模拟电子技术基础 2篇 2章1

第二章放大电路动态分析本章从放大电路的交流通路入手，在输入低频小信号的条件下，器件用线性电路模型等效，然后用电路原理中的一些方法，来分析和计算放大电路的主要技术指标，所以本章是电子电路分析的基础，要求熟练掌握。2.2.1放大电路的动态性能指标放大器的指标因放大器的功用不同而异。而且有些指标与信号源及电路负载有关。主要的技术指标有：放大器的放大倍数、输入阻抗（电阻）、输出阻抗（电阻），输出功率、最大不失真输出电压幅度、通频带宽度，非线性失真等等。一、信号源和负载1、信号源适用于单端与地之间输入信号的放大电路—单信号源放大电路放大电路信号源为电压源信号源为电流源适用于双端输入信号的放大电路—双端信号源RP为350时Va=VbRP不是350时Va≠Vb差分放大电路需要这种信号2、放大电路的负载放大电路的负载种类很多，对不同的负载，要求有不同的指标输出。只要求放大器有足够大的电压幅度输出，如放大器负载是高内阻的电压表；只要求放大器有足够大的输出电流，如放大器负载是继电器线圈；要求放大器有足够大的输出功率，即既要有大的输出电压幅度，还要有尽量大的输出电流。如低频功放的负载是杨声器，能放出响亮的声音。二、主要性能指标输出信号源(1)增益又称放大倍数，衡量放大电路放大电信号的能力。最常用的是电压增益iovVVA开路电压增益：负载开路（即RL=∞）时的电压增益。ioovoVVA源电压增益sovsVVA放大器的输出电压对信号源电压vs的增益分贝增益常用分贝（dB)作为单位，1分贝＝1/10贝尔，源于功率增益的对数：iovVVdBAlg20)(iopPPdBAlg10)(当用于电压增益时：“0dB”相当于Av＝1；“-40dB”相当于Av＝0.01；“-20dB”相当于Av＝0.1；“40dB”相当于Av＝100；“20dB”相当于Av＝10；……(2)输入电阻Ri输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压与输入电流之比。iiiIVRiIiR.ooiivvssisisVVVRAAVVVRR输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。Ri越大，则信号电压损失越小，输入电压越接近信号源电压。输入电阻影响源电压增益情况(3)输出电阻Ro放大电路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。OR输出电阻Ro的大小，反映了放大电路带负载的能力。Ro越小，则放大电路带负载能力越强，电路输出越接近恒压源输出。输出电阻Ro的确定：①分析时采用在输出端反加等效信号源的方法。LsRVoooIVR0''②在实验室采用测量的方法ooLoLoVRRRVLoooRVVR10LOOOOORVRVViRoR实际放大器输入电阻实际放大器输出电阻(4)通频带—放大电路能放大信号的频率范围由于电路中存在着电抗元件以及晶体管结电容和极间电容的影响，当放大电路的输入信号频率逐渐降低（或者逐渐升高）时，电压放大倍数都要降低，只有在一定频率范围（中频段范围）内，放大倍数才基本上为一常数。这说明一个放大电路对不同频率的信号，其放大能力（即增益）是不一样的。通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。在低频段，因耦合电容存在，放大器的增益会随输入信号频率的下降而越来越小，输入/输出电压间的相移也将发生变化。如对于低频功放电路，其通频带应大于音频范围(20Hz～20kHz)。下限频率：fL通频带（带宽）：HLHfffBW单级共射阻容耦合放大电路的典型频率特性（幅频特性）上限频率：fH(5)最大不失真输出幅度最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产生明显的非线性失真条件下，所能提供的最大输出电压(或输出电流)峰值，用Vom(或Iom)表示。工作点在交流负载线中点时的最大输出电流幅度工作点在交流负载线中点时的最大输出电压幅度截止失真：截止失真时的电压波形截止失真时的电流波形由于进入截止区而产生的失真工作点偏低截止失真的原因是：①静态工作点偏低，②小信号放大时，输入信号幅度太大。饱和失真：饱和失真时的电流波形饱和失真时的电压波形饱和压降由于进入饱和区而产生的失真工作点偏高饱和失真的原因是：①静态工作点偏高，②输入信号幅度过大。2.2.2半导体三极管和场效应管的低频小信号模型在分析计算放大电路的具体指标时，可用作图方法—图解法，也可通过电路模型计算法处理。常用的方法是通过电路模型来求取各项技术指标：器件模型化的基本条件：②器件工作在线性放大区；③小信号,器件的动态工作范围在工作点附近的较小一段曲线；①放大信号频率在“低”段范围;在上述条件下，把晶体三极管看成一个双口网络，并把b-e作为输入口，c-e为输出口，则网络外部的端电压和电流关系就是晶体管的输入特性和输出特性。一、晶体三极管的低频小信号模型可以写成如下关系式),(CEBBEvifv),(CEBCvifi式中，vBE，iB，vCE，iC是各电量的瞬时总量（直流+交流）。在低频小信号条件下，研究各变化量之间的关系，对两关系式求全微分得：CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCE),(CEBBEvifv),(CEBCvifi式中BEdv代表BEv的变化量部分，则有：ceCEcCbBbeBEvdvidiidivdv,,,CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCEceICEBEbVBBEbevvviivvBCEceICECbVBCcvviiiiiBCEeVBBEhivCE11|eICEBEhvvB12|eVBChiiCE21|eICEChviB22|ceICEBEbVBBEbevvviivvBCEceICECbVBCcvviiiiiBCE再令：CEICEBEBVBBEBEdvvvdiivdvBCECEICECBVBCCdvvidiiidiBCEcecebceebeccecbbbeceebebevrivhihivvirvhihv12221'1211最后得到：由电路网络理论得出：cecebceebeccecbbbeceebebevrivhihivvirvhihv12221'1211晶体管低频小信号电路模型其中CEVBBEebeivhr11是晶体管输出交流短路时的输入电阻（动态输入电阻）BICEBEecbvvhv12'是晶体管输入交流开路时的内电压反馈系数（很小）cecebccecbbbebevriivvirv1'CEVBCeiih21BICECecevihr221是晶体管输出交流短路时的电流放大系数是输入交流开路时的输出电导（晶体管输出电阻的倒数）cecebccecbbbebevriivvirv1'BICEBEecbvvhv12'由于内电压反馈系数很小，常略。而输出电导也很小，输出电阻很大。所以，晶体三极管的低频小信号模型如下：简化模型完整的低频小信号模型说明是非理想的CCCS在应用三极管低频小信号模型时应注意：⑤β和rbe可用H参数测试仪测得，而rbe可用公式估算：EQTbbbeIVrr)1('①只适用于低频小信号条件;②变化量或交流分量，不允许出现直流量或瞬时量符号;③模型中的参数，与Q点有关，不是固定常数;④电流源“βib”方向和大小由ib决定;rbb′为晶体三极管的基区体电阻，约为100～300Ω；EQTbbbeIVrr)1('VT＝26mV（室温下，是电压的温度档量）；IEQ为发射极静态电流。其中：'''ebebbbbeririv由于发射结电阻和基极体电阻不在同一回路，所以有：EQTbbbeIVrr)1('NNP基区体电阻100—300Ω发射区体电阻（略）二、场效应管的低频小信号模型与推导半导体三极管的低频小信号模型相同，场效应管在低频小信号的条件下，在特性曲线Q点附近的某一小段曲线，同样可以等效成一条直线。不管是结型的还是MOS场效应管，由于栅极都不取电流，而漏源之间是一个受控的电流源，所以有如下的低频小信号模型。输入回路：由于场效应管的栅极电流为零，输入回路栅极源极之间可用开路来等效。输出回路：受控电流源“gmΔvGS”和动态电阻rds并联。图中gm：低频跨导，它表征了ΔvGS对ΔiD的控制能力。rds：输出电阻（动态电阻），通常可忽略。受控电流源方向：对6种类型FET都适用。2.2.3放大电路的动态分析动态分析是指：在放大电路的交流通路基础上，假定放大器件工作在线性放大区内，利用其低频小信号模型建立起放大电路的微变等效电路，然后计算出放大电路的技术指标：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态性能指标分析步骤是：由放大电路→画交流通路→器件用低频小信号模型→整理电路成微变等效电路→用电路原理中的方法求解各项技术指标。交流通路及画法：放大电路在输入信号作用下，只考虑信号电流和信号电压相关的通路，用于研究电路的动态性能指标。画法：①所有耦合电容和旁路电容都当作交流短路；（因耦合电容容量取得很大，容抗很小，可略去不计。）②所有直流电源当作交流短路。（因理想电压源其内阻为零，对交流信号而言，其上没有交流电压变化量，即交流压降为零，可略而不计。）一、放大电路的三种基本组态共射放大组态(CE)典型共射放大电路交流通路共集电极放大组态(CC)交流通路21//bbbRRR共集电路组态（射极输出器）共基极放大组态(CB)共基极放大电路交流通路FET放大电路的三种基本组态共源极放大组态(CS)交流通路共源极放大电路21//gggRRR共漏极放大组态(CD)21//gggRRR交流通路共漏极放大电路共栅极放大组态(CG)共栅极放大电路交流通路放大电路分析的一般步骤：二、基本放大电路的动态分析①求静态工作点，根据Q点计算小信号模型参数，如rbe；②确定交流通路；③画出微变等效电路；④计算动态性能指标（如Av、Ri、Ro）。1．共射放大电路的动态分析微变等效电路电路交流通路①求电压放大倍数AvbeLbebLbiovrRrIRIVVA''LCLRRR//'))1((''beLbebLcecebiovrRrIRrrIVVA输入电阻是放大器输入端看进去的等效电阻。②计算输入电阻RibebbebbbeibibiiiiirRrRRrVRVRVVIVR//////2121iRccecoRrRR//当信号源短路，负载开路，并从负载两端看进去的等效电阻。由于信号源短路后，基极电流为零，所以受控源开路，故有：③计算输出电阻RoiRoR通常在实际测量中，是当信号源短路，负载开路后，在负载开路两端加上一个等效电压源，然后产生多大电流来计量的。ccecoRrRR//iRoRoR可见对共射放大电路有：iRoRbeLiovrRVVA'bebbebbiiirRrRRIVR//////21ccecoRrRR//2．共集电级放大电路的动态分析电路交流通路微变等效电路21//bbbRRR①求电压放大倍数'')1(LbebLebebiRrIRIrIV'')1(LbLeoRIRIV1)1()1(''LbeLiovRrRVVA因1vAbeLrR')1(，所以共集电极放大电路的输出电压取自发射极，且电压放大倍数近似为1，所以，该放大电路又称为射极跟随器（射极输出器）。②输入电阻计算'')1(LbebiiRrIVR''')1(////LbebibiibiibbiiiiiRrRRRRVRVVIRVVIVR