第05次課 20131014(放大電路靜態(tài)分析)

1、浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)2. FET2. FET放大電路的直流偏置放大電路的直流偏置場效應(yīng)管柵極電流為零，是一種壓控型有源器件場效應(yīng)管柵極電流為零，是一種壓控型有源器件,其漏極電流其漏極電流ID在恒流區(qū)內(nèi)僅取決于柵源電壓。在恒流區(qū)內(nèi)僅取決于柵源電壓。FET放放大電路的偏置電路有其自身特點(diǎn)。大電路的偏置電路有其自身特點(diǎn)。 柵極固定偏置電路柵極固定偏置電路 只適用于增強(qiáng)型只適用于增強(qiáng)型MOS管管 柵極電壓由電阻分壓得到柵極電壓由電阻分壓得到212gggDDGSQRRRVV 2)1( TGSQDODQVVIIDQdDDDSQIRVV 分壓偏置電路分壓偏置電路浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基

2、礎(chǔ) 自偏置電路自偏置電路自偏壓偏置電路自偏壓偏置電路 Rg為為柵極泄放電阻柵極泄放電阻，泄放，泄放柵極感生電荷，并提供柵柵極感生電荷，并提供柵極與源極間直流電壓，通極與源極間直流電壓，通常取常取0.110M。 Rs為為源極偏置電阻源極偏置電阻，作用，作用類似于共射電路的類似于共射電路的Re，可，可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 。 只適用于耗盡型只適用于耗盡型FET。sDSGGSRIVVV 由于耗盡型由于耗盡型FET在在VGS0時存在導(dǎo)電溝道，所以電時存在導(dǎo)電溝道，所以電路有漏極電流路有漏極電流ID。 由于由于IG0，所以，所以Rg上上無直流壓降，無直流壓降，VG0。應(yīng)為耗盡型應(yīng)為耗盡型浙江

3、大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 混合偏置電路混合偏置電路 VGS與柵極電壓有關(guān)，還與柵極電壓有關(guān)，還與漏極電流相關(guān)與漏極電流相關(guān)分壓自偏置電路分壓自偏置電路 適用于耗盡型和增強(qiáng)型適用于耗盡型和增強(qiáng)型FET 若若VGIDRs，則可適用于增強(qiáng)型管（，則可適用于增強(qiáng)型管（N溝道）；溝道）；若若VGIDRs，則可適用于耗盡型，則可適用于耗盡型MOS管或管或JFET。sDgggDDsDGGSRIRRRVRIVV 212上式稱為上式稱為偏壓線方程偏壓線方程浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 改進(jìn)的電路改進(jìn)的電路增加增加Rg3，以提高輸，以提高輸入電阻入電阻典型電路典型電路由于由于IG=0， Rg3無壓無壓

4、降，靜態(tài)沒有影響降，靜態(tài)沒有影響 Q點(diǎn)的確定點(diǎn)的確定 )1(2212TGSDODsDDDgggGSVVIIRIVRRRV解聯(lián)立方程得到：解聯(lián)立方程得到：浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 已知漏極飽和電流已知漏極飽和電流IDSS=1mA，夾斷電壓，夾斷電壓VP =2V。求靜態(tài)工作點(diǎn)（。求靜態(tài)工作點(diǎn)（VGSQ、IDQ、VDSQ），并驗(yàn)證其），并驗(yàn)證其合理性。合理性。例2.1.7圖（圖（a）圖中應(yīng)為耗盡型圖中應(yīng)為耗盡型浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)解 已知已知IDSS=1mA，VP =2V )21(1)1(106 . 41612030012022GSPGSDSSDDsDGSVVVIIIRIV

5、V8 . 3mA84. 0GSQDQVI V6 . 0mA52. 0GSQDQVI（舍去）（舍去）V 6 . 5)( sdDDDDSQRRIVV因因說明說明FET工作在放大區(qū)工作在放大區(qū)V 4 . 1 PGSQDSQVVV浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 已知已知IDSS = 4mA，VGSQ =2V，VP =4V。求。求IDQ、RS1，并確定，并確定RS2的最大值。的最大值。例2.1.7圖（圖（ b ）圖中應(yīng)為耗盡型圖中應(yīng)為耗盡型浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)解已知已知IDSS = 4mA，VGSQ =2V，VP =4VVGSQ = -2VmA 1)421(4)1(22 PGSQDSS

6、DQVVIIV 21 sDGSQRIV k 21sR為保證場效應(yīng)管工作為保證場效應(yīng)管工作在放大區(qū)，要求：在放大區(qū)，要求：V 2 PGSQDSQVVVV 2)( 2021 SsdDQDSQRRRIV k 62SR浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)二、耦合方式（信號輸入與輸出電路）二、耦合方式（信號輸入與輸出電路）放大電路除了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，還要保證信號放大電路除了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，還要保證信號輸入信號加得進(jìn)來，輸出信號取得出來，即合適的輸入信號加得進(jìn)來，輸出信號取得出來，即合適的輸入耦合和輸出耦合。輸入耦合和輸出耦合。 電容耦合電容耦合 直接耦合直接耦合 變壓器耦合變壓器耦合常見的常見的3種耦

7、合方式：種耦合方式：浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 電容耦合電容耦合 電容有隔直流作用，電容有隔直流作用，不影響直流偏置。不影響直流偏置。 對交流信號而言，對交流信號而言，電容的容抗很小，電容的容抗很小，可忽略（交流短可忽略（交流短路）。路）。 電容耦合只適用于電容耦合只適用于輸入信號為交流，輸入信號為交流，且頻率一般在且頻率一般在20Hz以上。以上。 設(shè)信號頻率為設(shè)信號頻率為f=1 kHz，C1=10 F，則容抗為，則容抗為 9 .151010211531 C浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 直接耦合直接耦合 輸入信號源與放大輸入信號源與放大電路直接相連。電路直接相連。 由于由于FET

8、柵極無電柵極無電流，所以信號源直流，所以信號源直接相連不會影響直接相連不會影響直流偏置。流偏置。 直接耦合可以適用于直接耦合可以適用于放大變化緩慢的信號放大變化緩慢的信號（如溫度變化）。（如溫度變化）。浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 變壓器耦合變壓器耦合 直流通路中，電感直流通路中，電感相當(dāng)于短路。相當(dāng)于短路。 交流通路中，變壓器交流通路中，變壓器起阻抗變化作用。起阻抗變化作用。 變壓器耦合可以放大交變壓器耦合可以放大交流信號，還起信號隔離、流信號，還起信號隔離、阻抗變換作用。阻抗變換作用。浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)例2.1.9分別畫出直流通路和交流通路；從電源極性、三分別畫出直流

9、通路和交流通路；從電源極性、三極管類型、偏置電路和信號輸入、輸出電路等幾方面極管類型、偏置電路和信號輸入、輸出電路等幾方面檢查各放大電路的組成是否合理？應(yīng)如何改正？檢查各放大電路的組成是否合理？應(yīng)如何改正？(a) (c) (e)浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)解圖（圖（a）直流通路直流通路交流通路交流通路改正后改正后浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)圖（圖（c）直流通路直流通路交流通路交流通路改正后改正后浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)圖（圖（e）直流通路直流通路交流通路交流通路改正后改正后浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)第第2章章 放大電路的動態(tài)分析放大電路的動態(tài)分析本章主要討論：本章

10、主要討論： 三極管和場效應(yīng)管的小信號模型三極管和場效應(yīng)管的小信號模型 基本放大電路的動態(tài)分析基本放大電路的動態(tài)分析 多級放大電路的動態(tài)分析多級放大電路的動態(tài)分析浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)2.2.1 放大電路的動態(tài)性能指標(biāo)放大電路的動態(tài)性能指標(biāo)一、輸入信號源和輸出負(fù)載一、輸入信號源和輸出負(fù)載放大電路有時簡稱放大器，它的性能指標(biāo)因信放大電路有時簡稱放大器，它的性能指標(biāo)因信號源和負(fù)載的不同要求而定。例如，音頻放大器號源和負(fù)載的不同要求而定。例如，音頻放大器（擴(kuò)音機(jī)、音響）的輸入信號源有話筒、收錄音和（擴(kuò)音機(jī)、音響）的輸入信號源有話筒、收錄音和CD、VCD、DVD等音源，負(fù)載為揚(yáng)聲器或耳機(jī)。等

11、音源，負(fù)載為揚(yáng)聲器或耳機(jī)。音頻放大器的許多性能指標(biāo)（放大倍數(shù)、輸入阻抗、音頻放大器的許多性能指標(biāo)（放大倍數(shù)、輸入阻抗、頻率響應(yīng)等）必須與上述信號源和負(fù)載相匹配。頻率響應(yīng)等）必須與上述信號源和負(fù)載相匹配。放大電路示例：音響、電話機(jī)、門鈴、測量電放大電路示例：音響、電話機(jī)、門鈴、測量電路（如測溫度、壓力、流量）、驅(qū)動電路路（如測溫度、壓力、流量）、驅(qū)動電路浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)1.1.輸入信號源輸入信號源 單端信號源與雙端信號源單端信號源與雙端信號源 大部分信號源都為單端信號源，即一端接公共地。大部分信號源都為單端信號源，即一端接公共地。電壓源型電壓源型等效內(nèi)阻小等效內(nèi)阻小電流源型電流

12、源型等效內(nèi)阻大等效內(nèi)阻大 另一種信號源的兩個輸出都不與公共地相連，稱為另一種信號源的兩個輸出都不與公共地相連，稱為雙端信號源（也稱為對稱信號源）。雙端信號源（也稱為對稱信號源）。浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)例應(yīng)力測量電路 測量前，應(yīng)變片電阻測量前，應(yīng)變片電阻 RP=350 ，電橋處于，電橋處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 測量開始后，應(yīng)變片測量開始后，應(yīng)變片阻值因受力而發(fā)生變阻值因受力而發(fā)生變化，電橋失去平衡?；?，電橋失去平衡。設(shè)設(shè)va=5V, vb=4.98V。 mV 20 baIdvvvV 99. 42 baIcvvv差值反映了被測應(yīng)力的變化，差值反映了被測應(yīng)力的變化，需要放大。稱為需要放大。稱

13、為差模分量差模分量。均值反映了測量初始條件，不均值反映了測量初始條件，不需要放大。稱為需要放大。稱為共模分量共模分量。浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 輸入信號的波形輸入信號的波形 慢變信號或直流信號慢變信號或直流信號 交流信號（正弦信號）交流信號（正弦信號） 周期性信號，總可以分解為周期性信號，總可以分解為一系列正弦信號，因此輸入一系列正弦信號，因此輸入以正弦信號為代表以正弦信號為代表 常用常用相量相量符號來表示符號來表示 對放大電路的通頻帶有要求對放大電路的通頻帶有要求 隨時間變化緩慢的信號隨時間變化緩慢的信號 常用常用增量增量符號來表示符號來表示浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 瞬變

14、信號瞬變信號 隨時間變化很快的信號隨時間變化很快的信號 需考慮放大電路的響應(yīng)速度需考慮放大電路的響應(yīng)速度2.2.輸出負(fù)載輸出負(fù)載輸出負(fù)載包括后級放大電路，電壓、電流表，輸出負(fù)載包括后級放大電路，電壓、電流表，揚(yáng)聲器，繼電器和伺服電機(jī)等，大致分三類：揚(yáng)聲器，繼電器和伺服電機(jī)等，大致分三類： 要求有足夠大的輸出信號要求有足夠大的輸出信號電壓電壓，而對輸出信號電，而對輸出信號電流沒有要求。這類負(fù)載的流沒有要求。這類負(fù)載的等效電阻較大等效電阻較大，如高內(nèi)，如高內(nèi)阻電壓表或后級放大電路。阻電壓表或后級放大電路。浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 要求有足夠大的輸出信號要求有足夠大的輸出信號電流電流，而對

15、輸出信號電，而對輸出信號電壓沒有要求。這類負(fù)載的壓沒有要求。這類負(fù)載的等效電阻較小等效電阻較小，如繼電，如繼電器線包等。器線包等。 要求有足夠大的輸出信號要求有足夠大的輸出信號功率功率，即要求放大器件，即要求放大器件的輸出信號電壓和輸出信號電流均應(yīng)有盡可能大的輸出信號電壓和輸出信號電流均應(yīng)有盡可能大的動態(tài)范圍。的動態(tài)范圍。不同類型的信號源和負(fù)載對放大電路有不同的不同類型的信號源和負(fù)載對放大電路有不同的要求。不僅需要選擇適當(dāng)要求。不僅需要選擇適當(dāng)類型類型的放大電路，還需的放大電路，還需要用要用性能指標(biāo)性能指標(biāo)來表示放大電路對信號源和負(fù)載的來表示放大電路對信號源和負(fù)載的適應(yīng)能力適應(yīng)能力。浙江大學(xué)

16、蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 增益增益又稱放大倍數(shù)，衡量放大電路放大電信號能力。又稱放大倍數(shù)，衡量放大電路放大電信號能力。最常用的是最常用的是電壓增益電壓增益：iovVVA 開路電壓增益開路電壓增益：源電壓增益源電壓增益：sovsVVA ioovoVVA 放大電路性能的優(yōu)劣，常用性能指標(biāo)來衡量。放大電路性能的優(yōu)劣，常用性能指標(biāo)來衡量。二、放大電路的主要性能指標(biāo)二、放大電路的主要性能指標(biāo)浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)增益常用分貝增益常用分貝(dB)作為單位，作為單位，1分貝分貝1/10貝爾，貝爾，源于功率增益的對數(shù)：源于功率增益的對數(shù)： iovVVdBAlg20)( “ 0dB” 相當(dāng)于相當(dāng)于

17、Av1；“20dB”相當(dāng)于相當(dāng)于 Av10；“40dB”相當(dāng)于相當(dāng)于 Av100；“-20dB”相當(dāng)于相當(dāng)于Av0.1 ；“-40dB”相當(dāng)于相當(dāng)于Av0.01 ； iopPPdBAlg10)( 當(dāng)用于電壓增益時：當(dāng)用于電壓增益時： 分貝分貝浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)輸入電阻輸入電阻Ri是從放大是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。效電阻。iiiIVR 輸入電阻反映了放大電路從信號源所汲取電壓輸入電阻反映了放大電路從信號源所汲取電壓的能力。的能力。Ri越大越大，則信號電壓損失越小，輸入電壓，則信號電壓損失越小，輸入電壓越接近信號源電壓越接近信號源電壓。 輸入電阻輸入電

18、阻 RivsiisiiosovsARRRVVVVVVA 輸入電阻影響源電壓增益：輸入電阻影響源電壓增益：浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 輸出電阻輸出電阻 Ro放大電路負(fù)載開路時放大電路負(fù)載開路時從輸出端看進(jìn)去的等效從輸出端看進(jìn)去的等效信號源內(nèi)阻。信號源內(nèi)阻。輸出電阻的大小，反映了放大電路帶負(fù)載的能輸出電阻的大小，反映了放大電路帶負(fù)載的能力。力。Ro越小越小，則放大電路，則放大電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)帶負(fù)載能力越強(qiáng)，電路輸，電路輸出越接近恒壓源輸出。出越接近恒壓源輸出。 輸出電阻輸出電阻Ro的確定：的確定： LsRVoooIVR0 電路分析法電路分析法浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)測量法

19、實(shí)驗(yàn)測量法ooLoLoVRRRV LooooRVVR 1IoVoVooRo=0Ro O負(fù)載特性負(fù)載特性 測量空載（測量空載（ RL開路）時的開路）時的輸出電壓輸出電壓Voo； 測量帶載（接已知阻值的測量帶載（接已知阻值的RL）時的輸出電壓）時的輸出電壓Vo。負(fù)載特性負(fù)載特性“硬硬”的含義是什么？的含義是什么？浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)低頻段或高頻段：低頻段或高頻段：結(jié)電容和極間電容結(jié)電容和極間電容的影響。的影響。通頻帶越寬通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的，表明放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力越強(qiáng)。適應(yīng)能力越強(qiáng)。如對于擴(kuò)音機(jī)電路，其通頻帶應(yīng)大于音頻范圍如對于擴(kuò)音機(jī)電路，其通頻帶應(yīng)

20、大于音頻范圍(20Hz20kHz)。下限頻率下限頻率上限頻率上限頻率通頻帶通頻帶：HLHfffBW 通頻帶通頻帶浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)最大不失真輸出幅度是放大電路在輸出波形不最大不失真輸出幅度是放大電路在輸出波形不產(chǎn)生非線性失真的條件下，所能提供的最大輸出電產(chǎn)生非線性失真的條件下，所能提供的最大輸出電壓壓(或輸出電流或輸出電流)的峰值，用的峰值，用Vom (或或Iom)表示。表示。 截止失真截止失真：由于進(jìn)：由于進(jìn)入截止區(qū)而產(chǎn)生的入截止區(qū)而產(chǎn)生的失真。失真。 飽和失真飽和失真：由于進(jìn)：由于進(jìn)入飽和區(qū)而產(chǎn)生的入飽和區(qū)而產(chǎn)生的失真。失真。 最大不失真輸出幅度最大不失真輸出幅度浙江大學(xué)

21、蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)2.2.2 三極管的低頻小信號模型三極管的低頻小信號模型(1)輸入回路：輸入回路：b-e之間等效為之間等效為動態(tài)電阻動態(tài)電阻rbe 。一、雙極型管的低頻小信號模型一、雙極型管的低頻小信號模型浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)(2) 輸出回路：輸出回路：集電極電流的變化集電極電流的變化iC可以看作可以看作iB和和vCE分別單獨(dú)變化時引起的。分別單獨(dú)變化時引起的。當(dāng)當(dāng)vCEVCEQ不變不變時，時，BCii 當(dāng)當(dāng)iBIBQiB不變不變時時, tgivrCCEce1 ceCECrvi 當(dāng)當(dāng)iB和和vCE同時作用同時作用時，時，ceCEBCCCrviiii 浙江大學(xué) 蔡忠法 集成

22、電子技術(shù)基礎(chǔ)動態(tài)輸出電阻動態(tài)輸出電阻rce一般一般很大很大，通?？梢院雎?。，通?？梢院雎浴Ｋ?，輸出回路所以，輸出回路c-e間的模型由間的模型由受控電流源受控電流源“iB”和和c-e間間動態(tài)輸出電阻動態(tài)輸出電阻rce并聯(lián)組成。并聯(lián)組成。ceCEBCCCrviiii 若若rce= ，則三極管輸出特性曲線是怎么樣？，則三極管輸出特性曲線是怎么樣？浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ) 也可由網(wǎng)絡(luò)方程導(dǎo)出模型也可由網(wǎng)絡(luò)方程導(dǎo)出模型vBE=h11iB+h12vCEiC=h21iB+h22vCEh11是輸出端交流短路時的輸入電阻是輸出端交流短路時的輸入電阻bevBBErivhCE 011H參數(shù)模型參數(shù)模型浙

23、江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)h21是輸出端交流短路時的電流放大系數(shù)是輸出端交流短路時的電流放大系數(shù) 021CEvBCiihh22是輸入端交流開路時的輸出電導(dǎo)是輸入端交流開路時的輸出電導(dǎo)ceiCECrvihB1022 當(dāng)忽略當(dāng)忽略h12時，時，H參數(shù)模型與小信號模型是相同的參數(shù)模型與小信號模型是相同的。0012 BiCEBEvvh輸出電壓的變化對輸入端電輸出電壓的變化對輸入端電壓變化的影響很小，可忽略。壓變化的影響很小，可忽略。h12是輸入端交流開路時的電壓反饋系數(shù)是輸入端交流開路時的電壓反饋系數(shù)浙江大學(xué) 蔡忠法 集成電子技術(shù)基礎(chǔ)只適用于只適用于低頻低頻小信號下。小信號下。變化量變化量或或交流分量交流分量，不允許出現(xiàn)直流量或瞬時量，不允許出現(xiàn)直流量或瞬時量符號。符號。微變參數(shù)，微變參數(shù)，與與Q點(diǎn)有關(guān)點(diǎn)有關(guān)，不是固定常數(shù)。，不是固定常數(shù)。電流源電流源“iB” 方向和大小由方向和大小由iB