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CHAP.3 Basic Amplifier Circuits

CHAP.3 Basic Amplifier Circuits. CHECKPOINT. 放大器的基本工作原理 用图解法分析共发射极放大器的静态工作点，及 最大不失真输出幅度。 用小信号等效电路分析 BJT 三种组态放大器和 FET 共源放大器，并进行比较。 用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器 的性能。 了解放大器的频率特性。. 放大器. 晶体管. 电压. 小信号. 低频. 阻容. § 3.1 Basic Concept. 放大器是放大电信号的装置，其基本任务是将微弱信号不失真地放大到所需的值， 即用较小的信号去控制较大的信号。.

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Presentation Transcript

  1. CHAP.3 Basic Amplifier Circuits CHECKPOINT • 放大器的基本工作原理 • 用图解法分析共发射极放大器的静态工作点，及 • 最大不失真输出幅度。 • 用小信号等效电路分析BJT三种组态放大器和FET • 共源放大器，并进行比较。 • 用小信号等效电路分析等效电路分析多级放大器 • 的性能。 • 了解放大器的频率特性。

  2. 放大器 晶体管 电压 小信号 低频 阻容 § 3.1 Basic Concept 放大器是放大电信号的装置，其基本任务是将微弱信号不失真地放大到所需的值，即用较小的信号去控制较大的信号。 器件——电子管、晶体管、集成电路 用途——放大电压、电流、功率信号 放大器 类型 信号——大信号、小信号 频率——直流、低频、高频、视频 耦合方式——直接、阻容、变压器、光电

  3. Io Ii RS + + 信号源 AMP 负载 + RL Ui Uo US - - - Voltage Gain Current Gain Power Gain 一. Main Properties 1. Gain 衡量放大器放大微弱信号的能力

  4. Io Ii RS + + AMP + Ri RL Ui Uo US - - - Ri Source Voltage Gain 2. Input Resister Ri 衡量放大器对输入信号的衰减程度，其大小应从 信号有效地传输来确定 传输电压信号要求Ri>>Rs

  5. Io Ii RS + + AMP + + RL Uo Ui US - - - - RO RO 3. Output Resister RO 衡量放大器对带负载的能力，其大小应从 信号有效地传输来确定 Ro的计算方法与电路分析一致 当负载变化时，Uo基本不变，则要求Ro小

  6. Au iB Q 0 f uBE 4. Distortions Nonlinear Distortions Amplitude Linear(Frequency) Phase 晶体管输入、输出特性的 非线性产生非线性失真， 其大小与工作点位置、信 号大小有关

  7. iC iB ICQ t IBQ C2 iC t + + C1 iB uCE + Rc + uBE uCEQ uBE Uo - - RL Rs Rb UCEQ Ui + UBEQ + + • UCC t - UBB Us t - - - - 二. Basic Circuit—CE + + Ui=0，晶体管各极电流、电压为直流 值，放大器处于静态(直流)工作。 分析 各元件的作用 加入输入信号Ui后，晶体管各极电流、 电压随信号而变，放大器处于动态(交 流)工作。

  8. C2 + C1 iC + + Rc + iB uCE Uo - RL Rs Rb uBE Ui + + + • UCC - - UBB Us - - - - +Ucc Rc C2 Rb + C1 + RL Rs Uo Ui + Us - - - 习惯画法 • 晶体必须工作管在放大区 • 信号能输入 • 信号能输出 • 波形基本不失真

  9. +Ucc +Ucc Rc Rc Rb Rb ICQ ICQ + + IBQ IBQ UCEQ UCEQ + + UBEQ (1) UBEQ (2) - - - Re IEQ 三. DC and AC Pass 1. DC Pass—Find Q-point

  10. +Ucc +Ucc Rc Rc Rb1 ICQ ICQ + + IBQ I1 (3) (4) UCEQ UCEQ + + UBEQ UBEQ - - Rb2 Re Re IEQ IEQ -UEE

  11. +Ucc Rc Rb ICQ + IBQ UCEQ + UBEQ - - • 最大ICQM为[Ucc-UCE(sat)]/RC， 放大器工作在放大 区。 已知：UBE(on)=0.7V，β=40，UCC=12V， Rb=240KΩ， Rc=3KΩ。求静态 工作点Q 。 Example 1 解： Discussion • 若基极接地或负电压，则偏置电流IBQ=0，管子截止，此时 UCEQ=UCC 。 • 若Rb=60KΩ，则IBQ=200uA，ICQ=8mA，UCEQ=-12V，这是不可能 的。此时放大器工作在饱和状态，UCEQ=UCE(sat)，ICQ=βIBQ 不再成立。

  12. 已知：UBE(on)=0.7V，β=50，-UCC=-20V， Rb=200KΩ， Re=4KΩ。求静态工 作点Q。 Rb ICQ + IBQ UCEQ + UBEQ - Re IEQ Example 2 -Ucc 解： CONCLUSION 管子截止时：UCEQ=UCC 饱和时：UCEQ=UCES ≈0

  13. C2 iC + + C1 iB uCE + Rc + uBE Uo - - RL Rs Rb Ui + + + • UCC - UBB Us - - - - Ic + + Ib Uce + + Ube Uo - - RL Rc Rs Rb Ui + Us - - - 2. AC Pass—Find Au、Ri、Ro

  14. Uo Uo Ui Ui Uo Ui Ui (a) (b) Uo Ui Example 1 Plot AC pass of figure (a) and (b) 图(a)和图(b)的直流通路相同

  15. +Ucc +Ucc DC Pass + Uo + AC Pass Us - - + Uo + Us - - Example 2 Plot DC and AC pass

  16. § 3.2 Basic Analysis of Amplifier 估算法 静态工作 —求静态点Q(直流通路) 分析 放大器 图解法 动态工作 —求Au Ri Ro(交流通路) 等效电路法 图解分析法：形象、直观，但难以准确定量分 析，用来分析非线性失真。 分析方法 等效电路法：对器件建模进行电路分析，运算 简便，结果误差小，仅适用于交 流小信号工作状态。

  17. iC C2 + + C1 iB uCE + Rc + uBE RL Uo - - Rs Rb Ui + + + • UCC - UBB Us - - - - 一. Graphical Analysis 1. DC Analysis Analysis Step • 用估算法求出基极电流IBQ（假设为40μA） • 根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。

  18. iC C2 + C1 iB uCE Rc + RL Uo Rs Rb Ui + + + • UCC - UBB Us + - - - - + uBE - - 作直流负载线。 根据集电极电流iC与集、射间电压uCE的 关系式uCE=UCC－iCRC可画出一条直线，该直线在纵轴 上的截距为UCC/RC ，在横轴上的截距为UCC。 • 求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。直流负载线 • 与输出特性曲线上IB=40μA的交点就是静态工作点Q， • 由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ 和UCEQ 。

  19. 两者的交点Q就是静态工作点 DC Load Line Q IcQ UcEQ 由uCE=UCC－iCRC所决定的直流负载线 Ucc/Rc IB=40μA的输出特性曲线 Ucc 过Q点作水平 线，在纵轴上 的截距即为ICQ 过Q点作垂线， 在横轴上的截 距即为UCEQ

  20. 根据 在输出特性中画交流负载线 Ic + + Ib Uce + + Ube Uo - - RL Rc Rs Rb Ui + Us - - - 2. AC Analysis Analysis Step • 根据静态分析方法，求出静态工作点Q • 画放大器交流通路 • 根据ui在输入特性上求uBE和iB • 由输出特性曲线和交流负载线求iC和uBE

  21. Ic + + Ib Uce + + Ube Uo - - RL Rc Rs Ucc/Rc Q Rb Ui + Us - - - IcQ AC Load Line UcEQ Ucc 交流负载线

  22. ic(mA) ic(mA) 8 0 A Q1 μ 60 Q IBQ 6 0 A μ ICQ Q 40 4 0 A μ 20 Q2 20 A μ 0 uBE(V) uCE(V) UCEQ t UBEQ I =0 B 0 t t iB(uA)

  23. RC↓ Q1 Rb↓ Ucc/Rc Q Q4 Q3 IcQ RC↑ Rb↑ Q2 UcEQ Ucc Q-point and Nonlinear Distortions UCES —极限点Q1 —进入饱和状态 Rb↓— IBQ↑—Q点沿负载线上移 —极限点Q2—进入截止状态 Rb↑— IBQ↓—Q点沿负载线下移 RC↑—负载线斜率增小 —Q点沿IBQ=40uA曲线平移达Q3 RC↓—负载线斜率增大 —Q点沿IBQ=40uA曲线平移达Q4

  24. ICQ UCEQ Saturation Distortions

  25. ICQ UCEQ Cutoff Distortions Cutoff Distortions

  26. Summary • 放大器中的各个量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成。 • 由于C2的隔直作用，放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量，且与输入电压ui反相。 • 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出。负载电阻RL越小，交流负载线越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。 • 静态工作点Q设置得不合适，会产生非线性失真。即Q点选得偏高，易产生饱和失真；Q点选得偏低，易产生截止失真。

  27. 二. Small-Signal Equivalent Circuit Analysis 微变等效电路分析法：非线性元件晶体管在工作点附近的微小范围内，可等效成一个线性电路，此时放大电路可用线性电路的分析方法来分析。 • 用估算法计算静态工作点Q，并求出rbe Analysis Step • 画出交流通路 • 晶体管用交流小信号等效电路代替 • 用电路分析法计算Au、Ri、Ro

  28. Ic + + Ib Uce + + Ube Uo - - RL Rc Rs Rb Ui + Us - - - Ic Ib c b + rbe Ube + - Ib Ic e e Ui + c b Rs rbe - Rb Uo RL Rc + Us e e - -

  29. Ib Ic Ro Ri + c + b Rs rbe Rb Uo RL Rc Ui + Us e e - - - 计算Au、Ri、Ro RL'=RC//RL 计算Ro的方法是：信号源短路，负载RL断开，在输出端加电压U，求出由U产生的电流I，则

  30. CE AMP FEATURES • 输出电压信号与输入电压信号反相 • 电压放大倍数大 • 输入电阻小 • 输出电阻大

  31. 已知：Ucc=12V，Rs=1kΩ，Rb=300kΩ，Rc=3kΩ，RL=3kΩ，已知：Ucc=12V，Rs=1kΩ，Rb=300kΩ，Rc=3kΩ，RL=3kΩ， β=50。 试求：1.RL接入和断开两种情况下电路的电压增益Au； 2.输入电阻Ri和输出电阻Ro； 3.输出端开路时的源电压增益Aus。 +Ucc Rc C2 Rb + C1 + RL Rs Uo Ui + Us - - - Example 1 解：先求静态工作点Q

  32. 78 再计算rbe

  33. 已知：UCC=12V，RB1=20kΩ，RB2=10kΩ，RC=3kΩ，β=50 RE=2kΩRL=3kΩ。试估算静态工作点，并求电压增益、 输入电阻和输出电阻。 Example 2 解：1.用估算法计算静态工作点

  34. 2.求电压放大倍数 3.求输入电阻和输出电阻

  35. +Ucc +Ucc Rb1 Rb1 ICQ C1 + IBQ + C2 UCEQ + UBEQ Rs + － － Ui Rb2 Rb2 + Re Uo RL Re Us － － － §3.3 Common-Collector Amplifier 一. DC Analysis

  36. +Ucc b I b Rb1 U i C1 U s + U C2 o Rs + Ui Rb2 + Uo Re RL Us － － － rbe b e Ii Ib Ie + + Ic Rs Rb1 Re + Rb2 RL － c － － 二. AC Analysis 1.Au

  37. rbe Rb b e Ii Ib Ie b + I b + Ic U Rs i U s Rb1 Re + U Rb2 RL o － c － － Ri Ro 2. 输入电阻Ri

  38. b I b b e I Ib Rs U I1 Ic + Rb1 Re Rb2 － c Ro 3. 输出电阻Ro 方法：信号源Us短路，去掉负载RL，输出端加电压U，产生 电流I，Ro=U/I。 rbe

  39. 常用作缓冲极、隔离极。 CC AMP FEATURES • 输出电压信号与输入电压信号同相 • 电压放大倍数小于1，但约等于1 • 输入电阻大 • 输出电阻很小

  40. +Ucc Rb C1 + C2 Rs + Ui + Re Uo RL Us － － － 己知：UCC=12V，Rb=200kΩ，Re=2kΩ，RL=3kΩ，RS=100Ω， β=50。 试求：1.估算静态工作点； 2.电压增益Au； 3.输入电阻Ri； 4.输出电阻Ro。 Example 1 解：1.用估算法计算静态工作点

  41. 2. Au 3. Ri 4. Ro

  42. +Ucc Rb1 C1 + C2 Rb Rs + Ui + Re Uo RL Rb2 Us － － － Example 2 己知：UCC=12V，Rb=100kΩ，Rb1=40kΩ，Rb2=80kΩ，Re=3.6kΩ， RL=3.6kΩ，RS=100Ω，UBE(on)=0.8V， β=50。试求： 1.估算静态工作点； 2.电压增益Au； 3.输入电阻Ri； 4.输出电阻Ro。 解：1.用估算法计算静态工作点

  43. rbe b e Ii Ib Ie b + I b + Rb Ic U Rs i U s Re + U RL o Rb2 Rb1 － c － － Ri Ro 2. Au、 Ri、 Ro

  44. +Ucc +Ucc Rc C1 Rb1 Rc C2 Rb1 ICQ + + IBQ Rs UCEQ + Re Uo + RL UBEQ Rb2 Cb Us － － Rb2 － Re － §3.4 Common-Base Amplifier 一. DC Analysis

  45. b I b U i U s U o Ro Ri Ii Ie e c + Ic + Rs Ib Rc rbe RL Re + － b － － 二. AC Analysis

  46. CB AMP FEATURES • 输出电压信号与输入电压信号同相 • 电压放大倍数大 • 输入电阻很小 • 输出电阻大

  47. +UDD 由 求出UGSQ 和IDQ Rd ID IDQ + + UDSQ Q UGSQ － － Rg Rs IDQ UGS UGSQ 0 §3.5 FET Amplifier 只要偏压，不要偏流。 FET种类较多，应用时注意极性。 Features 1. Self-bias Circuit 一. Bias Circuits

  48. +UDD Rd Rg1 IDQ 由 + UDSQ + UGSQ － － Rg2 Rs ID 求出UGSQ 和IDQ UGS Q IDQ UG 0 UGSQ 2. Voltage Divider Biasing

  49. +UDD Rd C2 Rg1 + C1 + Uo RL Rg Ui Rg2 Rs Cs － － 二. FET Amplifier Common-Source Amplifier 1.静态分析 根据分压式偏置电路求静态工作点

  50. g d Ii + + Id + Rg Ugs U U Rd s RL o i － Rg2 Rg1 － － Ri Ro 2.动态分析

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