模电基本放大电路（PPT） .ppt

第2章 基本放大电路,2.1 放大电路的基本概念 2.2 基本放大电路的分析方法 2.3 场效应三极管放大电路的 分析方法,2.1 放大的基本概念和 放大电路的主要性能指标,2.1.1 放大的概念2.1.2 放大电路的主要技术指标2.1.3 基本放大电路的工作原理,2.1.1 放大的概念,基本放大电路一般是指由一个三极管（或场效应管）与相应元件组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,共发射极、共集电极、共基极,放大电路的结构示意框图见图03.01。,图03.01 放大概念示意图,2.1.2 放大电路的主要技术指标,(1)放大倍数(2)输入电阻Ri(3)输出电阻Ro(4)通频带,(1)放大倍数,输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图03.02所示。,图03.02 放大倍数的定义,(2)输入电阻 Ri,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ri大放大电路从信号源吸取的电流小，反之则大。Ri的定义见图03.03和式(03.04),(03.04),图 03.03 输入电阻的定义,(3)输出电阻Ro,输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。Ro的定义见图03.04和式(03.05)。,(03.05),图03.04 是从输出端加假想电源Uo求Ro，,从假想的 求Ro Ro图 03.04 输出电阻的定义,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。,图2.1.3 两个放大电路相连的示意图,(4)通频带,(03.06),相应的频率fL称为下限频率，fH称为上限频率。,图 03.05 通频带的定义,放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的 1/时，即,问题1：放大电路的输出电阻小，对放大 电路输出电压的稳定性是否有利？,问题2：有一个放大电路的输入信号的频 率成分为100 Hz10 kHz，那么放 大电路的通频带应如何选择？,如果放大电路的通频带比输入信 号的频带窄，那么输出信号将发什么变化？,2.2 基本共射放大电路的工作原理,(2.2.1)共发射极组态交流基本放大电路的组成(2.2.2)静态和动态(2.2.3)直流通道和交流通道(2.2.4)放大原理,基本组成如下：三 极 管T 负载电阻Rc、RL 偏置电路VCC、Rb 耦合电容C1、C2,起放大作用。,将变化的集电极电流转换为电压输出。,提供电源，并使三极管工作在线性区。,输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。,(2.2.1)共发射极组态交流基本放大电路的组成,图 03.06 共发射极组态交流基本放大电路,(2.2.2)设置静态工作点的必要性,静态 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,放大电路建立正确的静态工作点，是保证动态工作的前提。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,情况一、没有设置合适的静态工作点,静态时：,情况二、合理地设置静态工作点,静态时：,Q点合适情况下 基本共射放大电路的波形分析,(2.2.3)基本共射放大电路的工作原理及波形分析,1、直接耦合共射放大电路,(2.2.4)常见的两种基本共射放大电路,2、阻容耦合共射放大电路,2、阻容耦合共射放大电路,2.3 双极型三极管放大电路 的 基 本 分 析 方 法,2.3.1 放大电路的直流通路与交流通路2.3.2 放大电路的图解分析2.3.3 三极管的低频小信号模型2.3.4 共射组态基本放大电路微变等效 电路分析法2.3.5 放大器工作点稳定问题2.3.6 共集、共基组态基本放大电路,直流通道 交流通道,在直流电源的作用下直流电流流经的通道。电容开路；电感短路；信号源短路，但应保留其内阻。,能通过交流的电路通道。电容（容量足够大，如耦合电容）-短路；直流电源短路。,(2.3.1)直流通道和交流通道,图2.2.1 所示基本共射放大电路的直流通路和交流通路,图2.2.1 所示基本共射放大电路的直流通路,图2.2.1 所示基本共射放大电路,图2.3.2 直接耦合共射放大电路及其 直流通路和交流通路,阻容耦合共射放大电路,交流通路,直流通路,2.3.2 放大电路的图解分析法,放大电路的分析有静态分析和动态分析。一、静态分析 二、动态分析,一、放大电路的静态分析,静态分析有计算法和图解分析法两种。（1）静态工作状态的计算分析法（2）静态工作状态的图解分析法,静态工作状态的计算分析法,IBQ、ICQ和UCEQ这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位UB、UE和UC即可确定三极管的静态工作状态。,根据直流通道可对放大电路的静态进行计算,静态工作状态的图解分析法,图 03.08 放大电路静态工作状态的图解分析,放大电路的静态工作状态的图解分析如图03.08所示。,1.由直流负载列出方程 uCE=VCCiCRc2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,直流负载线的确定方法：,VCC、VCC/Rc,3.在输入回路列方程式uBE=VCCiBRb,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。,例3.1：测量三极管三个电极对地电位如图 03.09所示，试判断三极管的工作状态。,图 03.09 三极管工作状态判断,二、放大电路的动态图解分析,（1）交流负载线（2）交流工作状态的图解分析（3）最大不失真输出幅度（4）非线性失真（5）输出功率和功率三角形,基本共射放大电路,利用图解法求电压放大倍数,基本共射放大电路的波形分析,（1）交流负载线,交流负载线确定方法：1.通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为-1/RL。,2.RL=RLRc，是交流负载电阻。,3.交流负载线是有交流 输入信号时Q点的运 动轨迹。,4.交流负载线与直流 负载线相交Q点。,图 03.11 放大电路的动态 工作状态的图解分析,（动画3-1）,图 03.12 放大电路的动态图解分析,通过图解分析，可得如下结论：1.ui uBE iB iC uCE|-uo|2.uo与ui相位相反；3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输出幅度。,(2)交流工作状态的图解分析,图2.3.9 直流负载线和交流负载线,饱和失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真。,(3)波形非线性失真的分析,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,截止失真,由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真。,(3)最大不失真输出幅度,注意：对于PNP管，由于是负电源供电，失真的表现形式，与NPN管正好相反。,放大电路的最大不失真输出幅度,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放 大区的中间部位；2.要有合适的交流负载线。,图 03.14 放大器的最大不失真输出幅度（动画3-4）,非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比，用THD表示，即,左图电路，由于电路参数的改变使Q点移动。,返回,1.从Q1到Q1,(5)输出功率和功率三角形,要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。,图 03.15 功率三角形,放大电路向电阻性负载提供的输出功率,在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ的面积，这一三角形称为功率三角形。,2.3.3 等效电路法,（）模型的建立（）主要参数（）h参数（）h参数微变等效电路简化模型,基本共射放大电路,一、晶体管的直流模型,二、晶体管共射 h 参数等效模型,1.三极管可以用一个模型来代替。2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。,（1）模型的建立,（1）模型的建立,（1）模型的建立,图2.3.13 h参数的物理意义及求解方法,三极管模型,(3)h参数,，称为输入电阻，即 rbe。,，称为电压反馈系数。,，称为电流放大系数，即。,，称为输出电导，即1/rce。,1.三极管可以用一个模型来代替。2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响。3.小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。,三极管的低频小信号模型如图03.16所示。,图 03.16 双极型三极管h参数模型,图2.3.12 晶体管的共射h参数等效模型,（2)模型中的主要参数,rbe三极管的交流输入电阻,根据二极管的方程式,对于三极管的发射结,求发射结的动态电导，b相当基区内一个点，b是基极。,reUT/iE reQUT/IEQ=26(mV)/IEQ(mA)rbeQ=rbb+rbe 300+(1+)26/IEQ（03.11）,iB输出电流源,表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性。,(3)h参数,，称为输入电阻，即 rbe。,，称为电压反馈系数。,，称为电流放大系数，即。,，称为输出电导，即1/rce。,三极管的模型也可以用网络方程导出。三极管的输入和输出特性曲线如下：,(4)h参数微变等效电路简化模型,简化的三极管h参数模型，如图03.19所示。,图中作了两处忽略 h12反映三极管内部的电压反馈，因数量很小，一般可以忽略。h22具有电导的量纲，与电流源并联时，分流极小，可作开路处理。,图 03.19 三极管简化h参数模型,2.2.4 共射组态基本放大电路 微变等效电路分析法,(1)共射组态基本放大电路(2)直流计算(3)交流计算,例 基本共射放大电路的动态分析,考虑信号源内阻并带上负载 RL求：，,2.4 放大器工作点稳定问题,一、工作点稳定及温度对工作点的影响,1、为什么要设置稳定的Q点？（1）Q点设置不合适的话，将使输出波形失真（2）放大倍数与Q点有关,二、典型的静态工作点稳定电路,稳定Q点的原理：设I1IB，对Si管10倍 对Ge管20倍 则有：U b=VCC Rb2/(Rb1+Rb2),当某种原因影响IC IE UE UBE IB IC,三、工作点稳定电路介绍,四、共射组态基本放大电路分析举例,共发射极交流基本放大电路如图所示。,Rb1和Rb2系偏置电阻。C1是耦合电容，将输入信号vi耦合到三极管的基极。Rc是集电极负载电阻。Re是发射极电阻，Ce是Re的旁路电容。,C2是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻RL上。Rb1、Rb2、Rc和Re处于直流通道中。Rc、RL相并联，处于输出回路的交流通道之中。,(1)直流计算,图03.20电路的直流通道如图03.21(a)所示，用戴维宁定理进行变换后如图03.21(b)所示。,(a)直流通路(b)用戴维宁定理进行变换 图 03.21 基本放大电路的直流通道,IB=(V CCVBE)/Rb+(1+)Re U CC=VCC Rb2/(Rb1+Rb2)Rb=Rb1Rb2 IC=IB UC=VCC ICRc UCE=VCC ICRcIERe=VCC IC(Rc+Re),因此静态计算如下：,(3)交流计算,根据图03.20(b)的微变等效电路，有,根据图03.04(a)求输出电阻的原理，应将图03.20(b)微变等效电路的输入端短路，将负载开路。在输出端加一个等效的输出电压Vo。于是,（动画3-7）,2.5 晶体管单管放大电路的三种组态,共发射极电路 共集电极电路 共基极电路,一、共集组态基本放大电路,共集电极组态基本放大电路如图所示。,(a)共集组态放大电路(b)直流通道 图03.22 共集组态基本放大电路,(1)直流分析 将共集组态基本放大电路的直流通道画于图 03.22(b)之中，于是有 IB=(VCCUBE)/Rb+(1+)Re IC=IB UCE=VCCIERe=VCCICRe,(2)交流分析,将CC放大电路的中频微变等效电路画出.,中频电压放大倍数,输入电阻 Ri=Rb1/Rb2/rbe+(1+)Re),输出电阻,输出电阻可从右图求出。,将输入信号短路，负载开路，由所加的等效输出信号 可以求出输出电流,输出电阻,输出电阻可从图3.24求出。,图03.24 求Ro的微变等效电路,将输入信号短路，负载开路，由所加的等效输出信号 可以求出输出电流,共基组态放大电路如图03.25所示，其直流通道如图03.26所示。,(1)直流分析 与共射组态相同。,二、共基组态基本放大电路,(2)交流分析,共基极组态基本放大电路的微变等效电路如图03.27所示。,CB组态微变等效电路,电压放大倍数=RL/rbe输入电阻 输出电阻 Ro RC,图2.5.4 基本共基放大电路,2.6 基本放大电路的派生电路,图2.6.1 复合管图2.6.2 阻容耦合复合管共射放大电路图2.6.3 阻容耦合复合管共集放大电路图2.6.4 共射共基放大电路的交流通路图2.6.5 共集共基放大电路的交流通路,返回,一、复合管,2.6.1 复合管及其放大电路,二、阻容耦合复合管共射放大电路,三、阻容耦合复合管共集放大电路,2.6.2 共射共基放大电路的交流通路,图2.6.5 共集共基放大电路的交流通路,27 场效应三极管放大电路 的分析方法,2.3.1 共源组态基本放大电路2.3.2 共漏组态基本放大电路2.3.3 共栅组态基本放大电路2.3.4 三种组态基本放大电路的比较,2.7.1 场效应管放大电路的三种接法,一、基本共源放大电路,2.7.2 场效应管放大电路静态工作点的设置方法及分析,静态分析方法一：用图解法求解基本共源放大电路的静态工作点。,静态分析方法二：用估算法求解基本共源放大电路的静态工作点。先求得UGSQ=VGG，再将UGSQ代入id=f(uGS)即可求得IDQ。,二、自给偏压共源放大电路,三、分压式偏置电路,一、MOS管的低频小信号等效模型,2.7.3 场效应管放大电路的动态分析,图2.7.7 从特性曲线求gm和rds,MOS管的低频小信号简化模型,例1 基本共源放大电路分析,例2 基本共漏放大电路分析,图2.7.10 求解基本共漏放大电路的输出电阻,2.7.1共源组态基本放大电路,对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图03.28所示。,(a)采用结型场效应管,(b)采用绝缘栅场效应管,图 03.28 共源组态接法基本放大电路,比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。,(1)直流分析,将共源基本放大电路的直流通道画出,如图03.29所示。,03.29 共源基本放大 电路的直流通道,图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。,根据图03.29可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,图03.30 微变等效电路,(2)交流分析,画出图03.28电路的微变等效电路，如图03.30所示。,与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。VCCS的电流源 还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。,电压放大倍数 如果有信号源内阻RS时=gmRLRi/(Ri+RS)式中Ri是放大电路的输入电阻。,输入电阻,输出电阻,为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成图03.31的形式。,图 03.31 计算Ro的电路模型,将负载电阻RL开路，并想象在输出端加一个电源,将输入电压信号源短路，但保留内阻。然后计算，于是,2.3.2 共漏组态基本放大电路,共漏组态基本放大电路如图03.32所示,图 03.32 共漏组态放大电路 03.33 直流通道,其直流工作状态和动态分析如下。,(1)直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图03.33之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQR由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,(2)交流分析,将图03.32的CD放大电路的微变等效电路画出，如图03.34所示。,图03.34 共漏放大电路的微变等效电路,电压放大倍数,比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式，分子都是gmRL，分母对共源放大电路是1，对共漏放大电路是(1+gmRL)。,输入电阻,输出电阻,计算输出电阻的原则与其它组态相同，将图03.34改画为图03.35。,图03.35 求输出电阻的微变等效电路,2.3.3 共栅组态基本放大电路,共栅组态放大电路如图03.36所示，其微变等效电路如图03.37所示。,图 03.36共栅组态放大电路 图 03.37 微变等效电路,(1)直流分析 与共源组态放大电路相同。,(2)交流分析,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻 RoRd,2.3.4 三种接法基本放大电路的比较,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD,电压放大倍数,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE/CB/CC CS/CG/CD,