模拟与数字电路第四章 晶体管放大器

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1、模拟与数字电路 (模拟电路 ) 材料科学系 第四章 晶体管放大器 这一章，我们要讨论什么 ? 本章研究 晶体管放大器 ： 1. 如何将原理电路转换为其 等效电路 2. 如何根据等效电路求解电路输入输出信号之间的关系，得到电路的电学 特性 3. 根据电路特性的讨论，掌握不同类型晶体管放大器的特点 晶体管放大器是所有放大器的基础！ 放 大 器 最基本的模拟电子电路 所有电子信息处理的基础 A m p l i fi er放大的对象：变化量 放大的本质：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 判断电路能否放大的基本出发点 VCC 至少一路直流电源供电 放大器的一般描述 放

2、大器的性能指标 增益 电压增益 电流增益 跨阻增益 跨导增益 功率增益 输入阻抗 输出阻抗 频率响应 非线性失真 ioUUAAuuu ioIIAAiii ioIUAui ioUIAiu 1. 放大倍数 ：输出量与输入量之比 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 信号源 信号源内阻 输入电压 输入电流 输出电压 输出电流 对信号而言，任何放大电路均可看成双口网络。 放大器的性能指标 2. 输入电阻和输出电阻 将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。 LooLoooo )1( RUURUUUR 空载时输出电压有效值 带 RL时的输出电压有效值 iii IUR 输入电压与输入电流有效值之比。

3、从输入端看进去的等效电阻 通常是复数 ,在电抗分量远小于电阻分量的 条件下近似为输入电阻与输出电阻 3. 通频带 4. 最大不失真输出电压 Uom： 交流有效值。 由于电容、电感及放大管 PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 下限频率 上限频率 LHbw fff 5. 最大输出功率 Pom和效率 ：功率放大电路的参数。 定义电压（电流）增益下降 3dB为截止频率 3dB 6.非线性失真 非线性失真一般指 谐波失真 与频率失真有本质的区别 总谐波失真系数的定义 2 2 23221 1 1( ) ( ) . .

4、 . ( )nnVVVT H DV V V 放大器的分析 下面的内容是本章的重点，也是本课程的重点之一。 放大器的一般分析过程 1. 按照分析的目的画出等效电路 2. 根据等效电路列出电路方程 3. 求解方程 （上述 3个步骤有可能要根据实际情况作 合理的简化 ） 4. 根据得到的所有结果，分析电路的性能 晶体管单管放大器 单管放大器的一般结构 单管放大器的分析方法 单管放大器的频率特性 单管放大器的比较 单管放大器的类型 BJT单管放大器 共发射极放大器 共集电极放大器 共基极放大器 FET单管放大器 共源极放大器 共漏极放大器 共栅极放大器 共射放大器的结构 C 2C 1 R LR CR

5、BV CC+v sv or s直流偏置 负载 信号源 信号输入输出共用发射极 直流偏置 作用：提供晶体管合适的直流工作点 注意点：正确区分直流回路 (电容开路，电感短路 ） 分析方法： 估算法 图解法 C 2 C 1 R L R C R B V CC + v s v o r s 设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真！ 设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但 Q点几乎影响着所有的动态参数！ 为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？ 基本共射放大电路的波形分析 tu CEU C E QV CCOtu CEU C E QV CCO饱和失真 底部失真 截

6、止失真 顶部失真 动态信号驮载在静态之上 与 iC变化方向相反 要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！ C 晶体管直流偏置的估算法分析 ()C C B E o nBQBC Q B QC E Q C C C Q CVVIRIIV V I Rv sR CR BV CC 已经在第 2章详细讲述 要点：用带阈值的二极管模型等效发射结，用 CCCS等效集电结 晶体管直流偏置的图解法分析 在晶体管输入回路中，联合晶体管输入特性曲线与输入部分的偏置电路特性曲线，其交点就是输入回路的偏置点（静态工作点） 在晶体管输出回路中，联合晶体管输出特性曲线与输出部分的偏置电路特性曲线，其交点就是

7、输出回路的偏置点（静态工作点） 图解法的例子 v sR CR BV CCI BV BEV CCV CCR B晶体管输入特性曲线静态工作点I BQV BEQI B V CC V BER BI B f ( V BE , V CE )（输入回路） 模拟电子学基础 21 2017/5/3 图解法的例子 （输出回路） V C EI CI B = I BQI CQV C E Q静态工作点V CCR CV CCI C =V CC - V CER Cv sR CR BV CC模拟电子学基础 22 2017/5/3 交流小信号分析 在直流偏置基础上叠加交流小信号 只考虑交流回路 足够大的电容短路，足够大的电感开

8、路 直流电压源短路，直流电流源开路 线性化近似 晶体管用工作点附近交流小信号等效模型代替 对线性电路求解 23 2017/5/3 共射放大器的低频小信号等效电路 C 2C 1 R LR CR BV CC+v sv or sRLrsvsRCrbegmvbeecbrceRB所有电容短路 所有直流电源短路 晶体管以其等效模型替代 模拟电子学基础 24 2017/5/3 / , / , /m C Q T b e m c e A C Qg I V r g r V I 晶体管参数 RLrsvovs+RCrbegmvbeecbrcerivi R Bvbero+ +计算电压增益以及输入阻抗的部分电路（必须计及

9、负载的影响） 计算输出阻抗的部分电路（必须计及源内阻的影响） 模拟电子学基础 25 2017/5/3 /i b e Br r R ( / / / / )ov m L m L C c eivA g R g R R rv o o i iv s vs i s s iv v v rAAv v v r r RLrsvovs+RCrbegmvbeecbrcerivi R Bvbe+ +求输入电阻、电压增益： 输入电阻： 电压增益： 源电压增益： 模拟电子学基础 26 2017/5/3 /o c e Cr r R求输出电阻： 输出电阻： RLrsvo+RCrbegmvbeecbrceroRBvbe+ 由于在

10、低频条件下晶体管的共射模型中输入和输出相互独立，所以计算特别简单，几乎可以不用列节点方程。 模拟电子学基础 27 2017/5/3 例 1 C 2C 1 R LR CR BV CC+v sv or s已知在 23页晶体管放大器中， VCC=9V， RB=620kW，RL=2kW，信号源内阻 rs=600W； 晶体管 100， VA=40V；所有电容对交流信号短路。 计算 RC =3kW 时放大器的静态工作点，证明三极管工作在放大区，求放大器的输入电阻 ri、输出电阻 ro 以及源电压增益 vo/vs。 计算 RC =10 kW 时放大器的静态工作点，证明三极管工作在饱和区。 解：（ 1） RC

11、 =3kW 时，静态工作点计算 ()()9 0 .70 .0 1 3 4 m A6201 0 0 0 .0 1 3 4 1 .3 4 m A9 1 .3 4 3 4 .9 6 VCC B E o nBQBCQ B QCE Q CC CQ C B E o nVVIRIIV V I R V 所以，晶体管工作在放大状态，此时有晶体管等效参数 1 .3 4 m A5 2 m S2 6 m V1001 .9 4 k52402 9 .9 k 1 .3 4CQmTbemAceCQIgVrgVrI W 放大区 C 2C 1 R LR CR BV CC+v sv or s/ / 620 / / 1.9 4 1.

12、9 4 k/ / 2.7 3 k( / / / / ) 52 ( 29. 9 / / 3 / / 2) 60( 35 .6d B )i B beo c e Cov m c e C Lio o i iv s vs i s sr R rr r RvA g r R Rvv v v rAAv v v r W W 1.9460 45. 80.6 1.9 4( 33 .2d B )ir 计算放大器诸特性参数 （ 2） RC =10kW 时，静态工作点计算 若按照放大状态估计，则 () 9 0. 70. 01 34 m A62010 0 0. 01 34 1. 34 m A9 1. 34 10 4. 4 V

13、 0 !CC B E o nBQBCQ B QCE Q CC CQ CVVIRIIV V I R 所以晶体管不能工作在放大状态，而是饱和状态。此时有 0 . 2 V9 0 . 28 . 8 m A10C E Q C E SC C C E QCQCVVVVIR 在饱和状态下， VCEQ一定等于晶体管饱和压降 VCES 0.88mA 31 2017/5/3 V C EI CI B = 5 A1 m A10VI B = 2 0 AI B = 15 AI B = 1 0 A2 m A5VI B = I BQR C = 1 2 k 时的静态工作点R C = 4 . 7 k 时的静态工作点R C = 4

14、. 7 k 时的直流负载线R C = 1 2 k 时的直流负载线输出回路静态工作点随集电极电阻变化而变化 模拟电子学基础 32 2017/5/3 例 2 晶体管共射放大器如图，求输入电阻、输出电阻以及电压放大系数。其中晶体管的 rce较大 可忽略，所有电容的交流电抗很小可忽略。 晶体管放大器解题 三部曲 ： 1、静态工作点 2、晶体管小信号等效参数 3、电路特性参数 voviRB 1RB 2RCRLREVCC22k W10k W 1k W2 . 7 k W6V2k W =1 0 0模拟电子学基础 33 2017/5/3 voviRB 1RB 2RCRLREVCC22k W10k W 1k W2 . 7 k W6V2k W =1 0 0C 2C 1 R LR CR BV CC+v sv or s比较共射放大器 模拟电子学基础 34 2017/5/3 解： 第一步：求解静态工作点 根据第二章的讨论， 发射极带有电阻的电路静态工作点计算： 2121210 6 1 .