电路基础与集成电子技术-51 放大电路概述

第5章基本放大电路2010.02电路基础与集成电子技术哈尔滨工业大学电子学教研室编蔡惟铮主编齐明于泳副主编2010年03月第5章基本放大电路2010.02第2篇模拟电子技术第4章半导体二极管和晶体管第5章基本放大电路第6章集成运算放大器和模拟乘法器单元电路第7章负反馈放大电路第8章集成运算放大器和模拟乘法器线性应用电路第9章集成振荡电路第10章直流电源第5章基本放大电路2010.02第5章基本放大电路内容提要：本章介绍场效应管和双极型晶体管组成的基本放大电路的技术指标、电路构成，放大电路的工作原理、静态和动态分析方法。分析三种组态放大电路的基本特性等。第5章基本放大电路2010.02第5章基本放大电路5.1放大电路概述5.2基本放大电路的图解分析5.3放大电路静态工作点的计算求解法5.4晶体管的小信号模型5.5场效应晶体管放大电路的动态分析5.6双极型晶体管放大电路的动态分析5.7三种接法基本放大电路的比较5.8放大电路的稳态频率响应第5章基本放大电路2010.025.1放大电路概述5.1.1放大的概念5.1.2放大电路的主要技术指标5.1.3基本放大电路的组态5.1.5场效应管基本放大电路的偏置5.1.4基本放大电路的组成及工作原理第5章基本放大电路2010.025.1.1放大的概念基本放大电路一般是指由一个晶体管与相应元件组成的放大电路。1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。2.输出信号不能失真,即输出信号与输入信号之间在形状上不能变样。3.输出信号的能量是由直流电源提供的，只是经过晶体管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。第5章基本放大电路2010.02放大电路的结构示意框图见图5.1.1。图5.1.1放大概念示意图它由信号源、放大电路、直流电源组成，放大电路一般都包括负载，但负载不是放大电路的必须组成部分。信号源suRsiuou负载直流电源放大电路LRA第5章基本放大电路2010.025.1.2放大电路的主要技术指标5.1.2.1放大倍数(增益)对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图5.1.2所示。图5.1.2放大倍数的定义信号源Rs负载放大电路LRAsUoUiUiIoI第5章基本放大电路2010.02(3)功率放大倍数定义为(5.1.3)iiooiopIUIUPPA(1)电压放大倍数定义为(5.1.1)iouUUA(2)电流放大倍数定义为(5.1.2)ioiIIA信号源Rs负载放大电路LRAsUoUiUiIoI信号源Rs负载放大电路LRAsUoUiUiIoI第5章基本放大电路2010.025.1.2.2输入电阻Ri输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。Ri的定义见图5.1.3和式(5.1.4)(5.1.4)iiiIUR图5.1.3输入电阻的定义第5章基本放大电路2010.025.1.2.3输出电阻Ro输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。输出电阻Ro有两种求法，一是根据输出电阻的定义，见图5.1.5(b)和式(5.1.6)。信号源Rs负载放大电路LRAsUoUoI图5.1.5(b)输出电阻的定义第5章基本放大电路2010.02(5.1.6)0,oooSL=URIUR信号源Rs负载放大电路LRAsUoUoI图5.1.5(b)输出电阻的定义第5章基本放大电路2010.02第二种是通过实验的方法求放大电路的负载特性曲线，从而求出输出电阻，测试电路和实验曲线见下图。由放大电路负载特性曲线的斜率即可求出输出电阻。Oo/VUo/mAIoUoIoUoI理想电压源特性oU图5.1.4实验曲线图5.1.5求Ro的实验电路信号源Rs负载放大电路LRAsUoUiUiIoILooLooooooooo)1(0RUURUUUIUUIUR(5.1.5)第5章基本放大电路2010.02注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。问题1：有一块万用表，表盘上有20k/V的标记，它的含义是什么？与输入电阻的概念又有何联系？提示：表盘上的20k/V标记，表示万用表的直流电流表在测量直流电压满量程时，将从被测电路吸取50A的电流。第5章基本放大电路2010.025.1.2.4通频带00HL7.02)()(AAfAfA(5.1.7)放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的1/时所对应的频率，即2图5.1.6通频带的定义OfALfHf0A07.0A中频段高频段低频段第5章基本放大电路2010.02相应的频率fL称为下限截止频率，fH称为上限截止频率。图5.1.6通频带的定义通频带BW（bandwidth）：BW=fH-fLfH图5.1.6的曲线称为幅度频率特性曲线，将在后面详细介绍。OfALfHf0A07.0A中频段高频段低频段第5章基本放大电路2010.02问题2：放大电路的输出电阻小，对稳定放大电路的输出电压是否有利？问题3：有一个放大电路的输入信号的频率成分为100Hz~10kHz，那么放大电路的通频带应如何选择？第5章基本放大电路2010.025.1.3基本放大电路的组态前面曾经提到场效应管和晶体管各共有三种组态，对于场效应管有CS、CD和CG；对于双极型晶体管有CE、CC和CB。由于晶体管有三个电极，必定有二个作为输入电极，二个作为输出电极。输入电压必定要加在两个电极上，其中一个电极应接公共参考电位点，即地线；输出电压必定从两个电极上取出，其中一个电极应接地。所以，公共电极是哪一个，就是什么组态。放大电路的组态和晶体管的组态二者是一致。第5章基本放大电路2010.02但有时放大电路的组态与晶体管的组态在形式上稍有不同，即公共电极不一定直接接地，而是通过一个电阻接地。此时决定组态还要看哪个是输入电极，哪个是输出电极。对共源组态，栅极是输入电极，漏极是输出电极；对共漏组态，栅极是输入电极，源极是输出电极；对共栅组态，源极是输入电极，漏极是输出电极。对共射组态，基极是输入电极，集电极是输出电极；对共集组态，基极是输入电极，发射极是输出电极；对共基组态，发射极是输入电极，集电极是输出电极。第5章基本放大电路2010.02VT_++_RdRLgdsiUoUVT_++_RdRLgdsiUoU(a)共源组态(b)共漏组态(c)共栅组态VT_++_RdRLgdsiUoURS输入输出输入输出输入输出CECBCCebcIIBcIEcebIBICIEbceICIB输入输出输入输出输入输出图放大电路的三种组态第5章基本放大电路2010.025.1.4基本放大电路的组成及工作原理由FET组成的放大电路需要工作在线性区(恒流区)，就需要给场效应管设置一个位于线性区的工作点，有对应UGS、ID和UDS。给晶体管设置工作点称为偏置，对于场效应管是电压偏置，也称偏压。5.1.4.1共源组态基本放大电路的组成2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LRDIOG(off)DSSIGSUSUGSQUDQIQ图5.1.7共源组态基本放大电路图5.1.8转移特性曲线第5章基本放大电路2010.02共源组态基本放大电路的组成如下：2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LR晶体管VT——起放大作用。晶体管是N沟道耗尽型结型场效应晶体管。由于有大容量的旁路电容Cs并联，所以源极交流地电位，是共源组态。偏置电路——保证晶体管处于恒流区，有合适的静态工作点。DIOG(off)DSSIGSUSUGSQUDQIQUGSQ=UG-US=0-US=-IDQRs这种偏置形式称为自给偏压。负载电阻Rd、RL——输出漏极对地的交流负载电阻Rd//RL。第5章基本放大电路2010.02电容C1、C2和CS——C1、C2是大容量电容器，起耦合信号的作用，可视为对交流短路。CS是旁路电容。2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LR直流电源VDD——为放大电路提供直流工作电源，建立Q；通过晶体管将直流电源的能量转换为输出信号的能量。5.1.4.2静态和动态静态──是指输入信号等于零时，即ui=0V时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。动态──是指输入信号不等于零时，即ui≠0V时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。第5章基本放大电路2010.025.1.4.3直流通路和交流通路dRDD+VgRVTsR2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LR直流通路是指放大电路只能通过直流电流的通路。在确定直流通路时，耦合电容和旁路电容对交流信号视为开路。第5章基本放大电路2010.02dRDD+VgRVTuiuoLR交流通路是指放大电路只能通过交流电流的通路。2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LR在交流通路中，可将大容量的耦合、旁路电容短路；直流电源VDD对交流信号可视为短路。第5章基本放大电路2010.02放大电路的组成原则（以场效应晶体管放大电路为例）:1.保证放大电路的核心器件晶体管工作在放大状态，即必须有合适的偏置。2.输入回路的设置应当使输入信号能顺利地耦合到晶体管的输入端。对共源组态信号应能加到栅极和地之间，形成变化的栅源电压，通过栅压的控制作用，从而使漏极电流发生变化。3.输出回路的设置应该保证将晶体管放大以后的电流信号转变成负载所需要的电压、电流或功率等形式。第5章基本放大电路2010.025.1.4.4放大电路的工作原理2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LR在输入信号为零时，偏置电路已经为晶体管提供了合适的偏压。由于耦合电容的隔直作用，保证了信号源和负载不破坏放大电路的静止工作状态。当输入交流信号ui通过耦合电容C1加在场效应管的栅极上，ui是叠加在静态的UGSQ上uGS=UGSQ+ui=UGSQ+ugs式中uGS代表栅源之间的总电压，UGS代表直流量，ugs代表交流量。第5章基本放大电路2010.02OOttOtGSQgsuUGSuOOttOtdsuDSuGSQUID=IDQ+iduDS=UDSQ+uds总的漏极电流晶体管管压降在输入交流信号ui作用下oCdsdgsi2uuiuu1CLc//RRmguGS=UGSQ+ui=UGSQ+ugs输入信号第5章基本放大电路2010.025.1.5场效应管基本放大电路的偏置由于场效应管的类型多，但对于建立合适的放大状态偏置而言，只与沟道类型和场效应管是增强型还是耗尽型有关。有自给偏压和分压偏置两种形式。2CdRDD+V1C++gRSRVTCsuiuo+LRUGSQ=UG-US=0-US=-IDQRs耗尽型场效应管增强型场效应管VDDuiC1C2RdRLuoRg1CsRg2GURSUSVTSDg2g1g2DDSGGSRIRRRVUUU第5章基本放大电路2010.02DIOGS(off)UDSSIGSUDIGS(th)UGSUO这是耗尽型场效应管的转移特性曲线，在UGS=0时，有IDSS，所以可以采用自给偏压UGS=UG-US=0-IDRS满足N沟道场效应管负UGS的要求。这是增强型场效应管的转移特性曲线，在UGS=0时，ID=0，所以只能采用分压偏置满足N沟道场效应管正UGS的要求。SDg2g1g2DDSGGSRIRRRVUUU耗尽型管也可采用分压偏置第5章基本放大电路2010.02具体的偏置电路形式：场效应晶体管放大电路的电压偏置有两种形式：增强型和耗尽型晶体管均可采用分压偏置；自给偏压只能采用耗尽型场效应管。对于不同