模擬電路基礎講稿第一章

1、模擬電路基礎 講 稿自動化工程學院譚峰 課程基本要求：授課學時：64 學分：4授課時間：周二78節(jié)；周五12節(jié)成績構(gòu)成：平時（20分）+期中（30分）+期末（50分） 作業(yè)：每周一次教 材： 華成英，童詩白，模擬電路基礎，高教出版社，第4版 吳援明，唐軍， 模擬電路分析與設計基礎，科學出版社，2006.8輔導材料： 吳援明，唐軍，曲健，模擬電路分析與設計基礎學習指導書，科學出版社，2007.8參考教材： 劉光祜,饒妮妮 ，模擬電路基礎，電子科技大學出版社，2003.1引入模擬電路與其它幾門課程的關系，突出該課程的基礎性和重要性模擬電路、數(shù)字電路的不同內(nèi)容模擬電路：處理和分析模擬信號的電路，關注

2、模擬信號的放大電路原理、結(jié)構(gòu)和分析方法。數(shù)字電路：處理和分析數(shù)字信號的電路，是模擬電路的后續(xù)課程。低頻模擬電路、高頻模擬電路、微波毫米波電路本課程屬于低頻模擬電路范疇，高頻模擬電路和微波毫米波電路是分析更高頻率的涉及模擬信號的相關電路。在高頻模擬電路和微波毫米波電路中要考慮電抗元件對電路的影響，而低頻模擬電路在分析時基本不設計電抗元件，即電路特性與頻率無關（除第5章）。本課程的主要內(nèi)容： 本課程是講解中低頻率下模擬放大電路的基本知識，是最基礎、應用最廣泛的電路。主要介紹BJT及FET放大電路的基本知識，以基本放大電路為基礎的差放、功放、恒流源電路及運放，還要重點介紹負反饋對放大電路的作用。 基

3、礎知識：半導體二極管、三極管（BJT、MOSFET）。應用電路：電流源電路、差動放大電路、功率放大電路、負反 饋電路，集成運放?；疽螅?掌握半導體晶體管（BJT和MOSFET）放大電路的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及基本分析方法，在此基礎上掌握基本放大電路的應用電路（恒流源電路、差動放大電路、功率放大電路和集成運放），熟悉放大電路的頻率特性及重要的電路結(jié)構(gòu)負反饋放大電路。能運用所學知識進行相關電路的分析、設計。常見的模擬電路器件如上圖，通過這些具體器件的介紹引入模擬電路及半導體材料知識。第一章 半導體材料及二極管概述 自然界中的物質(zhì)從其電結(jié)構(gòu)和導電性能上區(qū)分，可分為導體、絕緣體和半導體。導體具有良好

4、的導電性，絕緣體具有良好的絕緣性，而半導體的導電性能介于導體與絕緣體之間。半導體在不同情況下，導電能力會有很大差別，有時猶如導體，現(xiàn)代電子電路所用的器件絕大多數(shù)都是半導體器件。1.1 半導體材料及其特性 半導體材料類型： 族元素硅（Si）、鍺（Ge）；III-V族元素的化合物砷化嫁（GaAs）等。半導體材料的三大特性：溫度；光照；摻雜。在以上條件下導電能力顯著增強。一、 本征半導體本征半導體是純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體。晶格是在本征Si和Ge的單晶中，原子在空間形成排列整齊的空間點陣。 本節(jié)介紹以下四個方面的知識： 共價鍵結(jié)構(gòu)；本征激發(fā)；本征半導體中的兩種載流子；本征濃度。硅、鍺都有四個價電子

5、，故都是四價元素。其簡化圖如圖所示。 硅和鍺的四個價電子 本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)1.共價鍵結(jié)構(gòu) 當硅、鍺等半導體材料被制成單晶時，原子靠的非常緊密，價電子在受自身原子核的束縛的同時，還受受相鄰四個原子的影響，形成共價鍵結(jié)構(gòu)。2.本征激發(fā) 在絕對零度OK=-237時，本征半導體中沒有可移動帶電粒子，但半導體在外界（熱或光或其他）激發(fā)下，會產(chǎn)生自由電子空穴對，這一現(xiàn)象叫本征激發(fā)，如下圖所示。3.本征半導體中的兩種載流子 本征激發(fā) 電子和空穴的運動可以自由運動的帶電粒子稱為載流子。本征激發(fā)會產(chǎn)生自由電子和空穴兩種載流子。原子因失去一個價電子而帶正電，這個帶正電的“空位”叫空穴。 導體導電只有一種載流

6、子，即自由電子導電。半導體具有極性相反的兩種載流子自由電子和空穴 空穴導電：當有電場作用時，價電子定向填補空位，使空位作相反方向的移動，這與帶正電荷的粒子作定向運動的效果完全相同。為了區(qū)別于自由電子的運動，我們就把價電子的運動虛擬為空穴運動（方向相反），認為空穴是一種帶正電荷的載流子。4.本征濃度本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度載流子復合：自由電子與空穴在熱運動中相遇，使自由電子空穴對消失的現(xiàn)象。載流子的動態(tài)平衡：在一定溫度下，單位時間內(nèi)本征激發(fā)所產(chǎn)生地自由電子空穴對的數(shù)目與復合而消失的自由電子空穴對的數(shù)目相等，就達到了載流子的動態(tài)平衡狀態(tài)，使本征半導體中載流子的濃度一定。本征載流子的濃

7、度表示如下。 室溫下本征載流子濃度和原子密度如下表所示 本征載流子濃度 原子密度 Si 1.43×1010 cm-3 5.0×1022 cm-3Ge 2.38×1013 cm-3 4.4×1022 cm-3得出兩個結(jié)論：Ge的熱穩(wěn)定性比Si差（Ge的本征載流子濃度高，導電能力強）；本征半導體導電性能很差（載流子濃度很低）。 問題：如何提供半導體的導電能力？ 摻雜！二、雜質(zhì)半導體 摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。摻雜后可以大幅提高半導體的導電能力。雜質(zhì)半導體中兩種：N型半導體和P型半導體。1.N型半導體摻入少量的族元素（如磷、砷、銻等）后，形成的雜質(zhì)半導體

8、稱為N型半導體。多出一個價電子只能位于共價鍵之外，成為“自由電子”，使本征半導體中除了本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對之外，又多出一部分自由電子，使自由電子數(shù)量超過了空穴數(shù)量。雜質(zhì)原子稱為施主原子，帶正電，不能自由移動，不能參與導電。自由電子在N型半導體中成為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴在N型半導體中成為少數(shù)載流子（簡稱少子）。顯然，參與導電的主要是電子，故N型半導體又稱電子型半導體。2.P型半導體在本征半導體硅（或鍺）中摻入二價元素，如硼，就可構(gòu)成P型半導體。在這種半導體中，共價鍵結(jié)構(gòu)中多出一個空穴，很容易接受自由電子的填充，使空穴游離在晶格之間，使本征半導體中除了本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對之外，又多

9、出一部分空穴，使空穴數(shù)量超過了自由電子數(shù)量，我們說，空穴在P型半導體中成為多數(shù)載流子（簡稱多子），自由電子在P型半導體中成為少數(shù)載流子（簡稱少子）。顯然，參與導電的主要是空穴，故P型半導體又稱空穴型半導體。3.雜質(zhì)半導體的載流子濃度 在一定條件下，摻雜半導體的兩種載流子濃度與本征半導體本征濃度有如下關系。 其中，多子濃度與雜質(zhì)濃度近似相等，與溫度無關，而少子濃度是溫度的敏感函數(shù)。三、半導體中的電流 1.漂移電流在外電場作用下，半導體中的載流子受電場力作宏觀定向漂移運動形成的電流，稱為漂移電流。它類似于金屬導體內(nèi)的傳導電流。電子的漂移電流密度為 其中，n是電子的遷移率,表征電子在半導體中運動容易

10、度的參數(shù)?？昭橂妶龇较蜃鞫ㄏ蜻\動，形成空穴電流，空穴的漂移電流密度為 是空穴的遷移率。所以和的方向是一致的，均為空穴流動的方向。因此，半導體中的總的漂移電流為兩者之和，總的漂移電流密度為 其中 ，式中是半導體的電導率，與載流子濃度及遷移率有關。2.擴散電流因載流子濃度差而產(chǎn)生的載流子宏觀定向運動形成的電流叫擴散電流。半導體中某處的擴散電流主要取決于該處載流子的濃度差（即濃度梯度），而與該處的濃度值無關。即擴散電流與載流子在擴散方向上的濃度梯度成正比，濃度差越大，擴散電流也越大。 注意擴散電流和漂移電流的不同：漂移電流是由于外電場而產(chǎn)生的載流子的定向運動，而擴散電流與外電場無關，只與載流子的濃

11、度差有關。1.2 PN結(jié) 問題：半導體材料如何使用？半導體器件的基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)。一、 PN結(jié)的形成及特點1.PN結(jié)的形成 多子擴散：擴散的結(jié)果，在交界面附近，N區(qū)出現(xiàn)帶正電的離子，P區(qū)出現(xiàn)帶負電的離子，從而形成空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場，方向從N區(qū)指向P區(qū)如圖1.5所示。少子漂移: 少數(shù)載流子將在內(nèi)建電場的作用下產(chǎn)生運動。當擴散與漂移達到一個動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)也就達到了一個平衡狀態(tài)，這就形成了PN結(jié)。內(nèi)建電場的作用： 阻止多子擴散，促進少子漂流2.PN結(jié)的特點 內(nèi)建電場的表達式如下 內(nèi)建電位0的典型值（Si：0.7V Ge: 0.3V）空間電荷區(qū)的另外三個名稱：耗盡層、阻擋層和勢壘層，具體表征

12、了空間電荷區(qū)的不同特性。實際使用中大多數(shù)PN結(jié)都是不對稱PN結(jié)，P區(qū)和N區(qū)摻雜濃度不一樣。 思考：高摻雜和低摻雜PN結(jié)，其空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電場的大小有何區(qū)別？二、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?提出偏置的概念，強調(diào)偏置的重要性。PN結(jié)兩端外接直流電壓稱為偏置工作點1.正向偏置的PN若PN結(jié)外加直流電壓使P區(qū)電位高于N區(qū)電位，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置（簡稱正偏）。 PN結(jié)正偏時空間層和勢壘的變化及正向電流方向如圖所示。 正向偏置時減小了內(nèi)建電場的大小，正偏電流實質(zhì)是多子的擴散電流，因此電流較大。正偏PN結(jié)呈現(xiàn)低阻態(tài)，即正偏PN結(jié)是導通的2.反向偏置的PN 若外加直流電壓使P區(qū)電位低于N區(qū)電位，稱

13、PN結(jié)加反向電壓或反向偏置（簡稱反偏）。反向偏置時增大了內(nèi)建電場的大小，反偏電流實質(zhì)是少子的漂移電流，僅有很小的反向飽和電流。Is很?。⊿i：皮安量級；Ge：微安量級），通常可忽略，即反偏PN結(jié)是截至的。如圖所示。 PN結(jié)正偏 PN結(jié)反偏 PN結(jié)的重要特性：單向?qū)щ娞匦?，即正偏導通，反偏截止?.PN結(jié)的伏安特性 伏安特性方程如下v正偏電壓,為負值時即反偏。i從正極經(jīng)過PN結(jié)流向負極的電流，與v為關聯(lián)參考方向。伏安特性方程驗證了PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴：喗镻N結(jié)的伏安特性曲線，強調(diào)PN結(jié)單向?qū)щ娦栽诎雽w器件中的特殊作用。1.3 晶體二極管及其應用二極管的核心是一個PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。先介紹二

14、極管的不同分類，重點說明二極管的兩種不同結(jié)果類型：點接觸和面接觸型。 二極管的結(jié)構(gòu)和電路符 二極管的兩種結(jié)構(gòu)點接觸型：PN結(jié)面積小，工作電流小，PN結(jié)電容小，工作頻率高。面接觸型：PN結(jié)面積大，工作電流大，PN結(jié)電容大，工作頻率低。 一、晶體二極管的伏安特性二極管的伏安特性是指流過二極管中的電流 與其端電壓之的關系。和PN結(jié)的伏安特性一樣，簡要重復。1.正偏伏安特性二極管的正向電流隨正偏電壓的增大呈指數(shù)規(guī)律增加。 2.反偏伏安特性二極管反向電流不隨反向偏壓而變化，僅有很小的反向飽和電流Is。 二極管的伏安特性曲線如圖所示。提示兩個問題：二極管的正偏和反偏特性；二極管的導通電壓Von：0.7V（

15、Si），0.3V（Ge）。二極管為什么具有導通電壓？Si和Ge的導通電壓為什么不一樣？ 二極管伏安特性曲線 溫度對二極管伏安特性的影響3.反向擊穿特性當加在二極管上的反偏電壓超過某一數(shù)值VBR時，反偏電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿。導致二極管出現(xiàn)反向擊穿的原因有兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。（1）雪崩擊穿（碰撞電離） 低摻雜PN結(jié)中，擊穿電壓一般在6V以上。（2）齊納擊穿（場致激發(fā)） 高摻雜PN結(jié)中，擊穿電壓一般在6V以下。二極管的反向擊穿為電擊穿，過程可逆，不會損壞器件。而熱擊穿是器件上的耗散功率超過規(guī)定值而使器件損壞，過程不可逆。4.溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管正向特性

16、的影響 溫度對二極管反向特性的影響 解釋為什么？（用少子濃度隨溫度的變化來解釋）。5.Si二極管與Ge二極管的差別Si 二極管的開啟電壓約0.6-0.7V，典型值0.7V； Ge二極管的開啟電壓約0.2-0.3V，典型值0.3V 。Si二極管反向電流比Ge二極管反向電流小得多，Si 管是pA量級，Ge管是A量級。二、 二極管的直流電阻和交流電阻 怎么表示器件的特性？二極管的特性如何表示？（電阻）非線性器件：特征參數(shù)隨外加條件而變的器件靜態(tài)工作點Q：器件的直流電壓和直流電流 二極管的直流電阻 二極管的交流電阻1.直流電阻注意：二極管的直流電阻是變化的，隨ID增大而減小，這是非線性器件的特殊特性。

17、2.交流電阻 推導二極管交流電阻的表示式。注意交流電阻與直流電流也成反比關系。理解二極管的直流電阻和交流電阻的不同含義： 直流電阻：表征二極管的功率損耗，直流特性。交流電阻：表征二極管的微變電流與微變電壓的關系，交流特性。3. 二極管的其它主要參數(shù)最大平均整流電流IF最高反向工作電壓VR反向電流IR最高工作頻率fmax：由于器件的電容效應引起的單項導電能力下降。三、二極管模型含二極管電路的分析方法（非線性伏安關系）及特點：代數(shù)法：求解非線性方程組（計算復雜，必須借助計算機）幾何法：圖解法（粗糙，必須知道伏安關系曲線）模型法：近似線性法（方便，可以利用線性電路分析方法，根據(jù)伏安關系）1.二極管伏

18、安特性的分段線性近似模型低頻大信號模型如下圖所示。（a)理想開關模型 （b）恒壓源模型 （c）折線近似模型理想開關模型：適用于信號電壓遠大于管壓降，只具有“開”和“關”兩種狀態(tài)。正偏是導通，反偏時截至。主要應用：整流、開關電路。恒壓源模型：導通電壓不能忽略時采用，恒壓源只吸收功率。主要應用：限幅。折線近似模型：最準確的模型，采用不變的交流電阻等效電壓與電流的變化關系。例： 硅二極管與恒壓源E和限流電阻R構(gòu)成的直流電路如圖所示，求二極管工作點解：將二極管用恒壓源模型近似后來估算二極管工作點。 2.二極管的交流小信號模型分析含有交流小信號的電路時，采用疊加原理，將直流和交流性能分開分析。需要分別畫

19、出直流和交流等效電路。畫等效電路時，非線性器件用不同的模型等效。二極管的交流小信號模型是在工作點上的交流電阻，如右圖所示。交流電阻只反映交流電壓與交流電流的關系，不包括直流關系。例：若在上例電路中串聯(lián)一個正弦電壓源，圖（a）為其電路圖，估算此時二極管上交流電壓與電流成分的振幅值 和 。T300K）。（a）電路圖 （b）交流等效電路解：當未加正弦電壓源，即時，由上例可知，二極管的工作點，則可估算出該工作點處的交流電阻為 在靜態(tài)工作點附近，非線性電路近似為線性電路。交流電阻由工作點確定。 利用線性電路的疊加原理，可以畫出只反映交變電壓和交變電流之間關系的電路，稱之為交流等效電路，如圖 (b)所示，

20、由此交流通路可求出: 四、二極管應用電路1.整流電路 上圖是直流穩(wěn)壓電源方框圖，它有三個模塊：整流、濾波和穩(wěn)壓。整流是利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒔蛔冸妷鹤優(yōu)閱螛O性的直流脈動電壓。濾波是將直流脈動電壓中的高頻成分濾除。由于市電和輸出電阻的不穩(wěn)可能引起輸出電壓不穩(wěn)，因此還需要對電壓穩(wěn)壓。整流電路是利用二極管的開關特性實現(xiàn)整流的。（1） 半波整流電路原理：輸入為正半周時，D導通，有輸出電壓，輸入為負半周時，D截至，無輸出電壓。特點：負半周未利用，效率低；輸出直流電壓為 ，二極管上的最大反向電壓為。（2） 全波整流電路特點：正負半周都利用，效率高；輸出直流電壓為 ，二極管上的最大反向電壓為。（3） 橋

21、式整流電路特點：正負半周都利用，效率高；輸出直流電壓為 ，二極管上的最大反向電壓為。結(jié)論：橋式整流電路效率高，輸出直流電壓大，而且管上承受的最大反向電壓相對較低，因此應用最多。2. 限幅電路限幅電路是一種能限制電路輸出電壓幅值的電路，它是利用二極管的恒流源模型。 如右圖所示，雙向限幅電路工作原理是：輸入為正半周且大于0.7V時，D1導通，D2截至，輸出電壓為導通電壓0.7V；輸入為負半周且小-0.7V時，D2導通，D1截至，輸出電壓為導通電壓-0.7V；輸入再-0.70.7V之間時，D1、D2都截至，輸出等于輸入。如圖1.20所示。3. 開關電路利用二極管的單向?qū)щ娦阅?，相當于一個受外加電壓極

22、性控制的開關。分析方法如下：將二極管兩端斷開，求出其兩端的正向電壓；二極管承受正向電壓則導通，反之則截止；若電路中存在多只二極管，則正向電壓大的優(yōu)先導通。例：分析圖中兩個二極管的是導通還是截至？并判斷AO之間的電壓（假設二極管是理想的）解： 斷開D1、D2 VA112V；VA212-66V 因為VA1>VA2 所以D1先導通 此時，VAO0V 則 VA2-6V 所以，D2截至 五、穩(wěn)壓管及其應用 1.穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管伏安特性曲線及電路符號 上圖是穩(wěn)壓管伏安特性曲線及電路符號，由圖可見，穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)穩(wěn)定電壓 最小穩(wěn)定電流 最大穩(wěn)定電流 動態(tài)電阻 （越小

23、越好，一般為幾十歐姆）電壓溫度系數(shù) 3.穩(wěn)壓管電路 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓管電路原理 1）穩(wěn)壓原理 穩(wěn)壓管與負載電阻并聯(lián)連接，由于穩(wěn)壓管動態(tài)電阻極小，所以并聯(lián)總電阻很小（比限流電阻小的多），當輸入電壓微變時，微變電壓在并聯(lián)總電阻上分壓比在限流電阻上的小得多，即達到了穩(wěn)壓目的。2）穩(wěn)壓電路分析分析方法：斷開穩(wěn)壓管，求出穩(wěn)壓管兩端電壓。當兩端電壓大于穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓時，穩(wěn)壓管可穩(wěn)定電壓，反之，穩(wěn)壓管截至；若是正向電壓，穩(wěn)壓管導通。若有多個穩(wěn)壓管，穩(wěn)定電壓低者先穩(wěn)壓。例：Dz1和Dz2為穩(wěn)壓管，且具有理想特性，其穩(wěn)定電壓分別為13V和6V，求輸出電壓Vo。解：斷開Dz1和Dz2，則VDz1VDz215V

24、，兩個穩(wěn)壓管都可穩(wěn)壓。由于Dz2穩(wěn)定電壓低，Dz2先穩(wěn)壓，此時Vo6V，VDz112V。因為VDz1<VZ1，故VDz1截至， Vo6V。若VZ110V，則VDz1穩(wěn)壓， 此時Vo4V。3）限流電阻R的選取 由 并根據(jù)穩(wěn)壓管正常工作范圍：，可以求得：例：采用的Si穩(wěn)壓管2DW3的穩(wěn)壓電路如圖所示。如果輸入電壓的波動，試問輸出電壓的波動 穩(wěn)壓電路模型及增量等效模型解： 輸入電壓的變化量為：輸出電壓的變化量為：輸出電壓的相對變化量為：例：為汽車上的收音機設計一個穩(wěn)壓電源。要求該穩(wěn)壓電源為汽車收音機提供一個9V的電壓，穩(wěn)壓電源的輸入電壓來自汽車電瓶，電瓶電壓的變化范圍（1113.6）V，收音機

25、的電流介于0(關掉)100mA(最大音量)之間。解：當負載電流最大 ，輸出電壓最小時，流過穩(wěn)壓管的電流最小，則 當負載電流最小，輸入電壓最大時，流過穩(wěn)壓管的電流最大,則令上兩式相等，則:只含兩個未知量和，取穩(wěn)壓管的最小電流是最大電流的十分之一，即，則限流電阻為六、PN結(jié)電容效應及應用勢壘電容擴散電容變?nèi)荻O管簡要介紹二極管為什么有電容效應，電容效應對管子的影響主要體現(xiàn)在頻率增高時，二極管可能直接導通，不具有單向?qū)щ娦?。勢壘電容和擴散電容的物理意義，注意說明：勢壘電容：正偏和反偏時都存在，電容隨偏置增大而增大擴散電容：只在正偏時存在。 變?nèi)荻O管是在正向偏置時，利用電容隨偏置而變的特性制成的。第

26、二章 基本放大電路本章主要內(nèi)容 本章重點講述基本放大電路的組成原理和分析方法，分別由BJT和FET組成的三種組態(tài)基本放大電路的特點和應用場合。多級放大電路的耦合方式和分析方法。 首先介紹基本放大電路的組成原則。三極管的低頻小信號模型。固定偏置共射放大電路的圖解法和等效電路法靜態(tài)和動態(tài)分析，最大不失真輸出電壓和波形失真分析。分壓式偏置共射放大電路的分析以及穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法。共集和共基放大電路的分析，由BJT構(gòu)成的三種組態(tài)放大電路的特點和應用場合。然后介紹由FET構(gòu)成的共源、共漏和共柵放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析、特點和應用場合。最后介紹多級放大電路的兩種耦合方式、直接耦合多級放大電路的靜態(tài)偏置以

27、及多級放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析。通過習題課掌握放大電路的靜態(tài)偏置方法和性能指標的分析計算方法。 學時分配本章有七講，每講兩個學時。第五講 放大電路的主要性能指標及基本共射放大電路組成原理本講重點1、放大的本質(zhì)；2、放大電路工作原理及靜態(tài)工作點的作用；3、利用放大電路的組成原則判斷放大電路能否正常工作；本講難點1、放大電路靜態(tài)工作點的設置方法；2、利用放大電路的組成原則判斷放大電路能否正常工作；教學組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示放大電路的組成原理、信號傳輸過程和設置合適Q點的必要性等，便于學生理解和掌握。判斷放大電路能否正常工作舉例可以啟發(fā)討論。主要內(nèi)容1、放大的概念在電子電路中，放

28、大的對象是變化量，常用的測試信號是正弦波。放大電路放大的本質(zhì)是在輸入信號的作用下，通過有源元件（BJT或FET）對直流電源的能量進行控制和轉(zhuǎn)換，使負載從電源中獲得輸出信號的能量，比信號源向放大電路提供的能量大的多。因此，電子電路放大的基本特征是功率放大，表現(xiàn)為輸出電壓大于輸入電壓，輸出電流大于輸入電流，或者二者兼而有之。在放大電路中必須存在能夠控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。放大的前提是不失真，只有在不失真的情況下放大才有意義。2、電路的主要性能指標1） 輸入電阻：從輸入端看進去的等效電阻，反映放大電路從信號源索取電流的大小。2） 輸出電阻：從輸出端看進去的等效輸出信號源的內(nèi)阻

29、，說明放大電路帶負載的能力。3） 放大倍數(shù)（或增益）：輸出變化量幅值與輸入變化量幅值之比。或二者的正弦交流值之比，用以衡量電路的放大能力。根據(jù)放大電路輸入量和輸出量為電壓或電流的不同，有四種不同的放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)、互阻放大倍數(shù)和互導放大倍數(shù)。 電壓放大倍數(shù)定義為： 電流放大倍數(shù)定義為： 互阻放大倍數(shù)定義為： 互導放大倍數(shù)定義為：注意：放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻通常都是在正弦信號下的交流參數(shù)，只有在放大電路處于放大狀態(tài)且輸出不失真的條件下才有意義。4）最大不失真輸出電壓：未產(chǎn)生截止失真和飽和失真時，最大輸出信號的正弦有效值或峰值。一般用有效值UOM表示；也可以用峰峰值UOP

30、P表示。5）上限頻率、下限頻率和通頻帶：由于放大電路中存在電感、電容及半導體器件結(jié)電容，在輸入信號頻率較低或較高時，放大倍數(shù)的幅值會下降并產(chǎn)生相移。一般，放大電路只適合于放大某一特定頻率范圍內(nèi)的信號。如P75圖2.1.4所示。上限頻率fH（或稱為上限截止頻率）：在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值等于中頻段的0.707倍時的頻率值即為上限頻率。下限頻率fL（或稱為下限截止頻率）：在信號頻率上升到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值等于中頻段的0.707倍時的頻率值即為上限頻率。通頻帶fBW：fBW = fH - fL 通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的適應能力越強。6）最大輸出功率POM與效

31、率：POM是在輸出信號基本不失真的情況下，負載能夠從放大電路獲得的最大功率，是負載從直流電源獲得的信號功率。此時，輸出電壓達到最大不失真輸出電壓。為直流電源能量的利用率。 式中為電源消耗的功率 7）非線性失真系數(shù)D：在某一正弦信號輸入下，輸出波形因放大器件的非線性特性而產(chǎn)生失真，其諧波分量的總有效值與基波分量之比。即 ，式中：為基波幅值，、為各次諧波幅值；3、兩種常見的共射放大電路組成及各部分作用1）直接耦合共射放大電路：信號源與放大電路、放大電路與負載之間均直接相連。適合于放大直流信號和變化緩慢的交流信號。2）阻容耦合共射放大電路：信號源與放大電路、放大電路與負載之間均通過耦合電容相連。不能

32、放大直流信號和變化緩慢的交流信號；只能放大某一頻段范圍的信號。如P72圖2.7所示。3）放大電路中元件及作用（1）三極管T 起放大作用。（2）集電極負載電阻RC 將變化的集電極電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 （3）偏置電路VCC，Rb使三極管工作在放大區(qū)，VCC還為輸出提供能量。（4）耦合電容C1，C2輸入電容C1保證信號加到發(fā)射結(jié)，不影響發(fā)射結(jié)偏置。輸出電容C2保證信號輸送到負載，不影響集電結(jié)偏置。4、靜態(tài)工作點設置的必要性對放大電路的基本要求一是不失真，二是能放大。只有保證在交流信號的整個周期內(nèi)三極管均處于放大狀態(tài)，輸出信號才不會產(chǎn)生失真。故需要設置合適的靜態(tài)工作點。Q點不僅電路是否會產(chǎn)生失真，而且

33、影響放大電路幾乎所有的動態(tài)參數(shù)。5、基本共射放大電路的工作原理及波形分析對于基本放大電路，只有設置合適的靜態(tài)工作點，使交流信號馱載在直流分量之上，以保證晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)始終工作在放大狀態(tài)，輸出電壓波形才不會產(chǎn)生非線性失真。波形分析見P74圖2.8所示。 基本共射放大電路的電壓放大作用是利用晶體管的電流放大作用，并依靠將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化來實現(xiàn)的。6、放大電路的組成原則1）為了使BJT工作于放大區(qū)、FET工作于恒流區(qū),必須給放大電路設置合適的靜態(tài)工作點，以保證放大電路不失真。2）在輸入回路加入ui應能引起uBE的變化,從而引起iB和iC的變化。3）輸出回路的接法應當使iC盡可

34、能多地流到負載RL中去,或者說應將集電極電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化送到輸出端。 第六講 放大電路的基本分析方法本講重點1、基本放大電路靜態(tài)工作點的估算； 2、BJT的h參數(shù)等效模型及放大電路輸入電阻、輸出電阻與電壓放大倍數(shù)的計算；本講難點1、 放大電路的微變等效電路的畫法；2、放大電路輸入電阻、輸出電阻與電壓放大倍數(shù)的計算；教學組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示圖解法求Q點、及分析非線形失真；用直流通路估算Q點；BJT的h參數(shù)模型建立、微變等效電路的畫法及動態(tài)參數(shù)計算等，便于學生理解和掌握。主要內(nèi)容1、直流通路、交流通路及其畫法（1）直流通路：在直流電源的作用下，直流電流流經(jīng)的通路，用

35、于求解靜態(tài)工作點Q的值。（2）直流通路的畫法：電容視為開路、電感視為短路；信號源視為短路，但應保留內(nèi)阻。（3）交流通路：在輸入信號作用下，交流信號流經(jīng)的通路，用于研究和求解動態(tài)參數(shù)。（4）交流通路的畫法：耦合電容視為短路；無內(nèi)阻直流電源視為短路；2、放大電路的靜態(tài)分析和動態(tài)分析（1）靜態(tài)分析：就是求解靜態(tài)工作點Q，在輸入信號為零時，BJT或FET各電極間的電流和電壓就是Q點。可用估算法或圖解法求解。（2）動態(tài)分析就是求解各動態(tài)參數(shù)和分析輸出波形。通常，利用三極管h參數(shù)等效模型畫出放大電路在小信號作用下的微變等效電路，并進而計算輸入電阻、輸出電阻與電壓放大倍數(shù)?；蚶脠D解法確定最大不失真輸出電壓

36、的幅值、分析非線性失真等情況。放大電路的分析應遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”。的原則，只有靜態(tài)工作點合適，動態(tài)分析才有意義；Q點不但影響電路輸出信號是否失真，而且與動態(tài)參數(shù)密切相關。3、圖解法確定Q點和最大不失真輸出電壓 （1）用圖解法確定Q點的步驟：已知晶體管的輸出特性曲線族由直流通路求得IBQ 列直流通路的輸出回路電壓方程得直流負載線在輸出特性曲線平面上作出直流負載線由IBQ所確定的輸出特性曲線與直流負載線的交點即為Q點。（2）輸出波形的非線性失真非線性失真包括飽和失真和截止失真。飽和失真是由于放大電路中三極管工作在飽和區(qū)而引起的非線性失真。截止失真是由于放大電路中三極管工作在截止區(qū)而引起的非線性

37、失真。放大電路要想獲得大的不失真輸出，需要滿足兩個條件：一是Q點要設置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位；二是要有合適的交流負載線。（3）直流負載線和交流負載線 由放大電路輸出回路電壓方程所確定的直線稱為負載線。由直流通路確定的負載線為直流負載線；由交流通路確定的負載線為交流負載線，可通過Q、B兩點作出。對于放大電路與負載直接耦合的情況，直流負載線與交流負載線是同一條直線；而對于阻容耦合放大電路，只有在空載情況下，兩條直線才合二為一。（4）最大不失真輸出電壓有效值 式中：說明：當放大電路帶上負載后，在輸入信號不變的情況下，輸出信號的幅度變小。舉例：如P83例2.2圖2.17所示，放大電路靜態(tài)工作點

38、和動態(tài)范圍的確定。4、等效電路法求解靜態(tài)工作點即利用直流通路估算靜態(tài)工作點、和。其中硅管的；鍺管的，無須求解；其余三個參數(shù)的求解方法為：（1）列放大電路輸入回路電壓方程可求得；（2）根據(jù)放大區(qū)三極管電流方程可求得；（3）列放大電路輸出回路電壓方程可求得；5、5、BJT的h參數(shù)等效模型（1）BJT等效模型的建立：三極管可以用一個二端口模型來代替；對于低頻模型可以不考慮結(jié)電容的影響；小信號意味著三極管近似在線性條件下工作，微變也具有線性同樣的含義。（2）BJT的h參數(shù)方程及等效模型 或簡化為： BJT的h參數(shù)等效模型如P31圖1.31所示。（3）h參數(shù)的物理意義1即rbe：三極管的交流輸入電阻，對

39、于小功率三極管可用近似公式計算如下：2電壓反饋系數(shù)：反映三極管內(nèi)部的電壓反饋，因數(shù)值很小，一般可以忽略。3：在小信號作用時，表示晶體管在Q點附近的的電流放大系數(shù)b 。4：三極管輸出電導，反映輸出特性上翹的程度。常稱1/為c-e間動態(tài)電阻。通常的值小于10-5S，當其與電流源并聯(lián)時，因分流極小，可作開路處理。注意：h參數(shù)都是小信號參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。h參數(shù)與工作點有關，在放大區(qū)基本不變。h參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對交流小信號的分析6、等效電路法求解放大電路的動態(tài)參數(shù)將BJT的h參數(shù)等效模型代入放大電路的交流通路，即為放大電路的微變等效電路。放大電路的動態(tài)分析就是利用放大電路的微變等效

40、電路計算輸入電阻、輸出電阻與電壓放大倍數(shù)。舉例：如P86例2.3圖2.20所示放大電路靜態(tài)工作點的求解和性能指標計算。第七講 放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定本講重點1、放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理和常用方法；2、 分壓式偏置電路Q的估算； 3、 分壓式偏置電路動態(tài)性能指標的計算；本講難點1、穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理和措施；2、分壓式偏置電路微變等效電路畫法及動態(tài)性能指標的計算；教學組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理和常用方法、分壓式偏置電路Q的估算、動態(tài)性能指標的計算等，便于學生理解和掌握。主要內(nèi)容1、靜態(tài)工作點穩(wěn)定的必要性 靜態(tài)工作點不但決定了電路是否產(chǎn)生失真，而且還影響著

41、電壓放大倍數(shù)和輸入電阻等動態(tài)參數(shù)。實際上，電源電壓的波動、元件老化以及因溫度變化所引起的晶體管參數(shù)變化，都會造成靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定，從而使動態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定，有時甚至造成電路無法正常工作。在引起Q點不穩(wěn)定的諸多因素中，溫度對晶體管的影響是最主要的。2、溫度變化對靜態(tài)工作點產(chǎn)生的影響溫度變化對靜態(tài)工作點的影響主要表現(xiàn)為，溫度變化影響晶體管的三個主要參數(shù)：、和。這三者隨溫度升高產(chǎn)生變化，其結(jié)果都使值增大。硅管的小，受溫度影響小，故其和受溫度影響是主要的；鍺管的大，受溫度影響是主要的。3、穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原則和措施為了保證輸出信號不失真，對放大電路必須設置合適的靜態(tài)工作點，并保證工作點的穩(wěn)定。（1）采用

42、不同偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原則是：當溫度升高使增大時，要自動減小以牽制的增大。（2）穩(wěn)定靜態(tài)工作點可以歸納為三種方法：P89圖2.21所示。（1）溫度補償；（2）直流負反饋；（3）集成電路中采用恒流源偏置技術(shù)；4、典型靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路分壓式偏置電路的分析 1）Q點穩(wěn)定原理分壓偏置電路如P90圖2.22所示。穩(wěn)定靜態(tài)工作點的條件為：I1IB和VBUBE；此時， ，即當溫度變化時，基本不變。T（）（）（因為基本不變） 靜態(tài)工作點的穩(wěn)定過程為： 當溫度降低時，各物理量向相反方向變化。這種將輸出量（）通過一定的方式（利用將的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化）引回到輸入回路來影響輸入量的措施稱為反饋。可見，在Q

43、點穩(wěn)定過程中，作為負反饋電阻起著重要的作用。典型靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路利用直流負反饋來穩(wěn)定Q點。2）分壓式偏置電路的靜態(tài)分析分壓式偏置電路的靜態(tài)分析有兩種方法：一是戴維南等效電路法；二是估算法，這種方法的使用條件為I1IBE，或者。 3）分壓式偏置電路的動態(tài)分析 動態(tài)分析時，射極旁路電容應看成短路。畫放大電路的微變等效電路時，要特別注意射極電阻有無被射極旁路電容旁路，正確畫出“交流地”的位置，根據(jù)實際電路進行計算即可。第八講 共集放大電路和共基放大電路本講重點1、共集和共基放大電路的性能指標計算；2、三種接法放大電路的特點及應用場合；本講難點1、共集和共基放大電路微變等效電路的畫法；2、共集和共基

44、放大電路微變等效電路的輸入、輸出電阻計算；教學組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示三種接法電路的構(gòu)成方法，便于學生理解和掌握。啟發(fā)討論三種不同接法電路各自特點及應用場合。主要內(nèi)容1、三極管放大電路的基本接法三極管放大電路的基本接法亦稱為基本組態(tài)，有共射（包括工作點穩(wěn)定電路）、共基和共集三種。共射放大電路以發(fā)射極為公共端，通過iB 對ic的控制作用實現(xiàn)功率放大。共集放大電路以集電極為公共端，通過iB對iE的控制作用實現(xiàn)功率放大。共基放大電路以基極為公共端，通過iE對iB的控制作用實現(xiàn)功率放大。2、共集放大電路的組成及靜態(tài)和動態(tài)分析1） 共集放大電路的組成共集放大電路亦稱為射極輸出器如P92

45、圖2.23（a）所示，為了保證晶體管工作在放大區(qū)，在晶體管的輸入回路，、與VCC共同確定合適的靜態(tài)基極電流；晶體管輸出回路中，電源 VCC，提供集電極電流和輸出電流，并與配合提供合適的管壓降UCE 。 2）共集放大電路的靜態(tài)分析與共射電路靜態(tài)分析方法基本相同。（1）列放大電路輸入方程可求得；（2）根據(jù)放大區(qū)三極管電流方程可求得；（3）列放大電路輸出方程可求得； 3）共集放大電路的動態(tài)分析共集放大電路的動態(tài)分析方法與共射電路基本相同，只是由于共集放大電路的“交流地”是集電極，一般習慣將“地”畫在下方，所以微變等效電路的畫法略有不同，如P92圖2.23（d）所示。 3、共基放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析

46、1）共基放大電路的靜態(tài)分析與共射電路靜態(tài)分析方法基本相同。（1）列放大電路輸入回路電壓方程可求得；（2）根據(jù)放大區(qū)三極管電流方程 可求得；（3）列放大電路輸出回路電壓方程可求得； 2）共基放大電路的動態(tài)分析共基放大電路的動態(tài)分析方法與共射電路基本相同，只是由于共基放大電路的“交流地”是基極，一般習慣將“地”畫在下方，所以微變等效電路的畫法略有不同。如P94圖2.24所示。4、三種接法的比較共射放大電路既有電壓放大作用又有電流放大作用，輸入電阻居三種電路之中，輸出電阻較大，適用于一般放大。共集放大電路只有電流放大作用而沒有電壓放大作用，因其輸入電阻高而常做為多級放大電路的輸入級，因其輸出電阻低而

47、常做為多級放大電路的輸出級，因其放大倍數(shù)接近于1而用于信號的跟隨。共基放大電路只有電壓放大作用而沒有電流放大作用，輸入電阻小，高頻特性好，適用于寬頻帶放大電路。 第九講 場效應管放大電路本講重點1、場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置方法；2、場效應管放大電路小信號模型分析法；3、場效應管放大電路的特點本講難點1、場效應管放大電路靜態(tài)工作點的設置方法；2、場效應管放大電路小信號模型分析法；教學組織過程 本講以教師講授為主。用多媒體演示FET放大電路Q點設置方法、小信號模型及其分析方法等，便于學生理解和掌握。啟發(fā)討論FET與BJT三種不同接法電路特性及應用對比。主要內(nèi)容1、場效應管放大電路的三種接法

48、場效應管的三個電極源極、柵極和漏極與晶體管的三個電極發(fā)射極、基極和集電極相對應，因此在組成電路時也有三種接法：共源放大電路、共柵放大電路和共漏放大電路。2、FET放大電路的直流偏置FET是電壓控制器件，因此放大電路要求建立合適的偏置電壓，而不要求偏置電流。FET有JFET、MOSFET，N溝、P溝，增強型、耗盡型之分。它們各自的結(jié)構(gòu)不同，伏安特性有差異，因此在放大電路中對偏置電路有不同要求。JFET必須反極性偏置，即UGS與UDS極性相反；增強型MOSFET的UGS與UDS必須同極性偏置；耗盡型MOSFET的UGS可正偏、零偏或反偏。因此，JFET和耗盡型MOSFET通常采用自給偏壓和分壓式偏

49、置電路，而增強型MOSFET通常采用分壓式偏置電路。3、FET放大電路的靜態(tài)分析考慮FET管子的輸入電阻很高，F(xiàn)ET的柵極幾乎不取用電流，可以認為IGQ =0。對FET放大電路進行靜態(tài)分析有兩種方法：圖解法和估算法。靜態(tài)分析時只須計算三個參數(shù)：UGSQ、IDQ和UDSQ即可，下面分別舉例說明。1）自給偏壓放大電路共源自給偏置放大電路及其直流通路如圖2.25所示UGS=VGVSISRs<0 可見依靠JFET自身的源極電流IS所產(chǎn)生的電壓降ISRs，使得柵-源極間獲得了負偏置電壓。（1）估算法靜態(tài)分析列輸入回路電壓方程： JFET（或耗盡型FET）的電流方程： 聯(lián)解上述兩式并舍去不合理的一組

50、解，可求得和。列輸出回路電壓方程求得 （2）圖解法靜態(tài)分析列輸出直流負載線方程：UDS=VDDID(Rd+Rs) 在JFET的輸出特性曲線上作出直流負載線，與晶體管類似，直流負載線與橫軸交點為VDD，縱軸交點為，斜率為。根據(jù)負載線與UGS為不同值的各條輸出特性曲線的交點為坐標，可在iD uGS坐標平面上作出iD=f (uGS)曲線，（動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線）列輸入直流負載線方程：UGS=IDRs 在轉(zhuǎn)移特性曲線平面上，作出輸入回路的直流負載線，它通過原點，斜率為。顯然，靜態(tài)的UGS與IS既要滿足動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線所確定的約束關系，又要滿足輸入回路直流負載線所確定的約束關系，因此靜態(tài)工作點位于兩條線的交

51、點Q。在圖2.26（a）和（b）圖上讀出Q點的值（UGSQ、IDQ和UDSQ）。2）增強型FET分壓式偏置電路增強型FET分壓式偏置電路如圖2.27所示。該電路利用電阻對電源VDD進行分壓，從而給柵極提供固定的偏置電壓： 源極對地的電壓和自偏置時一樣： VS=ISRs 因此柵源極間偏置電壓由上述兩部分所構(gòu)成 （1）估算法由直流通路輸入回路電壓方程： 和 得： 增強型FET的電流方程： 聯(lián)解上述兩式并舍去不合理的一組解，可求得和。列輸出回路電壓方程求得 （2）圖解法 作出動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線； 作出輸入回路的直流負載線，它與橫越軸交于，縱軸交于，斜率為。顯然，動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線與負載線的交點Q即為該電

52、路的靜態(tài)工作點。 4、FET低頻小信號等效模型將FET看成一個二端口網(wǎng)絡，柵極與源極之間為輸入端口，漏極與源極之間為輸出端口。與雙極型三極管相比，輸入電阻無窮大，相當于開路。VCCS的電流源s還并聯(lián)了一個輸出電阻rds，在雙極型三極管的簡化模型中，因輸出電阻很大可視為開路，在此可暫時保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。MOS管小信號工作時的電壓方程為： 式中，為那條轉(zhuǎn)移特性曲線上Q點處的導數(shù)，即以Q點為切點的切線的斜率。是輸出回路電流與輸入回路電壓之比，故稱為跨導，其量綱為電導?？赏ㄟ^對MOS管電流方程求導，得出的表達式。MOS管低頻小信號模型如P48圖1.51所示。5、共源、共漏和共柵放大電路的動態(tài)分析將FET的小信號等效模型代入放大電路的交流通路中畫出微變等效電路，與BJT相比，F(xiàn)ET輸入電阻無窮大，相當開路。VCCS的電流源s還并聯(lián)了一個輸出電阻rds，在BJT的簡化模型中，因輸出電阻很大視為開路，在此可暫時保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況基本一致。6、場效應管放大電路的特點FET放大電路與BJT放大電路相比，最突出的優(yōu)點是可以組成高輸入電阻的放大電路，此外，由于它還有噪聲低、溫度穩(wěn)定性