电工学-第9章放大电路

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第9章基本放大电路9.1双极型晶体管9.2放大电路的工作原理9.3放大电路的静态分析9.4放大电路的动态分析9.5双极型晶体管基本放大电路9.6场效应型晶体管9.7场效应型晶体管基本放大电路9.8多级放大电路9.9差分放大电路9.10功率放大电路下一章上一章返回主页1 BEC9.1双极型晶体管一、基本结构PNP型：NPN型：NPN基极基区集电极集电区集电结发射极发射区发射结NPNPNP基极基区集电极集电区集电结发射极发射区发射结PNPCBE结构示意图和图形符号2大连理工大学电气工程系 二、工作状态条件:发射结正偏,集电结反偏。发射区发射载流子→形成电流IE少部分在基区被复合→形成IB大部分被集电区收集→形成IC1．放大状态⑴电流的形成NPNBECRCUCCUBBRB晶体管中载流子的运动过程IEICIB3大连理工大学电气工程系 ⑵电流的关系IE=IB+IC当IB=0时，直流(静态)电流放大系数交流(动态)电流放大系数≈ICIBIC－ICEOIBβ=ICIBβ=UCE=常数ICIB≈IC=ICEONPNBECRCUCCUBBRBIEICIB电路图4大连理工大学电气工程系 IB微小的变化，会产生IC很大的变化。IC=βIB。0＜UCE＜UCC，UCE=UCC－RCIC。晶体管相当于通路。⑶特点5大连理工大学电气工程系 特点：IB↑,IC基本不变。IC≈UCC/RC。UCE≈0。晶体管相当于短路。条件:发射结正偏,集电结正偏。IB↑,IC↑UCE=(UCC－RCIC)↓ICM=UCC/RC2.饱和状态电路图NPNBECRCUCCUBBRBIEICIBCERCUCC饱和状态时的晶体管6大连理工大学电气工程系 特点：IB=0IC=0UCE=UCC晶体管相当于开路。3.截止状态条件:发射结反偏,集电结反偏。电路图CERCUCC截止状态时的晶体管NPNBECRCUCCUBBRBIEICIB7大连理工大学电气工程系 晶体管处于放大状态。(2)开关S合向b时[例9.1.1]图示电路，晶体管的=100，求开关S合向a、b、c时的IB、IC和UCE，并指出晶体管的工作状态（忽略UBE）。[解](1)开关S合向a时UBB1RB15500×103IB==A=0.01mAIC=IB=100×0.01mA=1mAUCE=UCC－RCIC=(15－5×103×1×10－3)V=10VUCC=15VUBB1=5VUBB2=1.5VRB1=500kRB2=50kRC=5kUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abc8大连理工大学电气工程系 UCE=0V晶体管处于饱和状态。因为若IC=IB=100×0.1mA=10mAUCE=UCC－RCIC=(15－5×103×10×10－3)V=－35VUCE＜0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。(3)开关S合向c时IB=0，IC=0，UCE=UCC=15V晶体管处于截止状态。UCCRC＞=3mAUCCRC155×103IC==A=3mAUBB1SBCERCUCCRB1UBB2RB2abcUBB1RB2550×103IB==A=0.1mA9大连理工大学电气工程系 三、特性曲线1.输入特性IB=f(UBE)UCE=常数UCE≥1V25℃UCE≥1V75℃80604020UBE/VIB/AO0.40.8※硅管：UBE0.7V锗管：UBE0.3ViC＋uCE－＋uBE－iBBEC输入特性工作方式10大连理工大学电气工程系 2.输出特性IC=f(UCE)∣IB=常数放大区IC/mA4321369UCE/VOIB=020A40A60A80A100A饱和区截止区输出特性iC＋uCE－＋uBE－iBBEC工作方式11大连理工大学电气工程系 动态电流放大系数2.穿透电流ICEO3.集电极最大允许电流ICM4.集电极最大耗散功率PCMPC=UCE×IC5.反向击穿电压U(BR)CEO静态电流放大系数四、主要参数1.电流放大系数4321369ICUCEO放大区截止区饱和区过损耗区安全工作区U(BR)CEOICMPCM功耗曲线12大连理工大学电气工程系 9.2放大电路的工作原理一、电路组成BCERBRCUCCUBBUCCBCERBRC两个电源的放大电路一个电源的放大电路13大连理工大学电气工程系 RBRC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋RBRC-UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋NPN管放大电路PNP管放大电路放大电路的简化画法：14大连理工大学电气工程系 iBuBE二、信号的放大过程1.静态时ui=0，直流电源单独作用。2.动态时输入信号ui，OuitiCuCE输出信号uo=uce=－RCicRBRC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋OtuituoOtUBEOIBtOtUCEOtICOtuoO信号的放大过程15大连理工大学电气工程系 9.3放大电路的静态分析一、静态工作点的确定图解法⑴在输入特性曲线上ICIBUBEQUCEUCCUCCRC已知IB,可确定Q点,可知UBE。⑵在输出特性曲线上已知IB,可确定Q点，可知IC,UCE。UBEIBOUCEICO输入特性输出特性Q16大连理工大学电气工程系 RBRC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋2.计算法直流通路的做法：(1)信号源中的电动势短路；(2)电容开路。IBRB+UBE=UCCIC=βIBUCE=UCC－RCICUCC－UBERBIB=IB＋－RBRC+UCCUBE直流通路放大电路17大连理工大学电气工程系 [例9.3.1]在如图所示的固定偏置放大电路中，已知UCC=6V，RB=180kΩ，RC=2kΩ,=50，晶体管为硅管。试求放大电路的静态工作点。RBRC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋[解]IC=IBUCE=UCC－RCICUCC－UBERBIB=6－0.7180=mA=0.0294mA=50×0.0294mA=1.47mA=(6－2×1.47)V=3.06V18大连理工大学电气工程系 二.静态工作点的影响1.当IB太小，Q点很低，引起后半周截止失真。2.当IB太大，Q点很高，引起前半周饱和失真。※截止失真和饱和失真统称为非线形失真。UCEuCEOtIBiBOtICiCOtUCEuCEOtICiCOtIBiBOtuOOtuOOt截止失真饱和失真19大连理工大学电气工程系 9.4放大电路的动态分析一、放大电路的主要性能指标1.电压放大倍数Au其分贝值:|Au|(dB)=20lg|Au|定义：UoUiAu=UoUiAu=UoUi绝对值:|Au|=UomUim=当输入信号为正弦交流信号时,20大连理工大学电气工程系 在放大电路中:2.输入电阻ri定义：UiIiri=UiIiri=当输入信号为正弦交流信号时riRS＋riUi=UsUsRS＋riIi=＋Ui－+_UsIiRS放大电路ri放大电路信号源输入电阻21大连理工大学电气工程系 ri大Ui大Uo大；ri大Ii小可减轻信号源的负担；riRS＋riUi=UsUsRS＋riIi=ri越大越好，riRS。可见：＋Ui－+_UsIiRS放大电路ri输入电阻22大连理工大学电气工程系 3.输出电阻roUOCISCro=UOCISCro=当输入信号为正弦交流信号时：定义：其中:Ues=UOC=A0UiRLRL＋roUoL=UOCRLRL＋ro|Au|=|A0|＋Uo－+_UesIoroRL放大电路负载输出电阻23大连理工大学电气工程系 若ro小，带载能力强；反之带载能力差。RLRL＋roUoL=UOCRLRL＋ro|Au|=|A0|可见：ro越小越好，roRL。＋Uo－+_UesIoroRL24大连理工大学电气工程系 4.放大电路的频率特性幅频特性:|Au|—f270o180o90oOf相频特性:—f|Am|fO|Au|f1f2通频带0.707|Am|25大连理工大学电气工程系 [解](1)riRS＋riUi=Us9×103(1＋9)×103=×10mV=9mVUOC=|A0|Ui=100×9×10-3V=0.9V=900mV[例9.4.1]某放大电路的空载电压放大倍数|A0|=100，输入电阻ri=9k，输出电阻ro=1k，试问:(1)输入端接到Us=10mV，RS=1k的信号源上，开路电压UOC应等于多少？(2)输出端再接上RL=9k的负载电阻时，负载上的电压UoL应等于多少？这时电压放大倍数|Au|是多少？26大连理工大学电气工程系 RLRL＋ro|Au|=|A0|(2)=810mV=0.81VRLRL＋roUoL=UOC9×103(1＋9)×103=×900×10-3V9×103(1＋9)×103=×100=90UoUi或|Au|=8109==9027大连理工大学电气工程系 二、放大电路的微变等效电路1.晶体管的交流小信号电路模型⑴输入端电压和电流的关系UBEΔIB为一个常数。IBIBUBE——称为晶体管的输入电阻。rbe=iBuBEOQiC＋uCE－＋uBE－iBBEC电路图输入特性28大连理工大学电气工程系 晶体管从输入端看，可以用一个等效的动态电阻rbe代替。rbe可以估算：rbe=200+26ICiC＋uCE－＋uBE－iBBEC＋Ｕbe－BErbeIb电路图输入端口等效电路29大连理工大学电气工程系 ＋Ｕce－CIcEIb(2)输出端电压和电流的关系在放大区:IC=βIB从输出端看，可以用一个受控电流源代替。iC＋uCE－＋uBE－iBBEC＋Ｕbe－BErbeIb＋Ｕce－CIcIb晶体管的小信号模型共射接法共集接法共基接法CEIbIcBIbrbeCEIbIcBIbrbe电路图30大连理工大学电气工程系 IiIbIcIoRBRC＋Uo－＋Ui－RBRC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋2.放大电路的交流通路+_UsRsRL作法:C短路，UCC短路。IbIcIi＋Uo－＋Ui－BrbeCRBRCEIoIb放大电路交流通路微变等效电路BEC31大连理工大学电气工程系 Au=UoUi其中：RL=RC∥RL′－Ic(RC∥RL)Ibrbe=RLrbe=－′riUiIi=Ii(RB∥rbe)Ii==RB∥rbe≈rbeUOCISCro=－IcRC－Ic==RC+_UsRsRLIbIcIi＋Uo－＋Ui－BrbeCRBRCEIoIb微变等效电路32大连理工大学电气工程系 [例9.4.2]求[例9.3.1]放大电路的空载电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。(1)空载电压放大倍数[解]26ICrbe=200+=(200+50×)261.47=1084Ao=－RCrbe=－50×21.084=－92.25ri=RBrbe(2)输入电阻=k180×1.084180＋1.084=1.078k(3)输出电阻ro=RC=2kRBRC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋33大连理工大学电气工程系 9.5双极型晶体管基本放大电路一、共射放大电路1.电路组成增加一个偏流电阻RB2，可以固定基极电位。只要满足:I2>>IBRB2RB1＋RB2UB=UCC选择参数时，一般取I2≈(5～10)IB。RB1RC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋RB2RECE＋共射放大电路34大连理工大学电气工程系 (2)增加发射极电阻RE，可以稳定IC。只要满足UB>>UBE≈UBREUEREIE=IC=1＋βIE选择参数时,一般取UB≈(5~10)UBE。TICEOIEUREICICUBE(3)增加CE,避免Au下降。RB1RC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋RB2RECE＋共射放大电路35大连理工大学电气工程系 RB1RC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋RB2RECE＋2.静态分析画直流通路RB1RC+UCCRB2REUB－UBEREIE=IB=11＋IEIC=IBUCE=UCC－RCIC－REIE≈UCC－(RC＋RE)ICRB2RB1＋RB2UB=UCC共射放大电路的直流通路共射放大电路36大连理工大学电气工程系 3.动态分析RB1RC+UCC＋uo－＋ui－C1C2＋＋RB2RECE＋+_USRSRLIiIbIcIoRB2RC＋Uo－＋Ui－IeRB1BECIbIiIcIoBrbeCIbRB1RCE＋Uo－＋Ui－RB2共射放大电路的交流通路共射放大电路共射放大电路的微变等效电路37大连理工大学电气工程系 Au=UoUi其中：RL=RC∥RL′－Ic(RC∥RL)Ibrbe=βRLrbe=－′riUiIi=Ii(RB1∥RB2∥rbe)Ii==RB1∥RB2∥rbe≈rbeUOCISCro=－IcRC－Ic==RC+_USRSRLIbIiIcIoBrbeCIbRB1RCE＋Uo－＋Ui－RB2共射放大电路的微变等效电路38大连理工大学电气工程系 RB+UCC＋uO－＋ui－C1C2＋＋RE1.电路组成二、共集放大电路2.静态分析RB+UCCRERBIB＋UBE＋RE(1＋)IB=UCCIC=IBUCE=UCC－REIE=UCC－RE(1＋)IBUCC－UBERB+(1＋)REIB=共集放大电路共集放大电路的直流通路39大连理工大学电气工程系 3.动态分析＋uo－RB+UCC＋ui－C1C2＋＋RERE＋Uo－＋Ui－RBBEC+_USRSIbIoIiIb＋Ui－BrbeERE＋Uo－RBCRL共集放大电路的交流通路共集放大电路共集放大电路的微变等效电路40大连理工大学电气工程系 Au=UoUi其中：RL=RE∥RL′riUiIi=UOCISCro=(1＋)RLrbe(1＋)RL=′′≈1RB∥[rbe＋(1＋)RL]=′(RSRB)＋rbe1＋=RE∥+_USRSIbIoIiIb＋Ui－BrbeERE＋Uo－RBCRL共集放大电路的微变等效电路41大连理工大学电气工程系 RB1RC+UCC＋uo－＋ui－CBC2＋＋RB2RE＋C1三、共基放大电路1.电路结构2.静态分析IC=βIBUCE=UCC－RCIC－REIE≈UCC－(RC＋RE)ICRB2RB1＋RB2UB=UCCRB1RC+UCCRB2REIB=11＋IE共基放大电路共基放大电路的直流通路42大连理工大学电气工程系 3.动态分析IiRERC＋Uo－＋Ui－IoBEC+_USRSRB1RC+UCC＋uo－＋ui－CBC2＋＋RB2RE＋C1RLIbIiRERC＋Uo－＋Ui－IoBECrbeβIb共基放大电路的交流通路共基放大电路共基放大电路的微变等效电路43大连理工大学电气工程系 Au=UoUiRLrbe=′roUOCISC==RCriUiIi=rbe1＋=RE∥其中：RL=RC∥RL′+_USRSRLIbIiRERC＋Uo－＋Ui－IoBECrbeβIb共基放大电路的微变等效电路44大连理工大学电气工程系 9.6场效应型晶体管一、基本结构SiO2NMOS管PMOS管源极漏极SD铝片栅极GBP型硅衬底N+N+BN型硅衬底P+P+源极栅极漏极SGD45大连理工大学电气工程系 P型硅衬底N+N+BSGD二、基本类型按导电沟道的不同分为：N型沟道MOS管—NMOS管P型沟道MOS管—PMOS管N型硅衬底P+P+BSGDNMOS管PMOS管导电沟道++++46大连理工大学电气工程系 按导电沟道形成的不同分为：增强型—简称E型耗尽型—简称D型场效应管的图形符号:GE型NMOSSDBGE型PMOSSDBD型NMOSSDGBD型PMOSSDGB47大连理工大学电气工程系 三、工作原理形成反型层导电沟道的条件是：E型NMOS管UGS>UGS(th)>0E型PMOS管UGSUGS(0ff)<0D型PMOS管UGS0总之,改变UGS,可以改变导通沟道的厚度和形状,从而实现控制ID。48大连理工大学电气工程系 四、特性曲线耗尽型NMOS管UGSIDUGS(off)O增强型NMOS管UGSIDUGS(th)O转移特性漏极特性UDSIDUGS=+UGS=+UGS=+OUDSIDUGS=0UGS=+UGS=-O49大连理工大学电气工程系 耗尽型PMOS管增强型PMOS管转移特性漏极特性UGS(th)OIDUGSUGS(off)OIDUGSIDOUDSUGS=-UGS=-UGS=-OUDSUGS=+UGS=0UGS=-ID50大连理工大学电气工程系 9.7场效应型晶体管基本放大电路一、增强型MOS管共源放大电路DRG1RD+UDD＋uo－＋ui－C1C2RG2RSRGGS1.静态时RG2RG1＋RG2UG=UDD当UGS>UGS(th)时,才能建立起反型层导电沟道。ID=ISUGS=UG－RSISUD=UDD－RDID分压偏置共源放大电路51大连理工大学电气工程系 2.动态时uo=－idRDuG=UG＋uiuD=UDD－iDRDuGS=UGS＋ugsiD=ID＋iduGSuGOuitiDuDtuoOtUGOUGStOtUDOtIDO电压电流波形52大连理工大学电气工程系 只要UGS>UGS(off),导电沟道就不会消失。IG=01.静态时uGS=－RSIS2.动态时与增强型一样。二、耗尽型MOS管共源放大电路RD+UDD＋uO－＋ui－C1C2RGRSGDS自给偏置共源放大电路53大连理工大学电气工程系 9.8多级放大电路级间耦合方式阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。一、阻容耦合1.静态分析前、后两级静态工作点彼此独立，互不影响。RB1RC＋ui－C1C2＋＋RB2RE1CE＋RB3+UCC＋uO－C3＋RE2阻容耦合54大连理工大学电气工程系 2.动态分析US+_RSRL＋UO－IoIbIoIcIb＋Ui－rbeIbRE2RBIiIbIirbeRB1RCRB2RB1RC＋ui－C1C2＋＋RB2RE1CE＋RB3+UCC＋uO－C3＋RE2微变等效电路阻容耦合55大连理工大学电气工程系 ⑴Au=Au1×Au2其中：RL1=ri2,⑵ri=ri1⑶ro=ro2′RL1=RC1∥ri2。US+_RSRL＋UO－IoIbIoIcIb＋Ui－rbeIbRE2RBIiIbIirbeRB1RCRB2阻容耦合放大电路，只能放大交流信号，无法传递直流信号。微变等效电路56大连理工大学电气工程系 1.静态分析前后级静态工作点相互影响，相互制约；不能独立设置。2.动态分析分析方法同直接耦合放大电路。可以放大直流信号。3.零点漂移二、直接耦合RB1RC＋ui－C1＋RB2RE1RB3+UCC＋uo－RE2直接耦合57大连理工大学电气工程系 [例9.6.1]如图所示放大电路,已知RB1=33k，RB2=RB3=10k,RC=2k,RE1=RE2=1.5k,两晶体管的1=2=60,rbe1=rbe2=0.6k。求总电压放大倍数。RL1=ri2[解]第一级为共射放大电路,它的负载电阻即第二级的输入电阻。=RB3∥[rbe2＋(1＋2)RE2]RB1RC＋ui－C1C2＋＋RB2RE1CE＋RB3+UCC＋uO－C3＋RE258大连理工大学电气工程系 =k10×[0.6×(1＋60)×1.5]10＋[0.6×(1＋60)×1.5]=8.46k=k2×103×8.46×1032×103＋8.46×103=1.62kAu1=－1RL1rbe′1.620.6=－60×=－162第二级为共集放大电路,可取Au=1，Au=Au1×Au2=－162×1=－162RL1=RC∥RL1′RL1=RB3∥[rbe2＋(1＋2)RE2][解]59大连理工大学电气工程系 9.9差分放大电路IC1＝IC2UC1=UC2Uo=UC1－UC2=0一、工作原理1.静态时ui1=ui2=0RC+UCC＋uo－＋ui1－RERC＋ui2－－UEET1T2基本差分放大电路60大连理工大学电气工程系 (1)共模输入信号ui1=ui2uc1=uc2uo=uc1－uc2=0对共模信号无放大作用；即Ac=0。2.动态时RE抑制零点漂移的过程T↑iRE↑→uRE↑→iB1↓→iB2↓↓↓iC1↑iC2↑uBE↑uBE↑RC+UCC＋uo－＋ui1－RERC＋ui2－－UEET1T2基本差分放大电路61大连理工大学电气工程系 (2)差模输入信号ui1=ui2uc1=uc2uo=uc1uc2=2uc1对差模信号有放大作用,即Ad≠0。AdAcKCMR=共模抑制比：RC+UCC＋uo－＋ui1－RERC＋ui2－－UEET1T2基本差分放大电路62大连理工大学电气工程系 RC+UCCuouiRERC－UEE双端输入—单端输入双端输出—单端输出二、输入和输出方式双端输入双端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出1.反相输入ui1=ui/2+_ube1ui2=－ui/2+_设ui增加，ui0→uBE10→ic10→uo0可见:输入和输出电压的相位相反，故称反相输入。反相输入63大连理工大学电气工程系 2.同相输入ui1=－ui/2+_ube1ui2=ui/2+_ui0→ube10→ic10→uo0设ui增加uiRC+UCCuoRERC－UEE双端输出时，uo=2uc1；单端输出时，uo=uc1。可见:输入和输出电压的相位相同，故称同相输入。同相输入64大连理工大学电气工程系 9.10功率放大电路一、功率放大电路概述特点是输出功率大；效率高。POPEη=×100%η↑，但波形严重失真。3.甲乙类放大η界于以上二者之间。1.甲类放大波形不失真,但η低。2.乙类放大甲类放大乙类放大uCEiCtIav=ICtUCEOOUCE=UCCIC=0iCttIavOOuCE65大连理工大学电气工程系 二、乙类放大互补对称放大电路+UCCRL＋ui－－UCCRL－ui＋两个独立的共集放大电路乙类放大互补对称电路+UCC＋ui－－UCCRL1.电路组成静态时ui=0IB=0，IC=0；iL=0，uo=0。故为乙类放大。66大连理工大学电气工程系 3.动态时负半周ui＜0，NPN管截止,PNP管放大。正半周ui＞0,NPN管放大,PNP管截止；iL1iL2交越失真IB和IC不宜为0，应将静态工作点提高一点，以避开输入特性的死区。uitOuotO+UCC＋ui－－UCCRL乙类放大互补对称电路乙类放大互补对称电路的波形67大连理工大学电气工程系 三、甲乙类放大互补对称放大电路1.静态时有一个合适的IB；IB≠0，IC≠0；故为甲乙类放大。当ui＜0，T1管截止，T2管放大。2.动态时当ui＞0，T1管放大，T2管截止；T2T1+UCC＋ui－－UCCRLRB2RB1D1D2＋uo－iL1iL2乙类放大互补对称电路68大连理工大学电气工程系 第9章结束下一章上一章返回主页