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模电第二章幻灯片-清华大学

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    • 1、第二章 基本放大电路,第二章 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,2.1 放大的概念与放大电路 的性能指标,一、放大的概念,二、放大电路的性能指标,一、放大的概念,放大的对象:变化量 放大的本质:能量的控制 放大的特征:功率放大 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,至少一路直流电源供电,二、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,对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。,2. 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。,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,3. 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应能力。,

      2、5. 最大输出功率Pom和效率:功率放大电路的参数,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,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,一、电路的组成及各元件的作用,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,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?,三、基本共射放大电路的波形分析,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!,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路,在负载上能够获得放大

      3、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。,两种实用放大电路:(1)直接耦合放大电路,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,两种实用放大电路:(2)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,,C1、C2为耦合电容!,uBEuIUBEQ,信号驮载在静态之上。 负载上只有交流信号。,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,二、图解法,三、等效电路法,一、放大电路的直流通路和交流通路,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

      4、概念。,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。,当VCCUBEQ时,,已知:VCC12V, Rb600k, Rc3k , 100。 Q?,阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,二、图解法 应实测特性曲线,输入回路负载线,IBQ,负载线,1. 静态分析:图解二元方程,2. 电压放大倍数的分析,斜率不变,3. 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?,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 。,清华大学 华成英 ,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。 画出图示电路的直流通路和交流通路。,三、等

      5、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,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,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,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,h参数的物理意义,b-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?,简化的h参数等效电路交流等效模型,查阅手册,利用PN结的电流方程可求得,在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小!,3. 放大电路的动态分析,放大电路的 交流等效电路,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!,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真?哪个Q点下最易产生饱和失

      6、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?,2. 空载和带载两种情况下Uom分别为多少? 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? 增强电压放大能力的方法?,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?,讨论三:基本共射放大电路的静态分析和动态分析,为什么用图解法求解IBQ和UBEQ?,讨论四:阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析,讨论五:波形分析,失真了吗?如何判断?原因?,饱和失真,2.4 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,一、温度对静态工作点的影响,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IBQ,二、静态工作点稳定的典型电路,Ce为旁路电容,在交流通路中可视为短路,1. 电路组成,2. 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 UB

      7、EUBE,若UBQ UBEUBE,则IEQ稳定。,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?,3. Q 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:,4. 动态分析,利?弊?,无旁路电容Ce时:,如何提高电压放大能力?,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?,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?,若采用了措施,则是什么措施?,2.5 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、三种接法放大电路的比较,一、基本共集放大电路,1. 静态分析,2. 动态分析:电压放大倍数,故称之为射极跟随器,2. 动态

      8、分析:输入电阻的分析,Ri与负载有关!,带负载电阻后,2. 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, 。,二、基本共基放大电路,1. 静态分析,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!,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,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。,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,清华大学 华成英 ,讨论二,改变电压放大倍数,2.6 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,一、场效应管(以

      9、N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,导电沟道,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,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),漏-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),夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区,因而uGSUGS(off)且uGDUGS(off)。,uDGUGS(off),g-s电压控制d-s的等效电阻,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),不同型号的管子UGS(off)、IDSS将不同。,低频跨导:,2. 绝缘栅型场效应管,uGS增大,反型层(导电沟道)将变厚变长。当反型层将两个N区相接时,形成导电沟道。,SiO2绝缘层,衬底,反型层,增强型管,大到一定值才开启,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。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,uG

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