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模电第2-7章(12级)

通知:从今开始,每周的两次课均在J303教室上。特此通知,希各周知。

“模电”中用到的半导体器件

1、二极管 单向导电性:正偏导通,反偏截止。

2、二极管的V -A 特性 分3个区:正向区①、反向区②、反向击穿区③(稳压管工作区)。二极管方程式:

)1(T /S -=U u e I i

式中:I S 反向饱和电流(给定),μA 级;U T :温度电压当量,室温下U T =26 mV 。

实际VD :硅管导通压降U on =0.7 V ,锗管U on =0.2 V ;理想VD :正向导通压降0 V ,截止电流为0。

3、双向稳压管:原理与VS 同,但正、反向都能稳压,稳压值:±U Z 。

4、双极型晶体三极管(BJT ):流控电流器件;有输入、输出特性;主要参数:共射、共基电流放大系数β,α,有:)1/(ααβ-=;I CEO ;I CM 、P CM 、U (BR )CEO (极限参数)。

● 输入、输出特性

1)输入特性i B =f 1(u BE ,u CE )|U CE

2)输出特性i C =f 2(i B ,u CE )|I B

输出特性上划分3个区:饱和 Ⅲ、放大 Ⅱ、截止区Ⅰ。

作为放大器件,BJT 当然工作在Ⅱ区放大区!

BJT 处于放大区的外部条件:发射结(J e )正偏,集

电结(J c )反偏!

放大器中约定:硅管J e 正偏压降U BE Q =0.7 V ,锗

管U BE Q ≈0.3 V 。现以NPN 管共射(CE )放大电路为例,在管子输出特性曲线上标注:

● 静态工作点Q : BJT 工作时,

3个电极承受直流(DC )电压及相应的DC 电流,决定输出特性上一点Q ,此即为静态工作点,记为Q (U CE ,I C )。

意义:① Q 点参数为DC 量,BJT 处于放大区所必

须;

② 目的:Q 点设置于放大区中央位置—→抬高电压

值—→不失真放大交流(AC )信号!图示:i C 波形!

6、场效应管(FET )放大器件

区分:结型管(JFET )、耗尽型MOS 管、增强型MOS

管(已用于CMOS 数字电路),各种FET 均有N 或P 沟之别;JFET 、耗尽型MOS 管用作放大器件,主要是后者。

FET :压控电流器件,有:转移特性和输出特性。

∵ FET 无栅极电流i G ∴ 无输入特性,但有转

移特性(平方率关系):

2GS(off)GS

DSS D )1(U u I i -=

式中:I DSS为饱和漏极电流,U GS(off)系夹断电压。i D ~u GS:体现FET的压控电流作用。

主要参数:跨导g m(≌BJT:β),反映放大能力;

DC输入电阻R GS(DC)大:JFET的R GS(DC)>109 Ω,MOS管的R GS(DC)>1013 Ω。

7、模拟IC:采用特殊生产工艺,先把BJT or FET、二极管、电阻、小电容、连接导线组成电路后,制作在一小块硅片上,再做出若干管脚,最后封装于一个管壳内,构成一个完整的、具有一定功能的器件。

∵模拟IC元件密度高、连线短、体积小、功耗低

∴增强了模拟电子设备的可靠性、经济性和使用灵活性。

模拟IC包括集成运算放大器(运放)、模拟乘法器(模

乘)、电压比较器、功率放大器(功放)、三端稳压器等,

将陆续出现。模电中用得最多的是运放!

希望掌握模拟IC的外部性能,特别是运放:开环电压

增益A od、输入电阻R id和输出电阻R o等参数。

学“模电”时希注意:

●掌握器件/电路外部性能;在此基础上,学分析方法。

●预习、听课、做题;思考、讨论等,理解、掌握模

电的概念和分析方法。多做题,勤于思考,多问为什么?

从何下手解题?用到何概念、方法?想方设法,学好模电!

P47:第2章 基本放大电路

§2.1 放大电路组成 工作原理

一、组成 线性放大

如图:低频小信号u i (mV )—→i i —→i o →u o (V ) 图中:直流电源:能源 → 电路建立起放大状态;u s :信号源(典型输入信号:正弦波),R s 信号源内阻;小信号经放大后,输出电流i o 供给负载(扬声器)。

此电路中,话筒送来微弱的音频信号经放大后,推动扬声器(喇叭)纸盆(音圈)振动,发出清晰悦耳的声音。扬声器所需能量系V CC 提供,晶体管仅起能量控制作用。 工程中一般采用多级放大电路(多放),末级为功放。不论是电压放大级,还是功放输出级,均需满足条件: 1、晶体管须处于放大区

BJT :J e 正偏、J c 反偏;

FET :加合适的栅偏压U GS —→管子在放大区。

2、u i 能输入、u o 能输出的条件

只有这样,小信号才经过晶体管不失真地被放大! 此为判断所拟定的放大电路能否放大信号的依据。

二、指标 原理

3 AC 指标:设输入正弦小信号(一般mV 级)

1、电压增益相量 i o u /U U A =A u ∠φu

输入电压u i 被放大了A u (1)倍,但实质是:晶体

管的电流控制作用,输出较大能量来自V CC ,而非晶体管!

2、输入电阻 i i i /I U R =:表明索取信号源电流之大小;

3、输出电阻 ∞→==L ,0o R s U I U R :表示带负载能力。

思考:为什么R O 表示放大器带负载的能力?P.61

例1-1 P.82:判断题2-4图a 、d 能否正常放大正

弦AC 信号?若不能,试加以改正。黑板画图。

判据:1、BJT :J e 正偏、J c 反偏否?

FET :加合适栅偏压U GS 否?∵ 若是,管子处放大区。

2、u i 既能输入、u o 又能输出的条件是否满足?

P.82:2-2;2-3(选);2-4 b 、c 、e 、g 、h 。

注意:从第1周开始,每周的两次课均

在此教室上。希各周知,提前到课;

从第2周开始,每周 2 交作业。

三、单管共射放大电路(以NPN 管放为例)

见黑板图:设u i 正弦波信号(以后输入电压u i

都是正弦波,除非特别说明)。各元器件作用和原理如下:

1、V CC :直流电源(一般:几伏~十几伏),采用简化

画法:电源“-”极接发射极e ,“+”极经R C 、R B 分别接集电极c 、基极b ,确保J e 正、J c 反偏。

∵ 输入电压u i 、输出电压u o 之共同端是BJT 的e

极 ∴ 称此为:共射(CE )电路。

2、集极电阻R C :几k Ω~~十几k Ω,将电流i C 的变

化转换为集-射电压u CE 的交变;

3、基偏电阻R B :几十k Ω~~几百k Ω,藉此提供合适

的偏置电流I B (偏流)。此偏流大小:

B BE

CC B R U V I -= (1)

一般V CC U BE ,故有:

B C

C B R V I ≈ (2)

可见:I B 基本取决于V CC 和R B ,一旦V CC 、R B 确定,I B 亦随之固定,故又称为:固定偏流电路。

4、隔直耦合电容C 1、C 2:一般几μF~几十μF 的电

解电容器(具有正极性端),作用:隔直、耦交。

待放大AC 输入

u i 自左输入,u o 由右取出。u i 通过

C 1加到BJT 的b 极,引起i B 的变化,i B 与i C 呈线性变化关系。管子集-射压降u CE =V CC -i C R C 。当i C 增大时,u CE 减小,故u CE 变化恰与i C 的交变相反。u CE 的变化量经C 2送到R L 上,成为u o 。如电路参数选之合适,u o 幅度将比u i 的大许多倍(增益),故此电路有电压放大作用。 §2.2 图解法 (适用于大信号分析,如功放)

共两法,另有:微变eq. 电路法(小信号分析法)。

● 预备知识 仍以黑板AC 电压放为例:

特点:① 交、直流共存,如i B 、i C 、u CE 等,可列式;② 管子非线性。

∵ 电路中交、直流混在一体

∴ 为清楚起见,区分 ——

§2.2.1 DC 通路 & AC 通路

一、DC 通路 由V CC 决定的DC 电流流通路径

对于图示基本CE 放,画DC 通路。已知:β=37.5,

且知电路参数,估算I BQ 、I CQ 、U CEQ → Q (U CE ,I C )。

二、AC 通路 加u i 后,AC 电流传输的路径。此

通路用来求AC 参数:i o u /U U A =、R i 、R o

、s s U U A /o u =。 画法:大电容AC 视为短路;因V CC 对AC 量不起作

用,故将V CC 看做短路。据此,画基本CE 放的AC 通路。

因而可绘出主要电流、电压波形,如i B 、i C 、u CE 。

§2.2.2 图解法

例2-2 已知基本CE 放电路参数、3DG6特性曲线,

用图解法求:

1、 Q (U CE ,I C );

2、最大不失真输出电压幅度

U omM ;3、若R B 改为600 k Ω,Q 点位置?问与2同样大

小的u i时,u o波形失真吗?4、若R B改为150 kΩ呢?

图解法步骤:

1、由DC通路作直流负载线(i C ~u CE坐标系内);

2、由DC通路估算出I BQ,并在直负线上确定Q(U CE,

I C);(1、2为静态分析)

3、先由AC通路求

R'=R C∠R L,然后取截距式OA

L

R',在横轴上定出OA,最后连AQ并延长之,=U CEQ+I CQ

L

得AB,此AB即为交负线;

4、画u i作用下u CE波形图,由图截得最大不失真输出电压幅值U omM。(3、4:动态分析)

§2.2.3Q点位置选择

一、例题:为获U

,Q点选于交负线中央位置。

omM

二、除非获得U omM,选Q点常按以下原则:

●当信号幅度不大时,为功耗↓,在不失真及保证电压增益的前提下,将Q点选得略低一点。

●但Q点选得太低,且信号幅度较大时,NPN BJT 每一周期将有部分时间截止,导致截止失真;反之,若Q 点选之过高,且信号幅度较大时,又使动态工作点一段时间内移入饱和区,引起饱和失真。

所以:在输入信号幅度较大时,Q点应选于交负线中

央位置。这靠选取合适R B、R C或V CC保证。其中选取R B 较为直接、方便,因而也是实用之法。思考:为什么?

三、图解法特点:直观、全面,能在特性曲线上

合理安排Q点,并大致估算放大器动态工作范围。

四、缺点

●需在输出特性上作图,繁琐且工作量大;

●对于其他性能指标,如分析R i、R o或负反馈放大电路等无能为力。

故须研究更简便之法,这正是下次课将要介绍的微变eq.电路法(适合分析小信号工况)。

P83:题2-5b、c;2-7;2-8

例2-3 画题2-5b的DC通路。

§2.3微变eq电路法eq:equivalent等效

§2.3.1BJT的H参数模型(以NPN管为例)

一、建模(板书)二、简化H参数eq电路

现4个参数简化成2个。2个简化H参数中,β已知,

但r be须用下式估算:

r be≈r bb'+(1+β)26 mV/I EQ

式中:b'是基区内一个等效点,r bb'为b-b'的半导体体电阻。估算时r bb'取300 Ω(除非题另给);(1+β)26 mV/I EQ=

r b'e :折合至b 极之电阻。注意:(1+β):折合系数。

另注意:H 参数 ——

1、只针对AC 量,因此H 参数模型仅用来分析各AC

量。由于是AC 量,所以PNP 和NPN 管有相同的模型;

2、体现b I 控c I 作用,其方向可取为:b I 流入b 极,c

I 流入c 极。思考:对于PNP 管,b I 、c I 方向如何?

3、 ∵ BJT 特性非线性 ∴ 4个 H 参数都与Q

点有关。只有小信号,估算误差才小。思考:为什么?

4、适用范围:0.1 mA <I EQ <5 mA ;

§2.3.2 用微变eq 电路法分析基本CE 放

微变eq 电路画法:从输入端沿AC 信号传递路径,

BJT 用简化H 参数模型代替,其余按AC 通路画出,一直画至输出端,再标注相量,即画出微变eq 电路。

微变eq 电路法:用微变eq 电路分析放大器。 例2-4 已知基本CE 放电路参数及β如图标注,求

r be 值,并用微变eq 电路法求:① 电压增益i

o u /U U A =;② 输入电阻i i i /I U R =;③ 输出电阻∞→==L ,0o R s U I U R ;④ 源电

压增益s

s U U A /o u =。 解:画微变eq 电路图,由图写式,估算参数值。

P84:题2-10,11,12

§2.4 其他基本放大电路

T ℃↑→I CEO ↑、β↑、U BE ↓→I CQ ↑,即Q 点上移;

反之,若T ℃↓→Q 点下移。因此,须:稳定Q 点,设计: §2.4.1 分压式Q 点稳定放大电路

例2-5 已知放大电路参数见图,BJT 的β=50,问:

1、组态?已讲。

2、画DC 通路,求Q (U CE ,I C );

3、

画微变eq 电路图,由图求出i

o u /U U A =、i i i /I U R =、∞→==L ,0o R s U I U R 之值。

解:1、∵ b —输入端,c —输出端,e —公共端

∴ CE 组态。 另:射极偏置电阻R E —射偏放。

2、画DC 通路。设I 1>>I B ,则:

U B ≈ R B2 V CC /(R B1+R B2)≈2.8 V 基本固定

I CQ ≈I EQ =(2.8 V -0.7 V )/1.5 k Ω=1.4 mA

U CEQ ≈V CC -I CQ 3(R C +R E )≈5.3 V

∴ Q (5.3 V ,1.4 mA )

定性分析:Q 点稳定过程。

3、射偏放动态分析

求 i o u /U U A =、i i i /I U R =、∞→==L ,0o R s U I U R 之值:

先 r be =r bb'+(1+β)26 mV /I EQ

=300 Ω+513(26 mV /1.4 mA )≈1.25 k Ω

画微变eq 电路于黑板,由图写出:

E be L E be b L b i o u )1(])1([R r R R r I R I U U A ββββ++'-=++'-== ≈-1.3

与基本CE 放同,u A 式前“-”表示:o U 与i

U 反相。由此可见:只要是CE 放,都有:o U 与i

U 反相180°。 思考:A u 为何如此小? R E ?

采取何种措施既 → Q 点稳定,又使A u 不减小。

再求:输入电阻R i ,由图:

])1([E

be b E e be b i R r I R I r I U β++=+= 故: E

be b i i )1(/R r I U R β++==' 则: i 2B 1B i ////R R R R '=≈7 k Ω

最后求输出电阻:根据定义,将i U 短路,因而b

I =0,βb I =0,即受控源开路,且断开R L ,得:

R o =R C =3.3 k Ω

P66:晶体管恒流源 将射偏放DC 通路R C 断开,

接入R L ,问:I CQ 恒定吗?DC 电阻R Q 、AC 电阻R o 大小?

1、I CQ ≈I EQ ≈U B /R E 恒定;

2、DC 电阻:R Q =U CQ /I CQ [V /mA ]=[k Ω] 较小;

3、AC 电阻:R O ≈r ce {1+[βR E /(r be +R E +R B )]}?几

百k Ω,较大。式中:R B =R B1∠R B2

符号 用处:充当差放、运放的有源负载。

§2.4.2 CC 放(射极输出器or 射极跟随器)

1、静态分析 已知电路参数及β,求Q (U CE ,I C )。

画DC 通路,得:

I BQ =(V CC -0.7 V )/[R B +(1+β)R E ]

≈V CC /[R B +(1+β)R E ]

I CQ =β3I BQ

U CEQ ≈V CC -I CQ 3R E

2、求u A 、R i 、R o

画微变eq 电路图,先求出: r be =r bb'+(1+β)26mV /I EQ (mA )

由图写式: i

o u U U A =

再求 R i 、R o :见板书。

P85:题2-13、2-18、2-20(填表)、2-17(选做)

归纳 射随器(基本CC 放)的特点:u

A ≈1,o U ≈i U ;R i 大;R o

小。 §2.4.3 共基放大电路 (P.72:基本CB 放)

例2-6 已知电路参数及β,分析图示放大电路的静、动态参数。

解:1、组态? 2、DC 通路:同于射偏放,

故:Q 点参数估算与射偏放的同。

3、求u A 、R i 、R o

,须画微变eq 电路。 适用:宽带放大电路。

§2.5.1 FET 放大电路静态分析(估算法)

已知电路参数及I DSS 、U GS (off ),求图示FET 放的Q

(U DS ,I D ):

一、自偏压放 列方程式,用估算法解;

二、 分压式偏置放 同上。

§2.5.2 FET 放的动态分析

1、FET 低频小信号模型 (共源:CS 接法)

推导:黑板图,在低频小信号条件下,FET 输出特性

i D =f (u GS ,u DS ) (*)

表示微变量之间的关系,故取全微分:有式(**),见黑板。

2、分析例 例2-7 右图:分压式偏置FET 放的

组态?已知电路参数及g m ,推导u A 、R i 、R o

式。 解:1) 组态(接法): CS ;

2) 画微变eq 电路图,由图列式:

L m gs

gs m R g U R U g U U A '-='-== L i o u “-”表示o U 与i U 反相。可见:对CS 放,o U 与i

U 相位关系与CE 放的相同。AC 输入电阻:

==i i i /I U R R G +(R G1∠R G2)

AC 输出电阻:根据定义,将i U 短路,有gs

U =0,因而g m gs U =0,即受控源开路;同时断开R L

,向左看入,遂得放大器出端电阻:

R o =R D

3、源极输出器

例2-8 已知电路参数及g m ,导出u A 、R i 、R o

估算式。

解:1)画微变eq 电路图,由图知:CD 组态,即源

随器。画其微变eq 电路图,由图写式:

L L L L i o u 1R g R g R U g U R U g U U A m m gs m gs gs m '+'='+'== <1

R i =R G +(R G1 ∠R G2)

2)求∞→==L ,0o R s U I U R 式,见板书。

P.86 ~ 题2-21,22,24

§2.6 组合放大单元电路

§2.6.1 CC - CE 组合放大单元(对应P.78 ~ )

见黑板图,VT 1 :共集(CC );VT 2:共射(CE )。如

此组合,乃构成了CC - CE 组合放。

已知电路参数及β1、β2、r be1、r be2 ,直接列写:

注意:1O U =2

i U ! )(12i o u i

o i o U U U U U U A ==≈22222)1(E be C R r R ββ++-31=1u A 2u A = =∏

=2

1u k k A §2.6.2 CC -CC 组合放大单元

1、复 合 管(板 书)

2、CC -CC 放大单元

§2.6.3 CE - CB 放大单元

例2-9 见右图,已知电路参数及β1、β2、r be1、r be2,

分析:1、VT 1、VT 2组态? 2、u

A 式? 解:1、VT 1 :CE ;VT 2 ∵ e -入,c - 出 ∴ C

B 。

2、直列:i o u /U U A ==1122b be C C I r R I -≈1

122b be C e I r R I - = = 1121b be C C I r R I -= 121be C r R β-

可见:u A 式与基本CE 放u

A 同,但多用一级C

B 放,换来了频带拓宽。

第3章 多放与运放

§3.1 多级放大电路 (简称:多放)

多放:多个单放采用合适的耦合方式,级连在一起。 集成运算放大器(简称:运放):做于一小块硅

片上的直接耦合 (直耦) 多放。

§3.1.1 级间耦合方式

1、 3种耦合方式

1)阻容耦合:见P89图3-2两级放:无论级与级

之间(C 2),还是信号源与第一级之间(C 1)、第二级与负载之间(C 3 ),均为电阻电容耦合,故称之为:阻容耦合。

2)变压器耦合:见P90图3-4:级与级(用T1)、第二级与负载之间(T2),所以均为T耦合。

注意:T具有阻抗变换作用!

3)直耦:见P91图3-7:级间、信号源与第一级之间、第二级与负载之间,都用导线直接耦合。

2、表:3种耦合方式比较(均以2级为例)

3、直耦多放两个问题及其解决办法

1)失真问题P91图3-7∵U CE1=U BE2=0.7 V ∴第一级Q

偏高—→VT1易入饱和区—→饱和失真。

1

e极R E2→U CE1解决方案:(1)P92图3-8a:VT

2

↑,Q1下移;但接R E2→A u2↓,为什么?联系射偏放思考。

e极有稳压管VD Z,R为限流电

(2)图3-8b:VT

2

阻,用稳定电压U Z抬高U CE1。

∵VD

动态电阻r d ≈△U Z /△I Z│Q2 小(Ω)

Z

∴A u2↓不多。

(3)图3-8c:NPN、PNP BJT交替使用:①VT

2

为J e正、J c反偏;②U CE1↑,因U CE1=V CC-U EB2-U RE2,Q1下移,前级AC输出幅值U O1m不受限。

2)温漂(零漂)

(1)若将图3-8各电路u i短路,本应u o=0V,输出为DC电压,但用测量仪器观察,发现随着时间t推移,u o会偏离0值、作缓慢而随机变化,此即0点漂移(0漂)。

(2)产生0漂原因:BJT参数随温度之变而变,特别是第一级VT1 Q点随温度偏移引起0漂,尤为严重(思考:为什么),故又将0漂称为温漂。

(3)衡量0漂大小的公式: △u i st =△u o st /(A u ×

△T )mV /℃。

意义:将输出端0漂折算到输入端,以便比较不同

A u 的多放之0漂大小。

电路抑制措施:采用差放。

P87:2-27只做前两问,2-28;P113:3-3。 §3.1.3 多放分析

1、Q 点分析 由DC 通路,用“电路”课程学到

的求解DC 电路之法。

● 如为直耦多放,因各级Q 点相互牵连,故列方程

式or 寻突破口求解。

2、动态分析 求3 AC 指标用直列法。对图示n

级多放:① 据§2.6.1 CC -CE 2级组合放,将其:

u A =1u A 2u A 推广至n 级多放:u A =∏=n

k k A 1u ② R i =R i1 ; ③ R o =R on

例3-1 直耦2级放,电路及元器件参数:R S =6.8 k Ω,R B1=95 k Ω,R C1=6.8 k Ω,R =1.5 k Ω,R C2=2 k Ω,U Z =4 V ,β1=50,β2=35,稳压管动态电阻r d =0.5 k Ω。求:

1、Q 1(U CE1,I C1);Q 2(U CE2,I C2);

2、写出u A S =S O U U /、R i 、R o

之式。 解:1、静态时U

S =0,U O =0,电路中仅DC 量: I 1=(12 V -0.7 V )/ 95 k Ω≈0.12 mA ;

I 2=0.7 V / 6.8 k Ω ≈ 0.1 mA ;

I B1=I 1-I 2=0.02 mA ,I C1=β1 I B1=1 mA ;

U CE1=U Z +0.7 V =4.7 V ;故Q 1(4.7V ,1 mA );

求 Q 2(U CE2,I C2):

图中:I 3=(12 V -4.7 V )/ 6.8 k Ω≈1.07 mA

I B2=I 3-I C1=0.07 mA ,I C2=3530.07mA =2.45 mA

U CE2=12 V -I C2R C2-U Z =3.1 V

∴ Q 2(3.1V ,2.45

mA )。 2、求AC 参数

r be1≈300 Ω+51326 mV /1mA ≈1.63 k Ω

r be2≈300 Ω+36326 mV /2.45mA ≈0.68 k Ω

写:u A S =S O U U /、R i 、R o

式,见黑板。 §3.2 差动放大电路(差放)

§3.2.1 射极耦合差放 ①、② 双端输入,c 1、c 2双出:

1、结构 2管特性全同、参数全等:β1=β2=β,r be1

=r be2=r be ;左右2半电路完全对称。 ① 与 ② 之间:

i U =1i U -2

i U , ∵ 2半电路完全对称 ∴ 21i i U U -==i U /2

=id U

差模输入电压。 2、抑0漂原理 静态时21i i U U -==0 V ,①、② 零

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