复旦大学电子工程系孔庆生

⎪⎩
gm
=
2 VTH
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模拟电子学基础
IDSS ⋅ IDQ
29
复旦大学电子工程系 孔庆生
共源交流小信号等效电路
+
RG3
vi RG1
ri
g + vgs RG2 s
d
gmvgs rds
RD
ro
+ RL vo
ri = (RG1 // RG2 ) + RG3
ro = rds // RD
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3
复旦大学电子工程系 孔庆生
放大器的性能指标
增益
电压增益(电流、跨导、跨阻)
功率增益
对数形式
Av
= 20 lg
vo vi
(dB)
} 输入阻抗
输出阻抗
一般为复数
2008-7-4
模拟电子学基础
4
复旦大学电子工程系 孔庆生
放大器的频率响应
定义电压(电流)增益下降3dB为截止频率
|A|
电压增益的形式类似共集电极放大器， 但是一般FET的gm较小，所以电压增益 小于1
输出电阻较低，且与信号源内阻无关
2008-7-4
模拟电子学基础
34
复旦大学电子工程系 孔庆生
单管放大器的频率特性
频率特性包含高频特性与低频特性
分析单管放大器的高频特性时，需考 虑晶体管的高频等效电路
需考虑电路中电抗元件(电容、电感)的 频率特性
vi
RG2
RG3
+ RL vo
2008-7-4
模拟电子学基础
28
复旦大学电子工程系 孔庆生
FET放大器的偏置
用估算法计算
以转移特性求解方程，要注意除去一个多余解
⎧ ⎪VGSQ ⎪
=
RG2 RG1 + RG2
VDD
⎪⎪⎨I DQ ⎪
=
I DSS
⋅
⎜⎜⎝⎛
VGSQ VTH
− 1⎟⎟⎠⎞ 2
⎪⎪VDSQ = VDD − I DQ ⋅ RD
2个RC回路→2个极点
e
Cb′′′c
=
(1 +
1 g m RL′
) ⋅ Cb′c
≈
Cb′c
ω1
=
(rs
//
RB
+
1 rbb′ ) // rb′e
⋅ (Cb′e
+
Cb′′c )
≈
(rs
//
RB
+
1 rbb′ ) //
rb′e
⋅
gm RL′ Cb′c
ω2
=
1 RL′ Cb′′′c
≈
1 RL′ Cb′c
V1
V n=2 1
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模拟电子学基础
6
复旦大学电子工程系 孔庆生
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
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模拟电子学基础
7
复旦大学电子工程系 孔庆生
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
37
复旦大学电子工程系 孔庆生
共射高频小信号等效电路
原始电路：
rs
b rbb'
+
+
+
vs
vi RB vbe
vb'e
Cb'c
b'
Cb'e rb'e
c
gmvb'e rce
RC
+
RL vo
e
Miller等效：
rs
b
+
+ rbb' +
vs
vi RB vbe
vb'e
b'
Cb'e Cb'c' rb'e
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
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模拟电子学基础
8
复旦大学电子工程系 孔庆生
共射放大器的结构
信号源 直流偏置
负载
VCC
RB
RC
rs C1
vs
C2
+
RL vo
信号零参考点
2008-7-4
模拟电子学基础
9
复旦大学电子工程系 孔庆生
直流偏置
作用：提供晶体管合适的直流工作点
1
m
gm
+β β
1+
β
RL '
β
RL
'
≈ gm RL ' 1 + gm RL '
输入电阻
（若不考虑RB 则可以很高）
ri
=
RB
//( vi ib
)
=
RB
//[rbe
+
(1 +
β )RL
']
输出电阻 （很低）
ro
=
vo io
=
rbe
+ rs // RB
1+ β
// rce
// RE
2008-7-4
复旦大学电子工程系 孔庆生
第3章 晶体管放大器
复旦大学电子工程系 孔庆生
放大器概述
放大器的一般描述 分析放大器的一般方法
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模拟电子学基础
2
复旦大学电子工程系 孔庆生
放大器的一般描述
双口网络
Rs
ii
io
vs
+
vi
A
+
vo
RL
激励与响应是电压或电流
2008-7-4
模拟电子学基础
（输入回路）
RC VCC
IB VCC RB IBQ
晶体管输入特性曲线 IB = f (VBE,VCE)
静态工作点
IB =
VCC- VBE RB
2008-7-4
VBEQ
模拟电子学基础
VBE VCC
13
复旦大学电子工程系 孔庆生
图解法的例子 RB
（输出回路）
IC VCC RC
ICQ
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- IC = VCC VCE RC 静态工作点 IB = IBQ
为了简化分析过程，有时用Miller定理
对高频等效电路作单向化近似
2008-7-4
模拟电子学基础
35
复旦大学电子工程系 孔庆生
Miller定理
Z(s)
v1
四端网络
v2
v1 Z1(s)
四端网络
Z2(s) v2
(a)
(b)
将跨接在四端网络两端的 阻抗等效到四端网络两侧
注意：AV(s)包含Z(s)的作用
共集交流小信号等效电路
晶体管模型
rbe b
+ vbe
gmvbe
等效电路
c
rs
b
rbe
e
vs
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vi
ri
+ vbe RB gmvbe
c
模拟电子学基础
rce RE
ro
e rce
+
vo
RL
23
复旦大学电子工程系 孔庆生
共集放大器的特性
电压增益 (近似为1）
Av
=
vo vi
=
1
g +
c +
gmvb'e RL' Cb'c'' vo
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e
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
rs
b
rbb' +
vs
RB
vb'e
b' Cb'e Cb'c' rb'e
c
+
gmvb'e
RL'
Cb'c'' vo
Cb′′c = (1 + gmRL′ ) ⋅ Cb′c ≈ gmRL′ Cb′c ,
模拟电子学基础
15
复旦大学电子工程系 孔庆生
工作点不恰当引起的输出失真
IC IC
(A)
t
IC
(B)
t
交流负载线 IB
(A) t
IB
(B) t VCE
VCE t
VCE t
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A 饱和失真
(A)
(B)
B 截止失真
模拟电子学基础
16
复旦大学电子工程系 孔庆生
交流小信号分析
在直流偏置基础上叠加交流小信号
RC VCC
2008-7-4
模拟电子学基础
11
复旦大学电子工程系 孔庆生
直流偏置分析的图解方法
输入回路的静态工作点
} 输入回路方程
晶体管输入特性曲线
相交点
输出回路的静态工作点
} 输出回路方程
晶体管输出特性曲线
相交点
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
图解法的例子 RB
vs
vi RB vbe rbe
c
gmvbe rce
RC
+
RL vo
ri
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e
模拟电子学基础
ro
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复旦大学电子工程系 孔庆生
rs
b
+
+
vs
vi RB vbe rbe
c
gmvbe rce
RC
+
RL vo
e
ri
ro
晶体管参数 gm = ICQ /VT rbe = β / gm
rce = VA / ICQ
只考虑交流回路
足够大的电容短路，足够大的电感开路
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
2008-7-4
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
共射低频小信号等效电路
RB rs
C1
vs
VCC RC
C2
+
RL vo
rs
b
+
+
由于Miller效应，ω1的频率较低(主导极点)
2008-7-4
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
共射放大器的高频特性
Avs(jω)
Avs0
ω
ω1
ω2
中频增益
Avs0
=
rb′e rbb′ + rb′e
⋅
rs
RB //(rbb′ + + RB //(rbb′
rb′e ) + rb′e )
模拟电子学基础
24
复旦大学电子工程系 孔庆生
共基极放大器
信号源 直流偏置
rs C1
vs
RE
RC
C2
负载
VCC
+ RL vo
2008-7-4
模拟电子学基础
-VEE
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复旦大学电子工程系 孔庆生
共基交流小信号等效电路
晶体管模型
rce
e
c
等效电路(忽略rce）
vbe rbe gmvbe
+
b
rs
ri
=
vi ii
=
1 RE
+
1 1 rbe
+ gm
= RE
//
rbe ≈ β +1
VT ICQ
（可以较高）ro = RC //[rce + (1+ gmrce )⋅ rs // RE // rbe ]
≈ RC
2008-7-4
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
共源极放大器
VDD
RG1
RD
+
只有电压控制模式(FET放大器共同特点)
2008-7-4
模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
共漏极放大器
VDD RG1
+
vi
RG2
RG3
+
RS
RL vo
2008-7-4
模拟电子学基础
32
复旦大学电子工程系 孔庆生
共漏交流小信号等效电路
+
RG3
vi RG1
ri
g + vgs s
ຫໍສະໝຸດ Baidu
RG2 d
⋅ (−gmRL′ )
VCEQ
VCE VCC
模拟电子学基础
RC VCC
14
复旦大学电子工程系 孔庆生
共射放大器的输出动态范围
以合适的静态工作点，保证晶体管工作在放大区
IC
直流负载线 交流负载线
VCC RC
静态工作点
IC
IB
Q t
t
tgθ = (RL' )-1
VCC' VCC
VCE
tgθ = (RC)-1
VCE t
2008-7-4
注意点：正确区分直流回路(电容开路，电
感短路）
分析方法：
VCC
RB
RC
估算法 图解法
rs C1
vs
C2
+
RL vo
2008-7-4
模拟电子学基础
10
复旦大学电子工程系 孔庆生
直流偏置分析的估算方法
I BQ
=
VCC
− VBE (on) RB
ICQ = β IBQ
RB
VCEQ = VCC − ICQ RC
Av
=
vo vi
= −gm (rds // RD
// RL ) = −gmRL '
模拟电子学基础
30
复旦大学电子工程系 孔庆生
共源放大器的特点
输入电阻很高。若不考虑偏置电阻，可以 达到极高的数值
电压增益的形式类似共发射极放大器，但 是一般FET的gm较小，所以电压增益小于 共射放大器
输出电阻的形式也类似共射放大器
+
vs
vi RE
ri
2008-7-4
rce
e
c
vbe rbe
+ b
gmvbe
模拟电子学基础
RC ro
+ RL vo
26
复旦大学电子工程系 孔庆生
共基放大器的特性
电压增益 （大小与共射相同）
AV =
gm
+
1 rce
1+ 1 +1
≈ g m ⋅ RL′
rce RC RL
输入电阻 （低）
输出电阻
2008-7-4
模拟电子学基础
Z1
(s
)
=
1
Z (s) − Av (s)
Z
2
(
s)
=
1
Z −
(
s) 1
Av (s)
36
复旦大学电子工程系 孔庆生
共射放大器的高频特性分析
耦合电容影响低频特性（在多级放大器中讨论）
VCC
RB
RC
rs C1
vs
C2
+
RL vo
极间电容影响高频特性
2008-7-4
模拟电子学基础
gmvgs rds
RS ro
+ RL vo
Av
=
vo vi
= gm RL ' 1 + gm RL '
ri = (RG1 // RG2 ) + RG3
ro
=
rds
1 1 // RD
+ gm
=
1 gm
// rds // RD
2008-7-4
模拟电子学基础
33
复旦大学电子工程系 孔庆生
共漏放大器的特点
输入电阻很高。若不考虑偏置电阻， 可以达到极高的数值
3dB
f
BW
fL
fH
上下截止频率之间为放大器的通频带
2008-7-4
模拟电子学基础
5
复旦大学电子工程系 孔庆生
放大器的非线性失真
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
∑ THD = (V2 )2 + (V3 )2 + ... = ∞ (Vn )2
V1
电路特性参数
ri = RB // rbe
ro = rce // RC
Av
=
vo vi
= −gm RL ' = −gm (RL
// RC
// rce )
Avs
=
vo vs
=
vo vi
⋅ vi vs
=
Av
rs
ri + ri
2008-7-4
模拟电子学基础
19
复旦大学电子工程系 孔庆生
单管放大器的一般分析过程
求晶体管的静态工作点(直流回路)， 并求得晶体管小信号等效参数
画出交流小信号等效电路(交流回路)
在交流小信号等效电路中，求出输入 输出的电压、电流关系，最后得到放 大器的性能指标
2008-7-4
模拟电子学基础
20
复旦大学电子工程系 孔庆生
共集电极放大器
信号源 直流偏置
负载
RB1
rs C1
vs
RB2
VCC
C2 RE
+
RL vo
ri
ro
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生
共集放大器的直流与交流回路
VCC
RB1
rs
+
RB2
RE
vs
RB1 RB2
RE RL vo
直流回路
交流回路
直流静态工作点的分析与前类似
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模拟电子学基础
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复旦大学电子工程系 孔庆生