2篇2章 放大电路动态分析电子教案

第二章 放大电路动态分析
本章从放大电路的交流通路入 手，在输入低频小信号的条件下， 器件用线性电路模型等效，然后用 电路原理中的一些方法，来分析和 计算放大电路的主要技术指标，所 以本章是电子电路分析的基础，要 求熟练掌握。
2.2.1 放大电路的动态性能指标
一、输入信号源和输出负载
1、输入信号源
➢ 交流通路的画法
所有耦合电容和旁路电容当作交流短路；（∵容量设计得 很大，容抗很小，∴可忽略不计。）
所有直流电源当作交流短路。（∵理想电压源对交流信号而 言，其交流变化量为零，∴可交流短路。）
一、放大电路的三种基本组态
➢ 共射组态(CE)
➢ 共集组态(CC)
➢ 共基组态(CB)
FET放大电路的三种基本组态
三极管CE放大电路如图3.1.15所示，设三极管在静态 工作点附近的β＝50。试计算： （1）Av、Ri、Ro； （2）若改用β＝100的三极管，重新计算Av、Ri、Ro； （3）若不接Ce，对电路的性能指标有何影响？
解：（1）VB ' R R b1 b2 VC Rb2 C1 6.25 6 1.223.5V
(5)最大不失真输出幅度
最大不失真输出幅度是放大电路在输出波形不产 生非线性失真的条件下，所能提供的最大输出电 压(或输出电流)的峰值，用Vom (或Iom)表示。 截止失真：由于进入截止区而产生的失真。
饱和失真：由于进入饱和区而产生的失真。
iC/mA
ICQ
工作点在交流负 载线中点时的最 大输出电流幅度
➢ 共源组态(CS)
➢ 共漏组态(CD)
➢ 共栅组态(CG)
二、基本放大电路的动态分析
放大电路分析的一般步骤：
①求静态工作点，根据Q点计算小信号模型参数， 如rbe；
②确定交流通路；
③画出微变等效电路；
④计算动态性能指标（如Av、Ri、Ro）。
1．共射放大电路的动态分析
①求电压放大倍数
放大倍数在高频段或低频段下降到中频段放大倍数 的1/ 2 (即0.707倍)时的频率分别称为上限频率和下 降频率（也称-3dB频率）。
-3dB频 率
20lgAv2m20lgAvm3dB
上限频率：fH
下限频率：fL 通频带：
BW fHfLfH
通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应 能力越强。
如对于扩音机电路，其通频带应大于音频范围 (20Hz~20kHz)。
A p(d)B 1l0 g P oP i
当用于电压增益时 ：
A v ( d ) B 1 lV 0 g o 2 / V ( i2 ) 2 l V 0 g o V i
“ 0dB” 相当于 Av＝1；
“20dB”相当于 Av＝10；
“40dB”相当于 Av＝100；
“-20dB”相当于Av＝0.1 ；
iC' iB
②当iB＝IBQ＋ΔiB不变时,
rce
vCE iC''
1 tg
iC''
vCE rce
当Δ iBiC 和 Δ vCiC E' 同时i作C '' 用时 ，iBrvcCeE
所以，输出回路c-e间的模型由受控电流源“βΔiB”和c-e间
动态输出电阻rce并联组成。
ivCBE ribBe.iBrvcCeE
iCf(vC E)|iBC O N ST
iC f (iB,vCE)
全微分:
diC
iC iB
vCECONST
diB
iC vCE
iBCONST
dvCE
diB
1
rce
dvCE
iC
iB
vCE rce
也可从图上看,集电极电流的变化ΔiC可以看作ΔiB 和ΔvCE分别单独变化时引起。
①当vCE＝VCEQ不变时，
③ 瞬变信号
瞬变信号的特点是信号电压随时间变化很快。要求放大电 路有快速的瞬态响应。
2、放大电路的负载
放大电路的负载种类很多，对不同的负载， 要求有不同的指标输出。
只要求放大器有足够大的电压幅度输出，如放 大器负载是高内阻的电压表；
只要求放大器有足够大的输出电流，如放大器 负载是继电器线圈；
要求放大器有足够大的输出功率，即既要有 大的输出电压幅度，还要有尽量大的输出电流。 如低频功放的负载是扬声器，能放出响亮的声音。
Voo
Ro =0 Ro小
Ro大
IO
Io
放大电路负载特性
输出电阻Ro的确定：
①分析电路时采用在输 出端反加等效信号源 的方法。
②在实验室采用测量的 方法。
Ro
V
' o
I
' o
Vs 0 RL
Vo
RL Ro RL
Voo
Ro VVo0o 1RL
(4)通频带
当放大电路的信号频率很低或很高时，由于电路中 存在的电抗元件以及晶体管的结电容和极间电容的 影响，放大电路的电压放大倍数在低频段或高频段 都要降低，只有在中频段范围内放大倍数为常数。
3
60uA
2
1
0
ωt 0 5
截止失真时的 电流波形
Q
35uA
Q’’ 15uA
10
15 20iB=v0CuEA/V
vCE/V
截止失真的原因是： ① 静态工作点偏低，ωt ② 小信号放大时，输 入信号幅度太大。
最大不失真输出幅度
截止失真时的 电压波形
2.2.2 半导体三极管和场效应管的低频小信号模型 一、三极管的低频小信号模型
A v sV V o s V V o i V V s i R iR iR s A v
(3)输出电阻Ro 放大电路负载开路时从输出端看进去的等效电阻。
输出电阻Ro的大小，反映了放大电路带负载的能 力。Ro越小，则放大电路带负载能力越强，电路 输出越接近恒压源输出。
VOVOO IORO
Vo
开路输出电压Voo
无论对NPN型或PNP型都是如此。
⑤rrbbee可用rbb公' 式(1估算)IV：ETQ
rbb′约为100~300Ω VT＝26mV
➢ 由网络方程导出模型ΔvBE=h11ΔiB+h12ΔvCE
ΔiC=h21ΔiB+h22ΔvCE
①h11是输出端交流短路时的输入电阻
h11ΔΔviBBE ΔvCE0 rbe
V o ' V o '
V o ' R e/r /b e 1 R b/R /s
rb eR b/R /s R e 比较 共射放大电路 Ro Rc
共集放大电路输出电阻小
3．共基放大电路的动态分析
①求电压放大倍数
②计算输入电阻
A vV V o i IIbbrR bL 'e
RL ' rbe
Ri
Vi Ii
分析各变化量或交流分量之间的关系
iBf(vB E)|vC EC O N ST
vBE f (iB,vCE)
全微分:
dvBE
vBE iB
vCECONST.diBvvC BE E
.dvCE
iBCONST
rbe.diB0
(1)输入回路b-e之
间等效为一动态
电阻rbe
。
vBE
rbe.iB
(2) 输出回路，集电极电流的变化ΔiC可以看作ΔiB 和ΔvCE分别单独变化时引起的。
“-40dB”相当于Av＝0.01 ； … …
(2)输入电阻Ri
输入电阻Ri是从放大电路输入端看进去的等效电阻， 定义为输入电压与输入电流之比。
Ri
Vi Ii
输入电阻反映了放大电路从信号源所汲取电压的能力。
Ri越大，则信号源内阻上的压降越小，放大电路所得 到的输入电压越接近信号源电压。
输入电阻影响源电压增益
Vi
(1
)Ib
Vi Re
Vi
(1 )( Vi ) Vi
rbe Re
比较共集放大电路输出电阻
Ro Re//rbe1R b//Rs
Vi Vi Vi
Re
//
rbe
1
rbe Re
1
.
③计算输出电阻
I
' O
.
Ib rbe rb. e//RS //Re
.
IbLeabharlann Baidu
0
+
.
V
' O
Ib 0
Ro≈Rc
-
【例】
二、放大电路的主要性能指标
(1)增益
又称放大倍数，衡量放大电路放大电
信号能力。最常用的是电压增益：
A v
Vo Vi
开路电压增益：负载开路（即RL=∞）时的电压增益。
源电压增益：
A vs
A vo
Vo Vs
Voo Vi
AV VoooV Voio AoRoR LRL
分贝 增益常用分贝（dB)作为单位，1分贝＝1/10贝 尔，源于功率增益的对数：
V i Ibrbe(1)IbRL '
Ib rbe(1)RL '
比较 共射放大电路
Ri Rb//rbe
共集放大电路输入电阻大
③计算输出Io' 电Ib阻βIbIRe 0
Io' (1β)IbIRe
(1β) Vo' Vo' rbeRb//Rs Re
R oV Io o '' |v R S L 0 (1 β )
R b R b 1/R /b 2 1/6 5 /.2 4 .4kΩ
IBQ RbV B '(1 0 .7 )Re43 .4 .5 50. 7 120.026 mA
②h12是输入端交流开路时的电压反馈系数
h12
vBE vCE
iB0
h12输出电压的变化对输入端电 压的变化的影响，可忽略不计。
③h21是输出端交流短路时的电流放大系数 h21iiCB vCE0
④h22是输入端交流开路时的输出电导
h22viC CE
iB0
1 rce
由于四个参数的量纲不同，故称混合参数（H参数）
iC/mA
3A
2
Q
1
0
ωt 0
5 10 VCEQ
iB=IBQ+ib =35+20sinωt (μA) 55uA
35uA
B 15uA
iB=0uA
15 20 vCE/V vCE/V
ωt
工作点在交流负载线中点时 的最大输出电压幅度
饱和失真：由于进入饱和区而产生的失真
iC/mA
iC/mA
3
2
Q’ Q
1
80uA 70uA
2.2.3 基本放大电路的动态分析
动态分析是在放大电路的交流通路基础上，假定放 大器件工作在线性放大区内，利用其小信号模型建 立放大电路的等效电路，然后计算电路的电压放大 倍数、输入电阻、输出电阻等动态性能指标。
交流通路 ： 是指放大电路在输入信号作用下，与
信号电流和信号电压相关的通路，仅用于研究电路 的动态性能指标。
适用于单端与地之间输入信号的 放大电路—单端信号源
信号源为电压源
信号源为电流源
（2）输入信号的波形
① 正弦稳态信号 如音频信号，频率范围在几十赫至几十千赫的正弦 波。经话筒输出的音频信号幅度通常为几～几十毫 伏
② 慢变信号或直流信号
如由温度等非电量经传感器转换所得的信号，随时间变化 缓慢。
直流输入信号应看作是相对于零的变化，切勿与静态值相 混淆。
②计算输入电阻
Ri A vVI ii V V o iV i IVVb Iirib bR eL 'V i RrR Lb ' L 'eRC//RL
Rb1 Rb2 rbe
Rb1 // Rb2 // rbe Rb // rbe
③计算输出电阻 RoRc//rceRc
2．共集放大电路的动态分析
①求电压放大倍数
50uA 35uA 30uA
0
ωt 0 5
10
iB=0uA
15 20 vCE/V
工作点偏高
饱和失真时
vCE/V
的电流波形
最大不失真输出幅度
饱和压降ωt
饱和失真时
饱和失真的原因是： ① 静态工作点偏高，
的电压波形 ② 输入信号幅度过大。
截止失真：由于进入截止区而产生的失真
iC/mA
iC/mA
80uA
V i Ibrbe(1)IbRL '
Ib rbe(1)RL '
V o(1 )IbR L '
A vV V o i rb( e 1 (1 )R )L 'R L ' 1
且 Av 1
共集放大电路的电压放大 倍数近似为1，又称为射 极跟随器。
②计算输入电阻
R i V I iiV R ib V iIbV R ib r b V ei(1 V i )R L ' R b/r /b e(1 )R L '
模型。当忽略h12时，H参数等效模型与小信号模型 是相同的。
二、场效应管的低频小信号模型
iD
VDD/Rd
iDS iD
i
' D
Q’
Q
iDf(vG,SvD)S
vGS
VDD
dD i
iD vGS
d vDS常数
vGSviD DS
d vGS常数
vDS
gmdvGSr1dsdvDS
v D S iDS
i D'
g+
动态输出电阻rce一般很大，通常可以忽略。
也可用交流量 b +
表示:
v be
e-
c
+
v r c e
ib
ce
-e
在应用三极管低频小信号模型时应注意：
①只适用于低频小信号下。
②讨论的是变化量或交流分量，不允许出现直流量或瞬时
量符号。
③微变参数，与Q点有关，不是固定常数。
④电流源“βΔiB” 方向和大小由ΔiB决定。
v gs
s-
rds
gm vgs
+d
v ds
-s
id gmvgsr1dsvds
输入回路：由于场效应管的栅极电流为零，输入回路栅极源 极之间可用开路来等效。
输出回路：受控电流源“gmΔvGS”和动态电阻rds并联。
gm：低频跨导，它表征了ΔvGS对ΔiD的控制能力。 rds：输出电阻（动态电阻），通常可忽略。 受控电流源方向：对6种类型FET都适用。