《西電模電-第5章雙極型晶體管及其放大電路》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《西電模電-第5章雙極型晶體管及其放大電路（137頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、5.1 放 大 器 的 組 成 原 理 及 直 流 偏 置 電 路5.2 放 大 器 圖 解 分 析 法5.3 放 大 器 的 交 流 等 效 電 路 分 析 法5.4 共 集 電 極 放 大 器 和 共 基 極 放 大 器5.5 場 效 應 管 放 大 器5.6 放 大 器 的 級 聯(lián) 第 5章 基 本 放 大 電 路 5.1 放 大 器 的 組 成 原 理 及 直 流 偏 置 電 路 一 . 基 本 放 大 器 的 組 成 原 則 二 . 放 大 器 的 直 流 通 路 和 交 流 通 路 三 . 放 大 器 直 流 偏 置 電 路 晶 體 管 的 一 個 基 本 應 用 就 是 構 成

2、放 大 器 。 晶 體 管 放 大器 涉 及 的 問 題 很 多 ， 這 些 問 題 將 在 后 續(xù) 章 節(jié) 中 逐 一 討 論 。本 節(jié) 主 要 討 論 ： 5.1.1 基 本 放 大 器 的 組 成 原 則 基 本 放 大 器 通 常 是 指 由 一 個 晶 體 管 構 成 的 單 級 放 大 器 。 根 據(jù) 輸 入 、 輸 出 回 路 公 共 端 所 接 的 電 極 不 同 ， 實 際 有 共發(fā) 射 極 、 共 集 電 極 和 共 基 極 三 種 基 本 (組 態(tài) )放 大 器 。 下 面 以 最 常 用 的 共 發(fā) 射 極 電 路 為 例 來 說 明 放 大 器 的 一 般組 成 原

3、理 。 RB是 基 極 偏 置 電 阻 ；RC為 集 電 極 負 載 電 阻 ；RL是 外 接 負 載 電 阻 。 Us是 內 阻 為 Rs的 正 弦 電 壓 源 ，為 放 大 器 提 供 輸 入 信 號 Ui。 電 容 C1、 C2稱 為 耦 合 電 容 ， 其 作 用 是 隔 直 流 通 交 流 。 按 這種 方 式 連 接 的 放 大 器 ， 通 常 稱 為 阻 容 耦 合 放 大 器 。 電 容 C 1、 C2的 取 值 通 常 為 微 法 級 的 大 電 容 。 如 C1=10F，當 輸 入 頻 率 高 于 1000Hz時 ， 其 容 抗 61 1 162 1000 10 10CX

4、C 通 過 上 述 實 例 可 以 看 出 ， 用 晶 體 管 組 成 放 大 器 時 應 該遵 循 如 下 原 則 ： 圖 216共 射 極 放 大 電 路( 1)BE BET Tu uU UE S Si i I e I e (2). 輸 入 信 號 必 須 加 在 基 極 發(fā) 射 極 回 路 。 由 于 正 偏 的 發(fā) 射 結 其 iE(i )與 uBE的 關 系 仍 滿 足 (1). 必 須 將 晶 體 管 偏 置 在 放 大 狀 態(tài) ， 并 且 要 設 置 合 適的 工 作 點 。 為 減 小 直 流 功 耗 ， 在 保 證 不 截 止 的 的 條 件 下 ，工 作 點 應 設 置 在

5、 ICQ較 小 處 。 因 此 ， 只 有 將 輸 入 信 號 加 到 基 極 發(fā) 射 極 回 路 ， 使 其uBE=UBEQ+ui， 才 能 對 i 進 行 有 效 地 控 制 ， 實 現(xiàn) 放 大 。 具 體 連 接 時 ， 若 射 極 作 為 公 共 支 路 (端 )， 則 信 號 加 到 基極 ； 反 之 ， 信 號 則 加 到 射 極 。 可 見 ， 放 大器 是 一 種 直流 和 交 流 混合 的 電 路 (3). 必 須 設 置 合 理 的 信 號 通 路 。 當 信 號 源 及 負 載 與 放 大 器 相 接 時 ， 一 方 面 不 能 破 壞 已 設 定好 的 直 流 工 作

6、點 ， 另 一 方 面 應 盡 可 能 減 小 信 號 通 路 中 的 損 耗 。 實 際 中 ， 若 輸 入 信 號 的 頻 率 較 高 (幾 百 赫 茲 以 上 )， 采 用 阻容 耦 合 則 是 最 佳 的 連 接 方 式 。 5.1.2 直 流 通 路 和 交 流 通 路 一 個 放 大 器 既 有 直 流 偏 置 ， 又 有 交 流 輸 入 信 號 。 因此 ， 其 分 析 的 內 容 無 外 乎 兩 個 方 面 ： 一 是 直 流 (靜 態(tài) )工 作 點 分 析 ， 即 在 沒 有 信 號 輸 入 時 ，估 算 晶 體 管 的 ICQ和 UCEQ。 二 是 交 流 (動 態(tài) )性

7、能 分 析 ， 即 在 輸 入 信 號 作 用 下 ，確 定 晶 體 管 在 工 作 點 處 各 極 電 流 和 極 間 電 壓 的 變 化 量 ，進 而 計 算 放 大 器 的 各 項 交 流 指 標 。 對 于 阻 容 耦 合 放 大 器 ， 由 于 電 路 中 存 在 電 抗 元 件 ，所 以 直 流 通 路 和 交 流 通 路 是 各 不 相 同 的 。 為 了 分 別 進 行分 析 ， 必 須 首 先 確 定 出 直 流 和 交 流 通 路 。 確 定 直 流 通 路 和 交 流 通 路 的 方 法 是 ： 直 流 通 路 ： 將 原 放 大 電 路 中 的 電 容 開 路 ， 電感

8、 短 路 ， 直 流 電 源 保 留 ， 得 直 流 通 路 。 交 流 通 路 ： 將 原 放 大 電 路 中 的 耦 合 （ 旁 路 ）大 電 容 短 路 （ 相 對 輸 入 信 號 頻 率 的 小 電 容 保留 ） ;直 流 電 源 對 地 短 路 ， 得 交 流 通 路 。 C1， C2開 路直 流 通 路 交 流 通 路C1， C2短 路UCC對 地 短 路 旁 路 電 容C1， C2， CE開 路 C1， C2， C E 短 路 UCC對 地 短 路直 流 通 路 交 流 通 路 5.1.3 放 大 狀 態(tài) 下 的 偏 置 電 路 晶 體 管 在 放 大 應 用 時 ， 要 求 外

9、 電 路 將 晶 體 管 偏 置 在 放大 區(qū) ， 而 且 在 輸 入 信 號 的 變 化 范 圍 內 ， 管 子 始 終 工 作 在 放大 狀 態(tài) 。 對 偏 置 電 路 的 要 求 是 ： .偏 置 下 的 靜 態(tài) 工 作 點 在 環(huán) 境 溫 度 變 化 或 更 換 管 子 時應 力 求 穩(wěn) 定 ， 即 保 持 ICQ和 UCEQ穩(wěn) 定 ； .電 路 形 式 要 簡 單 。 例 如 采 用 一 路 電 源 ， 盡 可 能 少 用電 阻 等 ； .對 信 號 的 傳 輸 損 耗 應 盡 可 能 小 。 如 信 號 通 道 中 的 分壓 、 分 流 損 耗 要 小 。 此 外 ， 對 直 流

10、能 量 的 損 耗 也 要 小 。下 面 將 介 紹 幾 種 常 用 的 偏 置 電 路 。 0.7CCBQ BUI R 一 、 固 定 偏 流 電 路 最 簡 單 的 偏 置 電 路 如 圖 所 示 。 由 圖 可 知 ， UCC通 過 RB使 e結 正 偏 ， 則 基 極 偏 流 為 只 要 合 理 選 擇 RC的 阻 值 ，晶 體 管 將 處 于 放 大 狀 態(tài) 。此 時 CQ BQCEQ CC CQ CI IU U I R 這 種 偏 置 電 路 主 要 缺 點 是 工 作 點 的 穩(wěn) 定 性 差 。 由 計 算 式 可 知 ， 當 溫 度 變 化 或 更 換 管 子 引 起 ， IC

11、BO改變 時 ， 由 于 外 電 路 將 IBQ基 本 固 定 ， 所 以 管 子 參 數(shù) 的 改 變 都將 集 中 反 映 到 ICQ， UCEQ的 變 化 上 。 結 果 會 造 成 工 作 點 較大 的 漂 移 ， 甚 至 使 管 子 進 入 飽 和 或 截 止 狀 態(tài) 。 0.7CCBQ BUI RCQ BQCEQ CC CQ CI IU U I R + ICEO ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ) ICQIEQ UEQ(=IEQRE) 二 、 電 流 負 反 饋 型 偏 置 電 路 使 工 作 點 穩(wěn) 定 的 基 本 原 理 ， 是 在 電 路 中 引 入 自 動 調

12、節(jié)機 制 ， 用 IB的 相 反 變 化 去 自 動 抑 制 IC的 變 化 ， 從 而 使 ICQ穩(wěn)定 。 這 種 機 制 通 常 稱 為 負 反 饋 。 實 現(xiàn) 方 法 是 在 管 子 的 發(fā) 射極 串 接 電 阻 RE， 如 圖 所 示 。 其 原 理 是 ： 不 管 何 種 原 因 ， 如 果 使 ICQ有 增 大 趨 向 時 ， 電 路 會 產 生 如 下 自 我 調 節(jié) 過 程 ： 顯 然 ， RE的 阻 值 越 大 ， 調 節(jié) 作 用 越 強 ， 則 工 作 點越 穩(wěn) 定 。 但 RE過 大 時 ， 因 UCEQ過 小 會 使 Q點 靠 向 飽 和 區(qū) 。因 此 ， 要 二 者

13、兼 顧 ， 合 理 選 擇 RE的 阻 值 。 0.7(1 ) ( )CCBQ B ECQ BQCEQ CC CQ C EUI R RI IU U I R R 從 而 可 得 工 作 點 的 計 算 式 ：由 電 路 知 (1 )CC B BQ BQ EU R I I R 三 、 分 壓 式 偏 置 電 路 分 壓 式 偏 置 電 路 如 圖 示 ， 通 過 增 加 一 個 電 阻 RB2， 可 將基 極 電 位 UB固 定 。 這 樣 由 ICQ引 起 的 UE變 化 就 是 UBE的 變 化 ，因 而 增 強 了 UBE對 ICQ的 調 節(jié) 作 用 ， 有 利 于 Q點 的 近 一 步 穩(wěn)

14、定 。 CCB UU )3151(兼 顧 RE和 UCEQ而 取這 是 確 定 RB1、 RB2和 RE的 基 本 依 據(jù)(510) (10 20) (BQBQII 硅 管 )鍺 管 )1I通 常 選 取 IBQ 從 分 析 的 角 度 看 ， 在 電 路 的 基 極 端 用 戴 維 南 定 理 等 效 ：0.7 (1 )( )BBBQ B ECQ BQ EQCEQ CC CQ C EUI R RI I IU U I R R 此 時其 中 RB=RB1RB2， UBB=UCCRB2/(RB1+RB2)。 如 果 RB1、 RB2取 值 不 大 ， 滿 足 I1IBQ， 則 估 算工 作 點 時

15、 ， 可 按 下 式 近 似 求 出 ：2 2 21 20.7( )B B BR BB CCB BRCQ EQ ECEQ CC CQ C ERU U UR RUI I RU U I R R 這 是 實 際 中 估 算 該 電 路 靜 態(tài) 工 作 點 常 用 的 公 式 。 【 例 】 圖 示 電 路 中 。 已 知 =100， UCC=12V， RB1=39k， RB2=25k， RC=RE=2k。 試 計 算 工 作 點 ICQ和 UCEQ。 1 221 2 ( )39 25 1525 12 4.739 254.7 0.7 0.019(1 ) 15 101 2100 0.019 1.9( )

16、 12 1.9 (2 2) 4.4B B BBBB CCB BBB BE onBQ B ECQ BQ CEQ CC CQ C E R R R kRU U VR RU UI mAR RI I mAU U I R R V 解 若 按 估 算 法 直 接 求 ICQ， 可 得 ( ) 4.7 0.7 22( ) 12 2 (2 2) 4BB BE onCQ ECEQ CC CQ C EU UI mARU U I R R V 2 21 225 12 4.739 25B BR CCB BRU UR R V 顯 然 兩 者 誤 差 很 小 。 因 此 ， 在 今 后 分 析 中 可 按 估算 法 來 求

17、工 作 點 。 1.9 4.4CQ CEQI mA U V 39k25k 2k2k 12V=100 與 上 述 穩(wěn) 定 Q點 的 原 理 相 類 似 ， 實 際 中 還 可 采 用 電壓 負 反 饋 型 偏 置 電 路 。 除 此 之 外 ， 在 集 成 電 路 中 ， 還 廣 泛 采 用 恒 流 源 作 偏置 電 路 ， 即 用 恒 流 源 直 接 設 定 I CQ。 放 大 器 的 主 要 性 能 指 標 oi iIA I ou iUA U電 壓 放 大 倍 數(shù) 電 流 放 大 倍 數(shù) 互 導 放 大 倍 數(shù) 互 阻 放 大 倍 數(shù) og ior iIA UUA Iiii IUR 0 so

18、o UoUR I 1. 放 大 倍 數(shù) A2. 輸 入 電 阻 Ri 3. 輸 出 電 阻 Ro 4. 非 線 性 失 真 系 數(shù) THD輸 入 、 輸 出 動 態(tài) 范 圍5. 頻 率 特 性 5.2 放 大 器 圖 解 分 析 法 對 放 大 器 進 行 分 析 ， 通 常 有 兩 種 方 法 : 等 效 電 路 法 是 一 種 利 用 器 件 模 型 進 行 電 路 分 析 的 方 法 ， 它具 有 運 算 簡 便 、 結 果 誤 差 小 的 優(yōu) 點 ， 所 以 是 放 大 器 分 析 的 主 要方 法 。 本 節(jié) 以 共 射 極 放 大 器 為 例 介 紹 圖 解 法 。 圖 解 法 是

19、 在 晶 體 管 特 性 曲 線 上 通 過 作 圖 確 定 工 作 點 及 其 信號 作 用 下 的 相 對 變 化 量 。 這 種 方 法 具 有 形 象 、 直 觀 的 優(yōu) 點 。 對 于 小 信 號 放 大 器 ， 圖 解 法 難 以 準 確 地 進 行 定 量 分 析 。 因此 ， 該 方 法 通 常 是 作 為 放 大 器 分 析 的 輔 助 方 法 。 1. 圖 解 法 2.等 效 電 路 法 。 5.2.1 直 流 圖 解 分 析 直 流 圖 解 分 析 是 在 晶 體 管 特 性 曲 線 上 ， 用 作 圖 的 方法 確 定 直 流 工 作 點 ， 求 出 ICQ、 UCEQ

20、。由 集 電 極 回 路 可 列 出 如 下 方 程 組 ： 特 性 曲 線 方 程直 流 負 載 線 方 程( ) B BQC CE i II f U CE CC C CU U I R 0.7CCBQ BUI R由 基 極 回 路 ， 可 用 計 算 法 求 出 ：直 流 通 路 直 流 負 載 線 k= 1/RC 圖 解 法 步 驟 ： iB IBQ uCE0 NQMiC UCEQUCCRC UCC 確 定 Q點 的 坐 標 ， 即 量 得 Q點 的 縱 坐 標 為 ICQ， 橫 坐 標 則 為 UCEQ 作 直 流 負 載 線 ； 在 輸 出 特 性 上 畫 出 iB=IBQ的 一 條

21、特 性 曲 線 ； 0.7CCBQ BUI R ( 0, )C CE CCN i u U ( 0, )CCCE C CUM u i R 直 流 負 載 線 MN與 特 性 曲 線 iB=IBQ的 交 點 Q， 即 為 直 流 工 作 點 ；ICQ( ) B BQC CE i Ii f u CE CC C CU U I R 在 輸 出 特 性 上 找 兩 個 特 殊 點 ： M點 ： uCE=0， iC=12/3=4mA N點 ： iC =0， uCE=UCC=12V 連 接 M、 N得 到 直 流 負 載 線 。 舉 例 ： RB=560k， RC=3k UCC=12V 試用 圖 解 法 確

22、定 直 流 工 作 點 。 12 0.7 20560CC BEQBQ BU UI uR 62解 由 估 算 法 可 得由 Q點 的 坐 標 量 得 ICQ=2mA， UCEQ=6V。 與 IB=20A的 特 性 曲 線 的 交點 Q， 即 為 直 流 工 作 點 。 電 路 參 數(shù) 改 變 對 工 作 點 的 影 響 改 變 RB u CE/V2 10 120123 40A30A20A10AiC/mA 4 6 84M NQRBQ2 RB Q1 IBIBQ3 改 變 RC u CE/V2 10 120123 40 A30A20A10 AiC /mA 4 6 84 M NQQ1 Q3RCQ2 CE

23、 作 業(yè) P189 5-2, 5-3, 5-4， 5-5, 5-6. uCE應 由 RC和 RL決 定 5.2.2 交 流 圖 解 分 析 交 流 圖 解 分 析 是 在 輸 入 信 號 作 用 下 ， 通 過 作 圖 來 確 定 放大 管 各 級 電 流 和 極 間 電 壓 的 變 化 量 。 此 時 的 交 流 通 路 ：交 流 通 路 uBE=UBEQ+Uimsint 由 放 大 器 的 輸 入 回 路 確 定 iB的 變 化 ： 在 晶 體 管 的 發(fā) 射 結 回 路 ， 由 于 輸 入 電 壓 連 同 UBEQ一 起 直接 加 在 發(fā) 射 結 上 ， 因 而 產 生 如 圖 所 示

24、iB的 變 化 。I BQ IBQ uBEu BEi BmaxiBmin iB t iBt QUBEQ iB IBQ uCE0 NQMiC UCEQ UCCICQUCCRC 直 流 負 載 線 k= 1/RC iB圍 繞 IBQ變 化 時 ， 引 起 iC和 uCE如 何 改 變 ？ 在 放 大 器 的 輸 出 回 路 確 定 iC和 uCE的 變 化 ： 為 了 確 定 iB引 起 的 iC和 uCE變 化 ， 必 須 依 據(jù) 圖 示 交 流 通路 在 輸 出 特 性 上 畫 出 iB變 化 時 瞬 時 工 作 點 移 動 的 軌 跡 ， 即交 流 負 載 線 。 其 特 點 ： .交 流

25、負 載 線 必 然 過 Q點 ； 可 見 交 流 負 載 線 是 一 條 過 Q點 且 斜 率 為 1/ R L的 直 線 。1C LCEik u R .交 流 負 載 線 的 斜 率 為 其 中 RL=RCRL。 這 是 因 為 uCE= iCRL， uCE變 化 的 幅 度iC變 化 的 幅 度 QiCiCCQI t t uCEu CEUCCUCEQICQUCCRC Q1 Q2 IBQA交 流 負 載 線 k RL1ICQRL交 流 負 載 線 是 一 條 過 Q點 且 斜 率 為 1/ RL的 直 線 。交 流 負 載 線 的 畫 法 i BmaxiBmin tt000 tiuuBEUB

26、E QIBQiBu t 000 tCE tiCICQUCEQuo 根 據(jù) 交 流 圖 解 分 析 ， 放 大 管 各 極 電 流 和 極 間 電 壓 的波 形 ， 如 圖 所 示 。 (1). 輸 入 交 變 電 壓 時 ，晶 體 管 各 極 電 流 和 極 間 電壓 的 方 向 始 終 不 變 。 只 是在 直 流 量 上 疊 加 一 交 流 量 。 (2). 各 極 電 流 、 電 壓的 瞬 時 波 形 中 ， 需 要 放 大的 是 交 流 量 。 但 為 了 確 保交 流 量 不 失 真 ， 直 流 量 又是 必 不 可 少 的 。 (3). 輸 出 與 輸 入 的 波 形相 位 相 反

27、 。 因 此 ， 共 射 放大 器 為 反 相 放 大 器 。 5.2.3 直 流 工 作 點 與 放 大 器 非 線 性 失 真 的 關 系 直 流 工 作 點 的 位 置 如 果 設 置 不 當 ， 會 使 放 大 器 輸出 波 形 產 生 明 顯 的 非 線 性 失 真 。 Q交 流 負 載 線iC0t0iC 0t uCEuCEiB iBIBQ uBEuBEt QUBEQ 截 止 失 真 若 Q點 過 低 ：輸 出 電壓 的 頂部 限 幅 UCEQICQ 飽 和 失 真 若 Q點 過 高 ：Q 交 流 負 載 線iC iC iB0t uCEuCE0 t0 U CEQICQ輸 出 電 壓的

28、 低 部 被限 幅 通 過 以 上 分 析 可 知 ， 由 于 受 晶 體 管 截 止 和 飽 和 的 限制 ， 放 大 器 的 不 失 真 輸 出 電 壓 有 一 個 范 圍 ， 其 最 大 值 稱為 放 大 器 輸 出 動 態(tài) 范 圍 ， 用 峰 - 峰 值 Uopp表 示 。 放 大 器 的 輸 出 動 態(tài) 范 圍 UOPP2 OPP CQ LU I R由 圖 解 可 知 ：否 則 ， 產 生 截 止 失 真 。否 則 ， 將 產 生 飽 和 失 真 。CQ L CEQ CESI R U U 若 2( )CEQ CES CQ LOPP CEQ CESU U I RU U U 若 不 截

29、止 范 圍不 飽 和 范 圍 39k25k 2k2k 12VUCC2k 42 舉 例 ： 電 路 及 晶 體 管 的 輸 出 特 性 如 圖 所 示 ， 試 用 圖 解法 確 定 直 流 工 作 點 ； 畫 出 交 流 負 載 線 ； 若 輸 入 電 壓 使 基 極電 流 有 10A的 正 弦 變 化 ， 試 確 定 輸 出 電 壓 的 變 化 量 并 求動 態(tài) 范 圍 。 2V交 流 負 載 線 k RL1iBmaxiBminUom =1V 2-6 放 大 器 的 交 流 等 效 電 路 分 析 法一 . 晶 體 管 交 流 小 信 號 等 效 電 路 模 型二 . 共 射 極 放 大 器

30、的 交 流 等 效 電 路 分 析 QiC u CEUCEQICQ iBIBQ uBEQUBEQ2-6 放 大 器 的 交 流 等 效 電 路 分 析 法 在 放 大 電 路 中 ， 晶 體 管 被 偏 置 在放 大 區(qū) Q點 處 。 交 流 分 析 或 動 態(tài) 分 析， 就 是 確 定 在 Q點 處 因 輸 入 交 流 信 號引 起 的 電 流 和 電 壓 的 偏 移 量 。 如 果 輸 入 限 制 為 小 信 號 ， 即 信 號偏 移 量 不 大 時 ， 在 Q點 處 便 可 用 直 線關 系 來 近 似 伏 安 特 性 。 并 用 相 應 的線 性 元 件 來 等 效 ， 便 可 得 到

31、 Q點 處 的交 流 小 信 號 模 型 。 這 樣 對 放 大 器 的 交 流 分 析 就 轉 化為 對 其 線 性 等 效 電 路 的 分 析 。 根 據(jù) 導 出 的 方 法 不 同 ， 晶 體 管 交 流 小 信 號 等 效 電 路模 型 可 分 為 兩 類 ：2-6-1 晶 體 管 交 流 小 信 號 等 效 電 路 模 型 一 類 是 物 理 型 等 效 模 型 。 它 是 模 擬 晶 體 管 結 構 及 放大 過 程 導 出 的 電 路 模 型 ， 它 有 多 種 形 式 ， 其 中 較 為 通 用的 是 混 合 型 電 路 模 型 ； 另 一 類 是 網 絡 參 數(shù) 模 型 。

32、它 是 將 晶 體 管 看 成 一 個 雙端 口 網 絡 ， 根 據(jù) 端 口 的 電 壓 、 電 流 關 系 導 出 的 電 路 模 型 。在 低 頻 ， 應 用 最 廣 的 是 H參 數(shù) 電 路 模 型 。 不 論 按 哪 種 方 法 導 出 的 電 路 模 型 ， 它 們 都 應 當 是 等 價的 ， 因 而 相 互 間 可 以 進 行 轉 換 。 一 、 混 合 型 電 路 模 型 工 作 在 放 大 狀 態(tài) 下 的 共 射 極 晶 體 管 如 圖 所 示 。 先 忽 略管 內 寄 生 效 應 的 影 響 。 當 輸 入 交 變 電 壓 ube加 于 發(fā) 射 結時 ， 晶 體 管 各 極

33、 電 壓 和 電 流 的 瞬 時值 為 BE BEQ be B BQ bC CQ c CE CEQ ceu U u i I ii I i u U u 對 于 晶 體 管 的 放 大 作 用 ， 我 們 關 心 的 是 微 變 量 ube、ib、 ic和 uce之 間 的 相 互 關 系 。 (1 )be BE E BEbe Q Q eb B B Eu u i ur ri i i i 晶 體 管 輸 入 端 ube控 制 iB的 作 用 ， 可 以 用 b、 e極 間 相應 的 交 流 結 電 阻 rbe來 等 效 ， 如 圖 所 示 。rbe的 大 小 為 靜 態(tài) 工 作 點 處 uBE對 i

34、B的 偏 導 值 ， 即等 效 即 e結 交 流 電 阻 re折 到 b極 支 路 的 等 效 電 阻 ， 而 折 合 系數(shù) 為 (1+ )。式 中 , 1be eBE Ee Q QE e B bu iu ir i i i i 發(fā) 射 結 交 流 電 阻 re。 可 以 根 據(jù) 正 向 二 極 管 電 流 方 程 /1 11 BEQ UTBE Te Q Q UEE EQSTBEu Ur ii II eUu TBEU uSE eIi 求 得 ， 即 可 見 ， re與 溫 度 有 關 ， 并 與 晶 體 管 直 流 工 作 電 流 IEQ成 反 比 。 室 溫 下 ， UT=26mV， 所 以

35、re=26mV/IEQ。 26( ) (1 ) (1 ) ( )( )be e EQ mVr r I mA 因 此 ， 可 得 根 據(jù) 電 流 分 配 關 系 ， ib對 ic的 控 制 作 用 ， 可 以 用 接 在c、 e極 間 的 一 個 受 控 電 流 源 來 等 效 ， 如 圖 所 示 。 參 量 gm 稱 為 跨 導 ， 反 映 ube對 ic的 控 制 能 力 。bec b be m bebe beui i u g ur r ( )Te EQUr I等 效 bi 為 了 直 接 反 映 ube對 ic的 控 制 能 力 ， 即(1 ) EQ CQcm be be e e T TI

36、 Iig u r r r U U 其 中 ce CEce Qc Cu ur i i ce CE C CEbc Q Q ceb B B Cu u i ur ri i i i uCE變 化 時 ， 由 于 基 區(qū) 調 寬 效 應 ， iC和 iB都 將 發(fā) 生 相 應變 化 ， 可 以 分 別 用 集 電 極 輸 出 電 阻 rce和 反 向 傳 輸 電 阻 rbc等效 ， 如 圖 所 示 。 等 效 rce和 rbc分 別 為 r ce反 映 在 輸 出 特 性 上 是 曲 線 在 Q點 處 切 線 斜 率 的 倒 數(shù) 。 而電 阻 rbc極 大 (輸 入 特 性 在 不 同 uCE下 曲 線

37、的 分 離 度 )， 可 忽 略 。 以 上 分 別 模 擬 了 放 大 管 e結 的 正 向 控 制 特 性 、 基 區(qū) 電流 分 配 關 系 和 基 調 效 應 ， 得 到 圖 示 的 交 流 等 效 電 路 。 下面 進 一 步 討 論 等 效 電 路 中 如 何 反 映 晶 體 管 固 有 的 寄 生 效應 的 影 響 。 平 面 管 的 結 構 示 意 圖 如 圖 所 示 。b 基 區(qū) 體 電 阻 r bb的 阻 值 較 大 ， 為 幾 十 到 幾 百 歐 姆 。 這 一影 響 可 以 用 基 極 端 b與 內 基 極 b之 間 的 電 阻 rbb等 效 。ceb PNN + Nr

38、bb br ebr cb注 意 ， 此 時 參 數(shù) 中 的 b應 改 為 b。 cebP NN+N C b cb 晶 體 管 的 兩 個 PN結 存 在 結 電 容 。 考 慮 了 以 上 寄 生 參 量 rbb,Cbe和 Cbc的 影 響 后 ， 便 得 到完 整 的 晶 體 管 混 合 型 電 路 模 型 ， 如 圖 示 。 C e b 因 為 e結 正 偏 ， 主 要 是 擴 散 電 容 ， 可 用 b和 e之 間 接 一電 容 Cbe等 效 。 而 c結 反 偏 ， 主 要 是 勢 壘 電 容 ， 用 b和 c之 間的 電 容 Cbc等 效 。 在 混 合 型 電 路 模 型 中 ，

39、由 于 反 向 傳 輸 電 阻 rbc極 大 ，可 近 似 為 開 路 。 便 得 到 實 用 的 簡 化 混 合 型 電 路 ， 如 圖 所示 。 在 低 頻 工 作 時 ， 電 容 效 應 可 忽 略 ， 混 合 型 電 路 可 進一 步 簡 化 為 圖 示 的 低 頻 模 型 。 當 輸 入 為 正 弦 量 時 ， 則 微 變 量 均 為 微 變 正 弦 量 ， 并 用有 效 值 表 示 ， 此 時 低 頻 模 型 中 的 電 量 都 改 寫 為 正 弦 量 有效 值 。 綜 上 所 述 ， 在 混 合 型 等 效 電 路 中 ， 每 個 參 數(shù) 都 有 明 確的 物 理 意 義 ， 其

40、 數(shù) 值 與 頻 率 無 關 。 其 中 主 要 參 數(shù) rbe和 gm可以 通 過 計 算 確 定 ， 這 是 其 優(yōu) 點 。 缺 點 是 參 數(shù) 不 宜 測 量 。 參 數(shù) hoe另 一 種 估 算 的 方 法 將 每 條 共 射 極 輸 出 特 性 曲 線 向 左 方 延 長 ， 都 會 與 uCE負 軸 相 交 于 一 點 ， 其 交 點 折 合 的 電 壓 UA稱 為 厄 爾 利（ Early） 電 壓 ， 如 圖 所 示 。 UA一 般 大 于 100V。 ACQICEQA CQQCECoe UIUU Iuih BQ iC0 UCEQ uCEICQ uCEQ iC IBQA UA

41、ie bb be befe m be bebeh r r rh g r rr 混 合 型 電 路 模 型 與 H參 數(shù) 電 路 模 型 兩 者 等 價 ， 所 以 H參 數(shù) 還 可 以 通 過 混 合 型 參 數(shù) 確 定 。 為 此 ， 現(xiàn) 分 別 畫 出 低頻 H型 和 低 頻 混 合 型 簡 化 電 路 ， 如 圖 所 示 。根 據(jù) 每 個 H參 數(shù) 的 意 義 ， 可 分 別 求 得 如 下 關 系 ： 1 oe ceh r這 就 是 工 程 分 析 中 實 用 的 H參 數(shù) 。 26( )(1 ) ( )( )be bb b e bb EQ mVr r r r I mA 以 上 導 出

42、 的 兩 種 晶 體 管 交 流 模 型 各 具 特 點 。 通 常 : 在 寬 帶 放 大 器 分 析 中 ， 采 用 混 合 型 電 路 模 型 比 較 方 便 ； 在 低 頻 放 大 器 分 析 中 ， 采 用 簡 化 H參 數(shù) 模 型 則 相 對 簡 單 。為 使 參 數(shù) 一 致 ， 在 H參 數(shù) 模 型 中 仍 采 用 混 合 型 的 元 件 參 數(shù) ，如 圖 所 示 。 rce很 大 幾 十幾 百 k通常 可 以 忽 略 26( ) ( )( )be bb CQ mVr r I mA 或 者 26( ) ( )( )be bb CQ mVr r I mA 為 幾 十 幾 百 k，

43、通 常 可 以 忽 略 。 實 用 的 晶 體 管 低 頻 交 流 模 型 Ace CQUr I 分 析 方 法 利 用 晶 體 管 交 流 模 型 分 析 放 大 器 ， 可 按以 下 步 驟 進 行 。 第 一 步 ， 根 據(jù) 直 流 通 路 估 算 直 流 工 作 點 ； 第 二 步 ， 確 定 放 大 器 交 流 通 路 ， 用 晶 體 管 交 流 模 型替 換 晶 體 管 得 出 放 大 器 的 交 流 等 效 電 路 ； 第 三 步 ， 根 據(jù) 交 流 等 效 電 路 計 算 放 大 器 的 各 項 交 流指 標 。 其 中 ， 關 于 工 作 點 分 析 已 在 前 面 作 過

44、詳 細 介 紹 ， 這里 不 再 討 論 。 下 面 以 共 射 放 大 器 為 例 ， 著 重 討 論 放 大 電路 交 流 性 能 的 分 析 方 法 。2-6-2 共 射 極 放 大 器 的 交 流 等 效 電 路 分 析 法 Ui Rs RB2 rbe RC RL Uo e Ib Ib rce Ic Io b c RB1 + + - - - US Ii 共 射 極 放 大 器 如 圖 所 示 。 晶 體 管 采 用 分 壓 式 穩(wěn) 定 偏 置電 路 ， 使 其 偏 置 在 放 大 區(qū) 并 有 一 合 適 工 作 點 (ICQ， UCEQ)。交 流通 路 交 流 等效 電 路旁通電容 (

45、 )C Lo Lu i be beR RU RA U r r 根 據(jù) 等 效 電 路 ， 共 射 極 放 大 器 的 交 流 指 標 分 析 如 下 ：UiRs RB2rbe RCRL UoeIb Ib rce Ic Iob cRB1+ +- - -US Ii 1.電 壓 放 大 倍 數(shù) Au( ) ( )o c C L b C LU I R R I R R i b beU I r 26( )(1 ) ( )( )be bb e bb CQL C L mVr r r r I mVR R R 式 中 ou iUA U (1 ) 26( )L L Lm CQu Lb e eeR R RRA g R

46、 Ir r r mV 討 論 ： (1). 負 號 表 明 共 射 放 大 器 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓 反 相 。 可 見 ， Au幾 乎 與 無 關 ， 而 與 靜 態(tài) 電 流 ICQ近 似 成 正 比 。 (3). RL(=RCRL)越 大 ， Au越 大 。 由 于 RC對 輸 出 信 號產 生 分 流 損 耗 ， 因 而 要 求 盡 可 能 大 ， 但 增 大 RC將 受 Q點的 制 約 。 所 以 應 合 理 選 擇 RC 。( )C Lo Lu i be beR RU RA U r r (2). 由 于 rbb很 小 ， 當 忽 略 其 影 響 時 ， Au可 近 似

47、為 式 中 RB=RB1RB2。 由 此 可 得若 滿 足 RB rbe， RL rbe， 故 由 圖 顯 而 易 見 按 照 Ro的 定 義 ， 在 圖 示 電 路 的 輸 出 端 加 一 電 壓 Uo，并 將 Us短 路 ， 此 時 因 Ib=0， 所 以 受 控 源 Ib=0。 這 時 ，從 輸 出 端 看 進 去 的 電 阻 為 RC， 因 此 CUooo RIUR s 0 4 . 輸 出 電 阻 負 載 RL開 路 放 大 器 的 輸 入 、 輸 出 電 阻 還 可 以 通 過 測 量 求 得 。求 Ri的 測 量 電 路 如 圖 所 示 。 分 別 測 出 圖 中 已 知 電 阻

48、R兩 端 到 地 的 電 壓 Ui和 Ui， 因 輸 入 電 流 Ii為i iRi U UUI R R i ii i i iU UR RI U U 則 UsRs Ui R IiUi Ri 放 大 器 RL 求 Ro的 測 量 電 路 如 圖 。 打 開 S， 測 得 負 載 開 路 電 壓Uo， 閉 合 S， 測 得 接 入 負 載 時 的 電 壓 Uo。 因 為 UsRs SUo 放 大 器 RL UoRo ( 1)o o LoUR RU 所 以 Lo oo LRU UR R Aus定 義 為 輸 出 電 壓 Uo與 信 號 源 電 壓 Us的 比 值 ， 即uis iiosisous AR

49、R RUUUUUUA 可 見 ， |Aus| Rs， 則 AusAu。 5 .源 電 壓 放 大 倍 數(shù) Aus 6 . 發(fā) 射 極 接 有 電 阻 RE時 的 情 況 若 將 共 發(fā) 射 極 放 大 器 的 旁 通 電 容 CE開 路 ， 此 時 對 交 流信 號 而 言 ， 發(fā) 射 極 將 通 過 電 阻 RE接 地 。 其 交 流 等 效 電 路 如所 示 。 (1 )i b be b EU I r I R 由 圖 可 知而 Uo仍 為 IbRL， 則 電 壓 放 大 倍 數(shù) 變 為 (1 )bo Lu b bi be EU R IA U r I R I ELu RRA (1 )o Lu

50、 i be EU RA U r R 分 母 中 增 加 一 項 (1+)RE， 即 射 極 電 阻 RE折 合 到 基 極 要增 大 (1+)倍 。顯 然 ， 射 極 接 電 阻 后 ， 放 大 倍 數(shù) 減 小 了 。 這 是 因 為 RE的 自動 調 節(jié) (負 反 饋 )作 用 ， 使 得 輸 出 隨 輸 入 的 變 化 受 到 抑 制 ，從 而 導 致 Au減 小 。 當 (1+)RE rbe時 ， 則 有 顯 然 ， 輸 入 電 阻 明 顯 增 大 了 。 即 射 極 電 阻 RE折 合 到基 極 支 路 應 擴 大 (1+)倍 。對 于 輸 入 電 阻 ， 由 于 從 b極 看 進 去

51、 的 輸 入 電 阻 Ri變 為1 2 1 2| | | | (1 ) ii B B i B B be EiUR R R R R R r RI (1 )ii be EbUR r RI 因 此 ， 放 大 器 的 輸 入 電 阻 為 對 于 輸 出 電 阻 ， 盡 管 Ic更 加 穩(wěn) 定 ， 但 從 輸 出 端 看 進 去的 電 阻 仍 為 RC， 即 Ro=RC。 作 業(yè) P67 2-23, 2-24, 2-25。 26( ) ( )( )be bb b e bb CQ mVr r r r I mA 為 幾 十 幾 百 k， 通 常 可 以 忽 略 。 實 用 的 晶 體 管 交 流 模 型

52、Ace CQUr I 低 頻 模 型高 頻 模 型rbb基 區(qū) 體 電 阻 CQcm be be e TIig u r r U 跨 導 共 射 極 ( 共 e ) 放 大 器(1 ) o Lu i be EU RA U r R 1 2| | (1 ) B Bi be ER R R r R Ro=RC Ri REo Lu i beU RA U r 1 2| |B Bi be beR R R r r Ro=RC 共 集 電 極 放 大 電 路 的 組 成 ： 2-7 共 集 電 極 放 大 器 和 共 基 極 放 大 器 2-7-1 共 集 電 極 放 大 器 由 于 信 號 從 射 極 輸 出

53、，所 以 該 電 路 又 稱 為 射 極 輸 出 器 。 1.電 壓 放 大 倍 數(shù) Au由 圖 可 得 如 下 關 系 式 ( ) (1 )i b be oo e E L b LU I r UU I R R I R . A u為 正 ， 表 明 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓 同 相 ； . Au恒 小 于 1。 由 于 通 常 滿 足 (1+)RL rbe， 因 而 Au又 接 近 于 1 。 換 句 話 說 ， 輸 出 電 壓 幾 乎 跟 隨 輸 入 電 壓 變 化 。因 此 ， 共 集 電 極 放 大 器 又 稱 為 射 極 電 壓 跟 隨 器 。 L E LR R R (1 )(

54、1 )o Lu i be LU RA U r R 因 而 可 見 ： (1 )E Eo e bE L E LR RI I IR R R R (1 ) i be LR r R 2. 電 流 放 大 倍 數(shù) Ai 當 忽 略 RB1、 RB2的 分 流 作 用 時 ， Ib=Ii， 則 輸 出 電 流 Io為從 基 極 看 進 去 的 電 阻 R i為 1 2| |i B B iR R R R 與 共 射 電 路 相 比 ， 由 于 Ri顯 著 增 大 ， 因 而 提 高 了 共集 電 路 的 輸 入 電 阻 。 (1 )o Ei i E LI RA I R R 3. 輸 入 電 阻 Ri ( )

55、(1 ) 1o be s b be so o bU r R I r RR I I 1 2( )| |(1 )o b be ss s B Bo e bU I r RR R R RI I I 4. 輸 出 電 阻 Ro 當 輸 出 端 外 加 電 壓 Uo， 而 將 Us短 路 并 保 留 內 阻 Rs時 ，可 得 圖 所 示 電 路 。 由 圖 可 得0 | | 1so be so U E o EoU r RR R R RI 則 由 e極 看 進 去 的 電 阻 Ro為所 以 ， 輸 出 電 阻 可 見 ， 共 集 電 極 放 大 器 的 輸 出 電 阻 非 常 小 由 于 上 述 射 極 支

56、路 和 基 極 支 路 之 間 的 相 互 折 合 關 系 ，共 集 電 極 放 大 器 才 具 有 輸 入 電 阻 大 而 輸 出 電 阻 小 的 特 點 。1be so r RR (1 )i be LR r R Ri和 Ro表 達 式 的 電 路 意 義RS 正 是 這 一 特 點 ， 該 放 大 器 常 用 作 多 級 電 路 的 輸 入 級 、輸 出 級 和 中 間 隔 離 級 。 2-7-2 共 基 極 放 大 器 共 基 極 放 大 電 路 的 組 成 ： CB i b beU I r ( | )o b C LU I R R1. 電 壓 放 大 倍 數(shù) Au由 圖 可 知 o Lu

57、 i beU RA U r 所 以 L C LR R R 可 見 ， 共 基 放 大 器 的 電 壓 放 大 倍 數(shù) 與 共 射 電 路相 同 ， 但 為 正 值 ， 即 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓 同 相 。 | |1 bei E i E rR R R R LC Cco RR RII 1o Ci i C LI RA I R R 2 .電 流 放 大 倍 數(shù) Ai 在 圖 中 ， 由 于 輸 入 電 流 IiIe=Ic， 而 輸 出 電 流 1i bei eU rR I 3.輸 入 電 阻 Ri 按 上 述 基 極 支 路 和 射 極 支 路 的 折 合 關 系 ， 由 射 極看 進

58、去 的 電 阻 Ri為 顯 然 ， 共 基 放 大 器 輸 入 電 阻 非 常 小 。 4. 輸 出 電 阻 Ro 由 圖 可 知 ， 加 壓 求 流 Ui=0時 ， 因 Ib=0， 則 Ib=0， Co RR 因 而 有 o Lu i beL C LU RA U rR R R 1 2i B B beR R R r Lu beL C LRA rR R R Co RR Co RR |1 bei E rR R | 1be so E r RR R (1 )(1 )Lu be LL E LRA r RR R R | (1 ) B be LiR R r R 共 射 放 大 器 共 集 放 大 器 共 基

59、 放 大 器 三 種 基 本 放 大 器 （ 組 態(tài) ） 電 路 小 結 |1 beE rR 共 基 放 大 器 共 射 放 大 器 共 集 放 大 器(1 )(1 )Lbe LRr R | (1 ) B be LR r R Lb eRr |B beR r LbeRr CR | 1be sE r RR iAoR CRuAiR 1 相 位 反 相 同 相 同 相 （ 最 大 ） (最 小 )( 最 小 )(最 小 ) （ 最 小 ）( 較 大 ) （ 較 大 ）( 較 小 ) 作 業(yè) P69 2-26, 2-27, 2-28， 2-30 習 題 課 例 題 1 在 圖 示 電 路 中 ， 若 U

60、CC=12V， RB1=75k，RB2=25k, RC=2k, RE=1k, 晶 體 管 采 用 3DG6管 ， =80, r bb=100。 1. 試 求 該 放 大 器 的 工 作 點 ICQ、 UCEQ ； 2. 試 求 Au、 Ri和 Ro ； 3. 若 將 電 阻 RB1增 大 ， 則 Au、 Ri和 Ro有 何 變 化 ？ 4. 若 R s=1k， 求 Aus; 5. 若 接 RL=2k的 負 載 ， 則 UO有 何 變 化 ？6. 若 輸 入 信 號 增 大 ， UO波 形 變 為 ， 則 產 生 何 種 失 真 ？ 如 何 消 除 ？ 7. 若 旁 通 電 容 CE開 路 ，

61、則 Au、 Ri和 Ro有 何 變 化 ？ 解 ： 1. 按 估 算 法 計 算 Q點 ： ( ) 12 2.3 (2 1) 5.1CEQ CC CQ C EU U I R R V 2.3 2.31ECQ EQ EUI I mAR 2 2 21 2 25 12 375 250.7 3 0.7 2.3B B BR CCB BE R RU U VR RU U V 1k2k75k 12V25k 2.3 UCEQ 21 2 25 12 375 250.7 3 0.7 2.31BB CCB BE BCQ EQ E ERU U VR RU UI I mAR R IBQ( )CE CC CQ C EU U

62、I R R 直 流 負 載 線 方 程 ： 直 流 負 載 線 1( )C Lk R R 直 流 圖 解 法: 0,12 4 2 1: 0, 12CCCE C C EC CE CCUM U I R RmAN I U U V 5CEQU V 1k 2k75k 12V25k 2.3 UCEQICQRL=2.3 2=4.6VA交 流 負 載 線 k RC1交 流 負 載 線 的 畫 法集 電 極 交 流 總 負 載 為 RC=2k 交 流 圖 解交 流 等 效 通 路 2k 放 大 器 的 輸 出 動 態(tài) 范 圍 UOPP2 4.3 8.6 OPPU V 5 0.7 4.3 4.6CEQ CES C

63、Q LU U V I R V 由 于 2CLR R k be Liou rRUUA 26 26100 80 12.3be bb CQr r kI 80 2 1601uA 2. 試 求 Au、 Ri和 Ro ；1 2| | 75 | 25 |1 1bei B BR R R r k 2o CR R k 2k75k 25k 3. 若 將 電 阻 RB1增 大 ， 則 Au、 Ri和 Ro有 何 變 化 ？26be bb CQr r I beLiou rRUUA 因 此 ， RB1增 大 ， 引 起 Au減 小 ， Ri增 大 ， 而 Ro不 變 。i beR r 1 160 801 1o i ous

64、 s s iiS iU U UA U U UR AuR R 4. 若 Rs=1k， 求 Aus;i iS isU RU R R 可 見 ， 輸 入 電 阻 相 對 源 內 阻 越 大 ， 則 Aus越 大 。1beiR r k 75k25k 1k 2k 5. 若 接 RL=2k的 負 載 ， 則 UO有 何 變 化 ？o u iU A U | 2|2 1o Lu i beC LL U RA U rR R R K 80 1 801 Lu beRA r 2 ( 160 ) 802 2 LO uo iO L i iRU A UR R U U 即 輸 出 電 壓 減 小 一 半 75k25k 1k2k

65、 由 于 在 輸 入 的 負 半 周 產 生 失 真 ， 所 以 為 截 止 失 真 。6. 若 輸 入 信 號 增 大 ， UO波 形 變 為 ， 則 產 生何 種 失 真 ？ 如 何 消 除 ？應 將 Q點 上 移 ， 可 減 小 RB1或 增 大 RB2或 減 小 RE。 7. 若 旁 通 電 容 CE開 路 ， 則 Au、 Ri和 Ro何 有 變 化 ？80 2 2(1 ) 1 (1 80) 1 o Lu i be EU RA U r R 1 2| | (1 ) 25 | 75 |1 81 1 15ii B B be EbUR R R r RI K 輸 出 電 阻Ro=RC不 變 75

66、k25k 1k2k 例 題 2 晶 體 管 放 大 電 路 如 圖 所 示 。 已 知 晶 體 管 的 =100， rbe=2k。 試 求 工 作 點 ICQ、 UCEQ ； 為 了 分 別 滿 足 如 下 要求 ， 電 路 應 接 成 什 么 組 態(tài) ？ 三 個 端 點 、 、 分 別 該 如 何接 (哪 個 接 信 號 源 ， 哪 個 接 輸 出 ， 哪 個 接 地 或 開 路 )？1. 要 求 源 電 壓 放 大 倍 數(shù) 最 大 。 此 時?o us SUA U 2. 要 求 輸 出 Uo US; 3. 要 求 輸 出 UoUS; 4. 要 求 接 上 RL=1k的 負載 時 ， Uo|US|， 并 求 輸 出 電 阻 Ro=？ 5. 要 求 同 時 獲 得 一 對 大 小 相 同 極 性 相 反 的 輸 出 信 號 。 求 該 放 大 器 的 工 作 點 ICQ、 UCEQ ； ( ) 12 0.7 0.016(1 ) 500 101 2100 0.016 1.6( ) 12 1.6 (2 2) 5.6CC BE onBQ B ECQ BQCEQ CC CQ C EU UI m