清华大学模电4版华成英课件第二章.pptx

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1、第二章第二章 基本放大电路基本放大电路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 场效应管及其基本放大电路2.7 基本放大电路的派生电路第1页/共79页2.1 2.1 放大的概念与放大电路放大的概念与放大电路的性能指标的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标第2页/共79页一、一、放大的概念放大的概念u放大的对象：变化量u放大的本质：能量的控制u放大的特征：功率放大u放大的基本要求：不失真放大的前提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第3页/共79页二、

2、二、性能指标性能指标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，任何放大电路均可看成二端口网络。第4页/共79页2.2.输入电阻和输出电阻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第5页/共79页3.3.通频带通频带4.最大不失真输出电压Uom：交流有效值。由于电容、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适

3、应能力。下限频率上限频率5.最大输出功率Pom和效率：功率放大电路的参数第6页/共79页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第7页/共79页一、电路的组成及各元件的作一、电路的组成及各元件的作用用VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。Rc：将iC转换成uCE(uo)。动态信号作用时：输入电压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。共射第8页/共

4、79页二、设置静态工作点的必要性二、设置静态工作点的必要性 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Q点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时有合适的直流电流和极间电压？第9页/共79页三、基本共射放大电路的三、基本共射放大电路的波形分析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！第10页/共79页四、放大电路的组成原则四、放大电路的组成原则静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回

5、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。第11页/共79页两种实用放大电路：两种实用放大电路：（1 1）直接耦合放大电直接耦合放大电路路问题：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第12页/共79页两种实用放大电路：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，C

6、1、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。第13页/共79页2.3 2.3 放大电路的分析方法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、等效电路法第14页/共79页一、放大电路的直流通路和交流通一、放大电路的直流通路和交流通路路1.直流通路：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：大容量电容相当于短路；直流电源相当于短路（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路的概念。第15页/共7

7、9页基本共射放大电路的直流通路和交流通基本共射放大电路的直流通路和交流通路路 列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ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。第16页/共79页当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阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路通路第17页/共79页二、图解法二、图解法 应实测特性曲线应实测特性曲线 输入回路负载线QIBQUBEQIBQQICQUCEQ负载线1.静态分析：图解二元方程第18页/共79页2.2.电压放大

8、倍数的分析电压放大倍数的分析斜率不变第19页/共79页3.3.失真分析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？第20页/共79页饱和失真消除方法：增大Rb，减小Rc，减小，减小VBB，增大VCC。Rb或或VBB Rc或VCC：饱和失真是输出回路产生失真。最大不失真输出电压Uom：比较UCEQ与（VCC UCEQ），取其小者，除以 。这可不是好办法！第21页/共79页讨论一讨论一1.用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。2.用PNP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

9、路。第22页/共79页三、等效电路法三、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。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Q点的分析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。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第23页/共79页2.2.晶体管的晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）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。低频小信号模型第24页/共79页在低频、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第25页/共79页h参数的物理意义b-

10、e间的动态电阻内反馈系数电流放大系数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？第26页/共79页简化的h 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！第27页/共79页3 3.放大电路的动态分析放大电路的动态分析放大电路的交流等效电路第28页/共79页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!第29页/共79页讨论一讨论一1.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

11、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？第30页/共79页2.空载和带载两种情况下Uom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？讨论二讨论二 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？第31页/共79页讨论三讨论三：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？第32页/共79页讨论四讨论四：阻容耦合共射放大电路的静态分析和

12、动态分析第33页/共79页讨论五：讨论五：波形分析 失真了吗？如何判断？原因？饱和失真第34页/共79页2.4 2.4 静态工作点的稳定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第35页/共79页一、温度对一、温度对静态工作静态工作点的影响点的影响 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第36页/共79页二、二、静态工作点稳定的静态工作点稳定的典型电路典型电路 直流通路？Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路1.电路

13、组成第37页/共79页2.2.稳定原理稳定原理 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 UBEUBE，若UBQ UBEUBE，则IEQ稳定。第38页/共79页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，反馈的结果使之减小第39页/共79页3.3.Q 点分析

14、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：第40页/共79页4.4.动态分析动态分析利?弊?无旁路电容Ce时：如何提高电压放大能力？第41页/共79页三、稳定静态工作点的方法三、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？第42页/共79页讨论一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？第43页/共79页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

15、电路的比较第44页/共79页一、基本共集放大电路一、基本共集放大电路1.静态分析第45页/共79页2.2.动态分析动态分析：电压放大倍数故称之为射极跟随器Uo Ui第46页/共79页2.2.动态分析动态分析：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+）倍第47页/共79页2.2.动态分析动态分析：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！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+）倍第48页/共79页二、基本共基放大电路二、基本共基放大电路

16、1.静态分析第49页/共79页2.2.动态分析动态分析3.特点：输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！第50页/共79页三、三种接法的比较：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 宽第51页/共79页讨论一：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。接法接法共射共射共集共集共基共基输入输入bbe输出输出cec第52页/共79页电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。1.Q为多少？2.Re有稳定Q点的作用

17、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？讨论二讨论二第53页/共79页讨论二讨论二改变电压放大倍数第54页/共79页2.62.6 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路一、场效应管二、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第55页/共79页一、场效应管（以一、场效应管（以N沟道为例）沟道为例）场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管符号结构示意图栅极漏极源极导电沟道单极型管噪声小、抗辐射能力强、

18、低电压工作第56页/共79页栅栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？UGS（off）第57页/共79页漏漏-源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响uGSUGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）第58页/共79页夹断电压漏极饱和电流转移特性转移特性场效应管工作在恒流区，因而

19、uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。uDGUGS（off）第59页/共79页g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性输出特性预夹断轨迹，uGDUGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSiD 不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：第60页/共79页2.2.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层增强型管大到一定值才开启第61页/共79页增强型增强型MOS管管uDS对对iD的影响的影响 用场效应管组成放大

20、电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？iD随uDS的增大而增大，可变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断 iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻第62页/共79页耗尽型耗尽型 MOS管管 耗尽型MOS管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道第63页/共79页MOS管的特性管的特性1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压第64页/共79页利用利用Multis

21、im测试场效应管的输出特性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？第65页/共79页3.3.场效应管的分类场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性uGS=0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？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？第66页/共79页二、场效应管静态工作点的设置方法二、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g-s、d-s间加极性合适的电源1.基本共源放大电路第67页/共79页2.2.自给偏压电路自给偏压电路由正电源获得负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

22、置Q点？第68页/共79页3.3.分压式偏置电路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点稳定电路第69页/共79页三、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近似分析时可认为其为无穷大！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第70页/共79页2.2.基本共源放大电路的动态分析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。第71页/共79页3.3.基本共漏放大电路的动态分析基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mS，

23、则第72页/共79页基本共漏放大电路输出电阻的分析基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?第73页/共79页2.7 2.7 派生电路派生电路一、复合管二、派生电路举例第74页/共79页一、复合管一、复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。iB方向决定复合管的类型第75页/共79页讨论一：讨论一：判断下列各图是否能组成复合管 在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。第76页/共79页Ri=?Ro=?讨论二讨论二第77页/共79页二、派生电路举例：二、派生电路举例：组合的结果带来什么好处？第78页/共79页感谢您的观看！第79页/共79页