[百晓生]-模拟电路笔记(三)

 

 

 

模拟电路基础

By mystery

3.4 小信号模型分析法

#.如果放大电路的输入信号电压很小，就可以设想把BJT小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把BJT这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。这就是BJT小信号建模的指导思想

#.Z参数(开路阻抗参数)，Y参数(短路导纳参数)，H参数(混合参数)。

#.BJT的输出阻抗高，不易实现输出端开路的条件

#.放大电路在工作时放大的对象是变化量，所以在小信号模型中所讨论的电压、电流也都是变化量，因此不能利用小信号模型来求Q点，或者利用它来计算某一时间的电压和电流总值

#.在计算电路之前，首先必须确定所用的BJT在给定Q点上的H参数(采用H参数测试仪)

#.在小信号等效电路中，所关心的是变化量，因此在输入和输出回路中，任何固定不变的电压源都可认为是交流短路的，而任何固定不变的电流都不予考虑

#.一般来说，希望放大电路的输入电阻高一些为好，特别是在信号源内阻R较大的场合，这样便可避免信号过多地衰减，作为放大电路的输入级尤其应当予以考虑；对于输出级来说，往往希望输出电阻越小越好，从而可以提高带负载的能力

#.分析一般按下列步骤

1.用图解法定出静态工作点

2.当输入电压幅度较小或BJT基本上在线性范围内工作时，特别是放大电路比较复杂时，可用小信号模型来分析

3.当输入电压幅度较大，BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部分时，就需要采用图解法

3.5 放大电路的工作点稳定问题

#.Q点在放大电路中是很重要的，它不仅关系到波形失真，而且对电压增益也有重大影响

#.温度变化时将影响管子内部载流子(电子和空穴)的运动，从而使Icbo、Vbe和β都会发生变化

#.Vbe的变化将通过Ib的变化影响Q点

#.BJT的电流放大系数β会随温度的升高的而增大，这是因为温度升高后，加快了基区注入载流子的扩散速度，这样，在基区电子与空穴的复合数目减小，因而β增大

#.BJT的输出特性将因β的变化而随之变化，当β变大时，输出特性曲线族的间隔将变宽。由于输出特性的变化，当β增大时，Q点上移，Ic增加；当β减小时，Q点下移，Ic减小，这样变化的结果都使工作状态发生变化

#.Icbo、β、Vbe随温度T升高的结果，都集中表现在Q点电流Ic的增大

#.射极偏置电路(交流放大电路中最常用的一种基本电路)：针对Icbo的影响，可设法使基极电流Ib随温度的升高而自动减小；针对Vbe的影响，可设法使发射结的外加电压随着温度的增加而自动减小

#.当BJT的基极电位固定，并在射极电路里接一电阻Re，便可提高输出电阻，亦即提高电路的恒流特性

#.射极偏置电路，在某些文献中称为自偏置电路，意即自动调节BJT的电流Ic以稳定Q点，实质上是利用反馈原理来实现的

3.6 共集电极电路和共基极电路

#.共集电极电路：BJT的负载电阻是接在发射极上，输入电压Vi加在基极和地即集电极之间，而输出电压Vo从发射极和集电极两端取出，所以集电极是输入、输出电路的共同端点。因为是从发射极把信号输出去，所以共集电极电路又称为射极输出器。

#.射极输出器的电压增益接近于1，它的输出电压和输入电压是同相的，因此射极输出器通常又称为电压跟随器

#.与共射极基本放大电路相比，电压跟随器的输入电阻高得多(比共射极基本放大电路高几十倍到几百倍)。其物理本质是由于在输入回路中除了信号电压Vi外，还有输出电压Vo，因此从BJT的发射结来看，所得的净输入电压Vbe=Vi-Vo比无射极电阻Re时减小了，所以尽管Vi很大，但在放大电路输入回路中所产生的基极电流Ib依然很小，因此从放大电路输入端来看，就呈现出一个很大的输入电阻。

#.电压跟随器的特点是：电压增益小于1而近于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低。虽然电压跟随器的电压增益小于1，但是它的输入电阻高，可减小放大电路对信号源(或前级)所取的信号电流。同时，它的输出电阻低，可减小负载变动对电压增益的影响。另外，它对电流仍有放大作用。

#.在集成电路中，常用电流源代替电阻

#.复合管因其等效电流放大系数很高，而等效输入电阻亦很高，特别是当它制成集成器件时，使用方便而受到用户的欢迎。复合管又称为达林顿管

#.在多级电子电路中，因电压跟随器的输入电阻高而用作输入级。也常用作中间级以隔离前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。其基本原理还是利用它的输入电阻高和输出电阻低这一特点、在电路中起着阻抗变换的作用

#.由于电压跟随器具有较低的输出电阻以及较大的电流增益，所以也常用作多级放大电路的输出级

#.共基极电路：输入电压Vi加在发射极和基极之间，而输出电压Vo从集电极和基极两端取出，故基极是输入、输出电路的共同端点

#.在共基极电路中，电流放大系数接近于1，但小于1.从这个角度来看，共基极电路又称为电流跟随器。

#.三种基本组态的比较：共射极电路的电压、电流、功率增益都比较大，因而应用广泛；但是在宽频带或高频情况下，要求稳定性较好时，共基极电路就比较合适；共集电极电路的独特优点是输入电阻很高、输出电阻很低，多用于输入级、输出级或缓冲级

3.7 放大电路的频率响应

#.在电子电路中所遇到的信号往往不是单一频率的，而是具有一定的频谱。例如人体的心电信号，广播中的语音信号和音乐信号，电视是的图像和伴音信号，数字系统中的脉冲信号等

#.在放大电路的高频区，影响频率响应的主要因素是管子的极间电容和接线电容等

#.RC低能对高频信号只有衰减作用

#.BJT的频率参数：用来描述管子对不同频率信号的放大能力。常用的频率参数有共射极截止频率、特征频率等

#.增益-带宽积：将低频电压增益与通频带相乘所得的乘积称为增益-带宽积

#.共射极放大电路因存在密勒效应，其高频响应受到限制，如采用共基极电路，则密勒效应不存在，频带将得到扩展

#.共基极放大电路常用于高频、宽频带、低输入阻抗的场合，在模拟集成电路中，亦兼有电位移动的功能

#.共射-共基电路的电压增益与单管共射极放大电路的增益接近，但是电路的输入-输出之间不存在密勒效应，故它的频率响应远优于共射极放大电路，其频带得到扩展。这一设计思路常用于场效应管放大电路

#.放大电路的低频响应主要取决于外接的电容器，如隔直(耦合)电容和射极旁路电容

#.在计算各级的电压增益时，前级的开路电压是下级的信号源电压；前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗，而下级的输入阻抗是前级的负载

#.多级放大电路的通频带一定比它的任何一级都窄；将几级放大电路串联起来后，总电压增益虽然提高了，但是通频带变窄了，这是多级放大电路一个重要的概念

#.稳态分析法在放大电路的分析中仍占主导地位，这是因为：任何周期性的信号都可分解为一系列的正弦波，因此放大电路的主要着重点是正弦信号，放大电路的技术指标之一常用频率响应来给定，例如频带宽度

#.小结

1.BJT的由两个PN结组成的三端有源器件，分NPN和PNP两种类型，它的三个端子称为发射极e、基极b和集电极c。由于硅材料的热稳定性好，因而硅BJT得到广泛的应用。

2.表征BJT性能的有输入特性和输出特性，其中输出特性用得较多，我们均称之为V-I特性，从输出特性上可以看出，用改变基极电流的方法可以控制集电极电流，因而BJT是一种电流控制器件

3.BJT的电流放大系数是它的主要参数，按电路组态的不同有共射极电流放大系数β和共基极电流放大系数α之分。为了保证器件的安全运行，还有几项极限参数如集电极最大允许电流Icm、集电极最大允许功率损耗Pcm和若干反向击穿电压，如V(br)cer等，使用时应当予以注意

4.BJT在电路中有共射、共集和共基三种组态，根据相应的电路输出量与输入量之间的大小与相位的关系，分别将它们称为反相电压放大器，电压跟随器和电流跟随器

5.放大电路的分析方法有图解法和小信号模型分析法，前者是承认电子器件的非线性，而后者是将非线性的局部线性化。通常使用图解法求Q点，而用小信号模型分析法求电压增益、输入电阻和输出电阻。

6.放大电路工作点不稳定的原因，主要是由于温度的影响。常用的稳定工作点的电路有射极偏置电路等，它是利用反馈原理来实现的

7.频率响应与带宽是放大电路的重要指标之一。用混合Ⅱ型等效电路分析高频响应，而用含电容的低频等效电路分析低频响应，二者的电路基础则是RC低通电路和RC高通电路

8.瞬态响应和频率响应是分析放大电路的时域和频域的两种方法，二者从各处的侧面反映放大电路的性能，存在内在的联系，互相补充。工程上以频域分析胜利较普遍

四.场效应管放大电路

#.场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、搞辐射能力强和制造工艺简单等优点；在大规模集成电路中得到了广泛的应用

#.场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)

4.1 结型场效应管

#.JFET是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件

#.在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区(用P+表示)，形成两个PN结，两边P+型区引出两个欧姆接触电极并连在一起称为栅极g，在N型本体材料的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极s和漏极d。它们分别相当于BJT的基极b、射极c和集电极c。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道。这种结构称为N型沟道JFET
 #.N沟道JFET工作时，在栅极与源极间需加一负电压(Vgs<0)，使栅极、沟道间的PN结反偏，栅极电流Ic≈0，场效应管呈现高达10^7欧姆以上的输入电阻。在漏极与源极间加一正电压(Vds>0)，使N沟道中的多数载流子(电子)在电场作用下由源极向漏极运动，形成电流Id，Id的大小受Vgs控制。因此，讨论JFET的工作原理就是讨论Vgs对Id的控制作用和Vds对Id的影响

#.改变Vgs的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若在漏源极间加上固定的正向电压Vds，则由漏极流向源极的电流Id将受Vgs的控制，|Vgs|增大时，沟道电阻增大，Id减小

#.结论

1.JFET栅极、沟道之间的PN结是反射偏置的，因此，其Ig≈0，输入电阻很高

2.JFET是电压控制电流器件，Id受Vgs控制

3.预夹断前，Id与Vds呈近似线性关系，预夹断后，Id趋于饱和

4.P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET的电源极性相反

#.输出特性：JFET的输出特性是指在栅源电压Vgs一定的情况下，漏极电流Id与漏源电压Vds之间的关系

#.转移特性：在一定漏极电压Vds下，栅源电压Vgs对漏极电流Id的控制特性

#.FET放大电路中的FET都工作于输出特性的线性放大区；如果使其工作于可变电阻区，那么FET可用作压控可变电阻。

#.小结

1.第三章讨论的BJT是电流控制电流器件，有两种载流子参与导电，属于双极型器件；而FET是电压控制电流器件，只依靠一种载流子导电，因而属于单极型器件。虽然这两种器件的控制原理有所不同，但通过类比可发现，组成电路的形式极为相似，分析的方法仍然是图解法(亦可用公式计算)和小信号模型分析法

2.在FET放大电路中，Vds的极性决定于沟道性质，N(沟道)为正，P(沟道)为负；为了建立合适的偏置电压Vgs，不同类型的FET，对偏置电压的极性有不同要求；JFET的Vgs与Vds极性相反，增强型MOSFET的Vgs与Vds同极性，耗尽型MOSFET的Vgs可正、可负或为零

3.按三端有源器件三个电极的不同连接方式，两种器件(BJT、JFET、MESFET和MOSFET)可以组成六种组态。但依据输出量与输入量之间的大小与相位关系的特征，这六种组态又可归纳为三种组态，即反相电压放大器、电压跟随器和电流跟随器。这为放大电路的综合设计提供了有实用意义的思路

4.由于FET具有输入阻抗高、噪声低(如JFET)等一系列优点，而BJT β高，若FET和BJT结合使用，就可大大提高和改善电子电路的某些性能指标。BiFET模拟集成电路就是按这一特点发展起来的，从而扩展了FET的应用范围

5.由于GaAs的电子迁移率比硅大约5~10倍，高速GaAs MESFET正被用于高频放大和高速数字逻辑电路，其互导gm可达100ms，甚至更高。

6.MOS器件主要用于制成集成电路。由于微电子工艺水平的不断提高，在大规模和超大规模数字集成电路中应用极为广泛，同时在集成运算放大器和其他模拟集成电路中也得到了迅速的发展，其中BiCMOS集成电路更具特色，因此，MOS器件的广泛应用必须引起读者的高度重视