，PN结电容小，工作频率高。面接触型：PN结面积大，工作电流大，PN结电容大，工作频率低。一、晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流与其端电压之的关系。和PN结的伏安特性一样，简要重复。1.正偏伏安特性二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。2.反偏伏安特性二极管反向电流不随反向偏压而变化，仅有很小的反向饱和电流Is。二极管的伏安特性曲线如下图。提示两个问题：①二极管的正偏和反偏特性；②二极管的导通电压Von：0.7V〔Si〕，0.3V〔Ge〕。二极管为什么具有导通电压？Si和Ge的导通电压为什么不一样？二极管伏安特性曲线温度对二极管伏安特性的影响3.反向击穿特性当加在二极管上的反偏电压超过某一数值VBR时，反偏电流将急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿。导致二极管出现反向击穿的原因有两种：雪崩击穿和齐纳击穿。〔1〕雪崩击穿〔碰撞电离〕低掺杂PN结中，击穿电压一般在6V以上。〔2〕齐纳击穿〔场致激发〕高掺杂PN结中，击穿电压一般在6V以下。二极管的反向击穿为电击穿，过程可逆，不会损坏器件。而热击穿是器件上的耗散功率超过规定值而使器件损坏，过程不可逆。4.温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管正向特性的影响温度对二极管反向特性的影响解释为什么？〔用少子浓度随温度的变化来解释〕。5.Si二极管与Ge二极管的差异Si二极管的开启电压约0.6-0.7V，典型值0.7V；Ge二极管的开启电压约0.2-0.3V，典型值0.3V。Si二极管反向电流比Ge二极管反向电流小得多，Si管是pA量级，Ge管是μA量级。二、二极管的直流电阻和交流电阻怎么表示器件的特性？二极管的特性如何表示？〔电阻〕非线性器件：特征参数随外加条件而变的器件静态工作点Q：器件的直流电压和直流电流二极管的直流电阻二极管的交流电阻1.直流电阻注意：二极管的直流电阻是变化的，随ID增大而减小，这是非线性器件的特殊特性。2.交流电阻推导二极管交流电阻的表示式。注意交流电阻与直流电流也成反比关系。理解二极管的直流电阻和交流电阻的不同含义：直流电阻：表征二极管的功率损耗，直流特性。交流电阻：表征二极管的微变电流与微变电压的关系，交流特性。3.二极管的其它主要参数最大平均整流电流IF最高反向工作电压VR反向电流IR最高工作频率fmax：由于器件的电容效应引起的单项导电能力下降。三、二极管模型含二极管电路的分析方法〔非线性伏安关系〕及特点：①代数法：求解非线性方程组〔计算复杂，必须借助计算机〕②几何法：图解法〔粗糙，必须知道伏安关系曲线〕③模型法：近似线性法〔方便，可以利用线性电路分析方法，根据伏安关系〕1.二极管伏安特性的分段线性近似模型低频大信号模型如以下图所示。〔a)理想开关模型〔b〕恒压源模型〔c〕折线近似模型①理想开关模型：适用于信号电压远大于管压降，只具有“开”和“关”两种状态。正偏是导通，反偏时截至。主要应用：整流、开关电路。②恒压源模型：导通电压不能忽略时采用，恒压源只吸收功率。主要应用：限幅。③折线近似模型：最准确的模型，采用不变的交流电阻等效电压与电流的变化关系。例：硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如下图，求二极管工作点解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作点。2.二极管的交流小信号模型分析含有交流小信号的电路时，采用叠加原理，将直流和交流性能分开分析。需要分别画出直流和交流等效电路。画等效电路时，非线性器件用不同的模型等效。二极管的交流小信号模型是在工作点上的交流电阻，如右图所示。交流电阻只反映交流电压与交流电流的关系，不包括直流关系。例：假设在上例电路中串联一个正弦电压源，图〔a〕为其电路图，估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值和。T＝300K〕。〔a〕电路图〔b〕交流等效电路解：当未加正弦电压源，即时，由上例可知，二极管的工作点，，那么可估算出该工作点处的交流电阻为在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。交流电阻由工作点确定。利用线性电路的叠加原理，可以画出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流等效电路，如图(b)所示，由此交流通路可求出:四、二极管应用电路1.整流电路上图是直流稳压电源方框图，它有三个模块：整流、滤波和稳压。整流是利用二极管的单向导电性能将交变电压变为单极性的直流脉动电压。滤波是将直流脉动电压中的高频成分滤除。由于市电和输出电阻的不稳可能引起输出电压不稳，因此还需要对电压稳压。整流电路是利用二极管的开关特性实现整流的。半波整流电路原理：输入为正半周时，D导通，有输出电压，输入为负半周时，D截至，无输出电压。特点：负半周未利用，效率低；输出直流电压为，二极管上的最大反向电压为。全波整流电路特点：正负半周都利用，效率高；输出直流电压为，二极管上的最大反向电压为。桥式整流电路特点：正负半周都利用，效率高；输出直流电压为，二极管上的最大反向电压为。结论：桥式整流电路效率高，输出直流电压大，而且管上承受的最大反向电压相对较低，因此应用最多。2.限幅电路限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路，它是利用二极管的恒流源模型。如右图所示，双向限幅电路工作原理是：输入为正半周且大于0.7V时，D1导通，D2截至，输出电压为导通电压0.7V；输入为负半周且小-0.7V时，D2导通，D1截至，输出电压为导通电压-0.7V；输入再-0.7～0.7V之间时，D1、D2都截至，输出等于输入。如图1.20所示。3.开关电路利用二极管的单向导电性能，相当于一个受外加电压极性控制的开关。分析方法如下：将二极管两端断开，求出其两端的正向电压；二极管承受正向电压那么导通，反之那么截止；假设电路中存在多只二极管，那么正向电压大的优先导通。例：分析图中两个二极管的是导通还是截至？并判断AO之间的电压〔假设二极管是理想的〕解：断开D1、D2VA1＝12V；VA2＝12-6＝6V因为VA1>VA2所以D1先导通此时，VAO＝0V那么VA2＝-6V所以，D2截至五、稳压管及其应用1.稳压管的伏安特性稳压管伏安特性曲线及电路符号上图是稳压管伏安特性曲线及电路符号，由图可见，稳压管工作在反向击穿区。2.稳压管的主要参数稳定电压最小稳定电流最大稳定电流动态电阻〔越小越好，一般为几十欧姆〕电压温度系数3.稳压管电路稳压管稳压电路稳压管电路原理1〕稳压原理稳压管与负载电阻并联连接，由于稳压管动态电阻极小，所以并联总电阻很小〔比限流电阻小的多〕，当输入电压微变时，微变电压在并联总电阻上分压比在限流电阻上的小得多，即到达了稳压目的。2〕稳压电路分析分析方法：断开稳压管，求出稳压管两端电压。当两端电压大于稳压管稳定电压时，稳压管可稳定电压，反之，稳压管截至；假设是正向电压，稳压管导通。假设有多个稳压管，稳定电压低者先稳压。例：Dz1和Dz2为稳压管，且具有理想特性，其稳定电压分别为13V和6V，求输出电压Vo。解：断开Dz1和Dz2，那么VDz1＝VDz2＝15V，两个稳压管都可稳压。由于Dz2稳定电压低，Dz2先稳压，此时Vo＝6V，VDz1＝12V。因为VDz1<VZ1，故VDz1截至，Vo＝6V。假设VZ1＝10V，那么VDz1稳压，此时Vo＝4V。3〕限流电阻R的选取由并根据稳压管正常工作范围：，可以求得：例：采用的Si稳压管2DW3的稳压电路如下图。如果输入电压的波动，试问输出电压的波动稳压电路模型及增量等效模型解：输入电压的变化量为：输出电压的变化量为：输出电压的相对变化量为：例：为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳压电源为汽车收音机提供一个9V的电压，稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围〔11～13.6〕V，收音机的电流介于0(关掉)～100mA(最大音量)之间。解：当负载电流最大，输出电压最小时，流过稳压管的电流最小，那么当负载电流最小，输入电压最大时，流过稳压管的电流最大,那么令上两式相等，那么:只含两个未知量和，取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即，那么限流电阻为六、PN结电容效应及应用势垒电容扩散电容变容二极管简要介绍二极管为什么有电容效应，电容效应对管子的影响主要表达在频率增高时，二极管可能直接导通，不具有单向导电性。势垒电容和扩散电容的物理意义，注意说明：势垒电容：正偏和反偏时都存在，电容随偏置增大而增大扩散电容：只在正偏时存在。变容二极管是在正向偏置时，利用电容随偏置而变的特性制成的。第二章根本放大电路本章主要内容本章重点讲述根本放大电路的组成原理和分析方法，分别由BJT和FET组成的三种组态根本放大电路的特点和应用场合。多级放大电路的耦合方式和分析方法。首先介绍根本放大电路的组成原那么。三极管的低频小信号模型。固定偏置共射放大电路的图解法和等效电路法静态和动态分析，最大不失真输出电压和波形失真分析。分压式偏置共射放大电路的分析以及稳定静态工作点的方法。共集和共基放大电路的分析，由BJT构成的三种组态放大电路的特点和应用场合。然后介绍由FET构成的共源、共漏和共栅放大电路的静态和动态分析、特点和应用场合。最后介绍多级放大电路的两种耦合方式、直接耦合多级放大电路的静态偏置以及多级放大电路的静态和动态分析。通过习题课掌握放大电路的静态偏置方法和性能指标的分析计算方法。学时分配本章有七讲，每讲两个学时。第五讲放大电路的主要性能指标及根本共射放大电路组成原理本讲重点1、放大的本质；2、放大电路工作原理及静态工作点的作用；3、利用放大电路的组成原那么判断放大电路能否正常工作；本讲难点1、放大电路静态工作点的设置方法；2、利用放大电路的组成原那么判断放大电路能否正常工作；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示放大电路的组成原理、信号传输过程和设置适宜Q点的必要性等，便于学生理解和掌握。判断放大电路能否正常工作举例可以启发讨论。主要内容1、放大的概念在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件〔BJT或FET〕对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。因此，电子电路放大的根本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。2、电路的主要性能指标输入电阻：从输入端看进去的等效电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大小。输出电阻：从输出端看进去的等效输出信号源的内阻，说明放大电路带负载的能力。放大倍数〔或增益〕：输出变化量幅值与输入变化量幅值之比。或二者的正弦交流值之比，用以衡量电路的放大能力。根据放大电路输入量和输出量为电压或电流的不同，有四种不同的放大倍数：电压放大倍数、电流放大倍数、互阻放大倍数和互导放大倍数。电压放大倍数定义为：电流放大倍数定义为：互阻放大倍数定义为：互导放大倍数定义为：注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。4〕最大不失真输出电压：未产生截止失真和饱和失真时，最大输出信号的正弦有效值或峰值。一般用有效值UOM表示；也可以用峰—峰值UOPP表示。5〕上限频率、下限频率和通频带：由于放大电路中存在电感、电容及半导体器件结电容，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的幅值会下降并产生相移。一般，放大电路只适合于放大某一特定频率范围内的信号。如P75图所示。上限频率fH〔或称为上限截止频率〕：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值等于中频段的0.707倍时的频率值即为上限频率。下限频率fL〔或称为下限截止频率〕：在信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值等于中频段的0.707倍时的频率值即为上限频率。通频带fBW：fBW=fH-fL通频带越宽，说明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。6〕最大输出功率POM与效率：POM是在输出信号根本不失真的情况下，负载能够从放大电路获得的最大功率，是负载从直流电源获得的信号功率。此时，输出电压到达最大不失真输出电压。为直流电源能量的利用率。式中为电源消耗的功率7〕非线性失真系数D：在某一正弦信号输入下，输出波形因放大器件的非线性特性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比。即，式中：为基波幅值，、…为各次谐波幅值；3、两种常见的共射放大电路组成及各局部作用1〕直接耦合共射放大电路：信号源与放大电路、放大电路与负载之间均直接相连。适合于放大直流信号和变化缓慢的交流信号。2〕阻容耦合共射放大电路：信号源与放大电路、放大电路与负载之间均通过耦合电容相连。不能放大直流信号和变化缓慢的交流信号；只能放大某一频段范围的信号。如P72图2.7所示。3〕放大电路中元件及作用〔1〕三极管T——起放大作用。〔2〕集电极负载电阻RC——将变化的集电极电流转换为电压输出。〔3〕偏置电路VCC，Rb——使三极管工作在放大区，VCC还为输出提供能量。〔4〕耦合电容C1，C2——输入电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。4、静态工作点设置的必要性对放大电路的根本要求一是不失真，二是能放大。只有保证在交流信号的整个周期内三极管均处于放大状态，输出信号才不会产生失真。故需要设置适宜的静态工作点。Q点不仅电路是否会产生失真，而且影响放大电路几乎所有的动态参数。5、根本共射放大电路的工作原理及波形分析对于根本放大电路，只有设置适宜的静态工作点，使交流信号驮载在直流分量之上，以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。波形分析见P74图2.8所示。根本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠将电流的变化转化为电压的变化来实现的。6、放大电路的组成原那么1〕为了使BJT工作于放大区、FET工作于恒流区,必须给放大电路设置适宜的静态工作点，以保证放大电路不失真。2〕在输入回路参加ui应能引起uBE的变化,从而引起iB和iC的变化。3〕输出回路的接法应当使iC尽可能多地流到负载RL中去,或者说应将集电极电流的变化转化为电压的变化送到输出端。第六讲放大电路的根本分析方法本讲重点1、根本放大电路静态工作点的估算；2、BJT的h参数等效模型及放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；本讲难点放大电路的微变等效电路的画法；2、放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示图解法求Q点、及分析非线形失真；用直流通路估算Q点；BJT的h参数模型建立、微变等效电路的画法及动态参数计算等，便于学生理解和掌握。主要内容1、直流通路、交流通路及其画法〔1〕直流通路：在直流电源的作用下，直流电流流经的通路，用于求解静态工作点Q的值。〔2〕直流通路的画法：电容视为开路、电感视为短路；信号源视为短路，但应保存内阻。〔3〕交流通路：在输入信号作用下，交流信号流经的通路，用于研究和求解动态参数。〔4〕交流通路的画法：耦合电容视为短路；无内阻直流电源视为短路；2、放大电路的静态分析和动态分析〔1〕静态分析：就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，BJT或FET各电极间的电流和电压就是Q点。可用估算法或图解法求解。〔2〕动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。通常，利用三极管h参数等效模型画出放大电路在小信号作用下的微变等效电路，并进而计算输入电阻、输出电阻与电压放大倍数。或利用图解法确定最大不失真输出电压的幅值、分析非线性失真等情况。放大电路的分析应遵循“先静态，后动态”。的原那么，只有静态工作点适宜，动态分析才有意义；Q点不但影响电路输出信号是否失真，而且与动态参数密切相关。3、图解法确定Q点和最大不失真输出电压〔1〕用图解法确定Q点的步骤：晶体管的输出特性曲线族→由直流通路求得IBQ→列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线→在输出特性曲线平面上作出直流负载线→由IBQ所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。〔2〕输出波形的非线性失真非线性失真包括饱和失真和截止失真。饱和失真是由于放大电路中三极管工作在饱和区而引起的非线性失真。截止失真是由于放大电路中三极管工作在截止区而引起的非线性失真。放大电路要想获得大的不失真输出，需要满足两个条件：一是Q点要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；二是要有适宜的交流负载线。〔3〕直流负载线和交流负载线由放大电路输出回路电压方程所确定的直线称为负载线。由直流通路确定的负载线为直流负载线；由交流通路确定的负载线为交流负载线，可通过Q、B两点作出。对于放大电路与负载直接耦合的情况，直流负载线与交流负载线是同一条直线；而对于阻容耦合放大电路，只有在空载情况下，两条直线才合二为一。〔4〕最大不失真输出电压有效值式中：说明：当放大电路带上负载后，在输入信号不变的情况下，输出信号的幅度变小。举例：如P83例2.2图2.17所示，放大电路静态工作点和动态范围确实定。4、等效电路法求解静态工作点即利用直流通路估算静态工作点、、和。其中硅管的；锗管的，无须求解；其余三个参数的求解方法为：〔1〕列放大电路输入回路电压方程可求得；〔2〕根据放大区三极管电流方程可求得；〔3〕列放大电路输出回路电压方程可求得；5、BJT的h参数等效模型〔1〕BJT等效模型的建立：三极管可以用一个二端口模型来代替；对于低频模型可以不考虑结电容的影响；小信号意味着三极管近似在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。〔2〕BJT的h参数方程及等效模型BJT的h参数等效模型如P31图1.31所示。〔3〕h参数的物理意义1即rbe：三极管的交流输入电阻，对于小功率三极管可用近似公式计算如下：2电压反应系数：反映三极管内部的电压反应，因数值很小，一般可以忽略。3：在小信号作用时，表示晶体管在Q点附近的的电流放大系数。4：三极管输出电导，反映输出特性上翘的程度。常称1/为c-e间动态电阻。通常的值小于10-5S，当其与电流源并联时，因分流极小，可作开路处理。注意：h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关，在放大区根本不变。h参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析6、等效电路法求解放大电路的动态参数将BJT的h参数等效模型代入放大电路的交流通路，即为放大电路的微变等效电路。放大电路的动态分析就是利用放大电路的微变等效电路计算输入电阻、输出电阻与电压放大倍数。举例：如P86例2.3图2.20所示放大电路静态工作点的求解和性能指标计算。第七讲放大电路静态工作点的稳定本讲重点1、放大电路稳定静态工作点的原理和常用方法；分压式偏置电路Q的估算；分压式偏置电路动态性能指标的计算；本讲难点1、稳定静态工作点的原理和措施；2、分压式偏置电路微变等效电路画法及动态性能指标的计算；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示稳定静态工作点的原理和常用方法、分压式偏置电路Q的估算、动态性能指标的计算等，便于学生理解和掌握。主要内容1、静态工作点稳定的必要性静态工作点不但决定了电路是否产生失真，而且还影响着电压放大倍数和输入电阻等动态参数。实际上，电源电压的波动、元件老化以及因温度变化所引起的晶体管参数变化，都会造成静态工作点的不稳定，从而使动态参数不稳定，有时甚至造成电路无法正常工作。在引起Q点不稳定的诸多因素中，温度对晶体管的影响是最主要的。2、温度变化对静态工作点产生的影响温度变化对静态工作点的影响主要表现为，温度变化影响晶体管的三个主要参数：、β和。这三者随温度升高产生变化，其结果都使值增大。硅管的小，受温度影响小，故其β和受温度影响是主要的；锗管的大，受温度影响是主要的。3、稳定静态工作点的原那么和措施为了保证输出信号不失真，对放大电路必须设置适宜的静态工作点，并保证工作点的稳定。〔1〕采用不同偏置电路稳定静态工作点的原那么是：当温度升高使增大时，要自动减小以牵制的增大。〔2〕稳定静态工作点可以归纳为三种方法：P89图2.21所示。〔1〕温度补偿；〔2〕直流负反应；〔3〕集成电路中采用恒流源偏置技术；4、典型静态工作点稳定电路——分压式偏置电路的分析1〕Q点稳定原理分压偏置电路如P90图2.22所示。稳定静态工作点的条件为：I1＞＞IB和VB＞＞UBE；此时，，即当温度变化时，根本不变。T〔℃〕T〔℃〕↑→↑〔↑〕→↑〔因为根本不变〕→↓→↓↓当温度降低时，各物理量向相反方向变化。这种将输出量〔〕通过一定的方式〔利用将的变化转化为电压的变化〕引回到输入回路来影响输入量的措施称为反应。可见，在Q点稳定过程中，作为负反应电阻起着重要的作用。典型静态工作点稳定电路利用直流负反应来稳定Q点。2〕分压式偏置电路的静态分析分压式偏置电路的静态分析有两种方法：一是戴维南等效电路法；二是估算法，这种方法的使用条件为I1＞＞IBE，或者。3〕分压式偏置电路的动态分析动态分析时，射极旁路电容应看成短路。画放大电路的微变等效电路时，要特别注意射极电阻有无被射极旁路电容旁路，正确画出“交流地”的位置，根据实际电路进行计算即可。第八讲共集放大电路和共基放大电路本讲重点1、共集和共基放大电路的性能指标计算；2、三种接法放大电路的特点及应用场合；本讲难点1、共集和共基放大电路微变等效电路的画法；2、共集和共基放大电路微变等效电路的输入、输出电阻计算；；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示三种接法电路的构成方法，便于学生理解和掌握。启发讨论三种不同接法电路各自特点及应用场合。主要内容1、三极管放大电路的根本接法三极管放大电路的根本接法亦称为根本组态，有共射〔包括工作点稳定电路〕、共基和共集三种。共射放大电路以发射极为公共端，通过iB对ic的控制作用实现功率放大。共集放大电路以集电极为公共端，通过iB对iE的控制作用实现功率放大。共基放大电路以基极为公共端，通过iE对iB的控制作用实现功率放大。2、共集放大电路的组成及静态和动态分析共集放大电路的组成共集放大电路亦称为射极输出器如P92图2.23〔a〕所示，为了保证晶体管工作在放大区，在晶体管的输入回路，、与VCC共同确定适宜的静态基极电流；晶体管输出回路中，电源VCC，提供集电极电流和输出电流，并与配合提供适宜的管压降UCE。2〕共集放大电路的静态分析与共射电路静态分析方法根本相同。〔1〕列放大电路输入方程可求得；〔2〕根据放大区三极管电流方程可求得；〔3〕列放大电路输出方程可求得；3〕共集放大电路的动态分析共集放大电路的动态分析方法与共射电路根本相同，只是由于共集放大电路的“交流地”是集电极，一般习惯将“地”画在下方，所以微变等效电路的画法略有不同，如P92图2.23〔d〕所示。3、共基放大电路的静态和动态分析1〕共基放大电路的静态分析与共射电路静态分析方法根本相同。〔1〕列放大电路输入回路电压方程可求得；〔2〕根据放大区三极管电流方程可求得；〔3〕列放大电路输出回路电压方程可求得；2〕共基放大电路的动态分析共基放大电路的动态分析方法与共射电路根本相同，只是由于共基放大电路的“交流地”是基极，一般习惯将“地”画在下方，所以微变等效电路的画法略有不同。如P94图2.24所示。4、三种接法的比拟共射放大电路既有电压放大作用又有电流放大作用，输入电阻居三种电路之中，输出电阻较大，适用于一般放大。共集放大电路只有电流放大作用而没有电压放大作用，因其输入电阻高而常做为多级放大电路的输入级，因其输出电阻低而常做为多级放大电路的输出级，因其放大倍数接近于1而用于信号的跟随。共基放大电路只有电压放大作用而没有电流放大作用，输入电阻小，高频特性好，适用于宽频带放大电路。第九讲场效应管放大电路本讲重点1、场效应管放大电路静态工作点的设置方法；2、场效应管放大电路小信号模型分析法；3、场效应管放大电路的特点本讲难点1、场效应管放大电路静态工作点的设置方法；2、场效应管放大电路小信号模型分析法；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示FET放大电路Q点设置方法、小信号模型及其分析方法等，便于学生理解和掌握。启发讨论FET与BJT三种不同接法电路特性及应用比照。主要内容1、场效应管放大电路的三种接法场效应管的三个电极源极、栅极和漏极与晶体管的三个电极发射极、基极和集电极相对应，因此在组成电路时也有三种接法：共源放大电路、共栅放大电路和共漏放大电路。2、FET放大电路的直流偏置FET是电压控制器件，因此放大电路要求建立适宜的偏置电压，而不要求偏置电流。FET有JFET、MOSFET，N沟、P沟，增强型、耗尽型之分。它们各自的结构不同，伏安特性有差异，因此在放大电路中对偏置电路有不同要求。JFET必须反极性偏置，即UGS与UDS极性相反；增强型MOSFET的UGS与UDS必须同极性偏置；耗尽型MOSFET的UGS可正偏、零偏或反偏。因此，JFET和耗尽型MOSFET通常采用自给偏压和分压式偏置电路，而增强型MOSFET通常采用分压式偏置电路。3、FET放大电路的静态分析考虑FET管子的输入电阻很高，FET的栅极几乎不取用电流，可以认为IGQ=0。对FET放大电路进行静态分析有两种方法：图解法和估算法。静态分析时只须计算三个参数：UGSQ、IDQ和UDSQ即可，下面分别举例说明。1〕自给偏压放大电路共源自给偏置放大电路及其直流通路如图2.25所示UGS=VG－VS≈－ISRs<0可见依靠JFET自身的源极电流IS所产生的电压降ISRs，使得栅-源极间获得了负偏置电压。〔1〕估算法静态分析列输入回路电压方程：JFET〔或耗尽型FET〕的电流方程：联解上述两式并舍去不合理的一组解，可求得和。列输出回路电压方程求得〔2〕图解法静态分析①列输出直流负载线方程：UDS=VDD－ID(Rd+Rs)在JFET的输出特性曲线上作出直流负载线，与晶体管类似，直流负载线与横轴交点为VDD，纵轴交点为，斜率为。②根据负载线与UGS为不同值的各条输出特性曲线的交点为坐标，可在iD~uGS坐标平面上作出iD=f(uGS)曲线，〔动态转移特性曲线〕③列输入直流负载线方程：UGS=－IDRs在转移特性曲线平面上，作出输入回路的直流负载线，它通过原点，斜率为。显然，静态的UGS与IS既要满足动态转移特性曲线所确定的约束关系，又要满足输入回路直流负载线所确定的约束关系，因此静态工作点位于两条线的交点Q。在图2.26〔a〕和〔b〕图上读出Q点的值〔UGSQ、IDQ和UDSQ〕。2〕增强型FET分压式偏置电路增强型FET分压式偏置电路如图2.27所示。该电路利用电阻对电源VDD进行分压，从而给栅极提供固定的偏置电压：源极对地的电压和自偏置时一样：VS=ISRs因此栅源极间偏置电压由上述两局部所构成〔1〕估算法由直流通路输入回路电压方程：和得：增强型FET的电流方程：联解上述两式并舍去不合理的一组解，可求得和。列输出回路电压方程求得〔2〕图解法作出动态转移特性曲线；作出输入回路的直流负载线，它与横越轴交于，纵轴交于，斜率为。显然，动态转移特性曲线与负载线的交点Q即为该电路的静态工作点。4、FET低频小信号等效模型将FET看成一个二端口网络，栅极与源极之间为输入端口，漏极与源极之间为输出端口。与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当于开路。VCCS的电流源s还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大可视为开路，在此可暂时保存。其它局部与双极型三极管放大电路情况一样。MOS管小信号工作时的电压方程为：式中，为那条转移特性曲线上Q点处的导数，即以Q点为切点的切线的斜率。是输出回路电流与输入回路电压之比，故称为跨导，其量纲为电导。可通过对MOS管电流方程求导，得出的表达式。MOS管低频小信号模型如P48图1.51所示。5、共源、共漏和共栅放大电路的动态分析将FET的小信号等效模型代入放大电路的交流通路中画出微变等效电路，与BJT相比，FET输入电阻无穷大，相当开路。VCCS的电流源s还并联了一个输出电阻rds，在BJT的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保存。其它局部与双极型三极管放大电路情况根本一致。6、场效应管放大电路的特点FET放大电路与BJT放大电路相比，最突出的优点是可以组成高输入电阻的放大电路，此外，由于它还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强、便于集成等特点，广泛用于各种电子电路中。场效应管放大电路的共源接法、共漏接法与晶体管放大电路的共射、共集接法相对应，但比晶体管电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小，适用于做电压放大电路的输入级。第三章多级放大电路本讲重点1、多级放大电路的耦合方式及其特点、直接耦合放大电路静态工作点的设置；2、两级阻容耦合电路的动态分析；本讲难点直接耦合放大电路静态工作点的设置；多级放大电路的动态分析方法；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示直接耦合放大电路静态工作点的设置、两级阻容耦合电路的动态分析方法等，便于学生理解和掌握。启发讨论多级放大电路的耦合方式及其特点。主要内容1、单管放大电路的局限性和多级放大电路的提出在实际应用中，一般对放大电路的性能有多方面的要求：如输入电阻大于2MΩ、电压放大倍数大于2000、输出电阻小于100Ω等，依靠单管放大电路的任何一种，都不可能同时满足要求。这时，就可以选择多个根本放大电路，并将它们合理连接，从而构成多级放大电路。组成多级放大电路的每一个根本单管放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合。2、多级放大电路的根本耦合方式及其特点1〕直接耦合：耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。直接耦合放大电路存在温度漂移问题，但因其低频特性好，能够放大变化缓慢的信号且便于集成，而得到越来越广泛的应用。但直接耦合电路各级静态工作点之间会相互影响，应注意静态工作点的稳定问题。2〕阻容耦合：将放大电路前一级的输出端通过电容接到后一级的输入端。阻容耦合放大电路利用耦合电容隔离直流，较好地解决了温漂问题，但其低频特性差，不便于集成，因此仅在分立元件电路中采用。3〕变压器耦合：将放大电路前一级的输出端通过变压器接到后一级的输入端或负载电阻上。采用变压器耦合也可以隔除直流，传递一定频率的交流信号，各放大级的Q互相独立。但低频特性差，不便于集成。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配，以获得有效的功率传输。常用作调谐放大电路或输出功率很大的功率放大电路。4〕光电耦合：以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递。光电耦合放大电路利用光电耦合器将信号源与输出回路隔离，两局部可采用独立电源且分别接不同的“地”，因而，即使是远距离传输，也可以防止各种电干扰。3、直接耦合多级放大电路静态工作点的设置直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时首先要加以解决的问题。(1)电位移动直接耦合放大电路如果将根本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，那么VC1=VB2，VC2=VB2+VCB2＞VB2〔VC1〕这样，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要参加较大的发射极电阻或在后级的发射极加稳压管，如P108图2.32所示。由于集电极电位逐级升高，以至于接近电源电压，从而使后级无法设置正确的工作点。这种方式只适用于级数较少的电路。(2)NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于基极电位，它们的组合使用可防止集电极电位的逐级升高，如P109图2.33所示。(3)电流源电平移动放大电路在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路，电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。但电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。同时，输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。如图2.34所示。4、直接耦合多级放大电路的零点漂移问题1〕零点漂移：当放大器的输入信号时，其输出电压往往不为常数，或者三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。2〕产生零点漂移的原因：电路中参数变化，如电源电压波动、元件老化、半导体元件参数随温度而变化。其中主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。一般将在一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如V/C或V/min。5、多级放大电路的静态分析1〕直接耦合放大电路的静态分析直接耦合放大电路各级之间的直流通路相连，静态工作点相互影响，因而在求解Q点时，应写出直流通路中各个回路的方程，然后求解。使用各种计算机辅助分析软件可使电路设计和Q点的求解过程大大简化。2〕阻容耦合多级放大电路的静态分析阻容耦合多级放大电路中，由于级间耦合电容的隔直作用，所以，每一级Q点都可以按单管放大电路求解。6、多级放大电路的动态分析多级放大电路的总电压放大倍数等于组成它的各级放大电路电压放大倍数的乘积，即，其输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是末级的输出电阻。在求解某一级电压放大倍数时，有两种处理方法：一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑〔后级的Ri就是前级的〕，简称输入电阻法；二是将后一级与前一级之间开路，计算前一级的开路电压和输出电阻，作为后一级的信号源和内阻，简称开路电压法。举例：两级放大电路的分析，如P110图2.35所示。第十一讲习题课本讲的教学目的为了使同学们在学完第一～二章常用半导体器件，以及由其组成的根本放大电路和多级放大电路后,能熟练掌握二极管、三极管和放大电路的根本概念；半导体器件的特性、主要参数的物理意义及其选用原那么；放大电路组成原那么和工作原理、分析方法；稳定静态工作点的必要性和稳定Q点的措施；以及输出波形产生失真的原因和改善方法。同时提高同学们实际选用半导体器件、设计与使用放大电路的能力，培养学生的自学能力，我们特地安排这次习题课。本讲教学内容1、电路中的二极管工作状态〔导通与截止〕判断，二极管的箝位与限幅作用；2、在放大电路中，三极管管脚电位与管型、材料、电极名称之间的关系；3、三极管在电路中所处状态〔放大、饱和、截止〕的判断；4、单管放大电路的静态和动态分析；5、多级放大电路的静态和动态分析。本讲教学方法课前布置学生思考上述相关习题；根据学生做题情况，选择优秀学生上讲台讲授自己的解题思路和解题方法；.教师根据学生讲解情况，启发学生进行讨论；教师总结；四、课堂例题1、习题1.42、习题1.193、习题2.19 4、习题2.26小结本章是学习后面各章的根底，因此是学习的重点之一。主要内容如下：1、放大的概念在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件〔晶体管或场效应管〕对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得的输出信号能量，比信号源向放大电路提供的能量大得多，因此放大的特征是功率放大。放大的前提是不失真，换言之，如果电路输出波形产生失真便谈不上放大。2、放大电路的组成原那么①放大电路的核心元件是有源元件，即晶体管或场效应管；②正确的直流电源电压数值、极性与其它电路参数应保证晶体管工作在放大区、场效应管工作在恒流区，即建立起适宜的静态工作点，保证电路不失真；③输入信号应能够有效地作用于有源元件的输入回路，即晶体管的b-e回路，场效应管的g-s回路；输出信号能够作用于负载之上。3、放大电路的主要性能指标放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失输出电压、下限、上限截止频率和、通频带、最大输出功率、效率。4、放大电路的分析方法1〕静态分析就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，晶体管和场效应管各电极间的电流与电压就是Q点。可用估算法或图解法求解。2〕动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。通常，利用h参数等效电路计算小信号作用时的、和。利用图解法分析和失真情况。放大电路的分析应遵循“先静态、后动态”的原那么，Q点不但影响电路输出是否失真，而且与动态参数密切相关。5、晶体管和场效应管根本放大电路1〕晶体管根本放大电路有共射、共集、共基三种接法。共射放大电路即有电流放大作用又有电压放大作用，输入电阻居三种电路之中，输出电阻较大，适用于一般放大。共集放大电路只放大电流不放大电压，因输入电阻高而常做为多级放大电路的输入级，因输出电阻低而常做为多级放大电路的输出级，因电压放大倍数接近1而用于信号的跟随。共基电路只放大电压不放大电流，输入电阻小，高频特性好，适用于宽频带放大电路。2〕场效应管放大电路的共源接法、共漏接法与晶体管放大电路的共射、共集接法相对应，但比晶体管电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小，适用于做电压放大电路的输入级。6、多级放大电路的耦合方式直接耦合放大电路存在温度漂移问题，但因其低频特性好，能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，而得到越来越广泛的应用。阻容耦合放大电路利用耦合电容隔离直流，较好地解决了温漂问题，但其低频特性差，不便于集成化，因此仅在分立元件电路情况下采用。7、多级放大电路的动态参数多级放大电路的电压放大倍数等于组成它的各级电路电压放大倍数之积。其输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是末级的输出电阻。在求解某一级的电压放大倍数时，应将后级输入电阻做为负载。多级放大电路输出波形失真时，应首先判断从哪一级开始产生失真，然后再判断失真的性质。在前级所有电路均无失真的情况下，末级的最大不失真输出电压就是整个电路的最大不失真输出电压。第四章模拟集成电路根底本章主要内容集成电路结构形式上的特点；镜像电流源、比例电流源、微电流源和多路电流源等及有源负载放大电路；差动放大电路的工作原理；集成运算电路的组成及各局部的作用；F007通用集成运放电路；集成运算放大电路的主要性能指标；集成运算放大电路的电压传输特性。本章学时分配本章分为3讲，每讲2学时。集成电路概述、电流源电路和有源负载放大电路本讲重点1、集成电路结构形式上的特点2、电流源电路本讲难点有源负载放大电路教学组织过程本讲采用课堂讲授的方法，注意结合集成运算放大电路中的电流源电路实例说明电流源电路的应用。主要内容1、概述集成电路中的元器件特点1、集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近的器件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。2、集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。3、集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。集成晶体管有纵向NPN型管、横向PNP型管和场效应管，前者在集成元器件中占用硅片面积最小、性能好、β值高，用的也最多；而横向PNP管是利用制造纵向NPN管的工艺或稍加改造制成，其中PNP管β值低，但反耐压高，常和NPN型管配合使用。集成电路结构形式上的特点利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性利用有源器件代替无源元件采用直接耦合方式采用较复杂的电路结构适当利用外接分立元件2、电流源电路及电路及有源负载放大电路电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。1〕镜像电流源图镜像电流源电路如上图所示镜像电流源电路，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流的镜像(相等〕。三极管T1、T2匹配，，那么且，当时，，IC2和IREF是镜像关系。2〕微电流源微电流源电路如以下图所示，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍图微电流源的微电流源，适用于微功耗的集成电路中。由图可得：因VBE小，IO<<IREF。同时IO的稳定性也比IREF好。3〕多路电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，电路见以下图。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。图多路电流源差动放大电路本讲重点典型差动放大电路——长尾电路的特点，静态和动态计算。本讲难点1、差动放大电路中共模负反应电阻Re的作用，及其对差模信号和共模信号的不同处理方法；2、差动放大电路动态参数计算；教学组织过程本讲以教师讲授为主。用多媒体演示典型差动放大电路——长尾电路的特点、静态和动态计算等，便于学生理解和掌握。主要内容1、直接耦合放大电路的零点漂移直接耦合放大电路的零点漂移主要是晶体管的温漂造成的。在根本差动放大电路中，利用参数的对称性进行补偿来抑制温漂。在长尾电路和具有恒流源的差动放大电路中，还利用共模负反应或恒流源抑制每只放大管的温漂。2、差动放大电路组成及特点1〕电路组成差分放大器是由对称的两个根本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。“对称”的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等，即Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，1=2，VBE1=VBE2，rbe1=rbe2，ICBO1=ICBO2。2〕电路特性〔1〕差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用；〔2〕差动放大电路对差模信号有放大作用；〔3〕共模负反应电阻Re的作用：①稳定静态工作点。②对差模信号无影响。③对共模信号有负反应作用：Re越大对共模信号的抑制作用越强；也可能使电路的放大能力变差。3、差动放大电路的输入和输出方式1〕差动放大电路可以有两个输入端：同相输入端和反相输入端。根据规定的正方向，在某输入端加上一定极性的信号，如果输出信号的极性与其相同，那么该输入端称为同相输入端。反之，如果输出信号的极性与其相反，那么该输入端称为反相输入端。2〕信号的输入方式：假设信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；假设信号仅从一个输入端参加，称为单端输入。3〕信号的输出方式：差动放大电路可以有两个输出端：集电极C1和C2。从C1和C2输出称为双端输出；仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。按照信号的输入、输出方式，或输入端与输出端接地情况的不同，差动放大电路有四种接法：双端输入/双端输出；双端输入/单端输出；单端输入/双端输出；单端输入/单端输出；4、差模信号和共模信号1〕差模信号：幅度相等、极性相反的一对输入信号。通常为有用信号。2〕共模信号：幅度相等、极性相同的一对输入信号。通常为温漂和干扰信号。3〕比拟输入：和可以分解为一对差模信号和一对共模信号的叠加作用。差模信号为：；共模信号为：和均接地，故信号的输入方式无关，可分两种情况进行：双端输出和单端输出。1〕双端输出双端输出，所以，与电路有无接负载无关。1列输入回路电压方程，并根据放大区即可求得和；2列输出回路电压方程可求得；2〕单端输出；在放大区有；但是，，。所以，应该采用戴维南等效定理将原电路的和或和6、差动放大电路的动态性能指标〔1〕差模电压放大倍数Ad：描述电路放大差模信号的能力；〔2〕差模输入电阻Rid：差模信号作用下的输入电阻。〔3〕差模输出电阻Rod：差模信号作用下的输出电阻。〔4〕共模电压放大倍数Ac：描述电路抑制共模信号的能力；〔5〕共模抑制比；理想情况下，共模放大倍数为0，共模抑制比为∞。7、差动放大电路的动态分析求解动态参数的关键是针对差模参数和共模参数，应分别画出微变等效电路进行计算。差模和共模微变等效电路的主要区别是对Re的处理不同：在差模等效电路中，双端输入时Re视为短路；单端输入时Re视为开路。在共模信号作用下对单边电路而言，发射极等效电阻为2Re。虽然差动放大电路有四种接法，且有三种不同的输入信号。由于单端输入可以转换为双端输入；比拟输入可以看成是差模输入和共模输入的叠加。实际分析计算时，只须考虑两种情况：差模信号作用下的双入—双出、双入—单出；共模信号作用下的双入—双出、双入—单出。8、改良型为了既能采用较低的电源电压又能有很大的Re等效电阻，可采用恒流源电路来替代Re，这样可以大大增加电路抑制共模信号的能力。集成运算放大电路本讲重点集成运放的组成及各局部的作用，正确理解主要指标参数的物理意义及其使用考前须知。本讲难点集成运算放大电路的选择和使用。教学组织过程本讲首先介绍集成运放电路的组成及各局部的作用，然后采用学生自学为主的方法学习运放典型电路F007的工作原理，辅以讲授其外部电路特性，最后简单讲述集成运放电路的类型选择及其使用。主要内容1、集成运算放大电路的组成及各局部的作用集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如以下图所示。运算放大器方框图输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入、双端输出的形式。中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。4〕偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。2、集成运算放大器的引线和符号1〕集成运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端有的品种还有补偿端和调零端。2〕集成运算放大器的符号按照国家标准符号如以下图所示。〔a〕国家标准符号(b)原符号模拟集成放大器的符号F007通用集成运放电路简介3、集成运放的主要性能指标运算放大器的技术指标很多，其中一局部与差分放大器和功率放大器相同，另一局部那么是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比拟适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。〔1〕运算放大器的静态技术指标1〕输入失调电压VIO(inputoffsetvoltage)：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。VIO是表征运放内部电路对称性的指标。2〕输入失调电流IIO(inputoffsetcurrent)：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3〕输入偏置电流IB(inputbiascurrent)：运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。4〕输入失调电压温漂：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。5〕输入失调电流温漂：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。6〕最大差模输入电压(maximumdifferentialmodeinputvoltage)：运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。7〕最大共模输入电压(maximumcommonmodeinputvoltage)：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。〔2〕运算放大器的动态技术指标1)开环差模电压放大倍数(openloopvoltagegain)：运放在无外加反应条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。2)差模输入电阻(inputresistance)：输入差模信号时，运放的输入电阻。3)共模抑制比(commonmoderejectionratio)：与差动放大电路中的定义相同，是差模电压增益与共模电压增益之比，常用分贝数来表示。KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)4)－3dB带宽(—3dBbandwidth)：运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽。5)单位增益带宽(BW•G)(unitgainbandwidth)：下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽。6)转换速率(压摆率)(slewrate)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率的表达式为7)等效输入噪声电压Vn(equivalentinputnoisevoltage)：输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。集成运放电路的低频等效电路集成运放的电压传输特性理想运放的性能指标Aod＝∞Rid＝∞Ro＝0KCMR＝∞fH＝∞UOI、IOI及其温漂均为零，且无任何内部噪声。理想运放的两个工作区线性工作区特点特点为〔1〕uo＝Aod〔uP－uN〕〔2〕具有虚短〔即uP=uN〕、虚断〔即iP=iN=0〕的特点。非线性工作区特点为〔1〕当uP＞uN时uo正向饱和，当uP＜uN时uo负向饱和。〔2〕具有虚断的特点。导”。本章小结本章主要讲述了集成运放的结构特点、电流源电路及有源负载放大电路、差动放大电路和集成运算放大电路。学完本章后要求：熟悉集成电路结构形式上的特点了解电流源电路的工作原理；3、掌握典型差动放大电路——长尾电路的特点，静态和动态计算；4、熟悉集成运放的组成及各局部的作用，正确理解主要指标参数的物理意义及其使用考前须知。5、了解集成运放的典型电路F007的工作原理。第五章放大电路的频率响应本章主要内容本章重点讲述有关频率响应的根本概念，晶体管的高频小信号等效模型，单管共射放大电路的频率特性分析，以及放大电路频率响应改善与增益带宽积。本章学时分配本章有2讲，每讲2学时。频率响应概念、RC电路频率响应及晶体管的高频等效模型本讲重点频率响应的概念及近似分析方法：重点讲清概念的意义和掌握绘制幅频特性和相频特性的波特图的方法。三极管的高频参数的定义及相互转换。本讲难点频率响应的近似分析三极管的高频小信号模型教学组织过程本讲内容比拟难，可采用多媒体生动的表现频率特性，分析三极管的高频小信号模型。主要内容频率响应的根本概念放大电路的频率响应可由放大器的放大倍数对频率的关系来描述，即式中A(f)称为幅频特性，它是放大倍数的幅值与频率的函数式。φ(f)称为相频特性，它是放大倍数的相位角与频率的函数式。两种特性综合起来可全面表征放大倍数的频率响应。由图可见，在一个较宽的频率范围内，曲线是平坦的，即放大倍数不随信号频率变化，其电压放大倍数用Aum表示，在此频率范围内，所有电容〔耦合电容、旁路电容和器件的极间电容等〕的影响可以忽略不计。当频率降低时，耦合电容和旁路电容的影响不可忽略，致使放大倍数下降。当频率升高时，器件的极间电容的影响不可忽略，放大倍数亦下降。fL和fH分别称为下限截止频率〔简称下限频率〕和上限截止频率〔简称上限频率〕它们是放大倍数下降到中频放大倍数的倍时所确定的两个频率。低频区：低于fL的频率范围称为低频区。高频区：高于fH的频率范围称为高频区。中频区：介于fL和fH之间频率范围称为中频区，通常又称为放大电路的通频带fbw=fH－fL。频率响应的根本分析方法波特图：一种频率响应曲线图，此图为半对数坐标图，即频率采用对数分度，而幅值〔以dB表示的电压放大倍数〕或相位角那么采用线性分度。在近似分析中，为了缩短坐标，扩大视野，常采用折线化的近似波特图法描绘幅频特性和相频特性曲线。3、RC低通电路和高通电路〔1〕放大电路的频率响应的特征可用RC低通电路和高通电路来模拟。〔2〕截止频率fL和fH是频率响应的关键点，无论是幅频特性还是相频特性，根本都是以它为中心而变化的，求出fL和fH后就可近似地描绘放大电路完整的频率响应曲线。〔3〕fL和fH都是与对应的回路时间常数τ=RC成反比。4、晶体管的高频等效模型晶体管的混合π模型，是采用物理模拟的方法，从三极管的物理模型抽象成的等效电路。P132图3.7和P133图3.8分别为晶体管的完整的混合π模型和简化的混合π模型。5、三极管的高频参数〔1〕fβ：共射电流放大倍数β的截止频率，其值主要决定于管子的参数，即〔2〕fT：特征频率，使β下降到1时所对应的频率。fT=βfβ共射放大电路的频率响应以及增益带宽积本讲重点1、单管放大电路频率响应的分析，重点掌握下限截止频率和上限截止频率求解方法。2、掌握增益带宽积的概念。本讲难点1、单管放大电路的上、下限截止频率与电路中哪些参数有关。2、如何改善放大电路的频率响应。教学组织过程本讲内容比拟难，可采用多媒体生动的表现频率特性，分析电路的频率响应。主要内容1、单管共射放大电路的频率响应共射放大电路如P135图3.10所示。其全频段交流等效电路如P136图3.11所示。中频放大倍数〔1〕中频交流等效电路如P136图3.12所示。大容量电容看成短路，三极管极间电容看成开路。〔2〕中频放大倍数表达式低频放大倍数的频率响应〔1〕由耦合电容引起，三极管极间电容看成开路。〔2〕低频交流等效电路如P139图3.14所示。〔3〕低频放大倍数表达式式中fL为下限频率，其表达式为〔4〕幅频特性和相频特性的表达式高频放大倍数的频率响应〔1〕由三极管极间电容引起，大容量电容看成短路。〔2〕高频交流等效电路如P137图3.13所示。〔3〕高频放大倍数表达式式中R=rb’e∥〔rb’b+Rs∥Rb〕，fH为上限频率，其表达式为〔4〕幅频特性和相频特性的表达式2、大电路频率响应的改善与增益带宽积1〕放大电路的耦合电容是引起低频响应的主要原因，下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定；2〕三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因，上限截止频率由高频时间常数中较大的一个决定；3〕由于假设电压放大倍数K增加，Cbe也增加，上限截止频率就下降，通频带变窄。增益和带宽是一对矛盾，所以常把增益带宽积作为衡量放大电路性能的一项重要指标；4〕CB组态放大电路由于输入电容小，所以CB组态放大电路的上限截止频率比CE组态要高许多。本章小结频率响应描述放大电路对不同频率信号的适应能力。耦合电容和旁路容所在回路为高通电路，在低频段使放大倍数的数值下降，且产生超前相移。极间电容所在回路为低通电路，在高频段使放大倍数的数值下降，且产生滞后相移。在研究频率响应时，应采用放大管的高频等效模型。在晶体管高频等效模型中，极间电容等效为C’π。放大电路的上限截