模擬與數(shù)字電路

(模擬電路)復(fù)旦大學材料科學系第四章晶體管放大器這一章，我們要討論什么?本章研究晶體管放大器：如何將原理電路轉(zhuǎn)換為其等效電路如何根據(jù)等效電路求解電路輸入輸出信號之間的關(guān)系，得到電路的電學特性根據(jù)電路特性的討論，掌握不同類型晶體管放大器的特點

晶體管放大器是所有放大器的基礎(chǔ)！放大器最基本的模擬電子電路所有電子信息處理的基礎(chǔ)放大的對象：變化量放大的本質(zhì)：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判斷電路能否放大的基本出發(fā)點VCC至少一路直流電源供電放大器的一般描述放大器的性能指標增益電壓增益電流增益跨阻增益跨導(dǎo)增益功率增益輸入阻抗輸出阻抗頻率響應(yīng)非線性失真1.放大倍數(shù)：輸出量與輸入量之比電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù)信號源信號源內(nèi)阻輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流對信號而言，任何放大電路均可看成雙口網(wǎng)絡(luò)。放大器的性能指標2.輸入電阻和輸出電阻

將輸出等效成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻?？蛰d時輸出電壓有效值帶RL時的輸出電壓有效值輸入電壓與輸入電流有效值之比。從輸入端看進去的等效電阻通常是復(fù)數(shù),在電抗分量遠小于電阻分量的條件下近似為輸入電阻與輸出電阻3.通頻帶4.最大不失真輸出電壓Uom：交流有效值。

由于電容、電感及放大管PN結(jié)的電容效應(yīng)，使放大電路在信號頻率較低和較高時電壓放大倍數(shù)數(shù)值下降，并產(chǎn)生相移。衡量放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力。下限頻率上限頻率5.最大輸出功率Pom和效率η：功率放大電路的參數(shù)。定義電壓（電流）增益下降3dB為截止頻率3dB6.非線性失真非線性失真一般指諧波失真與頻率失真有本質(zhì)的區(qū)別總諧波失真系數(shù)的定義！放大器的分析

下面的內(nèi)容是本章的重點，也是本課程的重點之一。放大器的一般分析過程按照分析的目的畫出等效電路根據(jù)等效電路列出電路方程求解方程（上述3個步驟有可能要根據(jù)實際情況作合理的簡化）根據(jù)得到的所有結(jié)果，分析電路的性能晶體管單管放大器單管放大器的一般結(jié)構(gòu)單管放大器的分析方法單管放大器的頻率特性單管放大器的比較單管放大器的類型BJT單管放大器共發(fā)射極放大器共集電極放大器共基極放大器FET單管放大器共源極放大器共漏極放大器共柵極放大器共射放大器的結(jié)構(gòu)直流偏置負載信號源信號輸入輸出共用發(fā)射極直流偏置作用：提供晶體管合適的直流工作點注意點：正確區(qū)分直流回路(電容開路，電感短路）分析方法：估算法圖解法C2C1RLRCRBVCC+vsvors設(shè)置靜態(tài)工作點的必要性

輸出電壓必然失真！

設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，首先要解決失真問題，但Q點幾乎影響著所有的動態(tài)參數(shù)！

為什么放大的對象是動態(tài)信號，卻要晶體管在信號為零時有合適的直流電流和極間電壓？基本共射放大電路的波形分析飽和失真底部失真截止失真頂部失真動態(tài)信號馱載在靜態(tài)之上與iC變化方向相反要想不失真，就要在信號的整個周期內(nèi)保證晶體管始終工作在放大區(qū)！C晶體管直流偏置的估算法分析已經(jīng)在第2章詳細講述要點：用帶閾值的二極管模型等效發(fā)射結(jié)，用CCCS等效集電結(jié)晶體管直流偏置的圖解法分析在晶體管輸入回路中，聯(lián)合晶體管輸入特性曲線與輸入部分的偏置電路特性曲線，其交點就是輸入回路的偏置點（靜態(tài)工作點）在晶體管輸出回路中，聯(lián)合晶體管輸出特性曲線與輸出部分的偏置電路特性曲線，其交點就是輸出回路的偏置點（靜態(tài)工作點）圖解法的例子（輸入回路）模擬電子學基礎(chǔ)212024/4/14圖解法的例子（輸出回路）模擬電子學基礎(chǔ)222024/4/14交流小信號分析在直流偏置基礎(chǔ)上疊加交流小信號只考慮交流回路足夠大的電容短路，足夠大的電感開路直流電壓源短路，直流電流源開路線性化近似晶體管用工作點附近交流小信號等效模型代替對線性電路求解232024/4/14共射放大器的低頻小信號等效電路所有電容短路所有直流電源短路晶體管以其等效模型替代模擬電子學基礎(chǔ)242024/4/14晶體管參數(shù)計算電壓增益以及輸入阻抗的部分電路（必須計及負載的影響）計算輸出阻抗的部分電路（必須計及源內(nèi)阻的影響）模擬電子學基礎(chǔ)252024/4/14求輸入電阻、電壓增益：輸入電阻：電壓增益：源電壓增益：模擬電子學基礎(chǔ)262024/4/14求輸出電阻：輸出電阻：

由于在低頻條件下晶體管的共射模型中輸入和輸出相互獨立，所以計算特別簡單，幾乎可以不用列節(jié)點方程。模擬電子學基礎(chǔ)272024/4/14例1已知在23頁晶體管放大器中，VCC=9V，RB=620kW，RL=2kW，信號源內(nèi)阻rs=600W；晶體管b＝100，VA=40V；所有電容對交流信號短路。計算RC

=3kW

時放大器的靜態(tài)工作點，證明三極管工作在放大區(qū)，求放大器的輸入電阻ri、輸出電阻ro

以及源電壓增益vo/vs。計算RC

=10kW

時放大器的靜態(tài)工作點，證明三極管工作在飽和區(qū)。解：（1）RC

=3kW

時，靜態(tài)工作點計算所以，晶體管工作在放大狀態(tài)，此時有晶體管等效參數(shù)放大區(qū)計算放大器諸特性參數(shù)（2）RC

=10kW

時，靜態(tài)工作點計算若按照放大狀態(tài)估計，則所以晶體管不能工作在放大狀態(tài)，而是飽和狀態(tài)。此時有

在飽和狀態(tài)下，VCEQ一定等于晶體管飽和壓降VCES0.88mA312024/4/14輸出回路靜態(tài)工作點隨集電極電阻變化而變化模擬電子學基礎(chǔ)322024/4/14例2晶體管共射放大器如圖，求輸入電阻、輸出電阻以及電壓放大系數(shù)。其中晶體管的rce較大可忽略，所有電容的交流電抗很小可忽略。

晶體管放大器解題三部曲：1、靜態(tài)工作點2、晶體管小信號等效參數(shù)3、電路特性參數(shù)模擬電子學基礎(chǔ)332024/4/14比較共射放大器模擬電子學基礎(chǔ)342024/4/14解：第一步：求解靜態(tài)工作點根據(jù)第二章的討論，發(fā)射極帶有電阻的電路靜態(tài)工作點計算：驗證晶體管工作在放大區(qū)模擬電子學基礎(chǔ)352024/4/14第二步：求解晶體管等效參數(shù)第三步：求解電路特性參數(shù)模擬電子學基礎(chǔ)362024/4/14單管放大器的一般分析過程總結(jié)根據(jù)要放大信號的特征，區(qū)分直流回路與交流回路求晶體管的靜態(tài)工作點（保證晶體管工作在放大區(qū)），并求得晶體管小信號等效參數(shù)畫出交流小信號等效電路在交流小信號等效電路中，通過列節(jié)點方程等手段求出輸入輸出的電壓、電流關(guān)系，最后得到放大器的性能指標模擬電子學基礎(chǔ)372024/4/14單管共射放大器的輸出動態(tài)范圍研究輸出動態(tài)范圍的目的：保證晶體管工作在放大區(qū)模擬電子學基礎(chǔ)382024/4/14直流負載線與交流負載線的畫法直流負載線：兩點法：經(jīng)過VCC和VCC/RC點斜法：經(jīng)過VCC，斜率為j=arctan(1/RC)交流負載線：點斜法：經(jīng)過Q點，斜率為q=arctan(1/RC′)，其中RC′是交流負載電阻模擬電子學基礎(chǔ)392024/4/14由于動態(tài)范圍不夠引起的輸出失真A飽和失真B截止失真QAQB模擬電子學基礎(chǔ)402024/4/14

所謂Q點穩(wěn)定，是指ICQ和UCEQ在溫度變化時基本不變，這是靠IBQ的變化得來的。若溫度升高時要Q’回到Q，則只有減小IBQT（℃）→β↑→ICQ↑→Q’ICEQ↑若UBEQ不變IBQ↑Q’溫度對靜態(tài)工作點的影響模擬電子學基礎(chǔ)412024/4/14直流通路？Ce為旁路電容，在交流通路中可視為短路1.電路組成靜態(tài)工作點穩(wěn)定的典型電路模擬電子學基礎(chǔ)422024/4/142.穩(wěn)定原理

為了穩(wěn)定Q點，通常I1>>IB，即I1≈I2；因此基本不隨溫度變化。設(shè)UBEQ＝UBE＋ΔUBE，若UBQ－UBE>>ΔUBE，則IEQ穩(wěn)定。模擬電子學基礎(chǔ)432024/4/14Re的作用T(℃)↑→IC↑→UE↑→UBE↓（UB基本不變）→IB↓→IC↓Re起直流負反饋作用，其值越大，反饋越強，Q點越穩(wěn)定。關(guān)于反饋的一些概念：將輸出量通過一定的方式引回輸入回路影響輸入量的措施稱為反饋。直流通路中的反饋稱為直流反饋。反饋的結(jié)果使輸出量的變化減小的稱為負反饋，反之稱為正反饋。Re有上限值嗎？IC通過Re轉(zhuǎn)換為ΔUE影響UBE溫度升高IC增大，反饋的結(jié)果使之減小模擬電子學基礎(chǔ)442024/4/143.

Q點分析分壓式電流負反饋工作點穩(wěn)定電路Rb上靜態(tài)電壓是否可忽略不計？判斷方法：4.動態(tài)分析利?弊?無旁路電容Ce時：如何提高電壓放大能力？引入直流負反饋溫度補償：利用對溫度敏感的元件，在溫度變化時直接影響輸入回路。例如，Rb1或Rb2采用熱敏電阻。它們的溫度系數(shù)？穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法共集電極放大器直流偏置負載信號源共集放大器的直流與交流回路注：直流回路的解法已經(jīng)在第二章解決模擬電子學基礎(chǔ)492024/4/14共集放大器的交流小信號等效電路計算電壓增益以及輸入阻抗的部分電路計算輸出阻抗的部分電路模擬電子學基礎(chǔ)502024/4/14計算輸入電阻以及電壓增益其中針對前頁圖中紅色框內(nèi)部分（不計RB）可以寫出：根據(jù)上述方程(2)，并考慮，可以求電壓增益。在上述方程組中消去vo，可以求輸入阻抗。模擬電子學基礎(chǔ)512024/4/14共集放大器的特性（1）電壓增益一級近似，近似條件：b>>1二級近似，近似條件：模擬電子學基礎(chǔ)522024/4/14共集放大器的特性（2）輸入電阻近似情況一，近似條件：近似情況二，近似條件：此項可能很大計算輸出電阻針對p36圖中藍色框內(nèi)部分，將電壓源vs短路，并在輸出端加激勵電流源io，可以寫出：根據(jù)上述方程，考慮，消去vi可以求輸出電阻模擬電子學基礎(chǔ)542024/4/14共集放大器的特性（3）輸出電阻其中近似情況一，近似條件：

rce遠大于式中其余的電阻近似情況二，近似條件：信號源內(nèi)阻較小，模擬電子學基礎(chǔ)552024/4/14例3已知共集放大器中，晶體管b=150，VA=80V；偏置電阻RB1=10kW，RB2=2kW，RE=1kW；負載電阻RL=1kW；信號源內(nèi)阻rs=600W；電源電壓VCC=12V。假設(shè)所有電容對于信號的電抗可以忽略不計，試求放大器的輸入電阻、輸出電阻以及源電壓放大倍數(shù)。模擬電子學基礎(chǔ)562024/4/14解：第一步：求解靜態(tài)工作點根據(jù)第二章的討論，發(fā)射極帶有電阻的電路靜態(tài)工作點為，其中代入本題數(shù)據(jù)由于本題滿足，所以模擬電子學基礎(chǔ)572024/4/14第二步：求解晶體管小信號模型參數(shù)第三步：求解電路小信號特性參數(shù)注意數(shù)值的單位因為滿足一級近似條件b

>>1，所以模擬電子學基礎(chǔ)602024/4/14共基極放大器直流偏置負載信號源共基放大器的交流小信號等效電路注意：vbe的方向與vi相反列節(jié)點方程可求解各特性參數(shù)模擬電子學基礎(chǔ)622024/4/14共基放大器的特性（1）電壓增益近似情況，近似條件：

晶體管共基極放大器的電壓增益與共發(fā)射極的基本相同，相差一個符號。模擬電子學基礎(chǔ)632024/4/14共基放大器的特性（2）輸入電阻一級近似，近似條件：rce很大以致可以忽略其影響二級近似，近似條件：rbe/(1+b)遠小于RE共基放大器的特性（3）輸出電阻近似情況一，近似條件：信號源具有高內(nèi)阻，rs//RE>>rbe近似情況二，近似條件：集電極偏置電阻較小，RC<<rce模擬電子學基礎(chǔ)652024/4/14共源極放大器模擬電子學基礎(chǔ)662024/4/14FET放大器的偏置已經(jīng)在第2章解決一般用估算法計算：用場效應(yīng)管的大信號模型（ID的表達式）求解方程，要注意得到的解中有一個是多余的也可以用圖解法求解，方法與BJT放大器的完全一致模擬電子學基礎(chǔ)672024/4/14共源放大器的交流小信號等效電路模擬電子學基礎(chǔ)682024/4/14共源放大器的特點輸入電阻很高。若不考慮偏置電阻，可以達到極高的數(shù)值電壓增益的形式類似共發(fā)射極放大器，但是一般FET的gm較小，所以電壓增益小于共射放大器輸出電阻的形式也類似共射放大器只有電壓控制模式（FET放大器共同特點）模擬電子學基礎(chǔ)692024/4/14共漏極放大器模擬電子學基礎(chǔ)702024/4/14共漏放大器的交流小信號等效電路模擬電子學基礎(chǔ)712024/4/14共漏放大器的特點輸入電阻很高。若不考慮偏置電阻，可以達到極高的數(shù)值電壓增益的形式類似共集電極放大器，但是一般FET的gm較小，所以電壓增益小于1輸出電阻較低，且與信號源內(nèi)阻無關(guān)模擬電子學基礎(chǔ)722024/4/14共柵極放大器共柵放大器的交流小信號等效電路放大器低頻特性總結(jié)一、電壓增益共射、共源共集、共漏共基、共柵其中RL′是在晶體管輸出端看到的所有負載，包含晶體管的輸出電阻模擬電子學基礎(chǔ)752024/4/14二、輸入電阻共射共源共集共漏共基共柵晶體管輸入端的偏置電阻晶體管的輸入電阻模擬電子學基礎(chǔ)762024/4/14三、輸出電阻共射共源共集共漏共基共柵晶體管輸出端的偏置電阻晶體管的輸出電阻模擬電子學基礎(chǔ)772024/4/14單管放大器的頻率特性頻率特性包含高頻特性與低頻特性需考慮電路中電抗元件（電容、電感以及晶體管極間電容等）的影響作等效電路時應(yīng)該采用晶體管的高頻等效模型為了簡化分析過程，有時用密勒定理對被分析的等效電路作單向化近似模擬電子學基礎(chǔ)782024/4/14密勒定理將跨接在四端網(wǎng)絡(luò)兩端的阻抗等效到四端網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)注意：Av(s)包含Z(s)的作用模擬電子學基礎(chǔ)792024/4/14共射放大器的頻率特性分析耦合電容影響低頻特性（將在多級放大器中討論）晶體管極間電容影響電路的高頻特性模擬電子學基礎(chǔ)802024/4/14共射放大器的高頻小信號等效電路晶體管極間電容。注意電容Cb'c跨接在輸入輸出之間模擬電子學基礎(chǔ)812024/4/14密勒等效前：密勒等效后：模擬電子學基礎(chǔ)822024/4/14等效電源變換等效電源變換以后可以明顯看到電路具有2個極點模擬電子學基礎(chǔ)832024/4/14共射放大器的頻率特性由于密勒效應(yīng)，Cb'c'變得很大，極點w1的頻率較低（主導(dǎo)極點）模擬電子學基礎(chǔ)842024/4/14例4某晶體管參數(shù)為，，，現(xiàn)接成共射放大器，靜態(tài)工作點電流ICQ=5mA，信號源內(nèi)阻（含偏置電阻）為500W，總負載電阻（含偏置電阻）為1kW。試求其高頻響應(yīng)。解：晶體管小信號參數(shù)為密勒等效后的晶體管極間電容為模擬電子學基礎(chǔ)852024/4/14兩個極點頻率為可見第一個極點頻率遠遠低于第二個極點頻率，所以第一個極點為主導(dǎo)極點。此放大器的高頻響應(yīng)特性主要由此主導(dǎo)極點所左右。模擬電子學基礎(chǔ)862024/4/14共集放大器的頻率特性分析只討論極間電容的影響共集放大器的高頻等效電路為了簡化分析，先忽略此電容，節(jié)點電壓方程如下：RL'共集放大器的頻率特性由節(jié)點電壓方程解得：特點：1、零點與極點的頻率都很高，接近特征頻率

2、極點與零點頻率比較接近，具有互補作用

3、實際放大器由于Cb‘c的存在，上截止頻率受到影響低頻增益模擬電子學基礎(chǔ)892024/4/14共基放大器的頻率特性分析只討論晶體管極間電容的影響模擬電子學基礎(chǔ)902024/4/14共基放大器的高頻等效電路忽略基區(qū)電阻rbb′后的簡化電路rs’共基放大器的頻率特性兩個極點：特點：不存在密勒效應(yīng)，另外發(fā)射結(jié)電阻re

遠小于共射放大器的rbe，所以兩個極點的頻率都比較高，高頻特性良好模擬電子學基礎(chǔ)922024/4/14共源放大器的頻率特性分析只討論晶體管極間電容影響模擬電子學基礎(chǔ)932024/4/14共源放大器的高頻等效電路密勒等效前密勒等效后模擬電子學基礎(chǔ)942024/4/14共源放大器的頻率特性存在兩個極點其中由于密勒效應(yīng)，Cgd′比較大，導(dǎo)致輸入電容較大高頻響應(yīng)較差第一個極點是主導(dǎo)極點由于FET放大器的gm較小，密勒效應(yīng)不如BJT放大器顯著模擬電子學基礎(chǔ)952024/4/14共漏放大器的頻率特性分析只討論晶體管極間電容影響模擬電子學基礎(chǔ)962024/4/14共漏放大器的頻率特性1個零點、2個極點：輸入電容較小高頻響應(yīng)優(yōu)于共源放大器Cgs模擬電子學基礎(chǔ)972024/4/14共柵放大器的頻率特性分析只討論晶體管極間電容影響模擬電子學基礎(chǔ)982024/4/14共柵放大器的頻率特性2個極點：高頻響應(yīng)優(yōu)于共源放大器模擬電子學基礎(chǔ)992024/4/14BJT放大器與FET放大器的比較共射共集共基共源共漏共柵電壓放大系數(shù)高≈1高高<1高電流放大系數(shù)高高≈1－－－輸入電阻中等高低極高極高低輸出電阻高低高高中高高頻特性差好好差好好模擬電子學基礎(chǔ)1002024/4/14雙管組合放大器雙管組合放大器的特點：發(fā)揮基本放大器的優(yōu)點，避免其缺點雙管組合電路的基本形式：共射-共基電路共集-共集電路共集-共射電路共集-共基電路復(fù)合管模擬電子學基礎(chǔ)1012024/4/14共射－共基電路vivorbe1rbe2gm1vbe1gm2vbe2RLbebccT1T2RBvbe1++++evbe2模擬電子學基礎(chǔ)1022024/4/14共射－共基電路的特點電壓增益與共射電路相同輸入電阻與共射電路相同輸出電阻與共基電路相同，是共射電路的(1+b)倍高頻特性比共射電路好得多模擬電子學基礎(chǔ)1032024/4/14共集－共集電路高輸入電阻低輸出電阻電壓增益近似等于1模擬電子學基礎(chǔ)1042024/4/14共集－共射電路電壓增益近似與共射電路相同高輸入電阻部分改善共射電路的高頻特性模擬電子學基礎(chǔ)1052024/4/14復(fù)合晶體管極性取決于第一個晶體管不同的復(fù)合方式有不同的特性參數(shù)共同的參數(shù)特點是：b極大（103～104）高頻特性一般都較差復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)等效的晶體管模擬電子學基礎(chǔ)1062024/4/14多級放大器多級放大器的結(jié)構(gòu)多級放大器的小信號放大特性多級放大器的頻率特性模擬電子學基礎(chǔ)1072024/4/14多級放大器的結(jié)構(gòu)前置放大級：與信號源的耦合，低噪聲主放大級：完成放大器的主要特性指標輸出級：與負載的耦合，功率輸出模擬電子學基礎(chǔ)1082024/4/14多級放大器的交流小信號放大特性總放大倍數(shù)等于各級放大倍數(shù)之積以分貝表示的總增益為各級增益之和后級的輸入阻抗是前級放大器的負載阻抗前級放大器的輸出阻抗是后級放大器的信號源阻抗總輸入阻抗等于首級放大器的輸入阻抗總輸出阻抗等于末級放大器的輸出阻抗模擬電子學基礎(chǔ)1092024/4/14多級放大器的頻率特性多級放大器的總帶寬總是小于各級的帶寬若存在某級的下截止頻率遠遠高于其他級的下截止頻率，某級的上截止頻率遠遠低于其他級的上截止頻率的情況下，多級放大器的頻率響應(yīng)主要就由這兩個頻率確定。模擬電子學基礎(chǔ)1102024/4/14多級放大器的級間耦合方式阻容耦合變壓器耦合直接耦合模擬電子學基礎(chǔ)1112024/4/14阻容耦合放大器靜態(tài)工作點相互獨立，不存在相互影響無法放大很低頻率的信號模擬電子學基礎(chǔ)1122024/4/14阻容耦合放大器的頻率特性高頻特性由各級放大器的高頻特性確定（由晶體管確定）各級的低頻特性由耦合電路確定第一級第二級模擬電子學基礎(chǔ)1132024/4/14帶發(fā)射極電阻及其旁路電容的共發(fā)射極放大電路的低頻響應(yīng)節(jié)點電壓方程組模擬電子學基礎(chǔ)1142024/4/14低頻極點，相當于電容縮小為原來的1/(1+b)結(jié)論：發(fā)射極旁路電容對于放大器低頻響應(yīng)的影響十分顯著消去vb和ve，得近似情況，近似條件：模擬電子學基礎(chǔ)1152024/4/14討論如果圖中的幾個電容相同，低頻特性主要由哪個電容決定？C1C2模擬電子學基礎(chǔ)1162024/4/14可以同樣方法得到帶源極電阻及其旁路電容的共源放大電路的響應(yīng)：同樣，源極電容被縮小，對低頻的影響加大（