基本放大电路.pptx

华成英 第二章第二章 基本放大电路基本放大电路2.1 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标放大的概念与放大电路的性能指标2.2 2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理2.3 2.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法2.4 2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定2.5 2.5 晶体管放大电路的三种接法晶体管放大电路的三种接法2.6 2.6 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路2.7 2.7 基本放大电路的派生电路基本放大电路的派生电路华成英 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念一、放大的概念二、放大电路的性能指标二、放大电路的性能指标华成英 一、放大的概念u放大的对象：变化量放大的对象：变化量u放大的本质：能量的控制放大的本质：能量的控制u放大的特征：功率放大放大的特征：功率放大u放大的基本要求：不失真放大的基本要求：不失真放大的前提放大的前提判断电路能否放判断电路能否放大的基本出发点大的基本出发点VCC至少一路直流至少一路直流电源供电电源供电华成英 二、性能指标1.放大倍数：输出量与输入量之比：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电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源信号源信号源内阻内阻输入电压输入电压输入电流输入电流输出电压输出电压输出电流输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。华成英 2.输入电阻和输出电阻 将输出等效将输出等效成有内阻的电成有内阻的电压源，内阻就压源，内阻就是输出电阻。是输出电阻。空载时输出空载时输出电压有效值电压有效值带带RL时的输出电时的输出电压有效值压有效值输入电压与输入电压与输入电流有输入电流有效值之比。效值之比。从输入端看进去的从输入端看进去的等效电阻等效电阻华成英 3.通频带4.最大不失真输出电压Uom：交流有效值。交流有效值。由于电容、电感及放大管由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信结的电容效应，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。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。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率下限频率上限频率上限频率5.最大输出功率Pom和效率：功率放大电路的参数：功率放大电路的参数华成英 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二、设置静态工作点的必要性三、波形分析三、波形分析四、放大电路的组成原则四、放大电路的组成原则华成英 一、电路的组成及各元件的作用VBB、Rb：使：使UBE Uon，且有，且有合适的合适的IB。VCC：使：使UCEUBE，同时作为，同时作为负载的能源。负载的能源。Rc：将：将iC转换成转换成uCE(uo)。动态信号作用时：动态信号作用时：输入电压输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、间的电压、管压降称为静态工作点管压降称为静态工作点Q，记作，记作IBQ、ICQ（IEQ）、）、UBEQ、UCEQ。共射共射华成英 二、设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真！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，但设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点点几乎影响着所有的动态参数！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？时有合适的直流电流和极间电压？华成英 三、基本共射放大电路的波形分析饱和失真饱和失真底部失真底部失真截止失真截止失真顶部失真顶部失真输出和输入反相！输出和输入反相！动态信号动态信号驮载在静驮载在静态之上态之上与与iC变化变化方向相反方向相反 要想不失真，就要要想不失真，就要在信号的整个周期内在信号的整个周期内保证晶体管始终工作保证晶体管始终工作在放大区！在放大区！华成英 四、放大电路的组成原则静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负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。载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。尽可能少、负载上无直流分量。华成英 两种实用放大电路：（1 1）直接耦合放大电路直接耦合放大电路问题：问题：1.两种电源两种电源2.信号源与放大电路不信号源与放大电路不“共地共地”共地，且要使信号共地，且要使信号驮载在静态之上驮载在静态之上静态时，静态时，动态时，动态时，VCC和和uI同时作用同时作用于晶体管的输入回路。于晶体管的输入回路。将两个电源将两个电源合二为一合二为一有直流分量有直流分量有交流损失有交流损失 UBEQ华成英 两种实用放大电路：（2 2）阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路 耦合电容的容量应足够耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似大，即对于交流信号近似为短路。其作用是为短路。其作用是“隔离隔离直流、通过交流直流、通过交流”。静态时，静态时，C1、C2上电压？上电压？动态时，动态时，C1、C2为耦合电容！为耦合电容！UBEQUCEQuBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。负载上只有交流信号。华成英 2.3 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一、放大电路的直流通路和交流通路二、图解法二、图解法三、等效电路法三、等效电路法华成英 一、放大电路的直流通路和交流通路1.直流通路：Us=0，保留，保留Rs；电容开路；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。）。2.交流通路：大容量电容相当于短路；大容量电容相当于短路；直流直流电源相当于短路（内阻为电源相当于短路（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分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。路的概念。华成英 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，将列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，作为已知条件，令令ICQIBQ，可估算出静态工作点。，可估算出静态工作点。VBB越大，越大，UBEQ取不同的取不同的值所引起的值所引起的IBQ的误差越小。的误差越小。华成英 当当VCCUBEQ时，时，已知：已知：VCC12V，Rb600k，Rc3k，100。Q？直流通路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华成英 二、图解法 应实测特性曲线应实测特性曲线应实测特性曲线应实测特性曲线 输入回路输入回路负载线负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线负载线1.静态分析：图解二元方程：图解二元方程华成英 2.电压放大倍数的分析斜率不变斜率不变华成英 3.失真分析截止失真截止失真消除方法：增大消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。，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！截止失真是在输入回路首先产生失真！减小减小Rb能消除截止失真吗？能消除截止失真吗？华成英 饱和失真饱和失真消除方法：消除方法：增大增大Rb，减小减小Rc，减小减小，减小减小VBB，增大增大VCC。Rb或或或或VBB Rc或或VCC：饱和失真是输出回路产生失真。：饱和失真是输出回路产生失真。最大不失真输出电压最大不失真输出电压Uom：比较：比较UCEQ与（与（VCC UCEQ），取），取其小者，除以其小者，除以 。这可不是这可不是好办法！好办法！华成英 清华大学 华成英 讨论一1.用用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。过的共射放大电路。2.用用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。型晶体管组成一个共射放大电路。3.画出图示电路的直流通路和交流通路。画出图示电路的直流通路和交流通路。华成英 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。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。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：适于Q点的分析点的分析理想二极管理想二极管利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。输入回路等效为输入回路等效为恒压源恒压源输出回路等效为电流控制的电流源输出回路等效为电流控制的电流源华成英 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、为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。输出回路各为一个端口。低频小信号模型低频小信号模型华成英 在低频、小信号作用下的关系式在低频、小信号作用下的关系式交流等效模型（按式子画模型）交流等效模型（按式子画模型）电阻电阻无量纲无量纲无量纲无量纲电导电导华成英 h参数的物理意义参数的物理意义b-e间的间的动态电阻动态电阻内反馈内反馈系数系数电流放大系数电流放大系数c-e间的电导间的电导分清主次，合理近似！什么情况下分清主次，合理近似！什么情况下h12和和h22的作用可忽略不计？的作用可忽略不计？华成英 简化的简化的h h参数等效电路交流等效模型参数等效电路交流等效模型查阅手册查阅手册基区体电阻基区体电阻发射结电阻发射结电阻发射区体电阻发射区体电阻数值小可忽略数值小可忽略利用利用PN结的电流方程可求得结的电流方程可求得由由IEQ算出算出在输入特性曲线上，在输入特性曲线上，Q点越高，点越高，rbe越小！越小！华成英 3.放大电路的动态分析放大电路的放大电路的交流等效电路交流等效电路华成英 阻容耦合共射放大电路的动态分析阻容耦合共射放大电路的动态分析输入电输入电阻中不阻中不应含有应含有Rs!输出电输出电阻中不阻中不应含有应含有RL!华成英 讨论一1.在什么参数、如何变化时在什么参数、如何变化时Q1 Q2 Q3 Q4？2.从输出电压上看，哪个从输出电压上看，哪个Q点下最易产生截止失真？哪点下最易产生截止失真？哪个个Q点下最易产生饱和失真？哪个点下最易产生饱和失真？哪个Q点下点下Uom最大？最大？3.设计放大电路时，应根据什么选择设计放大电路时，应根据什么选择VCC？华成英 2.空载和带载两种情况下空载和带载两种情况下Uom分别为多少？分别为多少？3.在图示电路中，有无可能在空载时输出电压失真，而在图示电路中，有无可能在空载时输出电压失真，而带上负载后这种失真消除？带上负载后这种失真消除？4.增强电压放大能力的方法？增强电压放大能力的方法？讨论二 已知已知ICQ2mA，UCES0.7V。1.在空载情况下，当输在空载情况下，当输入信号增大时，电路首先出入信号增大时，电路首先出现饱和失真还是截止失真？现饱和失真还是截止失真？若带负载的情况下呢？若带负载的情况下呢？华成英 讨论三：基本共射放大电路的静态分析和动态分析：基本共射放大电路的静态分析和动态分析QIBQ35AUBEQ0.65V 为什么用为什么用图解法求解图解法求解IBQ和和UBEQ？华成英 讨论四：阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析：阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析华成英 讨论五：波形分析波形分析 失真了吗？如何判失真了吗？如何判断？原因？断？原因？饱和饱和失真失真华成英 2.4 静态工作点的稳定一、温度对静态工作点的影响一、温度对静态工作点的影响二、静态工作点稳定的典型电路二、静态工作点稳定的典型电路三、稳定静态工作点的方法三、稳定静态工作点的方法华成英 一、温度对静态工作点的影响 所谓所谓Q点稳定，是指点稳定，是指ICQ和和UCEQ在温度变化时基本不变，在温度变化时基本不变，这是靠这是靠IBQ的变化得来的。的变化得来的。若温度升高时要若温度升高时要Q回到回到Q，则只有减小则只有减小IBQT（）ICQQICEO若若UBEQ不变不变IBQQ华成英 二、静态工作点稳定的典型电路 直流通路？直流通路？Ce为旁路电容，在交流为旁路电容，在交流通路中可视为短路通路中可视为短路1.电路组成华成英 2.稳定原理 为了稳定为了稳定Q点，通常点，通常I1 IB，即，即I1 I2；因此；因此基本不随温度变化。基本不随温度变化。设设UBEQ UBEUBE，若，若UBQ UBEUBE，则，则IEQ稳定。稳定。华成英 Re 的的作用作用T()ICUE UBE（UB基本不变）基本不变）IB IC Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。点越稳定。关于反馈的一些概念：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。施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。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。为正反馈。Re有上限值吗？有上限值吗？IC通过通过Re转换为转换为UE影响影响UBE温度升高温度升高IC增大，反馈的结果使之减小增大，反馈的结果使之减小华成英 3.Q 点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路分压式电流负反馈工作点稳定电路Rb上静态电压是上静态电压是否可忽略不计？否可忽略不计？判断方法：判断方法：华成英 4.动态分析利利?弊弊?无旁路电容无旁路电容Ce时：时：如何提高电压如何提高电压放大能力？放大能力？华成英 三、稳定静态工作点的方法引入直流负反馈引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。直接影响输入回路。例如，例如，Rb1或或Rb2采用热敏采用热敏电阻。电阻。它们的它们的温度系数？温度系数？华成英 清华大学 华成英 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？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？若采用了措施，则是什么措施？华成英 2.5 2.5 晶体管放大电路的三种接法一、基本共集放大电路一、基本共集放大电路二、基本共基放大电路二、基本共基放大电路三、三种接法放大电路的比较三、三种接法放大电路的比较华成英 一、基本共集放大电路1.静态分析华成英 2.动态分析：电压放大倍数：电压放大倍数故称之为射故称之为射极跟随器极跟随器Uo Ui华成英 2.动态分析：输入电阻的分析：输入电阻的分析Ri与负载有关！与负载有关！RL带负载电阻后带负载电阻后从基极看从基极看Re，被增，被增大到（大到（1+）倍）倍华成英 2.动态分析：输出电阻的分析：输出电阻的分析Ro与信号源内阻有关！与信号源内阻有关！3.特点：特点：输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电输入电阻大，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！压；在一定条件下有电压跟随作用！令令Us为零，保留为零，保留Rs，在输出端加，在输出端加Uo，产生，产生Io,。从射极看基极回路电阻，被减从射极看基极回路电阻，被减小到（小到（1+）倍）倍华成英 二、基本共基放大电路1.静态分析华成英 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！输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！华成英 三、三种接法的比较：空载情况下空载情况下 接法接法 共射共射 共集共集 共基共基 Au 大大 小于小于1 大大 Ai 1 Ri 中中 大大 小小 Ro 大大 小小 大大 频带频带 窄窄 中中 宽宽华成英 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。输出电阻的表达式。接法接法共射共射共集共集共基共基输入输入bbe输出输出cec华成英 电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。1.Q为多少？为多少？2.Re有稳定有稳定Q点的作用吗？点的作用吗？3.电路的交流等效电路？电路的交流等效电路？4.V 变化时，电压放大倍数如何变化？变化时，电压放大倍数如何变化？讨论二华成英 清华大学 华成英 讨论二改变电压放大倍数改变电压放大倍数华成英 2.6 场效应管及其基本放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析华成英 一、场效应管（以N沟道为例）场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管符号符号结构示意图结构示意图栅极栅极漏极漏极源极源极导电导电沟道沟道单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作噪声小、抗辐射能力强、低电压工作华成英 栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加必须加负电压？负电压？UGS（off）华成英 漏-源电压对漏极电流的影响uGSUGS（off）且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎几乎仅仅决定于仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）华成英 夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uGDUGS（off）。uDGUGS（off）华成英 g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：华成英 2.绝缘栅型场效应管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层增强型管增强型管大到一定大到一定值才开启值才开启华成英 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。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？iD随随uDS的增的增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻华成英 耗尽型 MOS管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道华成英 MOS管的特性1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压华成英 利用Multisim测试场效应管的输出特性从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？华成英 3.场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？华成英 二、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，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源1.基本共源放大电路华成英 2.自给偏压电路由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？华成英 3.分压式偏置电路为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？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哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路华成英 三、场效应管放大电路的动态分析近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型华成英 2.基本共源放大电路的动态分析若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mS，则，则与共射电路比较。与共射电路比较。华成英 3.基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mS，则华成英 基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?华成英 2.7 派生电路一、复合管一、复合管二、派生电路举例二、派生电路举例华成英 一、复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，不同类型的管子复合后，其类型决定于其类型决定于T1管。管。目的：增大目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。，减小前级驱动电流，改变管子的类型。iB方向决定复方向决定复合管的类型合管的类型华成英 讨论一：判断下列各图是否能组成复合管判断下列各图是否能组成复合管 在合适的外加电压在合适的外加电压下，每只管子的电流都下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组有合适的通路，才能组成复合管。成复合管。华成英 清华大学 华成英 Ri=?Ro=?讨论二华成英 二、派生电路举例：组合的结果带来什么好处？组合的结果带来什么好处？