《模拟电子电路及技术基础》课件第5章.ppt

1、第五章 基本放大电路第五章基本放大电路第五章基本放大电路5.1基本放大器的组成原理及直流偏置电路基本放大器的组成原理及直流偏置电路5.2放大器图解分析法放大器图解分析法5.3放大器的交流等效电路分析法放大器的交流等效电路分析法5.4共集电极放大器和共基极放大器共集电极放大器和共基极放大器5.5场效应管放大器场效应管放大器5.6放大器的级联放大器的级联第五章 基本放大电路5.1基本放大器的组成原理及直流偏置电路基本放大器的组成原理及直流偏置电路晶体管的一个基本应用就是构成放大器。所谓基本放大器，是指由一个晶体管组成的单级放大器。根据输入、输出回路公共端所接的电极不同，实际中只有共射极、共集电极和

2、共基极这三种组态的放大器。下面以最常用的共射电路为例来说明放大器的一般组成原理。第五章 基本放大电路5.1.1基本放大器的组成原理基本放大器的组成原理共射极放大器的原理电路如图5.1.1所示。图中，UBB和UCC为直流偏置电源，通过合理选择基极偏置电阻RB和集电极负载电阻RC将晶体管偏置在放大区，并有一合适的工作点ICQ和UCEQ。输入信号通过电容C1加到基极输入端，放大后的信号经电容C2由集电极输出给负载RL。因为放大器分析一般采用稳态分析法，所以通常用正弦波作为放大器的输入信号。第五章 基本放大电路图5.1.1共射极放大器的原理电路第五章 基本放大电路图中用内阻Rs的正弦电压Us为放大器提

3、供输入电压Ui。电容C1、C2为隔直电容或耦合电容，其作用是隔直流通交流，即保证信号正常流通的情况下，使放大器的直流偏置与信号源和负载相互隔离、互不影响。按这种方式连接的放大器，通常称为阻容耦合放大器。第五章 基本放大电路通过上述原理电路的组成实例可以看出，用晶体管组成放大器时应该遵循如下规则：(1)必须将晶体管偏置在放大区，并且要设置一合适的静态工作点。为减小直流功耗，在保证信号作用下管子不截止的前提下，工作点ICQ应设在较小处。第五章 基本放大电路(2)输入信号必须加在基极射极回路。由于正偏的发射结电压uBE对iC有灵敏度的控制作用，因此，只有将输入信号加在发射结，使其成为控制电压uBE的

4、一部分(如图5.1.1 中uBE=UC1+ui=UBEQ+ui)，才能得到有效的放大。具体连接时，若射极为公共端，则信号应加到基极；反之，基极为公共端，则信号应加到射极。因为反偏的集电结对iC几乎没有控制作用，所以输入信号不能加到集电极。第五章 基本放大电路(3)必须设置合理的直流和交流信号通路。当信号源和负载与放大器相接时，一方面不能破坏已设定好的直流工作点，另一方面应尽可能减小信号通路中的损耗。实际中，若输入信号的频率较高(几百赫兹以上)，采用阻容耦合是一种最佳的连接方式。综上所述，在构成实用放大器时，必须同时满足以上三条原则，否则电路将不能正常放大信号。第五章 基本放大电路5.1.2直流

5、偏置电路直流偏置电路对偏置电路的要求是：(1)偏置下的晶体管要有一合适的直流工作点，并且该工作点在环境温度变化或更换管子时应力求保持稳定。由于集电极总是位于放大器的输出回路，因此，所谓工作点稳定就是要求ICQ和UCEQ稳定。(2)对直流能量和信号传输的损耗应尽可能小。(3)电路形式要简单。如采用单路电源，尽可能少用电阻等。第五章 基本放大电路1.固定偏流电路固定偏流电路电路如图5.1.2所示。由图可知，UCC通过RB使e结正偏，则基极偏流为BBE(on)CCBQRUUI(5.1.1a)只要合理选择RB、RC的阻值，晶体管就处于放大状态。此时ICQ=IBQ (5.1.1b)UCEQ=UCCICQ

6、RC (5.1.1c)第五章 基本放大电路图5.1.2固定偏流电路第五章 基本放大电路这种偏置电路虽然简单，但主要缺点是工作点的稳定性差。由式(5.1.1)可知，当温度变化或更换管子引起、ICBO改变时，由于外电路将IBQ固定，因此管子参数的改变都将集中反映到ICQ、UCEQ的变化上。结果会造成工作点较大的漂移，甚至会使管子进入饱和或截止状态。第五章 基本放大电路2.电流负反馈型偏置电路电流负反馈型偏置电路使工作点稳定的基本原理，是在电路中引入自动调节机制，用与IB相反的变化去自动抑制IC的变化，从而使ICQ稳定。这种机制通常称为负反馈。实现方法是在管子的发射极串接电阻RE，见图5.1.3。由

7、图可知，不管何种原因，如果使ICQ有增大趋向，则电路会产生如下自我调节过程：第五章 基本放大电路图 5.1.3电流负反馈型偏置电路第五章 基本放大电路ICQIEQUEQ(=IEQRE)ICQIBQUBEQ(=UBQUEQ)结果，因IBQ的减小而阻止了ICQ的增大；反之亦然。可见，通过RE对ICQ的取样和调节，实现了工作点的稳定。显然，RE的阻值越大，调节作用越强，则工作点越稳定。但RE过大时，因UCEQ过小会使工作点（Q点）靠近饱和区。因此，要二者兼顾，合理选择RE的阻值。第五章 基本放大电路由图5.1.3可知UCC=IBQRB+UBE(on)+IEQRE=IBQRB+UBE(on)+(+1)

8、IBQRE因此，可得工作点的计算式为EBBE(on)CCBQ)1(RRUUI(5.1.2a)ICQ=IBQ (5.1.1b)UCEQ=UCCICQ(RC+RE)(5.1.1c)第五章 基本放大电路3.分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路如图5.1.4(a)所示，它是电流负反馈型偏置电路的改进电路。由图可知，通过增加一个电阻RB2，可将基极电位UB固定。这样由ICQ引起的UE变化就是UBE的变化，因而增强了UBE对ICQ的调节作用，有利于Q点的近一步稳定。第五章 基本放大电路图5.1.4分压式偏置电路(a)电路；(b)用戴维南定理等效后的电路第五章 基本放大电路为确保UB固定，应满足流过R

9、B1、RB2的电流I1IBQ，这就要求RB1、RB2的取值越小越好。但是RB1、RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取 (510)IBQ (硅管)(1020)IBQ(锗管)并兼顾RE和UCEQ而取I1=(5.1.3a)CCB3151UU(5.1.3b)第五章 基本放大电路依据式(5.1.3)，可以确定RB1、RB2及RE的阻值。从分析的角度看，在该电路的基极端用戴维南定理等效，可得如图5.1.4(b)的等效电路。图中，RB=RB1RB2,UB=UCCRB2/(RB1+RB2)。此时，工作点可按式(5.1.2)计算。如果RB1、RB2取值不大，在估算工作点时，则ICQ可

10、按下式直接求出：第五章 基本放大电路CCEBE(on)BBEQCQURUUII(5.1.4a)式中:CCB2B1B2BBBURRRUI(5.1.4b)【例例 5.1.1】电路如图5.1.4(a)所示。已知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计算工作点ICQ和UCEQ。第五章 基本放大电路解RB=RB1RB2=3925=15kV7.412253925CCB2B1B2BBURRRUmV019.02101157.07.4)1(EBBE(on)BBBQRRURIICQ=IBQ=1000.019=1.9mAUCEQ=UCCICQ(RC+RE)=121.9(2+2

11、)=4.4V第五章 基本放大电路若按估算法直接求ICQ，由式(5.1.4a)可得mV227.07.4EBE(on)BBCQRUUIUCEQ=UCCICQ(RC+RE)=122(2+2)=4V显然两者误差很小。因此，在今后分析中可按估算法来求工作点。第五章 基本放大电路与上述稳定工作点的原理相类似，实际中还可采用电压负反馈型偏置电路，其工作点稳定原理请读者自行分析。除此之外，在集成电路中，还广泛采用电流源作偏置，即用电流源直接设定ICQ。有关电流源问题将在第六章详细讨论。采用固定偏流电路组成的共射极放大器如图5.1.5所示。与图5.1.1原理电路相比，只用了一路电源UCC，而且为了使电路图清晰，

12、将射极端设为电路的参考点(即公共地)，这样电源可不必画出，而用电位UCC表示。第五章 基本放大电路图5.1.5共射极放大器电路第五章 基本放大电路5.1.3直流通路和交流通路直流通路和交流通路直流通路和交流通路两个方面：一是直流(静态)工作点分析，即在没有输入信号时，计算晶体管各极的直流电流和极间电压；二是交流(动态)性能分析，即在输入信号作用下，确定晶体管在工作点处各极电流和极间电压的变化量，进而计算放大器的各项交流指标。因此，两者分析的对象是不同的，前者是电路中的直流分量，而后者是交流分量。因为放大电路中可能存在有电抗元件，所以其直流通路和交流通路是各不相同的。为了分别进行直流和交流分析，

13、必须首先确定出放大器的直流通路和交流通路。第五章 基本放大电路确定放大器的直流通路和交流通路的方法是：将原放大电路中的所有电容开路，电感短路，而直流电源保留，得直流通路；根据输入信号的频率，将电抗极小的大电容、小电感短路，电抗极大的小电容、大电感开路，而电抗不容忽略的电容、电感保留，且直流电源对地短路(因其内阻极小)，便得交流通路。第五章 基本放大电路现以图5.1.5所示的共射极放大器为例，按照上述方法，将电路中的耦合电容C1、C2开路，得直流通路，如图5.1.6(a)所示；将C1、C2短路，直流电源UCC对地也短路，便得交流通路，如图5.1.6(b)所示。第五章 基本放大电路图5.1.6共射

14、极放大器的交、直流通路(a)直流通路；(b)交流通路第五章 基本放大电路5.2放大器图解分析法放大器图解分析法5.2.1直流图解分析直流图解分析直流图解分析是在晶体管特性曲线上，用作图的方法确定出直流工作点，求出IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ。从原则上说，IBQ和UBEQ可以在输入特性曲线上作图求出。但是输入特性不易准确测得，所以IBQ和UBEQ一般不用图解法确定，而是利用估算法，取UBEQ0.7V(硅管)或 0.3V(锗管)，并按式(5.1.1a)算出IBQ。下面主要讨论输出回路的图解过程。第五章 基本放大电路对于图5.1.5所示的共射极放大器，其直流通路重画于图5.2.1(a)中。由图

15、可知，在集电极输出回路，可列出如下一组方程：iC=f(uCE)|iB=IBQ特性曲线方程(5.2.1a)uCE=UCCiCRC直流负载线方程(5.2.1b)其中，特性曲线方程是由晶体管内部特性决定的iC与uCE之间的关系式，反映在输出特性上，它是一条iB=IBQ的输出特性曲线，如图5.2.2(a)所示。第五章 基本放大电路而直流负载线方程是iC与uCE受外部电路约束的关系式，由于负载电阻RC和直流电源UCC均为线性元件，因此在输出特性上该方程是一条直线，称为直流负载线。该负载线可以由两个特殊点作出，即当uCE=0 时，iC=UCC/R为纵坐标上的M点，当iC=0 时，uCE=UCC为横坐标上的

16、N点。连接以上两点，得直流负载线MN，其斜率为1/RC，如图5.2.2(a)所示。图中，直流负载线MN与iB=IBQ的输出特性曲线相交于Q点，则该点就是方程组(5.2.1)的解(即直流工作点)。因而，量得Q点的纵坐标为ICQ，横坐标则为UCEQ。第五章 基本放大电路图5.2.1共射极放大器的直流、交流通路(a)直流通路；(b)交流通路第五章 基本放大电路图5.2.2放大器的直流图解分析(a)直流负载线与Q点；(b)Q点与RB、RC的关系第五章 基本放大电路【例例5.2.1】在图5.2.1(a)电路中，若RB=560k,RC=3k,UCC=12V，晶体管的输出特性曲线如图5.2.2(b)所示，试

17、用图解法确定直流工作点。解解取UBEQ=0.7V，由估算法可得200mV02.05607.012BBEQCCBQRUUI第五章 基本放大电路在输出特性上找两个特殊点：当uCE=0 时，iC=UCC/RC=12/3=4mA，得M点；当iC=0 时，uCE=UCC=12V，得N点。连接以上两点便得到图5.2.2(b)中的直流负载线MN，它与IB=20A的一条特性曲线的交点Q，即为直流工作点。由图中Q点的坐标可得，ICQ=2mA,UCEQ=6V。第五章 基本放大电路图5.2.2(b)还示出了RB和RC分别改变时Q点的变化规律。当RB增大时，IBQ减小，Q点将沿着直流负载线下移，靠向截止区，见Q1点；

18、反之，RB减小，则IBQ增大，Q点上移，当IBQ大到某一值(图中约为 40A)时，管子将进入饱和，见Q2点。当RC增大时，因斜率|1/R|减小，负载线将围绕N点向下转动，则Q点沿IB=IBQ的特性曲线左移，靠向饱和区，见图中负载线及Q3点；反之，RC减小，负载线向上转动，Q点则沿特性曲线左移，见负载线及Q4点。第五章 基本放大电路5.2.2交流图解分析交流图解分析交流图解分析是在输入信号作用下，通过作图来确定放大管各级电流和极间电压的变化量。此时，放大器的交流通路如图5.2.1(b)所示。由图可知，由于输入电压连同UBEQ一起直接加在发射结上，因此，瞬时工作点将围绕Q点沿输入特性曲线上下移动，

19、从而产生iB的变化，如图5.2.3(a)所示。第五章 基本放大电路图5.2.3放大器的交流图解分析(a)输入回路的工作波形；(b)输出回路的工作波形第五章 基本放大电路为了确定因iB引起的iC和uCE的变化，必须先在输出特性上画出iB变化时瞬时工作点移动的轨迹，即交流负载线。由于工作点移动时，一方面，当输入电压过零时必然通过直流工作点Q；另一方面，由图5.2.1(b)可知，集电极输出回路约束iC和uCE的关系为uCE=iCRL，其中RL=RCRL。因而，瞬时工作点移动的斜率为第五章 基本放大电路LCEC1Ruik(5.2.2)由此可见，交流负载线是一条过Q点且斜率为-1/RL的直线。具体作法为

20、：令iC=ICQ，在横坐标上从UCEQ点处向右量取一段数值为ICQRL的电压，得A点，则连接AQ的直线即为交流负载线，如图5.2.3(b)所示。第五章 基本放大电路画出交流负载线之后，根据电流iB的变化规律，可画出对应的iC和uCE的波形。在图5.2.3(b)中，当输入正弦电压使iB按图示的正弦规律变化时，在一个周期内Q点沿交流负载线在Q1到Q2之间上下移动，从而引起iC和uCE分别围绕ICQ和UCEQ作相应的正弦变化。由图可以看出，两者的变化正好相反，即iC增大，uCE减小；反之，iC减小，则uCE增大。第五章 基本放大电路根据上述交流图解分析，可以画出在输入正弦电压下，放大管各极电流和极间

21、电压的波形，如图5.2.4所示。观察这些波形，可以得出以下几点结论：(1)放大器输入交变电压时，晶体管各极电流和极间电压的方向始终不变，只是围绕各自的静态值，按输入信号规律近似呈线性变化。换句话说，就是在工作点处的直流量上叠加一个交流量。因此，在分析放大器时，可以将Q点的直流计算和Q点处的交流计算分开进行，从而使分析简化。第五章 基本放大电路(2)在晶体管各极电流、电压的瞬时波形中，只有交流分量才能反映输入信号的变化，因此，需要放大器输出的是交流量。但是，为了确保交流分量不失真，直流量又是必不可少的。(3)将输出与输入的波形对照，可知两者的变化规律正好相反，通常称这种波形关系为反相或倒相。因此

22、，共射极放大器是反相放大器，其输出电压的相位与输入电压相反。第五章 基本放大电路图5.2.4共射极放大器的电压、电流波形第五章 基本放大电路5.2.3直流工作点与放大器非线性失真的关系直流工作点与放大器非线性失真的关系直流工作点的位置如果设置不当，会使放大器输出波形产生明显的非线性失真。在图5.2.5(a)中，Q点设置过低，在输入电压负半周的部分时间内，动态工作点进入截止区，使iB、iC不能跟随输入变化而恒为零，从而引起iB、iC和uCE的波形发生失真，这种失真称为截止失真。由图可知，对于NPN管的共射极放大器，当发生截止失真时，其输出电压波形的顶部被限幅在某一数值上。第五章 基本放大电路若Q

23、点设置过高，如图5.2.5(b)所示，则在输入电压正半周的部分时间内，动态工作点进入饱和区。此时，当iB增大时，iC则不能随之增大，因而也将引起iC和uCE波形的失真，这种失真称为饱和失真。由图可见，当发生饱和失真时，其输出电压波形的底部将被限幅在某一数值上第五章 基本放大电路图5.2.5Q点不合适产生的非线性失真(a)截止失真；(b)饱和失真第五章 基本放大电路通过以上分析可知，由于受晶体管截止和饱和的限制，放大器的不失真输出电压有一个范围，其最大值称为放大器输出动态范围。由图5.2.5可知，因受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为Uom=ICQRL(5.2.3a)而因饱和失真的限制，

24、最大不失真输出电压的幅度则为Uom=UCEQUCES(5.2.3b)第五章 基本放大电路式中，UCES表示晶体管的临界饱和压降，一般取为 1V。比较以上两式所确定的数值，其中较小的即为放大器最大不失真输出电压的幅度，而输出动态范围Uopp则为该幅度的两倍，即Uopp=2Uom(5.2.4)显然，为了充分利用晶体管的放大区，使输出动态范围最大，直流工作点应选在交流负载线的中点处。第五章 基本放大电路5.3放大器的交流等效电路分析法放大器的交流等效电路分析法在放大电路中，偏置电路将晶体管偏置在放大区某一合适的工作点处，如图5.3.1所示。在此前提下，如果输入交流信号，就会引起晶体管各极电流和极间电

25、压的变化。分析计算这些变化量的大小及其相互关系，即为交流或动态分析，其实质就是确定在Q点处因输入引起的电流和电压的偏移量。如果输入限制为小信号，即在图5.3.1中围绕Q点在一个不大的范围内变化，此时在Q点处可用直流关系来近似伏安特性。第五章 基本放大电路图5.3.1晶体管交流等效的条件第五章 基本放大电路因此对信号而言，可以把晶体管看作线性有源器件，并用相应的线性元件来等效，便可得到Q点处的交流小信号模型。这样对放大器的交流分析就转化为对其等效电路的分析。本节首先推导晶体管小信号电路模型，然后以共射极电路为例，讨论放大器性能指标的等效电路分析法。第五章 基本放大电路5.3.1晶体管交流小信号电

26、路模型晶体管交流小信号电路模型工作在放大状态下的共射极晶体管如图5.3.2(a)所示。为了方便，在模拟晶体管放大过程时，先忽略管内寄生效应的影响。在输入信号作用下，图示晶体管的发射结加有交流电压ube，由于基极电流受e结电压的控制，这时将产生基极交流电流ib，根据管内电流分配关系，集电极便输出交流电流ic。第五章 基本放大电路图5.3.2晶体管放大过程分析及电路模型(a)共射极晶体管；(b)电路模型第五章 基本放大电路因为晶体管输出端一般接有负载，所以ic的变化将在c、e极间产生交流电压uce。因此，晶体管各极端电压和端电流在信号作用下变为uBE=UBEQ+ube,iB=IBQ+ibiC=IC

27、Q+ic,uCE=UCEQ+uce由此推理，晶体管输入端ube控制iB的作用，可以用b、e极间相应的交流结电阻rbe来等效，其大小为静态工作点处uBE对iB的偏导值，即第五章 基本放大电路eEBEBEBBEbbebe)1(riuiiiuiurQQ(5.3.1)式中：beBEebeEBEe1,iiiiiuiurQ分别为发射结交流电阻和re等效到基极支路的折合系数。根据正向PN结电流与电压间的近似关系式第五章 基本放大电路TBEeSEUuIi 可求得re，其值为EQT/STBEEeTBEQe111IUIUuiiUUQ(5.3.2)第五章 基本放大电路可见，re与温度有关，并与晶体管直流工作电流IE

28、Q成反比。室温下，UT=26mV，所以re=26 mV/IEQ。ube通过ib对ic的控制作用，可以用接在c、e极间的一个电压控制电流源来等效，即ic=gmube(5.3.3)式中控制参量gm反映ube对ic的控制能力，称为正向传输电导，简称跨导。其大小为静态工作点处iC对uBE的偏导值，即第五章 基本放大电路beBEBBCBECbecmruiiiuiuigQQ(5.3.)式中:bcBCiiiiQ为共射极交流电流放大系数。利用式(5.3.1)和 ,gm可表示为1第五章 基本放大电路TCQTEQeem)1(UIUIrrg(5.3.5)根据上述晶体管放大过程所模拟出的共射极交流等效电路模型如图5.

29、3.2(b)所示。图中，rce和rbc分别为集电极输出电阻和反向传输电阻，它们都是模拟基区调宽效应的等效参量。由晶体管特性曲线可知，当uCE变化时，iC和iB都将发生相应变化，即输出特性略有上翘而输入特性有细微分离。其中，uce引起的ic变化用交流电阻rce等效，其值为第五章 基本放大电路QiuiurCCEccece(5.3.6)反映在输出特性上，即为曲线在工作点处切线斜率的倒数。rce的大小可用图5.3.3所示的厄尔利电压来估算。由于基区调宽效应，将每条输出特性曲线向左方延长，都会与uCE的负轴相交于一点，其交点相对原点的折合电压称为厄尔利电压，用UA表示。第五章 基本放大电路图5.3.3利

30、用厄尔利电压求rce第五章 基本放大电路显然，UA越大，表示基区调宽效应越弱。对于小功率晶体管，UA一般大于100V。由图5.3.3不难求出在Q点处的rce,即CQABQCQCEQACCEceIUIIUUiurQ(5.3.7)例如，取UA=100 V，当ICQ=2mA时，rce50 k。第五章 基本放大电路uce引起的ib变化用交流电阻rbc等效，其值为ceCCEBCBCEbceberiuiiiuiurQQ(5.3.8)反映在输入特性上，即是工作点处对不同uCE曲线的分离程度。由于rbc的数值非常大，因此工程分析时可忽略它的影响。第五章 基本放大电路图5.3.4为平面管的结构示意图，图中rbb

31、、ree和rcc分别表示基区、发射区和集电区沿电流方向的体电阻。由于基区宽度极窄，因此rbb的阻值较大，对低频管约为几百欧姆，而高频管约为几十欧姆。相比之下，ree和rcc的数值很小，可以忽略不计。Cbe和Cbc分别为发射结电容和集电结电容。因为e结正偏，所以Cbe主要是e结的扩散电容，而c结反偏，Cbc主要是c结的势垒电容。第五章 基本放大电路图5.3.4平面管结构示意图第五章 基本放大电路在图5.3.2(b)的电路模型中，当考虑了寄生参量rbb、Cbe和Cbc的影响后，便得到图5.3.5(a)所示的完整电路模型。注意，图5.3.2(b)中的b端现在变成了b端，因而相应参数下标中的b也应变为

32、b。该模型通常称为晶体管混合型电路模型。在混合型电路中，每个参数都有明确的物理意义，它们的数值均与频率无关，其中主要参数rbe和gm可以通过计算确定。这些都为晶体管电路的分析带来了方便。第五章 基本放大电路放大器在低频交流条件下工作时，晶体管的电容效应及反向传输电阻rbc可忽略，则混合型电路模型便简化为图5.3.5(b)所示的低频模型。其中电量均改为正弦有效值。当晶体管在小电流条件下工作时(ICQ=0.5mA)，如在模拟集成电路中，因为5026)1()1(CQEQTeebIIUrr满足rberbb，所以可进一步将rbb忽略。这样图5.3.5(b)电路简化为压控型电路模型，如图5.3.6(a)所

33、示。第五章 基本放大电路图5.3.5完整的混合型电路模型(a)高频时的电路模型；(b)低频时的电路模型第五章 基本放大电路图5.3.6晶体管低频电路模型(a)压控型电路模型；(b)流控型电路模型第五章 基本放大电路将图5.3.5(b)电路中的rbb和rbe串联合并，并根据式(5.3.4)将压控电流源gmUbe变为流控电流源，即bbebebebmIIrrUg这样便得到如图5.3.6(b)所示的流控型电路模型。其中第五章 基本放大电路)()mA()m(26 )1(CQbbebbebbbbeIVrrrrrr(5.3.9)在分立元件的放大电路分析中，该模型是应用最为广泛的电路模型。第五章 基本放大电路

34、5.3.2 共射极放大器的交流等效电路分析法共射极放大器的交流等效电路分析法利用晶体管交流模型分析放大器，可按以下步骤进行。第一步，根据直流通路估算直流工作点；第二步，确定放大器交流通路，用晶体管交流模型替换晶体管得出放大器的交流等效电路；第三步，根据交流等效电路计算放大器的各项交流指标。其中，关于工作点分析已在5.1.2节中作过详细介绍，这里不再讨论。下面将以共射极放大器为例，着重讨论放大电路交流性能的分析方法。第五章 基本放大电路共射极放大器如图5.3.7(a)所示。图中，采用分压式稳定偏置电路，使晶体管有一合适工作点(ICQ，UCEQ)。由于旁通电容CE将RE交流短路，因而射极交流接地。

35、由放大器交流通路可以画出图5.3.7(b)所示交流等效电路。图中虚线方框部分就是被替换的晶体管交流模型。根据该等效电路，共射极放大器的交流指标分析如下。第五章 基本放大电路图5.3.7共射极放大器及其交流等效电路(a)电路；(b)交流等效电路第五章 基本放大电路1.电压放大倍数电压放大倍数Au由图可知，输入交流电压可表示为Ui=Ibrbe输出交流电压为Uo=Ic(RCRL)=Ib(RCRL)故得电压放大倍数beLbeLCio)|(rRrRRUUAu(5.3.10)第五章 基本放大电路LCLCQbbebbbe|)()mA()m(26)1(RRRIVrrrr讨论：(1)Au表达式中的负号，表明共射

36、极放大器的输出电压与输入电压反相，这与图解分析的结果相一致。第五章 基本放大电路(2)由于rbb很小，当忽略其影响时，Au可近似为CQLLmLe)mV(26IRRgRrAu(5.3.11)可见，Au几乎与无关，而与ICQ近似成正比。因此，适当增大ICQ，可以有效提高Au。(3)RL(=RCRL)越大，Au越大。因而要求RC、RL尽可能大，但是增大RC将受到Q点的制约。可以设想，在RL足够大的前提下，如果用电流源代替RC，则共射极放大器将具有很高的电压增益。第五章 基本放大电路2.电流放大倍数Ai由图5.3.7(b)可以看出，流过RL的电流Io为LCCbLCCcoRRRIRRRII而BbeBbi

37、RrRII第五章 基本放大电路式中，RB=RB1RB2。由此可得LCCbeBBioRRRrRRIIAi(5.3.12)若满足RBrbe、RLRC，则Ai (5.3.13)可见，共射极放大器既有电压放大，又有电流放大，因而具有极大的功率增益。第五章 基本放大电路3.输入电阻Ri由图5.3.7(b)，显而易见beB2B1iii|rRRIUR(5.3.14)若(RB1RB2)rbe，则Rirbe (5.3.15)第五章 基本放大电路4.输出电阻输出电阻按照Ro的定义，在图5.3.7(b)电路的输出端加一电压Uo，并将Us短路时，因Ib=0，则受控源Ib=0。这时，从输出端看进去的电阻为RC，因此C0

38、ooosRIURU(5.3.16)第五章 基本放大电路5.源电压放大倍数源电压放大倍数AusAus定义为输出电压Uo与信号源电压Us的比值，即uuARRRUUUUUURisiiosisos(5.3.17)可见，|Aus|1,所以仍有较大的功率增益。第五章 基本放大电路3.输入电阻输入电阻Ri由图5.4.1(b)可知，从基极看进去的电阻Ri为RI=rbe+(1+)RL所以Ri=RB1RB2Ri (5.4.3)与共射极放大电路相比，由于Ri显著增大，因而共集电极放大电路的输入电阻大大提高了。第五章 基本放大电路4.输出电阻输出电阻Ro在图5.4.1(b)中，当输出端外加电压Uo，而将Us短路并保留

39、内阻Rs时，可得图5.4.2所示电路。由图可得Uo=Ib(rbe+Rs)式中：Rs=RsRB1RB2而Io=Ie=(1+)Ib则由e极看进去的电阻Ro为第五章 基本放大电路1sbeoooRrIUR所以，输出电阻1|sbeoE0ooosRrRRIURU可见，由于基极支路总电阻(rbe+Rs)除以(1+)后再与RE相并，因而共集电极放大器的输出电阻很小。第五章 基本放大电路图5.4.2求共集电极放大器Ro的等效电路第五章 基本放大电路对照Ri和Ro的表达式，不难理解其电路意义：因为射极电流比基极电流大(1+)倍，在计算Ri时，是把射极支路电阻折合到基极去，所以要乘以(1+)；反之，在计算Ro时，是

40、把基极支路电阻折合到射极去，当然要除以(1+)。正是由于这种折合关系，共集电极放大器才具有输入电阻大而输出电阻小的特点。第五章 基本放大电路5.4.2共基极放大器共基极放大器图5.4.3(a)给出了共基极放大电路。图中RB1、RB2、RE和RC构成分压式稳定偏置电路，为晶体管设置合适而稳定的工作点。信号从射极输入，由集电极输出，而基极通过旁通电容CB交流接地，作为输入、输出的公共端。按交流通路画出该放大器的交流等效电路，如图5.4.3(b)所示。第五章 基本放大电路图5.4.3共基极放大器及其交流等效电路(a)共基极放大电路；(b)交流等效电路第五章 基本放大电路1.电压放大倍数电压放大倍数A

41、u由图5.4.3(b)可知Ui=Ibrbe,Uo=Ib(RCRL)所以beLiorRUUAu(5.4.5)式中：RL=RCRL可见，共基极放大器的电压放大倍数与共射极放大电路相同，但为正值，即输出电压与输入电压同相。第五章 基本放大电路LCCLCCecioRRRRRRIIIIAi2.电流放大倍数电流放大倍数Ai在图5.4.3(b)中，由于输入电流IiIe，而输出电流 ，故有LCCcoRRRII显然，AiUGSUth UGSQ=IDQRS 或 UGSQ=UGQIDQRS(5.5.3a)(5.5.3b)可确定场效应管的静态工作点Q(UGSQ，IDQ)。求解该方程组有两种方法：图解法和解析法。下面分

42、别作一简要介绍。第五章 基本放大电路1.图解法图解法首先画出式(5.5.3a)的转移特性曲线，然后作式(5.5.3b)的直流负载线。对自偏压电路，它是一条过原点且斜率为1/RS的直线，如图5.5.2(a)所示。对于分压式偏置电路，它是一条截距为UGQ而斜率为1/RS的直线，如图5.5.2(b)所示。两条曲线的交点即为静态工作点Q。分别量出Q点的坐标，便得到UGSQ和IDQ，如图5.5.2所示。第五章 基本放大电路图5.5.2图解法求解静态工作点(a)自偏压电路；(b)分压式偏置电路第五章 基本放大电路2.解析法解析法如果能写出转移特性的数学表示式，例如结型场效应管有 12GSofGSQDSSD

43、QUUII将式(5.5.3b)代入上式，可得 112GSofSDQDSSDQURIII第五章 基本放大电路可见，这是一个关于IDQ的二次方程。求解该方程，并舍去一个不合理的根，便求得IDQ。然后将其代入式(5.5.3b)，可得UGSQ。显然，解析求解的过程并不轻松。利用上述两种方法求得工作点IDQ和UGSQ后，由图5.5.1可知场效应管的UDSQ为UDSQ=UDDIDQ(RD+RS)(5.5.5)第五章 基本放大电路5.5.2场效应管的低频小信号电路模型场效应管的低频小信号电路模型偏置在恒流状态下的共源极场效应管如图5.5.3(a)所示。当G、S端输入交变电压Ugs时，根据场效应管的放大原理，

44、其栅极电流为零，而漏极端产生受控电流gmUgs。为此等效电路如图5.5.3(b)所示。第五章 基本放大电路图5.5.3场效应管低频小信号电路模型(a)恒流状态下的场效应管；(b)低频小信号电路模型第五章 基本放大电路即栅、源之间开路，而漏、源之间有一压控电流源gmUgs，其中gm为场效应管在工作点处的跨导。图中，rds是模拟沟道长度调制效应而等效的输出电阻，其值为工作点处输出特性曲线斜率的倒数，即通常，rds的数值在几十k以上，所以在放大器分析中可以忽略其影响。QQIUIUrddsDDSds(5.5.6)第五章 基本放大电路5.5.3场效应管放大器场效应管放大器1.共源放大器共源放大器共源放大

45、器及其交流等效电路分别如图5.5.4(a)、(b)所示。由图5.5.4(b)可知Ugs=Ui，当忽略rds的影响时，则输出电压Uo为Uo=gmUgs(RDRL)=gmUi(RDRL）第五章 基本放大电路因而，电压放大倍数Au为)|(LDmiouRRgUUA(5.5.7)负号表明输出电压与输入反相，即共源放大器为反相放大器。显然，输入电阻为Ri=RG(5.5.8)而输出电阻为Ro=RD(5.5.9)第五章 基本放大电路图5.5.4共源放大器及其等效电路(a)共源放大器电路；(b)低频等效电路第五章 基本放大电路【例例5.5.1】场效应管放大电路如图5.5.5(a)所示，已知工作点处的gm=5mA

46、/V。试画出放大器的交流等效电路；若RS=1k，计算Au、Ri和Ro，并说明电阻RG3的作用。解解由于源极接有电阻RS，此时的交流等效电路如图5.5.5(b)所示。若忽略rds的影响，由图可知输入电压为Ui=Ugs+UGS=Ugs+gmUgsRS=Ugs(1+gmRS)而输出电压为Uo=gmUgs(RDRL)第五章 基本放大电路故SmLDmiou1)|(RgRRgUUA(5.5.10)可见，与式(5.5.7)相比，电压放大倍数减小了1/(1+gmRS)。现取RS=1k，则3.8151)10|10(53iouUUA第五章 基本放大电路图5.5.5例5.5.1电路(a)源极接电阻的共源放大器；(b

47、)交流等效电路第五章 基本放大电路RS的引入，对放大器输入、输出电阻的影响不大，即Ri=RG3+(RG1RG2)=103+(15050)=103+37.5103k (5.5.11)Ro=RD=10k由于栅极电流为零，因此隔离电阻RG3的接入不会影响分压式偏置电路所设定的直流工作点。但从式(5.5.11)可以看出，RG3的作用是使分压式偏置放大器的输入电阻大为提高。作为电压放大器，这是我们所希望的。第五章 基本放大电路2.共漏放大器共漏放大器共漏放大器及其交流等效电路分别如图5.5.6(a)、(b)所示。由图5.5.6(b)可知Ui=Ugs+Uo而Uo=gmUgs(RSRL)所以)|(1)|(L

48、SmLsmogsoiouRRgRRgUUUUUA(5.5.12)可见，共漏放大器的电压放大倍数小于1。第五章 基本放大电路图5.5.6共漏放大器及其交流等效电路(a)共漏放大器电路；(b)低频等效电路第五章 基本放大电路输入电阻Ri为Ri=RG (5.5.13)根据戴维南定理，可得输出电阻的等效电路，如图5.5.7所示。当Ui=0而输出端加电压Uo时，Ugs=Uo，则momogsmo0ooo1)()(igUgUugUIURU(5.5.14)第五章 基本放大电路smSo0ooo|1|iRgRRIURU(5.5.14)因而输出电阻Ro为可见，共漏放大器具有输出电阻小的特点。第五章 基本放大电路图5

49、.5.7计算Ro的等效电路第五章 基本放大电路3.共栅放大器共栅放大器共栅放大器及其交流等效电路分别如图5.5.8(a)、(b)所示。根据图5.5.8(b)不难求得电压放大倍数为)|()|(LDmgsLDgsmiouRRgURRUgUUA(5.5.15)对于输入电阻，因为第五章 基本放大电路mgssgssii1)(gUgUIUR所以mssi1|gRRRRs(5.5.16)而输出电阻为Ro=RD (5.5.17)第五章 基本放大电路图5.5.8共栅放大器及其交流等效电路(a)共栅放大器电路；(b)低频等效电路第五章 基本放大电路通过以上分析可以看出，共源、共漏和共栅三种基本放大器的性能特点分别与

50、晶体管的共射、共集电和共基极相对应。为了便于比较，现将场效应管三种基本放大器的电路和性能指标分别列于表5.5.1中。第五章 基本放大电路第五章 基本放大电路 5.6放大器的级联放大器的级联在许多应用场合，要求放大器有较高的放大倍数及合适的输入、输出电阻，而单级放大器的放大倍数不可能做得很大。因此，需要将多个基本放大器级联起来，构成多级放大器。由于三种基本放大器的性能不同，故在构成多级放大电路时，应充分利用它们的特点，合理组合，用尽可能少的级数来满足放大倍数和输入、输出电阻的要求。本节首先简要说明多级放大器中级间耦合方式及其性能指标的计算方法，然后介绍实际中常用的几种组合放大器。第五章 基本放大