第四章 放大电路基础(2)小信号模型及三种基本电路2016 [兼容模式]
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模电课件放大器基础PPT课件
VGSQ
RG2VDD RG1 RG2
I DQ RS
I DQ
COXW
2l
(VGSQ
VGS(th) )2
VDSQ VDD IDQ (RD RS )
VDD
RG1
ID
RD
G
T
S
RG2
RS
▪ 电路特点： 分压偏置电路不仅适用于三极管，同时适用
于各种类型的场效应管。
第9页/共69页
（2）自偏置电路 ▪ Q点估算：
+
vi Ri
vS-
-
+
Ro
+ RL vo
-vot
-
Avt
vot vi
vo vi
vot vo
Av (1
Ro ) RL
RO越小，RL对Av影响越小。
源电压增益：
Avs
vo vs
vo vi
vi vs
Av
Ri Rs Ri
Ri越大，RS对Avs影响越小。
第25页/共69页
➢电流放大器
电流增益： 短路电流增益：
谐振放大器 （放大高频载波信号）
▪ 按信号强弱分： 小信号放大器 （线性放大器） 大信号放大器 （非线性放大器）
▪ 按电路结构分： 直流放大器 （多用于集成电路） 交流放大器 （多用于分立元件电路）
第2页/共69页
放大器组成框图
具有正向受控作用的半导体器件是 整个电路的核心
输
耦
入
合
信
电
号
路
耦
输
合
ii
RS
+ vS -
+
vi
Ri
或
iS
电路基础原理简介电路的小信号模型和放大器设计
电路基础原理简介电路的小信号模型和放大器设计电路基础原理简介、电路的小信号模型和放大器设计电路是电子技术的基础，也是现代社会中各种电子设备的基本组成部分。
了解电路的基础原理以及掌握电路的小信号模型和放大器设计是电子工程师的基本技能。
本文将简要介绍电路的基础原理，并重点讨论电路的小信号模型和放大器设计。
一、电路基础原理简介电路是由电子元件（例如电阻、电感、电容）和电子器件（例如二极管、晶体管）组成的。
在电路中，电流和电压是最基本的物理量。
欧姆定律指出电流与电压之间的关系为I=V/R，其中I为电流，V为电压，R为电阻。
通过欧姆定律，我们能够计算电路中的电流和电压。
二、电路的小信号模型电路的小信号模型是用于描述电路中小信号行为的模型。
在电路工程中，我们通常关注的是电路中微弱的变化，例如输入信号的微小变化引起的输出信号的微小变化。
因此，我们只需要考虑电路在直流工作点附近的小信号行为。
以晶体管为例，晶体管的小信号模型由三个参数描述：输入阻抗Zin、输出阻抗Zout和电流放大倍数β。
输入阻抗描述了输入信号与晶体管之间的阻抗匹配情况；输出阻抗描述了晶体管与负载之间的阻抗匹配情况；电流放大倍数描述了晶体管将输入信号放大多少倍。
三、放大器设计放大器是电子器件，用于将输入信号放大。
它在电子设备中广泛应用，例如音频放大器、射频放大器等。
放大器的设计是电路工程中的重要部分，它涉及到电路的稳定性、频率响应和失真等问题。
放大器设计的首要任务是选择适当的放大器类型。
常见的放大器类型包括共射放大器、共基放大器和共集放大器。
这些放大器类型各有特点，适用于不同的应用场景。
此外，放大器设计还需要考虑电路的稳定性。
电路的稳定性是指在不产生自激或者发散的情况下，电路能够保持所需的功能。
为了提高电路的稳定性，我们需要采取一系列措施，例如增加反馈电路、控制增益等。
最后，放大器设计还需要考虑电路的频率响应和失真。
频率响应描述了放大器在不同频率下的增益情况，失真则描述了输入信号经过放大器后可能引起的波形畸变。
放大电路的小信号模型分析法—共射极放大电路小信号模型
ib Rc RL vo -
2
Lec 04-3
H参数小信号等效电路
华中科技大学电信系 张林
4.3.2 小信号模型分析法
2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路
（3）求放大电路动态指标
电压增益
b ib
根据
+ +
vi ib rbe ic β ib
vs
vi Rb
-
-
rbe e
ic c ib Rc
200
(1
)
26(mV) IE (mA)
vs -
50F ＋ T RL vo
4k －
200 (1 ) 26(mV)
IC (mA)
Ri Rb || rbe rbe 863
863
Ro Rc 4k
Av
vo vi
β ( Rc || RL ) rbe
115.87
9
Lec 04-3
华中科技大学电信系 张林
4.3.2 小信号模型分析法
2. 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路
（1）利用直流通路求Q点
IBQ
VCC
VBEQ Rb
ICQ β IBQ
VCEQ VCC ICQ Rc
Rb
Cb1 +
＋
vs
－
VCC
Rc
Cb2
+
＋
T RL vo
－
共射极放大电路
利用PN结的恒压降模型或理想模型确定VBEQ， 已知。
Rb
Cb1 +
VCC
Rc
Cb2
+
＋
T RL vo
－
共射极放大电路
VCEQ VCC Rc ICQ 12V - 2k 3.2mA 5.6V
第四章小信号模型分析法
可以写成：
iB
vBE
c
iC
b
vCE e
BJT双口网络
vBE f ( iB , vCE ) iC f ( iB , vCE )
4.4.1 BJT的小信号建模
1. H参数的引出
在小信号情况下， 对上两式取全微分得
dvBE dvBE
vBE iB
VCE
diB
vBE vCE
IB
dvCE
rbe
Ib
置0
Rs
RE
ro
用加压求流法求输出电阻。
4.6 共集电极电路和共基极电路
4.6.1
⑤输出电阻
共集电极电路
Rs
RB
rbe
Ib
Ib
I
R // R R` s s B
I Ib Ib Ie
RE
Ie
U
（加压求流法） U U U rbe R rbe R RE s s 1 rbe R s U ro R E // 1 1 1 I rbe R RE s
ib b
ui rbe
Rb
ib e
c
共射极放大电路
RC
uo
RL
放大电路 小信号等效电路的画法：
步骤：
1 首先从三极管三个极出发 ，画放大电路交流 通路。(电容、直流电源交流短接) 2 用三极管小信号模型替代三极管。
3 标出电量符号。(瞬时值、相量)
用小信号模型法分析共射极放大电路：
分析的一般步骤： 1 放大电路的静态分析，求Q(IB 、 IC （ IE ） 、 VCE )， 并求rbe 2 画放大电路的小信号等效电路 3 用线性电路分析法，求解放大电路的动态性能指标 电压放大倍数（电压增益）： Av = Vo / Vi 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro
iB
vBE
c
iC
b
vCE e
BJT双口网络
vBE f ( iB , vCE ) iC f ( iB , vCE )
4.4.1 BJT的小信号建模
1. H参数的引出
在小信号情况下， 对上两式取全微分得
dvBE dvBE
vBE iB
VCE
diB
vBE vCE
IB
dvCE
rbe
Ib
置0
Rs
RE
ro
用加压求流法求输出电阻。
4.6 共集电极电路和共基极电路
4.6.1
⑤输出电阻
共集电极电路
Rs
RB
rbe
Ib
Ib
I
R // R R` s s B
I Ib Ib Ie
RE
Ie
U
（加压求流法） U U U rbe R rbe R RE s s 1 rbe R s U ro R E // 1 1 1 I rbe R RE s
ib b
ui rbe
Rb
ib e
c
共射极放大电路
RC
uo
RL
放大电路 小信号等效电路的画法：
步骤：
1 首先从三极管三个极出发 ，画放大电路交流 通路。(电容、直流电源交流短接) 2 用三极管小信号模型替代三极管。
3 标出电量符号。(瞬时值、相量)
用小信号模型法分析共射极放大电路：
分析的一般步骤： 1 放大电路的静态分析，求Q(IB 、 IC （ IE ） 、 VCE )， 并求rbe 2 画放大电路的小信号等效电路 3 用线性电路分析法，求解放大电路的动态性能指标 电压放大倍数（电压增益）： Av = Vo / Vi 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro
放大电路的基础(共10张PPT)
输 耦 放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。
us — 信号源电压
入 us — 信号源电压
合
信 电 Ro 越小，uot 和 uo 越接近。
4 us = 20 mV，Rs = 600 ，比较不同 Ri 时的 ii 、ui。
号 路 将输入信号源与放大器输入端进行连接。
us — 信号源电压
RS +
+ ui
Ri
us –
–
1
R+o uot
RL
–
+ uo
–
2
计算：
Ro
u i
us RL
0
测量：
1
RS us =0
1
uo
uotRL Ro RL
Ro
(uot uo
1)RL
放大 电路
2i
+ u
–
2 Ro
uot — 负载开路时的输出电压；
uo — 带负载时的输出电压， Ro 越小，uot 和 uo 越接近。
uo — 输出电压
ii — 输入电流
io — 输出电流
1.2 放大电路的主要性能指标
1 ii
io 2
R + 放大 us — 信号源电压
S
+ u Au = uo/ui
i
u 电路 – 4 us = 20 mV，Rs = 600
Au = uo/ui
，比较不同 Rsi 时的 ii 、ui。
– 放大电路的输出相当于负载的信号源，该信号源的内阻称为电路的输出电阻。
1 Au = uo/ui
1、 放大倍数 ( f ) — 相频特性
RL 2
放大电路基础
3.3 放大电路的分析方法 3.3.1 放大电路的静态和动态
(1) 静态
当放大电路没有交流输入信号时，电路中各处的电 压和电流都是不变的直流，称为“直流工作状态”或 “静态”。 分析放大电路的“静态”，需要绘出电路的“直流 通路 ( 道 )” ，此时保留直流电源，去除交流输入信号 ( 交流电压源短路、交流电流源开路 ) ，耦合电容作开 路处理。
(2) 图解分析法
用图解法进行动态分析时需要进行的准备工作： 要有BJT管的输入和输出特性曲线； 对电路进行静态分析，在输出特性曲线
上确定静态工作点Q，并过Q点作出交流负 载线；
作出输入信号vi的波形图。
直线段 Q'Q" 是动态时工作点移动 的轨迹，称为动态工作范围
iC/mA
4 3 2 1 0
1 共射极放大电路的直流通路
固定偏流电路 和 VBB配合，在直 流静态时供给三极 管合适的基极电流
基极电流I B (常称作“偏流” ):
VBB VBE VBB 定值 IB ＝ Rb Rb
(2) 动态
当放大电路有交流输入信号时，电路中各处 的电压和电流处于变动状态，称为“交流工作 状态”或“动态”。
放大电路 的工作点 进入截止 区，引起 截止失真 ( 对 NPN 管 输出波形 出现削顶 现象)，其 原因是静 态工作点 选得过低
(2) 静态工作点的选取
如果输入信号的幅度较小，可 将静态工作点设低，以减少直 流电源功率损耗(此时iC低)。
设交流负载线分 别与饱和区、截 止区的分界线交 于 Q 1 、 Q 2 点，将 静态工作点选在 Q 1 、 Q 2 点的中间， 这样可以得到最 大不失真输出， 但这也需要输入 信号幅度较大， 以使iB电流达到一 定 幅 度
4.3.2 小信号模型分析法
( 2 ) 求出 rbe
rbe = rbb' VT + (1 + β )re = 200 + (1 + 40) × I EQ
+ VBE
-
26 = 200 + × 10 3 = 890Ω 37.7
二、交流分析
1. 画出交流通路和小信号等效电路（耦合电容短路，VCC=0） 画出交流通路和小信号等效电路（耦合电容短路， ）
c
（2）输出电阻 ）
vs = 0
ib = 0
Ri
Ro = RC = 4kΩ
e
Ro
（3）电压增益 ）
' − β i b ( RC // R L ) − β R L Av = vo / vi = = = −90 i b rbe rbe
例4.3.2 设图所示电路中 BJT的β = 40，rbb' = 200Ω ,V BEQ = 0.7V . VCC = 12V , Rb = 300kΩ , RC = R L = 4kΩ , 试求该电路的 Av , Ri , Ro 。 开路， 如何变化？ 若RL开路， Av 如何变化？
一、直流分析
VCC Rb RC + Rs
1 . BJT的H参数及小信号模型
作自变量， 以i B , v CE 作自变量， v BE , i C 作因变量
v BE = f 1 ( i B , v CE ) i C = f 2 ( i B , v CE )
iC
iB
+ +
电压、电流的微变关系： 电压、电流的微变关系：
dv BE ∂v BE = ∂i B
放大电路的分析方法
1、画直流通路 、
直流分析 放大 电路 分析 交流分析
rbe = rbb' VT + (1 + β )re = 200 + (1 + 40) × I EQ
+ VBE
-
26 = 200 + × 10 3 = 890Ω 37.7
二、交流分析
1. 画出交流通路和小信号等效电路（耦合电容短路，VCC=0） 画出交流通路和小信号等效电路（耦合电容短路， ）
c
（2）输出电阻 ）
vs = 0
ib = 0
Ri
Ro = RC = 4kΩ
e
Ro
（3）电压增益 ）
' − β i b ( RC // R L ) − β R L Av = vo / vi = = = −90 i b rbe rbe
例4.3.2 设图所示电路中 BJT的β = 40，rbb' = 200Ω ,V BEQ = 0.7V . VCC = 12V , Rb = 300kΩ , RC = R L = 4kΩ , 试求该电路的 Av , Ri , Ro 。 开路， 如何变化？ 若RL开路， Av 如何变化？
一、直流分析
VCC Rb RC + Rs
1 . BJT的H参数及小信号模型
作自变量， 以i B , v CE 作自变量， v BE , i C 作因变量
v BE = f 1 ( i B , v CE ) i C = f 2 ( i B , v CE )
iC
iB
+ +
电压、电流的微变关系： 电压、电流的微变关系：
dv BE ∂v BE = ∂i B
放大电路的分析方法
1、画直流通路 、
直流分析 放大 电路 分析 交流分析
三极管电路的小信号模型分析方法
（2）uDS 对输出电流 iD的控制作用
DS 间的电位差使沟道呈锥形， 靠近漏极端的沟道最窄。
（2）uDS 对输出电流 iD的控制作用
DS 间的电位差使沟道呈锥形， 靠近漏极端的沟道最窄。
当uGD = UGS(th) 时，漏极附近 反型层消失，称为预夹断。
（2）uDS 对输出电流 iD的控制作用
预夹断发生之前： uDS iD 预夹断发生之后：uDS iD 不变
因为预夹断发生之后： uAS为常数，且A、S间 的沟道电阻近似为常数
3. 伏安特性
(1) 输出特性
iD f (uDS ) uGS 常数
可变电阻区（非饱和区） uDS < uGS UGS(th)即未预夹断 压控电阻特性
负载电阻，C1、C2为隔直耦合电容，β=100，us=10sin
t（mV），试求 iB、uBE、iC、uCE 。 解：（1）画直流通路，估算Q点
UBEQ 0.7V
IBQ
VBB
U BEQ RB
12 0.7 mA 470
0.024mA
I CQ I BQ 100 0.024mA 2.4mA
3.6 3.6
V
0.8 5s int
V
例2.2.3 解续：
（5）求总量 uBE、iB、iC、uCE
uBE U BEQ ube (0.7 7.2 10 3 sint ) V
iB IBQ ib (24 5.5sint) μ A iC ICQ ic (2.4 0.55 sint) mA uCE UCEQ uce (5.5 0.85 sint ) V
（1) uGS 对输出电流iD 的控制作用 a. uGS = 0时 ，无导电沟道。 b. 给uGS 加正电压，当uGS UGS(th) 时，栅极表面层形成导电沟道
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Rb1
Cb1
+
+
vi Rb2
-
+
Rc T
Re
+VCC Cb2
直流通路：
Rb1
VB
+
RL vo
Rb2
-
+VCC Rc
T Re
VB
≈
Rb2 Rb1 + Rb2
VCC
I CQ
≈ IEQ
= VB − VBE Re
≈
VB Re
IBQ=ICQ/β
VCEQ ≈ VCC – ICQ（RC +Re）
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
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小信号模型分析法
（3）电路的输出电阻Ro：
由定义：
Ro
=
vT IT
RL =∞,
Vs =0
Ro
=
VT IT
≈ Rc
R0′ = rce
b ib
+
Rs
rbe
vi Rb
Vs=0 -
信号源短路， 保留内阻
IC iB 50ºC 25ºC
T
（相同VBE下 ）IB
IC
实验表明： VBE具有负的温度系数-2.2mV/0C
vBE
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
17
PDF pdfFactory Pro
放大电路的工作点稳定问题
3、温度升高，β↑：
iC
T
β
IC
温度上升时，输出特性曲 线上移，造成Q点上移。 实验表明，温度每上升 10C，β增大0.5～1%
小信号模型分析法
3、小信号模型法求解步骤：
u用公式法或图解法估算Q，确定IEQ。 u估算rbe。 u画电路的交流通路（可省） 小信号等效电路。
u用线性分析的方法，列方程求解AV、Ri、Ro动态参数。 u若要分析失真情况或求最大不失真输出电压用图解法。
总结：两种分析法的比较及应用
小信号模型分析法
关于H参数等效电路的几点说明： （1）等效电路中电流源βib和电压源μrvce都是受控电
源，不能独立存在。 （2）等效电源的方向不能随意假定：电流源的方向取决
ib，若ib从b流向e，则βib一定从c流向e。 （3）等效电路中描述的电压与电流均是交流小信号，不
（1）求Q： 由直流通路
VCC = I BQ Rb + VBE + (1 + β )I BQ Re
IBQ ≈ 40µA ICQ = 2mA VCEQ = 6V
VCC = ICQ RC + VCEQ + I EQ Re ≈ VCEQ + ICQ (RC + Re ) ICQ = βI BQ
2016/3/7
=
r′
bb
+ (1 +
β
)
r
e
+
其中：rbb’=200Ω
所以： rbe＝200 Ω + (1 + β ) 26mV
I E (mA )
由发射极静态 电流来计算
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
6
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小信号模型分析法
4、简化H参数等效电路：
含直流，不能用等效电路求Q点。 （4）等效电路中的H参数是Q点附近的参数。
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
4
PDF pdfFactory Pro
小信号模型分析法Q点附近，小信号
3、H参数的确定：
hie＝
∂vBE ∂iB
vCE
= rbe
hre =
∂vBE ∂vCE
=
I
S
(e
VB′E
/V
T
− 1)
IC
1 = dIE re d VB′E
= I S (e VB′E /VT ) = I E
VT
VT
b IB rbb
+
b
re
=
VT IE
=
26mV IE
（常温下）
基区体电阻 （手册中查）
rbe
re IE
e
rbe＝ ube ib
=
ib
r
bb
+ (1 + ib
β )ib re
（1）μr＜10-3，忽略。 （2）rce＞105，忽略。
在分析放大电路交流小信号 时，可用此简化等效电路直 接取代交流通路中的三极管
2016/3/7
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NPN、PNP管等效电路一样
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7
小信号模型分析法
二、用H参数小信号模型分析基本共射放大电路：
Q´ Q
总之，三极管是一个对温度十分敏感的器件，若：
VBE
T
β
IC
2016/3/7
ICEO
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Q饱和区
VCE
18
放大电路的工作点稳定问题
固定偏置电路的Q点是不稳定的。 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近 饱和区或截止区，从而导致失真。
T
+
VE RL vo
Re
-
静态
VB
≈
R b2 R b1 + R b2
V CC
VB稳定
T
IC
IC
IE
VE
VBE
IB 由输入特性曲线
利用Re的直流负反馈作用来稳定Q
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
20
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放大电路的工作点稳定问题
3、Q点的估算：
§4.3 放大电路的分析方法 ——小信号模型分析法
思路：在Q点附近，三极管特性曲线可近似看为线性的，把非线性问题转为
线性问题求解。条件：输入为交流小信号（微变信号）
一、H参数等效电路：
1、H参数的导出：
式中各量均是全量，包 含直流和交流两部分
vBE = VBE + vbe
iB = I B + ib
iC = IC + ic
图解法：形象直观；适应于Q点分析、失真分析、最大不失真输出电压 的分析；能够用于大、小信号分析；不易准确求解；不能求解 输入电阻、输出电阻、频带等等参数。作图麻烦，分析简单电路。
小信号模型：适用于任何复杂的电路；但只能用于分析小信号；可方便的求 解动态参数放大倍数、输入电阻、输出电阻等；不能求静点。
vo = − β ib RL′
Av
=
vo vi
= −β
RL′ rbe
RL′ = RC // RL
特点：负载电阻越小，放大倍数越小。
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
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小信号模型分析法
b ib
ic c
+
Rs
vi
+
rbe
Rb
βib
Rc
为此，需要改进偏置电路，来弥补管子的温度特性，当温度升高、 IC增加 时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。
常用基极分压式偏置电路来稳定静态工作点。
二、基极分压式射极偏置电路：（分压式工作点稳定电路）
1、组成：
Rb1 I1Rc
VB
Cb1
IB
+VCC ICCb2
一般： I1＞＞IB,VB＞＞VBE Si管I1=（5～10）IB，VB=（3～5）V Ge管I1=（10～20）IB，VB=（1～3）V
2、H参数等效电路：ic＝hfeib + hoevce
写成
vbe＝rbeib + µrvce
ic＝β ib + vce / rce
受控电流源
ic
ib T
+
+
v beBiblioteka v ce--
受控电压源
非线性电路
电压、电流的变化完全一样
等效的线性电路
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
3
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iC iB T
+
+
v BE
v CE
-
-
vCE = VCE + vce
vBE＝f1(iB , vCE ) 输入回路关系 iC＝f2 (iB , vCE ) 输出回路关系
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
1
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小信号模型分析法
考虑微变关系，对两式取全微分： vBE＝f1(iB , vCE ) iC＝f2 (iB , vCE )
实际分析电路时，根据情况，把两方法结合起来用。
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
16
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§4.4 放大电路的工作点稳定问题
一、温度变化对Q点的影响：
1、温度升高使反向饱和电流ICBO、ICEO增大：
T
ICEO
2、温度升高，相同IB下，VBE下降：
+
T
+
+
vi Rb2 I2 Re
RL IE
vo -
-
+
静态
VB
≈
Rb2 Rb1 + Rb2
VCC
2016/3/7
电气工程学院 苏士美
19