微电子电路基础_——单级放大器_

合集下载

单级放大电路知识点

一、三种常见共射放大电路静态分析见下表所示

上表是常见共射电路的静态工作点。对于实际电路不一定完全跟表中电路相同。求解时遵循以下几点可以求出。

1.思路：①画出该电路的直流通路图。

②从电源经过基极绕到地列出电压方程(有些电路需经过电工知识进行简化，像分压式可用戴维南定理对R b1、R b2部分等效)求出I BQ 。

③根据电流放大作用求出I CQ 。

④从电源经过集电极到发射极到地列电压方程求出U CEQ 。 2．静态工作点的稳定 (1)固定偏置电路

没有稳定静态工作点作用，只能用在要求不高的电路中。 (2)分压式偏置电路 ①静态工作点稳定过程

②工作点稳定对电路元件参数要求

A ．要稳定效果好：V BQ 要一定，就要求I 1≈I 2

I BQ 。这样才能保证V BQ ≈

R b2

R b1＋R b2

V G 。一般情况下

⎩⎪⎨

⎪⎧I 1≈I 2＝（5～10）I BQ 硅管

I 1≈I 2＝（10～20）I BQ 锗管

B ．稳定静态工作点效果：V EQ ＝I EQ R E 的上升使U BEQ 下降。当R e 越大，U BEQ 下降越快，调整灵敏度

越高，这样就有V EQ

U BEQ ，一般有⎩⎪⎨⎪⎧V BQ ＝（3～5）U BEQ 或（3～5）V 硅管

V BQ ＝（5～10）U BEQ 或（1～3）V 锗管。

(3)集—基反馈式

静态工作点稳定过程：V CQ ＝V G －(I CQ ＋I BQ )R c

二、三种常见共射放大电路动态分析见下表所示

几点说明：

1.r be 是三极管的输入电阻，属动态电阻，即交流阻抗，但其大小跟晶体管的静态电流大小有关，一般的估算公式为r be ＝r ′bb ＋(1＋β)26mV I E mA ＝r ′bb ＋26mV

单管放大电路原理

单管放大电路是一种基本的电子电路，常用于音频放大器和电视

机等电子设备中。它的主要原理是利用晶体管的放大作用，将输入信

号放大后输出到负载上，以实现信号的放大和增强。下面我们来一起

详细了解一下单管放大电路的原理及其应用。

单管放大电路的基本原理是利用晶体管的三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。其中，放大状态是最常用的工作状态。在

放大状态下，晶体管的发射极和基极之间的电流变化可以被控制，从

而实现信号的放大。具体来说，当输入信号加到晶体管的基极上时，

会引起基极电流的变化，进而导致晶体管的发射极电流的变化。通过

适当的电路设计，可以使得输入信号的小变化能够放大到较大的幅度，并输出给负载。

单管放大电路常用的电路结构有共射极放大电路、共基放大电路

和共集放大电路。其中，共射极放大电路是最常见的一种结构，也是

应用最广泛的一种。它的基本原理是将输入信号加到晶体管的基极上，输出信号从晶体管的集电极上获取。通过适当的电路设计，可以实现

输入信号的放大和相应增益的控制。

单管放大电路的应用非常广泛。例如，它常用于音频放大器中，

将低幅度的音频信号放大到足够的功率，以驱动扬声器发出高质量的

声音。它还可以用于电视机和无线电接收机等设备中，用于接收和放

大来自外部天线或信号源的电频信号。此外，单管放大电路还可用于

传感器信号的放大和处理，以及医疗仪器和实验设备中的各种测量和控制系统中。

在设计和应用单管放大电路时，需要注意一些关键因素，如电路的电压和电流要求、输入和输出阻抗的匹配、负载的适配以及信号的失真和噪声控制等。同时，还应考虑晶体管的工作参数和特性，如最大电压和电流、频率响应和温度稳定性等。

复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器

1

W L
1

1 5
取： W 2, L 10
W 1, L 5
分压电路
同理可得：W L2 16 /10, 取：W2 16, L2 10
W2 8, L2 5
结论： W
L

2I
Cox
VGS
1 VT
2
给定电压和电流，确定MOS管的宽长比

3 4
I D1
Vin
M1
AV
gm1 gm2

41 2
4n W L 1 p W L 2
AV 10, n 2 p
W 100 W 12.5 W
L 1 8 L 2
L 2
a) 在相同增益条件下，降低了MOS管的W/L比。
一般：gmro 10 ~ 30
问题：Vout=？
I1

1 2
μnCox

W L
1
Vin
VTH
2 1
λVout

Vin , λ 0,Vout
共源放大器
二极管负载：采用NMOS负载，存在体效应。
利用小信号分析，对M2：
M2
RD

gm2
1 gmb2

1 gm2

单级放大电路

单级放大电路是一种基本的电子电路，其主要功能是对输入信号进行放大。在该电路中，信号通过一个单一的放大器管或晶体管进行放大，在电气和电子系统中广泛应用，例如音频放大器、收音机、电视和计算机等。本文将对单级放大电路的原理及其应用进行详细介绍。

下面介绍一下单级放大电路的工作原理。如图1所示，单级放大电路由一个放大器管和两个电阻组成，其中一个电阻（R1）连接到电源Vcc和基极，另一个电阻（R2）则连接到集电极和负载。输入信号从基极输入，经过放大后，由集电极输出，流过负载RL。这组电路的名称是共射极电路。

从图1中，我们可以了解到，单级放大电路的输入信号经过电阻R1之后进入到晶体管的基极中，此时晶体管的发射极上加上了一定量的电流，流入集电极经过输出电阻RL，再流回电源的负极。在电路的过程中，电子从电源VCC中流入到集电极，通过放大作用，然后流经负载RL，分别在负载端产生输出电压和输出电流。

此时，放大器管的VM（电压增益）可以通过公式计算得到：

VM=Vout/Vin

其中，Vout是输出电压，Vin是输入电压。

揭示单极放大电路的模型，如果它有一个电流源，这个电流源的电流为β×Ib（β指的是晶体管的放大因子，Ib指的是基极电流），晶体管就像是一个电流比例器，输出电流正比于输入电流的放大系数β。因此，VM可以写成：

VM=β×Rc / Rin

其中Rc是输出电阻，Rin是输入电阻，β=I c / Ib是晶体管的放大因子（Ic指的是集电电流）。

单级放大电路由于其简单性，经常被用来放大低频信号。它也被广泛应用在音频放大器中。下面我们来具体介绍单级放大电路在音频放大器中的应用。

电子电路基础-单管放大电路

IB UBB/R'b
IBQ Q UBEQ UBB UBE
U BE U BB Rb I B
基本放大电路
Rb Rs
UBB
Rc +
RL UCE _
UCC
输出回路线性部分——负载线
U CE
R cR L RL U CC I C UCC R L I C Rc RL Rc RL
Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uo) ，以实现电压信号的放大。
基本放大电路
2、基本共射放大电路的工作原理
当信号电压ΔuI=0时，偏置单独作用，放大电路处于静态
放大电路的静态工作点Q : UBEQ、IBQ和ICQ、UCEQ 当信号电压ΔuI≠0时，信号电压与偏置共同作用，放大电路处于动态静态工作点Q附近 ΔuI→UBEQ+ΔuBE→IBQ+ΔiB→ICQ+ΔiC→uO=UCEQ+ ΔuCE
基本放大电路
阻容耦合共射放大电路的直流通路
UCC Rb Rc + UO _
基本放大电路
阻容耦合共射放大电路的交流通路
Rb Rs + + ΔuI ΔuS _ _
Rc + RL ΔuO _
基本放大电路
+ + Rs + ΔuI Rb ΔuS _ _
Rc RL ΔuO _

单级放大电路

实验一单级放大电路

一、实验目的

1. 熟悉常用电子仪器和模拟电路实验箱。

2. 掌握放大器静态工作点的调试方法及其对放大性能的影响。

3. 学习测量放大器Q 点、A v 、r i 和r o 的方法，了解共射极电路特性。

4. 学习放大电路的动态性能。

二、实验仪器

1. 模拟电路实验箱

2. 示波器

3. 信号发生器

4. 数字万用表

三、预习要求

1. 三极管及单管放大电路工作原理

2. 放大电路静态和动态测量方法

a) 静态工作电流I B 、I E 和I C 的测量

测静态电流一般采用间接测量法，即通过测量V CC 、V B 、V E 、V C 、R b 、R e 和R c ，然后计算出I B 、I E 和I C 。 b) A v 、r i 和r o 的测量方法

v L

在上图中，电阻R S 是为测量r i 而设，只要测得R S 上的电压降就能计算出电流i i ；开关K 是为测量r o 而设，当开关打开时，在放大器输出端测得的电压v o 即为e o 。因此，在实验

中只要测量出v s 、v i 、v o (开关K 打开)和v L ，再根据R S 和R L 的值就能计算出A v 、r i 和r o 。

根据A v 的定义有：i

v v v A =

根据r i 的定义有：i

i i v r =

而S i s i R v v i -=

，则有：S i

s i

i R v v v r ⋅-= 根据r o 的定义有：o

o o i v e r -=

而L

L o R v i =

，o o v e =(开关K 打开)，则有：L L L o o R v v

第2章单级放大电路

再求三极管的动态输入电阻
rbe = 300 + (1 + β ) 26(mV) 26(mV) = 300 + (1 + 50) = 963 Ω ≈ 0.963 kΩ I EQ (mA) 2(mA)
RB IBQ
RC
+UCC ICQ + V U CEQ －
+ UBEQ －
& （1）R L 接入时的电压放大倍数 Au 为： 3× 3 50 × ′ 3 + 3 = −78 & = − βR L = − Au rbe 0.963 & R L 断开时的电压放大倍数 A 为：
& U Ro = = RC & I
希望Ro越小越好。放大器的输出电阻R 希望越小越好。因为放大器的输出电阻 o越越小越好
小，负载RL的变化对输出电压的影响就越小，表明负载的变化对输出电压的影响就越小，放大器带负载能力越强。放大器带负载能力越强。
RB C1 + Rs + us － ui － +
2.4 射极输出器
..1 电路组成
+UCC RB C1 + Rs us + ui + V + RE
C2 + RL uo －
－－
..2 静态分析
RB1 IBQ ICQ

单级放大电路

Ii US ~ Ui Au
Ui Ri = Ii
3.输出电阻的测量原理输出电阻的测量原理
放大电路对其负载而言，相当于信号源，放大电路对其负载而言，相当于信号源，我们可以将负载而言它等效为戴维南等效电路，它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。内阻就是输出电阻。
US ~
（1）按图3-2-1所示，连接电路（注意：接线前先测量+12V电按图3 所示，连接电路（注意：接线前先测量+12V电 +12V 关断电源后再连接）， RP的阻值调到最大位置），将的阻值调到最大位置。源，关断电源后再连接），将RP的阻值调到最大位置。接线完毕仔细检查，确定无误后接通电源。（2）接线完毕仔细检查，确定无误后接通电源。
图3-2-3输出电阻测量
三、实验内容与步骤 4、测放大器输入、输出电阻、测放大器输入、
将上述测量及计算结果填入表3-2-5中。将上述测量及计算结果填入表中
表3-2-5 输入电阻和输出电阻测量表
测输入电阻（测输入电阻（Rs =5.1K））实测 Vs (mV) Vi (mV) 测算 ri 估算 ri 实测 VoL RL=∞
表3-2-2 最大不失真输出测量表 RL=∞
接入信号源
用示波器观察输出波形
实测(V 实测(VP-P) mV） Vi（mV） Vo (V)

单管放大器的基本工作原理

单管放大器是一种简单的放大电路，它使用一个晶体管作为放大元件。其基本工作原理如下：

1. 输入信号：单管放大器的输入信号通常是来自音频源或其他信号源。这个输入信号被连接到晶体管的基极。

2. 激励信号：输入信号作用于晶体管的基极，通过晶体管的材料特性，将输入信号转换成激励信号。这个激励信号传输到晶体管的发射极。

3. 激励信号放大：激励信号经过晶体管后，由于晶体管的放大特性，输出信号的幅度将会比输入信号更大。这个放大过程是通过晶体管的内部电子流动和扩散来实现的。

4. 输出信号：放大后的信号被连接到晶体管的集电极，形成输出信号。这个输出信号可以连接到负载（如扬声器）或其他需要增强信号的设备。

需要注意的是，单管放大器的放大能力有限，通常只能达到较小的增益。此外，晶体管的工作条件和偏置电路对放大器的性能也有重要影响。因此，在实际设计中，通常需要添加额外的电路来控制晶体管的工作状态，以确保稳定性和更高的放大能力。

三极管及单级放大器的工作原理

三极管是一种电子元件，由德国物理学家维尔海姆发明于1947年。三极管是一种半导体器件，它的主要作用是放大信号。三极管一

般有三个电极，分别为发射极Emitter、基极Base和集电极

Collector。在三极管中，由于基极的控制作用，可以使发射极-集电

极间的电流得到放大，从而实现电信号的放大功能。下面，我们就从

单级放大器的工作原理来进一步的讲解三极管的工作原理。

1. 单级放大器的基本构成

单级放大器一般由输入阻抗、耦合电容、三极管放大电路、输出

耦合电容和负载电阻等组成。其中，输入阻抗和输出耦合电容在电路

中起到了阻挡直流信号，只通交流信号的作用。负载电阻则是为了将

放大后的信号输出到外部设备中去。

2. 单级放大器的工作原理

当正弦交流信号加入到输入端时，由于输入阻抗的阻挡，将只有

交流信号进入到三极管放大电路中。这时，三极管中的 VT1 和 VT2

极性一样，导通电流增大，被放大的信号经过装置耦合电容 C1 的耦合，使得 VT2 的发射极至集电极间的电流和 VT1 的发射极至集电极

间的电流变大，从而实现信号的放大功能。

要实现对信号的放大，必须让三极管处于放大区，在这个区间中，集电极输出法线信号放大电路工作是最稳定的。但是在放大区的情况下，VT1 和 VT2 能够承受的最大电流限制了输出电压的最大值。因此，单级放大器需使用电源抑制电路来限制输出电压幅度，防止三极管被

烧毁。

3. 单级放大器的特点与应用

单级放大器的优点是结构简单，操作方便，易于调整，可以被广

泛应用。但是，相比于其他形式的放大器，它的缺点是它的增益不高，而且容易受到温度和其他环境因素的影响。因此，它通常被用作早期

模拟电路基础-单级集成MOSFET放大器

VDD (VGSD VTND ) VTNL
K nD K nL
(VGSD
VTND )
(VGSD )max (VDSD )min
关键→ML工作于放大区，要求VDSL=VGSL>VTNL
3. VDSD VDD VDSL VDSD VDD VTNL (VDSD )max
放大区中心处的
VDSDQ
Avs
vo vs
1
(Rs // rds ) Ri gm (Rs // rds ) Ri Rg
分析→ VDD IDQ RS VDSQ
RS 4k
gm 2 KpIDQ 8.68mA Kp
题型：P沟道增强型MOSFET电路的交流小信号分析 “设计题”→设计一个特定的P-EMOSFET源极跟随器
例4.23 电路如图所示。场效应管参数 VTP=-0.8V， Kp=0.2mA/V2 。电路参数R1=R2=50k，VDD=5V，RD=7.5k。求ID和VDS。
分析→
VG
R1
R2 R2
VDD
50 5 2.5V 50 50
假设FET工作在放大区，则：
ID Kp VGS VTP 2 0.578mA
电路分析→ 作为有源电阻， ML从源极看入的等效电阻RoL=1/gmL//rdsL。
交流小信号等效电路
小信号源电压增益为：Avs

单级放大电路

实验一单级共射放大电路

一、实验目的

1、熟悉常用电子仪器的使用方法。

2、掌握放大器静态工作点的调试方法及其对放大电路性能的影响。

3、掌握放大器动态性能参数的测试方法。

4、进一步掌握单级放大电路的工作原理。

二、实验仪器

示波器、信号发生器、数字万用表、交流毫伏表、直流稳压源

三、预习要求

1、复习基本共发射极放大电路的工作原理，并熟悉示波器的正确使用方法。

2、根据实验电路及元件参数，估算电路静态工作点和电路电压放大倍数。

3、估算电路的最大不失真输出电压幅值。

4、根据实验内容设计实验数据记录表格。

四、实验内容及步骤

1、装接电路

图1.1

①用万用表判断试验箱上的三极管、电解电容的极性及好坏，测试三极管的

放大倍数；

②按如图1.1连接电路，将R2调到电阻最大位置。

③接线后仔细检查，确认电路无误后接通电源。

2、静态工作点的调整测量

①在放大器的输入端加入频率f=1kHz,幅值约为10mV的正弦信号，用示波器

两个通道分别观察输入信号和输出电压Uo的波形。调整R2的值，使静态工作点处于合适位置，此时，输出波形最大而不失真。如图1.2示

图1.2

②保持静态工作点不变，撤去输入信号源，使电路工作在直流状态，用直流

电压表测量（保持R2值不变）Ub、Uc、Ue的值，再计算电路的静态工作点Ubeq、Icq、Ibq、Uceq值。

3、放大电路动态研究

测量输入信号电压Ui和输出信号电压Uo的值，计算放大倍数。

Ui=326.848mV Uo=7.071mV

放大倍数Au=Ui/Uo,计算值约为46.223，则放大倍数约为46。

4、输入电阻Ri的测量计算

2_第二讲_单级放大器

若RS>>1/gm，则Gm≈1/RS，即△ID RS≈△Vin，也就是说Vin的大部分变化落在RS上。漏电流是输入电压线性函数，但以牺牲增益为代价。
35
如何通过观察来获得Av？
源极通路上的等效电阻
一种简便方法
Av
RD
1 gm
RS
漏极看到的电阻源极通路上的电阻
36
RS≠0的共源级大信号特性
1）当Vin从0开始增大，M1截止，Vout＝VDD
2）当Vin接近VTH时，M1饱和导通：
?
截止区饱和区
Vout
VDD
RD
1 2
unCox
W L
Vin Vth
2
Vout随着Vin的增加而减小。
输入输出特性
3）进一步增加Vin，Vout继续下降，MOS
三极管区仍工作在饱和区，直到临界点求出
考虑体效应之后，等效阻抗变得更小
பைடு நூலகம்19
4、以NMOS二极管连接为负载的共源级
R
Av =
gm1
gm2
1 gmb2
gm1 1 gm2 1
gmb2 / gm2
Av =
2nCox
W
/
L 1
I D1
1
2nCox
W
/
L 2
ID2

CMOS模拟集成电路第3章—单级放大器

在这个例子中，M2的过驱动电压应该是M1的过驱动电压的10倍。若VGS1-VTH1=200mV，|VTH2|=0.7V，|VGS2|=2.7V，严重制约输出电 2013-8-4 11 压摆幅。
共源级放大器
• 1.3 电流源负载的共源级放大器
考虑沟道长度调制，
– 讨论
• 获得更大的增益 • M2的输出阻抗与所要求的M2的最小|VDS|之间联系较弱，因此对输出摆幅的限制较小。 • 长沟器件可以产生高的电压增益。 • 同时增加W、L将引入更大的节点电容。 • ↑ID→ AV ↓ 1 1
– 增益
两个集体管均工作在饱和区；若λ＝0，由于输入管产生的漏电流必定流过整个共源共栅极电路，所以， Av=Vout/Vin=-gm1V1RD/Vin
而V1=Vin，所以
Av=Vout/Vin=-gm1RD •当忽略沟道长度调制效应时，共源共栅级放大器的电压增益与共源级放大器的电压增益相同。
但是，较大的器件尺寸，导致较大的器件电容。较高的VRD会限制最大电压摆幅。若VRD保持常数，减小ID，则必须增大RD，导致更大的输出节点时间常数。
2013-8-4 6
共源级放大器
• 1.2 MOS二极管连接做负载的共源级
– MOS二极管连接
二极管连接的阻抗为
• 考虑体效应时
二极管连接的阻抗为
这里，没有考虑体效应和沟道长度调制效应

单级放大器实验报告

一、实验目的

1．测定放大器的静态工作点；

2．测定放大器电压放大倍数；

3．学习放大器输入电阻、输出电阻的测试方法。4．测定放大器的动态范围，观察非线性失真。5．熟悉晶体管偏置对工作点及动态范围的影响。6．研究负载对非线性失真和放大倍数的影响。

二、实验仪器或软件

1．模拟电子技术实验训练箱 1台

2．数字万用表 1台

3．数字示波器 1台

4．函数发生器 1台

三、实验电路

四、工作原理

任何组态（共射、共基、共集）的放大电路的主要任务都是不失真地放大信号，而完成这一任务的首要条件，就是合理地选择静态工作点。为了保证输出的最大动态范围而又不失真，往往把静态工作点设置在交流负载线的中点，静态工作点设置得偏高或偏低,在输入信号比较大时会造成输出信号的饱和失真或截止失真。因此，静态工作点要根据电路的实际需要而设置。

（1）静态工作点

(2) 动态参数

电压放大倍数： be L i o v r R V V A '

-== 输入电阻： bc

b i r R R //= 其中

1//b b b R R R =

输出电阻：

o R R ≈

输入电阻测量使用串联法，输出电阻测量用带载与无载法，最终

输入电阻

121

R V V V R i i i i -=

输出电阻

(

)L oL

o o R V V R 1-=∝

be c b b b R V E R R R I /)(

-+=)

(e c c c ce R R I E V +-=β

b I I =

(3) 动态范围

为使负载得到最大幅度的不失真输出电压，静态工作点应设在交流负载线的中点。静态工作点满足下列条件：

Chap3_单级放大器

分析方法
大信号分析
Vout vs. Vin（定性：输入范围输出范围，工作区） Vout vs. Vin（定量：Av公式，by大信号模型）
小信号分析
小信号等效电路（小信号模型）饱和区Av （易-->难：No gmb --> gmb, No ro --> ro） Rin & Rout
单级放大器 Chap3 # 31
共源级放大器的负载
1.无源器件(RLC)
2.二极管连接的MOS
3.电流源
4.线性区 MOS管
单级放大器 Chap3 # 32
采用电流源负载的共源级
I1=Iconst，放大器怎样进行放大？
单级放大器 Chap3 # 33
采用电流源负载的共源级
W ID 1 0.5μ C O X (Vi n VT H 1)2(1 λVo u t) I1 n L 1
W n ox L
VR D ID
•增益AV与W/L、ID、RD(VRD)三个参数有关： 1. 若保持ID、RD为常数， W/L↑，AV ↑，但MOS管寄生电容↑，高频响应(放大器的f3dB↓)变差。 2. 若保持为ID、 W/L常数， RD↑，AV ↑，这意味着VDS ↓，放大器静态工作点下移，输出电压的摆幅↓。 3. 若保持W/L、VRD不变，ID ↓， AV ↑，这意味着RD ↑，版图面积↑，电阻噪声↑，放大器速度↓(输出节点时间常数 RC ↑)，沟道调制效应的影响↑ (r0与RD更接近)。 ∴因此电阻复杂CS放大器一般不常用!

微电子电路基础_——单级放大器_

单级放大电路知识点

单管放大电路原理

复旦微电子-模拟集成电路设计-单级放大器

单级放大电路

电子电路基础-单管放大电路

单级放大电路

第2章 单级放大电路

单级放大电路

单管放大器的基本工作原理

三极管及单级放大器的工作原理

模拟电路基础-单级集成MOSFET放大器

单级放大电路

2_第二讲_单级放大器

CMOS模拟集成电路第3章—单级放大器

单级放大器实验报告

Chap3_单级放大器

第2章单级放大电路