數(shù)電模電路-模電課件第二章

1第二章

基本放大電路內(nèi)容提要：2.1放大的概念和放大電路的主要性能指標(biāo)2.2基本共射放大電路的工作原理2.3放大電路的分析方法2.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定2.5晶體管單管放大電路的三種基本接法2.6場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.7基本放大電路的派生電路2.8Multisim應(yīng)用舉例22.1概述一、放大的概念例：擴(kuò)音器1、放大的對(duì)象為變化量2、輸入、輸出能量不等，本質(zhì)是能量的控制與轉(zhuǎn)換3、功率放大為基本特征（功放）4、有源元件（能夠控制能量的元件，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管）5、不失真才有意義3二、放大電路的性能指標(biāo)

1、放大倍數(shù)（對(duì)于小功率放大電路只考慮單一指標(biāo)放大倍數(shù)，不研究功放）注：若輸入信號(hào)緩慢變化或直流量變化，則各量用Δi、Δu表示42、輸入電阻Ri放大電路可以看成是信號(hào)源的負(fù)載，Ri是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。Ri＝Ui/Ii（有效值）US、RS為定值，為獲得大的Ui、需Ri↑，為獲得大的Ii、需Ri↓。3、輸出電阻RO放大電路的輸出可以看成一有內(nèi)阻的電壓源，Ro是從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻。RO越小→RL變化時(shí)UO變化越小→放大電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)5Ri

、RO描述了電子電路相互連接時(shí)的影響：RLⅠ＝RiⅡ，RSⅡ＝ROⅠ→Ri

、RO會(huì)影響A64、通頻帶用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力由于儲(chǔ)能元件的存在，低、高頻時(shí)減小并有相移，一般放大電路只適用于放大某一特定頻率范圍的信號(hào)。例：某幅頻特性fbW＝fH－fLfbW↑→放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力強(qiáng)f＝0或f＝∞時(shí),應(yīng)用：①功放fbW＝20Hz～20kHz②選頻放大電路fbW盡窄可能75、非線性失真系數(shù)D6、最大不失真輸出電壓Uom7、最大輸出功率與效率最大輸出功率Pom效率：直流電源的利用率η＝Pom/PVP79～思考題81、ui＝0時(shí)：

VBB使得UBE＞Uon，經(jīng)Rb形成IBVCC足夠高使得UCE＞UBE，T工作在放大狀態(tài)，IC＝βIB，UCE＝VCC－ICRC2、ui≠0時(shí)：ui→ib→βib＝ic→uO＝uce——電壓放大3、該接法稱為共射接法

2.2基本共射放大電路的工作原理以基本共射放大電路為例，闡明放大電路的組成原則及電路中各元件的作用。一、電路組成9二、靜態(tài)工作點(diǎn)交流ui＝0時(shí)的IB、UBE、IC、UCE記為IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ硅管時(shí)UBEQ可以認(rèn)為是0.7V設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性：保證三極管工作在放大區(qū)10三、波形分析圖中uO的波形是去掉了直流分量UCEQ所得到的，與ui反相?？梢婌o態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置：將交流分量馱載在直流分量之上，保證在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)T都工作在放大狀態(tài)，保證輸出放大且不產(chǎn)生非線性失真。11四、電路組成原則1、組成原則①直流電源、靜態(tài)工作點(diǎn)②電阻、合適的靜態(tài)電流③輸入信號(hào)作用于輸入回路產(chǎn)生iB或iE或uBE④輸出iC能夠作用于負(fù)載122、兩種常見的共射放大電路①直接耦合共射放大電路電路特點(diǎn)：㈠共射共地㈡射極、集電極電源合二為一㈢Rb1、Rb2、RC設(shè)置合理，保證靜態(tài)工作點(diǎn)（放大狀態(tài)）靜態(tài)工作點(diǎn)分析:分析時(shí)只分析直流——交流輸入端視為短路接地說明：Rb1必不可少，否則IBQ＝0，只有Rb1、Rb2配合才能保證IBQ。13②阻容耦合共射放大電路∵基本共射放大電路中信號(hào)電壓ui在Rb上有壓降直接耦合共射放大電路種信號(hào)電壓ui在Rb1上有壓降∴為了降低損耗，采用以下電路：耦合電容作用：（1/ωC隔直通交）電容對(duì)該放大電路直流特性無影響，交流信號(hào)ui可順利通過電容C1加入輸入回路，輸出信號(hào)交流部分可順利通過電容C2輸出uo，濾掉了直流成分?！枞蓠詈?4靜態(tài)時(shí)UC1＝UBEQUC2＝UCEQuBE＝UBEQ＋uiuo＝uCE－UCEQ以后的分析中β交、直流通用P84～例2.2.1P85～思考題P136～自測(cè)題一、二P138～習(xí)題2.1152.3放大電路的分析方法目的：求解靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)一、直流通路與交流通路直流通路：僅僅在直流電源作用下直流電流流經(jīng)的通路。①電容開路1/ωC②電感短路ωL③交流信號(hào)源短路、但保留RS交流通路：僅僅在交流電源作用下交流電流流經(jīng)的通路。①電容短路，容量大的電容②直流電源短路16例：1、基本共射放大電路172、直接耦合共射放大電路183、阻容耦合共射放大電路作業(yè)：P138～習(xí)題2.219習(xí)題2.220自測(cè)題二：21習(xí)題2.122二、圖解法1、靜態(tài)工作點(diǎn)①輸入特性曲線上過（VBB，0），（0，VBB/Rb）作直線，與曲線交點(diǎn)為Q（UBEQ，IBQ）∵uBE＝VBB－iBRb∴所作直線為輸入回路負(fù)載線，斜率為－1/Rb23②輸出特性曲線上過（VCC，0），（0，VCC/Rc）作直線，與IB＝IBQ這條輸出特性曲線交于一點(diǎn)Q（UCEQ，ICQ）∵uCE＝VCC－icRc∴所作直線為輸出回路負(fù)載線（直流負(fù)載線），斜率為－1/Rc如果輸出特性曲線中沒有IB＝IBQ那條輸出特性曲線，則應(yīng)該補(bǔ)測(cè)該曲線。242、電壓放大倍數(shù)AuΔuI→VBB＋ΔuI→ΔiB→ΔiC→ΔuCE→Au＝ΔuCE/ΔuI253、失真截止失真：uo上半峰（頂部）、ic下半峰（底部）

飽和失真：uo下半峰（底部）、ic上半峰（頂部）26最大不失真電壓Uom的求法：以UCEQ為中心，?。╒CC－UCEQ）和（UCEQ－UCES）這兩段距離中較小的數(shù)值。若除以，則得到最大不失真電壓的有效值Uom。為了使Uom盡可能大，應(yīng)將Q點(diǎn)置于（VCC－UCES）/2的位置。274、直流負(fù)載線與交流負(fù)載線阻容耦合放大電路帶負(fù)載時(shí)，輸出電壓同時(shí)加在RC和RL上，當(dāng)ic確定后，輸出電壓的大小取決于RC//RL，而不是RC。因此前述負(fù)載線uCE＝VCC－icRc稱為直流負(fù)載線，而動(dòng)態(tài)信號(hào)遵循的負(fù)載線稱為交流負(fù)載線。交流負(fù)載線具備兩個(gè)特征：①∵ui＝0時(shí)，IC＝ICQ、UCE＝UCEQ，∴交流負(fù)載線過Q點(diǎn)。②斜率為－1/（RC//RL）。交流負(fù)載線作法：過Q點(diǎn)與［UCEQ＋I(xiàn)CQ（RC//RL），0］作直線。28放大電路帶上RL之后，在輸入信號(hào)ui不變的情況下，輸出電壓uo的幅值變小，即Au變小、Uom變小。注意：直接耦合放大電路的交、直流負(fù)載線是同一條；阻容耦合放大電路只有在空載情況下兩條直線才合二為一。295、圖解法適用范圍優(yōu)點(diǎn)：形象直觀缺點(diǎn)：必須實(shí)測(cè)所用晶體管的特性曲線；定量分析時(shí)誤差較大；只能反映信號(hào)頻率低時(shí)的電壓電流關(guān)系。適用范圍：輸出幅值比較大而工作頻率不太高的情況。實(shí)際應(yīng)用中多用于分析Q點(diǎn)的位置、Uom和失真情況。P93～例2.3.130三、等效電路法與二極管同理，線性化建模1、直流模型及靜態(tài)工作點(diǎn)的估算直流晶體管模型：前述Q點(diǎn)的計(jì)算已經(jīng)應(yīng)用了該模型，外加直流通路計(jì)算即可。會(huì)分析、計(jì)算即可，模型不用死記。312、晶體管的h參數(shù)模型適用于低頻小信號(hào)，又稱為低頻小信號(hào)模型。以共射h參數(shù)模型為例：32得h參數(shù)模型：簡(jiǎn)化→UT＝26mV，rbb‘一般為300Ω，ICQ↑→rbe↓333、共射放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)用h參數(shù)模型代替基本共射放大電路的交流通路中的晶體管：34電路分析步驟：1、靜態(tài)Q→rbe；2、動(dòng)態(tài)各參數(shù)35P101～例2.3.21、靜態(tài)Q點(diǎn)2、動(dòng)態(tài)分析36P102～例2.3.31、靜態(tài)Q點(diǎn)2、動(dòng)態(tài)分析模型等效電路：Ri與RS無關(guān)，RO與RL無關(guān)373、求AusP103～思考題P136～自測(cè)題三、四P138～習(xí)題2.5、2.6、2.8作業(yè)：P138～習(xí)題2.4、2.7、2.9、2.10382.4放大電路Q點(diǎn)的穩(wěn)定一、穩(wěn)定的必要性及原理1、必要性

Q點(diǎn)不僅決定了電路是否失真，而且還影響了Au、Ri、Ro等動(dòng)態(tài)參數(shù)，其穩(wěn)定性至關(guān)重要。電源電壓波動(dòng)、元件老化、溫度變化等都是造成Q點(diǎn)不穩(wěn)定的因素，其中溫度的影響最為重要：溫度T↑→β↑→IC↑→UCE↓→Q點(diǎn)向左移→飽和溫度T↓→β↓→IC↓→UCE↑→Q點(diǎn)向右移→截止2、原理依靠IBQ產(chǎn)生與ICQ變化相反的變化來補(bǔ)償ICQ的變化，從而穩(wěn)定Q點(diǎn)。方法：反饋法、補(bǔ)償法39二、典型的穩(wěn)定Q點(diǎn)電路（反饋法）（a）直接耦合電路（b）阻容耦合電路（c）直流通路直流電流負(fù)反饋Q點(diǎn)穩(wěn)定電路，（b）圖又稱為電阻分壓式直流電流負(fù)反饋?zhàn)枞蓠詈瞎采浞糯箅娐?。（a）、（b）兩圖的直流通路相同，通過分析直流通路研究Q點(diǎn)的穩(wěn)定：通常為了穩(wěn)定Q點(diǎn)，電路參數(shù)的選取使得：I1＞＞IBQ，則：由于電阻的熱穩(wěn)定性，溫度變，UBQ不變溫度T↑→β↑→IC↑、IE↑→IERe↑→UBE＝（UBQ－IERe）↓→IB↓→IC↓兩個(gè)條件：UBQ、Re40電路分析：1、Q點(diǎn)估算法：41精確計(jì)算：無論電路參數(shù)的選取是否使得：I1＞＞IBQ，可利用戴維南定理求得直流通路的等效電路：422、動(dòng)態(tài)參數(shù)（a）直接耦合暫不作要求（b）阻容耦合帶旁路電容Ce，交流時(shí)Re被短路：43無旁路電容Ce，交流時(shí)考慮Re：無旁路電容Ce時(shí)的電壓放大倍數(shù)遠(yuǎn)小于帶旁路電容Ce時(shí)的電壓放大倍數(shù)。說明Re的存在穩(wěn)定了Q點(diǎn)，但卻以犧牲電壓放大倍數(shù)為代價(jià)。帶旁路電容Ce時(shí)，即可以在直流時(shí)穩(wěn)定Q點(diǎn)，又可以在動(dòng)態(tài)時(shí)有足夠的電壓放大倍數(shù)。44P108～例2.4.145三、補(bǔ)償法穩(wěn)定Q點(diǎn)的措施1、利用二極管的反向特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償溫度T↑→β↑→IC↑

＼→IR↑→IB↓→IC↓462、利用二極管的正向特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償溫度T↑→β↑→IC↑→UE↑

＼→UD↓→UB↓→UBE↓→IC↓P110～思考題作業(yè)：習(xí)題2.11、2.13472.5晶體管單管放大電路的三種基本接法共射放大電路中，就三極管本身而言，放大的是電流，通過外電路的不同接法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的放大。最終目的實(shí)現(xiàn)了功率的放大。共射、共集、共基是單管放大電路的三種基本接法，它們都實(shí)現(xiàn)了功率的放大。已經(jīng)學(xué)過的共射電路有：①基本共射（圖2.2.1）②直接耦合（圖2.2.4）③阻容耦合（圖2.2.5）④電阻分壓式直接耦合＋Re（圖2.4.2a）⑤電阻分壓式阻容耦合＋Re（圖2.4.2b）⑥電阻分壓式阻容耦合＋Re＋Ce（圖2.4.2b）48一、共集放大電路（射極輸出器）1、基本電路構(gòu)成（a）電路（b）直流通路（c）交流通路2、Q點(diǎn)493、動(dòng)態(tài)分析共集放大電路常稱為射極輸出器，放大倍數(shù)小于并接近于1，可作為電壓跟隨器；Ri大，Ro小，從信號(hào)索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，所以常用于多級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)；也可用來連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。

50P113～例2.5.1代入數(shù)據(jù)計(jì)算例：（習(xí)題2.12）電路如圖P2.12所示，晶體管的＝80，rbe=1kΩ。（1）求出Q點(diǎn)；（2）分別求出RL＝∞和RL＝3kΩ時(shí)電路的和Ri；（3）求出Ro。解：（1）Q點(diǎn)（2）動(dòng)態(tài)分析RL＝∞：51RL＝3kΩ：52二、共基放大電路1、電路結(jié)構(gòu)（a）電路——共基共地（b）交流通路c）交流等效電路532、Q點(diǎn)3、動(dòng)態(tài)54共基放大電路輸入—輸出電流為iE——iC，無電流放大能力具備電壓放大能力，放大能力與共射放大電路相當(dāng)，且為同相放大；輸入電阻小，輸出電阻與共射放大電路相當(dāng)；共基放大電路的最大優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，多用于無線電通訊應(yīng)用。P115～例2.5.2代入數(shù)據(jù)計(jì)算

例：（習(xí)題2.3b）分析所示電路的Q點(diǎn)、Ri和Ro的表達(dá)式。設(shè)靜態(tài)時(shí)R2中的電流遠(yuǎn)大于T的基極電流。55三、三種接法比較接法RiRoAu頻率特點(diǎn)及應(yīng)用共射中大－頻帶窄常作為低頻放大電路單元電路共集大小≤1無電流放大能力、只有電壓放大能力，常作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)、輸出級(jí)和中間級(jí)，功率放大電路常采用共基小大＋頻帶寬頻率特性最好，常用于寬頻帶放大電路P115～思考題P138～習(xí)題2.3562.6晶體管基本放大電路的派生電路為了進(jìn)一步改善放大電路的性能，可用多只晶體管構(gòu)成復(fù)合管來取代基本放大電路中的一只晶體管；也可根據(jù)需要將兩種基本接法組合起來，以得到多方面性能具佳的放大電路。57一、復(fù)合管放大電路1、復(fù)合管的組成及其電流放大系數(shù)兩只同類型的晶體管組成的復(fù)合管：等效為與組成它們同類型的管子（a）NPN（b）PNP58兩只不同類型的晶體管組成的復(fù)合管：等效為與T1同類型的管子（c）PNP（d）NPN59復(fù)合管組成原則：①在正確的外加電壓下每只管子的各極均有合適的通路，且都工作在放大區(qū)；②為了實(shí)現(xiàn)電流放大，應(yīng)將第一只管子的集電極或發(fā)射極電流作為第二只管子的基極電流（a）圖中：iB=iB1iE=iE2iC=iC1+iC2=β1iB1＋β2（1＋β1）iB1＝(β1+β2+β1β2)iB1∵β1β2＞＞β2∴β≈β1β2同理可得其余3圖的β均為β1β260由于復(fù)合管的β很大，只需很小的iB就能獲得很大的iC。有時(shí)還可以將3只晶體管結(jié)成復(fù)合管、或?qū)⒕w管與場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)成復(fù)合管。但是為了保證晶體管工作于放大區(qū)，c—e間的直流電壓必須足夠大，這就必須提高電源電壓；同時(shí)晶體管數(shù)目增多后，頻率特性會(huì)因結(jié)電容的作用變壞。所以3只晶體管組成的復(fù)合管很少用。612、復(fù)合管共射放大電路阻容耦合共射放大電路中的晶體管用復(fù)合管取代：1、靜態(tài)Q點(diǎn)622、動(dòng)態(tài)分析與單管放大電路相比，電流放大能力增大約β倍，電壓放大能力相當(dāng)，輸入電阻增大。633、復(fù)合管共集放大電路64

再次強(qiáng)調(diào)：任何電路輸入電阻與電壓源內(nèi)阻無關(guān)，輸出電阻與負(fù)載電阻無關(guān)。65二、共射—共基放大電路共射：電壓放大能力較強(qiáng)共基：頻率特性較好66三、共集—共基放大電路共集：輸入電阻大共基：有一定的電壓放大能力，頻率特性號(hào)67P129～思考題P144～習(xí)題2.18682.7場(chǎng)效應(yīng)管放大電路uGS→iD實(shí)現(xiàn)能量的控制，構(gòu)成放大電路；Ri大，常作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)。一、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法（a）共源——共射（b）共漏——共集（c）共柵——共基69二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與分析Q點(diǎn)設(shè)置的必要性：與晶體管放大電路一樣，為了使電路正常放大，必須保證場(chǎng)效應(yīng)管工作于恒流區(qū)。1、基本共源放大電路N溝道增強(qiáng)型MOS管①uGS>0且VGG>UGS(th)②VDD保證uDS>uGS-UGS(th)，恒流區(qū)③VDD為負(fù)載提供能量④Rd同Rc，將iD的變化轉(zhuǎn)化為uDS的變化、實(shí)現(xiàn)電壓放大70靜態(tài)分析：令ui＝0①圖解分析法UGSQ＝VGGuDS＝VDD－iDRd（直流負(fù)載線）曲線與直線的交點(diǎn)坐標(biāo)即靜態(tài)工作點(diǎn)②利用場(chǎng)效應(yīng)管的電流方程求出IDQ其中IDO是uGS＝2UGS（