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基本放大电路 PowerPoint PPT Presentation


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第 3 章. 基本放大电路. 3.1  放大电路的工作原理. 3.2  放大电路的分析方法. 3.3  放大电路静态工作点的稳定. 3.4  晶体管放大电路的三种组态. 3.5  场效应管放大电路. 小 结. 内容简介. 本章是学习电子技术的基础,因此是学习的重点之一 。其主要内容有:放大的基本概念、放大电路的组成原则、 放大电路的分析方法(静态分析和动态分析) 、晶体管放大电路的三种基本组态(共射、共集、共基)、场效应管基本放大电路(共源、共漏、共栅)。. Home. u i. u o. 3.1 放大电路的工作原理. 3.1.1 放大的概念.

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基本放大电路

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


6564188

第 3章

基本放大电路

3.1 放大电路的工作原理

3.2 放大电路的分析方法

3.3 放大电路静态工作点的稳定

3.4 晶体管放大电路的三种组态

3.5 场效应管放大电路

小 结


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内容简介

本章是学习电子技术的基础,因此是学习的重点之一。其主要内容有:放大的基本概念、放大电路的组成原则、放大电路的分析方法(静态分析和动态分析)、晶体管放大电路的三种基本组态(共射、共集、共基)、场效应管基本放大电路(共源、共漏、共栅)。

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ui

uo

3.1 放大电路的工作原理

3.1.1 放大的概念

电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。这里所讲的主要是电压放大电路。

Au

放大的前提是不失真,即只有在不失真的情况下放大才有意义。


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T

图 2.2.1 基本共射放大电路

3.1.2 基本放大电路的组成

T:NPN 型三极管,为放大元件;

VCC、 VBB:发射结正偏,集电结反偏;

RC 、Rb:提供静态电流;把电流的变化转变为电压的变化


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3.1.3 基本放大电路的工作原理

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(b) ui=sint动态工作情况

iB=IB+ib

iC=IC+ic

uCE=UCE+uce

uo=uce

结论:

电压反向放大

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3.2 放大电路的分析方法

放大电路的分析:(1)静态分析;(2)动态分析。

3.2.1 直流通路和交流通路

(1)直流通路:直流电流流经的通路,用于静态分析。对于直流通路:电容视为开路;电感视为短路;信号源视为短路,但保留其内阻。

(2)交流通路:交流电流流经的通路,用于动态分析。对于交流通路:大容量电容(耦合电容、旁路电容等)视为短路;大容量电感视为开路;直流电源视为短路。


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思考题:试分析图2.3.3所示各电路是否可能不失真地放大交流信号,简述理由。设所有电容对交流信号均可视为短路。

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3.2.2 静态工作点的分析

1.静态工作状态的计算分析法

根据直流通路对放大电路的静态进行计算

IB、IC和VCE这些量代表的工作状态称为静态工作点,用Q表示。在测试基本放大电路时,往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的静态工作状态。


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例3.2.1 在上图电路中,已知Vcc = 12V,Rc= 4 kΩ,Rb= 300 kΩ,β = 37.5, 试求放大电路的静态工作点。


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共射极放大电路

例3.2.2放大电路如图所示。已知BJT的 ß=80, Rb=300k, Rc=2k, VCC= +12V,求:

(1)放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域?

(2)当Rb=100k时,放大电路的Q点。此时BJT工作在哪个区域?(忽略BJT的饱和压降)

解:(1)

静态工作点为Q(40uA,3.2mA,5.6V),BJT工作在放大区。

(2)当Rb=100k时,

UCEQ不可能为负值,

其最小值也只能为0,即IC的最大电流为:

此时,Q(120uA,6mA,0.3V),

所以BJT工作在饱和区。


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3.2.3 放大电路的动态分析

1.微变等效电路法(小信号模型法)

  • 建立小信号模型的意义:由于三极管是非线性器件,这样就使得放大电路的分析非常困难。建立小信号模型,就是将非线性器件做线性化处理,从而简化放大电路的分析和设计。

  • 建立小信号模型的条件:研究的对象仅仅是变化量,信号的变化范围很小。

  • 建立小信号模型的思路:把三极管在静态工作点附近的小范围内的特性曲线近似地用直线来代替。


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rbe

(1)三极管的微变等效电路

输入电路:

rbe = △VBE / △IB =vbe / ib

输入电路可以用一个等效电阻来代替

输出电路:

ic =βib

输出电路可以用一个受控电流源来代替


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(2)放大电路的微变等效电路

第一步:画出放大电路的交流通路

(交流通路:大容量电容视为短路;大容量电感视为开路; 直流电源视为短路。)

第二步:三极管用小信号模型取代


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Rs

Rb

Rc

RL

Ro

图2.3.19 微变等效电路

Ri


6564188

vi

Rb

Rc

RL

图2.2.5共射极放大电路

2.共射放大电路动态参数的分析

电路动态参数的分析就是

求解电路电压放大倍数、

输入电阻、输出电阻。

解题的方法是:

作出微变等效电路

(动画3-7)


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vi

Rb

Rc

RL

(1)求电压放大倍数(电压增益)

根据

则电压增益为

(可作为公式)


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Rb

Rb

Rc

Rc

RL

RL

Ri

Ro

所以

Ro = Rc

(2) 求输入电阻

(3) 求输出电阻


6564188

.

UO

.

.

Ui

Ui

.

Us

(4)当信号源有内阻时:

Ri为放大电路的输入电阻


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IC

UCE

IB

例 如图,已知BJT的β=100,UBE=-0.7V。

(1)试求该电路的静态工作点;

(2)画出简化的小信号等效电路;

(3)求该电路的电压增益AV,

输出电阻Ro、输入电阻Ri。

解(1)求Q点,作直流通路


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Ui

Uo

vi

Rb

Rc

RL

(2) 画出小信号等效电路

(3) 求电压增益

=200+(1+100)26/4

=865欧


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Rb

Rc

RL

Ui

Uo

Ri

(4)求输入电阻

(5)求输出电阻

Ro = Rc = 2K


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等效电路法的步骤(归纳)

1. 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q。

2. 求出静态工作点处的微变等效电路参数 rbe。

3. 画出放大电路的微变等效电路。可先画出三极管的等效电路,然后画出放大电路其余部分的交流通路。

4. 列出电路方程并求解。


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3.图解分析法

(1)首先,画出交流通路


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过输出特性曲线上的Q点做一条斜率为-1/RL 直线,该直线即为交流负载线。如图2.3.8所示

(2)作出交流负载线

vce = -ic (Rc //RL) = -ic RL


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iB / µA

iB

60

Q

40

iB

20

uBE/V

0

0

0.7

t

0.68

0.72

uBE

0

uBE/V

UBE

t

(3)动态工作情况图解分析


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iC/ mA

交流负载线

80

iC/ mA

4

60

Q

IB = 4 0 µA

ICQ

2

iC

20

直流负载线

0

0

uCE/V

t

0

9

4.5

7.5

6

12

uCE

0

uCE/V

UCEQ

t

输出回路工作情况分析


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图2.3.9 动态工作情况

  • vi↑→ vBE↑→ iB↑→ iC↑→vCE↓→ |-vo|↑;vo与vi相位相反;   可以测量出放大电路的电压放大倍数;   可以确定最大不失真输出幅度。


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求 确定交流负载线

(4)电压放大倍数

【例】用图解法求图示电路电压放大倍数。输入、输出特性曲线如前图,RL = 3 k 。

解:

取 iB = (60 – 20) A = 40A

则输入、输出特性曲线上有

uBE = (0.72 – 0.68) V = 0.04 V

uCE = (4.5 – 7.5) V = - 3 V


6564188

iB / µA

iB / µA

Q

IBQ

uBE/V

O

O

t

O

uBE/V

t

(5)波形非线性失真的分析

①Q点过低,引起iB、iC、uCE 的波形失真

ib

—— 截止失真

结论:iB 波形失真

ui


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iC/ mA

iC

ICQ

Q

O

UCEQ

O

uCE/V

t

O

uCE/V

t

iC、 uCE(uo)波形失真

NPN 管截止失真时的输出 uo 波形。

uo 波形顶部失真

uo =uce


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NPN 管 uo波形

②Q 点过高,引起iC、uCE的波形失真—饱和失真

iC

iC/ mA

ib(不失真)

Q

ICQ

IB = 0

O

t

uCE/V

O

UCEQ

O

uCE/V

uo 波形底部失真

uo =uce

t


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失真判别两种方法:

(1)已知输出特性曲线中Q点的位置

Q点过低---------截止失真

Q点过高---------饱和失真

(2)已知输出电压失真波形

PNP 管情况相反。

NPN 管 饱和失真

NPN 管 截止失真


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iC/ mA

交流负载线

A

Q

B

iB = 0

uCE/V

O

C

D

E

③用图解法估算最大输出幅度

输出波形没有明显失真时能够输出最大电压。即输出特性的 A、B所限定的范围。

问题:如何求最大不失真输出电压?

Uomax=min[(UCEQ-UCES),(UCC/-UCEQ)]

Q 尽量设在线段 AB 的中点。则 AQ = QB,CD = DE


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iC

iC

IB

IB

Q1

Q3

Q1

Q2

O

O

uCE

uCE

④用图解法分析电路参数对静态工作点的影响

  • 改变 VCC,保持 Rb,  Rc , 不变;

  • 改变 Rb,保持   VCC ,Rc , 不变;

Q2

升高 VCC,直流负载线平行右移,动态工作范围增大,但管子的动态功耗也增大。

Rb 增大,

Q 点下移;

Q 点上移;

Rb 减小,


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iC

iC

IB

IB

Q2

Q1

Q1

O

O

uCE

uCE

  • 改变 Rc,保持 Rb,VCC , 不变;

  • 改变 ,保持 Rb,Rc ,VCC不变;

Q2

图 2.4.9 (c)

图 2.4.9 (d)

  增大 Rc ,直流负载线斜率改变,则 Q 点向饱和区移近。

  增大 ,ICQ 增大,UCEQ 减小,则 Q 点移近饱和区。


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图解法小结

1. 能够形象地显示静态工作点的位置与非线性   失真的关系;

2. 方便估算最大输出幅值的数值;

3. 可直观表示电路参数对静态工作点的影响;

4. 有利于对静态工作点 Q的检测等。


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  • 小 结

  • 本讲主要介绍了晶体管放大电路的分析方法:

  • 放大的分析包括两个方面:静态分析(直流分析)和动态分析(交流分析)。

  • 静态分析就是求解静态工作点Q,在输入信号为零时,点(IB、IC、VCE)称之为静态工作点。可以用图解法和估算法求解,是在直流通路上进行的。

  • 动态分析就是求解放大电路的动态参数和进行波形分析。通常利用等效模型计算放大倍数、输入电阻、输出电阻;用图解法求解最大不失真输出电压和进行失真分析。是在交流通路上进行的。


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1什么是放大电路的动态分析,分析方法如何?

2 三极管用微变等效电路来代替的条件是什么?

3 交流负载线与直流负载线有何区别?

如何做出交流负载线?


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3.3 静态工作点的稳定

3.3.1 静态工作点稳定的必要性

1.必要性

  • 静态工作点决定放大电路是否产生失真;

  • 静态工作点影响电压放大倍数、输入电阻等动态参数;

  • 静态工作点的不稳定,将导致动态参数不稳定,甚至使放大电路无法正常工作。

2.影响静态工作点稳定的因素

电源电压波动、元件老化、环境温度变化等,都会引起晶体管和电路元件参数的变化,造成静态工作点的不稳定。其中,温度对晶体管参数的影响是最为主要的。

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3.温度对静态工作点的影响


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+VCC

Rc

C2

Rb2

+

+

C1

+

+

uo

RL

Rb1

ui

+

Ce

Re

图 3.3.1阻容耦合的静态工作点稳定电路

3.3.2 典型的静态工作点稳定电路

1.电路的组成

注意:

与前面电路的区别

Re

Ce


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b点电位基本不变的条件:

T 

IC

 IE

VE、VB不变

VBE 

IB

(反馈控制)

IC

2.Q点稳定原理

目标:温度变化时,使IC维持恒定。

V

CC

如果温度变化时,b点电位能基本不变,则可实现静态工作点的稳定。

R

R

b2

c

I

I

C

B2

I

B

I

+

B1

I

IB1 >>IB ,VB >>VBE,则

+

E

R

V

b1

B

V

Re

R

e

-

-

(一般取 IB1 =(5~10)IB , VB =3V~5V)

直流通路

3.3.2

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6564188

3.Q点的估算

V

CC

R

R

b2

c

I

I

C

B2

I

B

I

+

B1

I

+

E

R

V

b1

B

V

Re

R

e

-

-

直流通路

3.3.3

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+VCC

Rc

+

Rb2

+

uo

RL

Rb1

ui

Re

+VCC

Rc

Rb2

C2

+

iR

+

C1

iB

iC

+

+

b

c

uo

iE

+

+

RL

Rb1

ui

+

Ce

Re

Rc

RL

rbe

Rb1

Rb2

e

4.动态参数的估算


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图3.3.4 微变等效电路

如无旁路电容Ce

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电路的参数不变,若断开Ce,静态参数(IB、IC、VCE),及动态参数(AV、Ri、Ro)如何变化。

例:

(1)断开Ce后,静态参数不变。

(2)断开Ce后,动态参数AV减小, Ri增大,Ro不变。


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  • 小 结

  • 本讲主要介绍了静态工作点的稳定问题:

  • 静态工作点不仅决定了波形是否失真,还影响动态参数的稳定性。影响静态工作点最主要的因素是温度。

  • 温度变化对静态工作点的影响集中表现在Ic 的变化上,采用射极偏置电路,利用直流负反馈可以稳定静态工作点。

  • 射极偏置放大电路的静态分析和动态分析在方法上与固定偏置放大电路没本质的区别,但在计算的具体过程是不同的,不仅如此,当电路的形式稍作变化,各放大电路的计算过程都有区别,所以不能死记公式,生搬硬套。

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3.4共集电极放大电路 (射极输出器、射极跟随器)

(1)求工作点:Q

Q


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(2)电压增益

输入电压与输出电压同相

电压跟随器


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第 3 章 放大电路基础

ii

ib

ic

ic

ii

ib

rbe

 ib

Rs

RB

+

uo

+

uo

+

Rs

us

RE

RL

+

RB

RE

RL

(3)输入电阻:

RL = RE // RL

交流通路

小信号等效电路


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第 3 章 放大电路基础

ii

ib

ic

ii

ib

ic

 ib

rbe

rbe

 ib

Rs

Rs

RB

RB

+

uo

+

us

RE

RE

RL

(4)输出电阻:

i

+

u

us = 0

iRE

RS = Rs // RB

i = iRE–ib –  ib

Au  1输入输出同相

Ri高

射极输出器特点

Ro低

用途:输入级 输出级 中间隔离级


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第 3 章 放大电路基础

RB

+VCC

IBQ

C1

+

C2

+

ui

IEQ

+

uo

RS

+

+

RL

us

RE

例 3.4.1 =120,RB = 300 k,rbb= 200 ,UBEQ = 0.7 V

RE = RL = Rs = 1 k,VCC = 12V。求:“Q ”,Au,Ri,Ro。

2)求 Au,Ri,Ro

Rbe = 200 + 26 / 0.027

 1.18 (k)

RL=1//1= 0.4 (k)

[解]

1)求 “Q”

IBQ = (VCC –UBE) /[RB+(1+ )RE]

= (12–0.7) / [300 +121  1]

 27 (A)

Ri = 300//(1.18 121)

= 51.2 (k)

IEQ   I BQ= 3.2 (mA)

UCEQ = VCC –ICQRE

= 12 – 3.2  1 = 8.8 (V)


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第 3 章 放大电路基础

+VCC

100 k

RB1

C1

 = 50

+

C2

C3

RB3

RS

+

+

+

uo

100 k

+

RE

us

ii

RB2

ib

ic

100 k

rbe

RB3

 ib

+

ui

+

uo

RE

RB

提高 Ri的电路:

10 k

无 C3、RB3:

Ri = (RB1 // RB2) // [rbe + (1 +  ) RE]

Ri = 50 // 510 = 45 (k)

无 C3 有 RB3 :

Ri = (RB3 + RB1 // RB2) // [rbe + (1+  )RE]

Ri = (100 + 50) // 510 = 115 (k)

接 C3 :

RB3// rbe  rbe

Ri = rbe+ (1 + ) (RB// RE) = (1 + ) (RB // RE )

Ri = 51  50 // 10 = 425 (k)


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3.5 共基极放大电路

(1)直流分析

与共射组态相同。


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(2)交流分析

①电压放大倍数

=βR'L / rbe

②输入电阻

③输出电阻

Ro ≈RC

  • Au 大小与共射电路相同。

特点:

2. 输入电阻小。


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  • 小 结

  • 本讲主要介绍了晶体管放大电路的三种组态:

  • 共发射极放大电路既能放大电压,也能放大电流,输入电阻居中,输出电阻较大,频带较窄。常作低频电压放大。

  • 共集电极放大电路只能放大电流,不能放大电压。输入电阻最大、输出电阻最小,具有电压跟随的特点常用于多级放大的输入级和输出级,有时还用作中间隔离级(缓冲级),起阻抗变换的作用。

  • 共基极放大电路只能放大电压,不能放大电流。输入电阻最小,频率特性最好。


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Re

R1

uo

ui

+

uo

R3

ui

R2

共集电极电路特点:

-Vcc

◆ 电压增益小于1但接近于1, UO与Ui同相。

◆ 输入电阻大,对电压信号源衰减小

◆ 输出电阻小,带负载能力强

例 如图属于何种组态?其输出电压的波形是否正确?若有错,请改正。

解 共集电极组态

不正确。


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b

Rc

c

T

e

+

vs1

Re

-

b

c

+

vs2

+

Ib

+

βIb

rbe

-

Rc

vi

vo

e

Ie

Re

-

-

例  电路如图题所示,BJT的

电流放大系数为β,输入电阻为rbe,

略去了偏置电路。试求下列三种情况下

的电压增益AV、输入电阻Ri和输出电阻RO

①vs2=0,从集电极输出;

②vs1=0,从集电极输出;

③vs2=0,从发射极输出。

解 ①  共发射极接法


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Re

e

c

T

+

+

Rc

b

vs2

vo

Rc

-

-

c

Re

βIb

e

c

b

T

+

+

Ie

e

vs2

rbe

Ib

Rc

vo

+

-

-

vs1

Re

b

-

+

vs2

-

vs1=0,从集电极输出

②共基极组态

RoRC


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c

b

e

+

+

Rc

Rc

vs1

vo

Re

-

-

c

b

c

b

Ib

Ic

T

rbe

βIb

Rc

+

e

vs1

e

+

-

+

Ie

vo

vs1

Re

Re

-

-

+

vs2

-

vs2=0,从发射极输出

共集电极组态


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3.6 场效应管放大电路

3.6.1 与三极管放大电路比较

相同点:

(1)三种组态:共源、共漏、共栅

(2)组成原则:信号被不失真的放大

(3)分析及方法:先静后动;图解法及微变等效电路法

不同点:

学完后,大家试总结(请留意课件中绿色背景的内容)


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3.6.2 场效应管的三种组态电路

(以N沟道结型场效应管为例)

  • uGS控制iD;

  • 工作于恒流区;

  • g~b、s~e、d~c


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3.6.3 共源极场效应管放大电路

1、电路的组成

(2)分压式

(1)自偏压式

场效应管具有放大作用的条件是:合适的偏压,不同类型的场效应管,对偏置电压的极性有不同的要求。

对于N沟道场效应管:(1)JFET,VGS<0;(2)耗尽型MOSFET, VGS可正、可负、可零;(3)增强型MOSFET, VGS> VGS(th)>0.

对于P沟道场效应管,与上述条件相反。


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2、静态分析


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VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGS= VG-VS= VG-IDR

ID= IDSS[1-(VGS /VP)]2

VDS= VDD-ID(R+Rd)

由此可以解出VGS、ID和VDS。

直流通路


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+24V

10 k

200 k

1 M

5 k

10 k

64 k

例 3.6.1已知 VP=  0.8 V,IDSS = 0.18 mA,求“Q”。

解方程得:ID = 0.69 mA,VGS = –2.5V

ID2 = 0.45 mA ,VGS = –0.4 V(增根,舍去)


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3、动态分析

(1)场效应管小信号模型


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ii

id

g

d

+

ugs

+

ui

Rg3

gmugs

+

uo

RL

s

Rd

Rg2

Rg1

(2)场效应管放大电路微变等效电路


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ii

id

G

D

+

ugs

+

ui

RG3

gmugs

+

uo

RL

S

RD

RG2

RG1

(3)性能指标分析

RS

有 CS 时:

无 CS 时:

给参数计算

Ri、 Ro 不变


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4、相关题目

例3.6.2放大电路如图示,电路中的电容器对输入交流信号可视为短路,根据构成放大电路的原则,试说明下面的各种电路对交流信号有无放大作用,并说明其理由。

(b) 不能放大,因为没有偏置电压。在电源和栅极间接电阻加以解决。

解:

(a)管子是P沟道,所以电源电压应该是负电源。


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例3.6.3 图示场效应管放大电路的组态是()

(1)共漏;(2)共源;(3)共栅;(4)差动放大

共源组态。因为输入信号加在T1管的栅极,输出信号取自T1管的漏极,所以为共源组态。T2为有源负载,作为T1管的漏极电阻。

解:


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