模拟小信号模型分析法课件

放放大大电电路路是是一一个个双双口口网网络络。从从端端口口特特性性来来研研究究放放大大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。信号源信号源负载负载 输入端口特性可以等效为一个输入电阻输入端口特性可以等效为一个输入电阻 输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式1.2.2 放大电路模型放大电路模型 放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，负载开路时的电压增益负载开路时的电压增益输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻 1.2.2 1.2.2 放大电路模型放大电路模型1.电压放大模型电压放大模型关心输出电压与输入电压的关系关心输出电压与输入电压的关系 负载开路时的电压增益输入电阻输出电阻 1.2.考虑输入回路对信号源的衰减考虑输入回路对信号源的衰减理想情况：理想情况：有有要想减小衰减，则希望要想减小衰减，则希望？1.2.2 1.2.2 放大电路模型放大电路模型由输出回路得由输出回路得则电压增益为则电压增益为由此可见由此可见即负载的大小会影响增益的大小即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，则希望要想减小负载的影响，则希望？理想情况：理想情况：所以，一个理想的电压放大器：输入电阻无限大所以，一个理想的电压放大器：输入电阻无限大 输出电阻无限小输出电阻无限小考虑输入回路对信号源的衰减理想情况：有要想减小衰减，则希望电流放大模型电流放大模型关关心心输输出出电电流流与与输入电流的关系输入电流的关系电压放大模型电压放大模型 1.2.2 1.2.2 放大电路模型放大电路模型2.电流放大模型电流放大模型关关心心输输出出电电压压与与输入电压的关系输入电压的关系负载短路时的电流增益负载短路时的电流增益电流放大模型关心输出电流与输入电流的关系电压放大模型 1.22.电流放大模型电流放大模型由输出回路得由输出回路得则电流增益为则电流增益为由此可见由此可见要想减小负载的影响，则希望要想减小负载的影响，则希望？理想情况：理想情况：由输入回路得由输入回路得要想减小对信号源的衰减，则希望要想减小对信号源的衰减，则希望？理想情况：理想情况：1.2.2 1.2.2 放大电路模型放大电路模型所以，一个理想的电流放大器：输入电阻无限小所以，一个理想的电流放大器：输入电阻无限小 输出电阻无限大输出电阻无限大2.电流放大模型由输出回路得则电流增益为由此可见要想减小负输入输出回路没有公共端输入输出回路没有公共端4.互导放大模型（自学）互导放大模型（自学）5.隔离放大电路模型（自学）隔离放大电路模型（自学）1.2.2 1.2.2 放大电路模型放大电路模型3.互阻放大模型（自学）互阻放大模型（自学）输入输出回路没有公共端4.互导放大模型（自学）5.隔离 1.输入电阻输入电阻1.2.3 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 1.输入电阻1.2.3 放大电路的主要性能指标 所以所以另一方法另一方法注意：输入、输出电阻为交流电阻注意：输入、输出电阻为交流电阻2.输出电阻输出电阻 1.2.3 1.2.3 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标 所以另一方法注意：输入、输出电阻为交流电阻2.输出电阻 反反映映放放大大电电路路在在输输入入信信号号控控制制下下，将将供供电电电电源源能能量量转转换换为为输出信号能量的能力输出信号能量的能力其中其中 “甲甲放放大大电电路路的的增增益益为为-20-20倍倍”和和“乙乙放放大大电电路路的的增增益益为为-20dB”-20dB”，问哪个电路的增益大？，问哪个电路的增益大？四种增益四种增益常用分贝（常用分贝（dBdB）表示）表示 1.2.3 1.2.3 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标3.增益增益反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能A.A.放大电路的频率响应及带宽放大电路的频率响应及带宽 在在输输入入正正弦弦信信号号情情况况下下，输输入入信信号号频频率率连连续续改改变变，输输出出随之变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。随之变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。1.2.3 1.2.3 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标4.频率响应及带宽（频域指标）频率响应及带宽（频域指标）B.B.频率失真（线性失真）频率失真（线性失真）幅幅度度失失真真：对对不不同同频频率率的的信信号号增增益益不不同同，产产生生的的失真。失真。基波基波二次谐波二次谐波输入信号输入信号输出信号输出信号基波基波二次谐波二次谐波具具体体分分析析在在后后面面结合结合3.73.7节进行节进行A.放大电路的频率响应及带宽 在输入正弦信号情况下，输入信号由元器件非线性特性引起的失真。由元器件非线性特性引起的失真。非线性失真系数非线性失真系数:VO1是是输输出出电电压压信信号号基基波波分分量量的的有有效效值值，Vok是是高高次次谐谐波波分分量的有效值，量的有效值，k k为正整数。为正整数。1.2.3 1.2.3 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标5.非线性失真非线性失真频率失真（线性失真）与非线性失真的区别频率失真（线性失真）与非线性失真的区别由元器件非线性特性引起的失真。非线性失真系数:VO1是输出电思考与习题思考与习题(放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标)思考题：P.23-1.2.2习题：P.24-1.2.2、1.2.4 1.2.3 1.2.3 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标end思考与习题(放大电路的主要性能指标)思考题：习题：1.2.3.4 小信号模型分析法小信号模型分析法3.4 小信号模型分析法3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模3.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析共射极放大电路的小信号模型分析 H参数的引出参数的引出 H参数小信号模型参数小信号模型 模型的简化模型的简化 H参数的确定参数的确定 利用直流通路求利用直流通路求Q点点 画小信号等效电路画小信号等效电路 求放大电路动态指标求放大电路动态指标3.4.0 放大电路模型放大电路模型3.4.1 BJT的小信号建模3.4.2 共射极放大电路建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三当放大电路的输入信号电压很小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。电路来处理。由于三极管是非线性器件，这样就使得放大电路的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。线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路 当放 网络有输入端和输出端两个网络有输入端和输出端两个端口端口，常可用电压，常可用电压vi、vo及电流及电流i1、i2来研究网络的特性，选来研究网络的特性，选vi、vo及及i1、i2四个参数中的两个作为自变量，另两个为应变量，四个参数中的两个作为自变量，另两个为应变量，就可得到不同的网络参数，如就可得到不同的网络参数，如H参数（混合参数）等。参数（混合参数）等。H参数在低频时用得较广泛。参数在低频时用得较广泛。Z参数（开路阻抗参数），参数（开路阻抗参数），Y参数（短路导纳参数）参数（短路导纳参数）网络有输入端和输出端两个端口，常可用电压vi、vo及电流BJT是一个有源双口网络，它可以采用是一个有源双口网络，它可以采用H参数，也参数，也可以用可以用Z参数或参数或Y参数来进行分析。参数来进行分析。H参数参数是一种混合参数，它的物理意义明确，是一种混合参数，它的物理意义明确，测量的条件容易实现，加上它在低频范围内为测量的条件容易实现，加上它在低频范围内为实数，所以在电路分析和设计使用上都比较方实数，所以在电路分析和设计使用上都比较方便。下面用便。下面用H参数来进行讨论。参数来进行讨论。Y参数参数在高频运用时物理意义比较明显，缺点在高频运用时物理意义比较明显，缺点同样是测量不易准确，因同样是测量不易准确，因BJT的输入阻抗低，的输入阻抗低，不易实现输入端短路的条件。不易实现输入端短路的条件。Z参数参数在在BJT电路中使用最早，在早期应用较电路中使用最早，在早期应用较广，缺点是测量不易准确，因为广，缺点是测量不易准确，因为BJT的输出阻的输出阻抗高，不易实现输出端开路的条件。抗高，不易实现输出端开路的条件。BJT是一个有源双口网络，它可以采用H参数，也可以用Z参数或Ui=hiIi+hrUoIo=hfIi+hoUoUiUoIiIo二端口网络二端口网络0.H参数概念参数概念 3.4.1 BJT3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模输出端短路时的输入电阻；输出端短路时的输入电阻；输出端短路时的正向电流传输系数；输出端短路时的正向电流传输系数；输入端开路时的反向电压传输系数；输入端开路时的反向电压传输系数；输入端开路时的输出电导；输入端开路时的输出电导；对一个二端口网络，对一个二端口网络，H参数的描述公参数的描述公式为式为四个参数四个参数量纲各不量纲各不相同，故相同，故称为混合称为混合参数（参数（H H参参数）。数）。Ui=hiIi+hrUoIo=hfIi+hoUoUi BJT在共射极接法时，可表示为图所示的双口在共射极接法时，可表示为图所示的双口网络。网络。因而两者之间必然具有密切的内在联系。下面因而两者之间必然具有密切的内在联系。下面从管子的特性曲线出发，来找出从管子的特性曲线出发，来找出BJT的参数。的参数。而而BJT的参数的参数，则是用数学形式表示管子内部，则是用数学形式表示管子内部电压、电流微变量的关系，两种方法都是表征电压、电流微变量的关系，两种方法都是表征管子的性能、反映管内物理过程的，管子的性能、反映管内物理过程的，BJT的特性曲线的特性曲线用图形描述了管子内部电压、用图形描述了管子内部电压、电流的关系。电流的关系。BJT在共射极接法时，可表示为图所示的双口网络。因在小信号情况下，对上两式取全微分得在小信号情况下，对上两式取全微分得在小信号情况下，对上两式取全微分得在小信号情况下，对上两式取全微分得用小信号交流分量表示用小信号交流分量表示用小信号交流分量表示用小信号交流分量表示:（注意字母大小写以示区别）（注意字母大小写以示区别）（注意字母大小写以示区别）（注意字母大小写以示区别）vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce对于对于对于对于BJTBJT双口网络，我们知道有双口网络，我们知道有双口网络，我们知道有双口网络，我们知道有输入特性和输出特性曲线输入特性和输出特性曲线输入特性和输出特性曲线输入特性和输出特性曲线iB=f(vBE)vCE=constiC=f(vCE)iB=const可以写成：可以写成：可以写成：可以写成：vBEvCEiBcebiCBJT双口网络双口网络1.BJT的的H参数定义参数定义 3.4.1 BJT3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模在小信号情况下，对上两式取全微分得用小信号交流分量表示:（输出端输出端输出端输出端交流交流交流交流短路时的输入电阻；短路时的输入电阻；短路时的输入电阻；短路时的输入电阻；输出端输出端输出端输出端交流交流交流交流短路时的正向电流传输比或电短路时的正向电流传输比或电短路时的正向电流传输比或电短路时的正向电流传输比或电流放大系数；流放大系数；流放大系数；流放大系数；输入端输入端输入端输入端交流交流交流交流开路时的反向电压传输比；开路时的反向电压传输比；开路时的反向电压传输比；开路时的反向电压传输比；输入端输入端输入端输入端交流交流交流交流开路时的输出电导。开路时的输出电导。开路时的输出电导。开路时的输出电导。对照对照H H参数的公式，可知：参数的公式，可知：vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevce 3.4.1 BJT3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模Ui=hiIi+hrUoIo=hfIi+hoUo输出端交流短路时的输入电阻；输出端交流短路时的正向电流传输比根据根据可得小信号模型可得小信号模型vbe=hieib+hrevceic=hfeib+hoevcevBEvCEiBcebiCBJT双口网络双口网络 H H参数是小信号参数，参数是小信号参数，即微变参数或交流参数。即微变参数或交流参数。H H参数与工作点有关，参数与工作点有关，在放大区基本不变。在放大区基本不变。H H参数只适合对交流信参数只适合对交流信号的分析。号的分析。BJT的的H参数模型参数模型2.H参数小信号模型参数小信号模型 3.4.1 BJT3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模根据可得小信号模型vbe=hieib+hrevceic=hfeibicvceibvbehrevcehiehoe记记 rbe=hie =hfe uT=hre rce=1/hoe则则BJT的的H参数模型为参数模型为 ibicvceibvbeT vcerberce T很小，一般为很小，一般为10-3 10-4，rce很大，很大，约为约为100k。故故一般可忽略它们的影响，一般可忽略它们的影响，得到简化电路得到简化电路3.模型的简化模型的简化 3.4.1 BJT3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模hfeibicvceibvbehrevcehiehoe 记 r 一般用测试仪测出；一般用测试仪测出；rbe 与与Q点有关，可用图点有关，可用图示仪测出。也可用公式示仪测出。也可用公式估算：估算：rbe=rb+(1+)re其中对于低频小功率管其中对于低频小功率管 rb200 则则 而而 (T=300K)（思考题：思考题：思考题：思考题：P101 3.4.3P101 3.4.3）4.H参数的确定参数的确定 3.4.1 BJT3.4.1 BJT的小信号建模的小信号建模认识认识BJT H参数的物理意义参数的物理意义工程上工程上BJT H参数的确定参数的确定 一般用测试仪测出；rbe 与Q点有关，可用图式的适用范围为式的适用范围为0.1mA0.1mAIE E5mA5mA，实验表明，超越此，实验表明，超越此范围，将带来较大的误差。范围，将带来较大的误差。对于共射极接法的对于共射极接法的BJTBJT的小信号模型，的小信号模型，H H参数的数量参数的数量级一般为级一般为 式的适用范围为0.1mAIE5mA，实验表明，超越此范围例如，对高频小功率硅管例如，对高频小功率硅管3DG63DG6，在，在IC C=1mA=1mA，IB B=3=3mA A，VCECE=5V=5V时的时的H H参数，通过实验测得参数，通过实验测得 可见，可见，hoe和和hre相对而言是很小的，相对而言是很小的，对于低频放大电路，输入回路中对于低频放大电路，输入回路中对于低频放大电路，输入回路中对于低频放大电路，输入回路中h hrerev vcece比比比比v vbebe小得多，而输出回路中小得多，而输出回路中小得多，而输出回路中小得多，而输出回路中负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R Rc c（或（或（或（或R RL L）比）比）比）比BJTBJT输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻1/1/h hoeoe小得多，小得多，小得多，小得多，所以在模型中常常可以把所以在模型中常常可以把hre和和hoe忽略掉，这在工忽略掉，这在工程计算上不会带来显著的误差。程计算上不会带来显著的误差。例如，对高频小功率硅管3DG6，在IC=1mA，IB=3mAH参数小信号模型的讨论参数小信号模型的讨论 等效电流源等效电流源hfeib只是代表只是代表BJT的电流的电流控制作用，当控制作用，当ib=0（即（即vbe=0）时，等效）时，等效电流源就不存在了，所以称为电流源就不存在了，所以称为受控电源受控电源，模型中电流源的性质模型中电流源的性质：就是说它是受就是说它是受输入电流输入电流控制的，而控制的，而不是一个独立的电源。不是一个独立的电源。H参数小信号模型的讨论 等效电流源hfeib只是代表B 等效电流源等效电流源hfefeib b的流向是由的流向是由ib b（也就是（也就是vbebe）来）来决定决定 电流源的电流源的流向流向：电流源电流源hfefeib b的流向是在假定正向的原则下定出：的流向是在假定正向的原则下定出：电压以共同端为负端，电流以流向电极的方电压以共同端为负端，电流以流向电极的方向为正方向，向为正方向，根据根据BJTBJT工作的物理实质和工作的物理实质和hfefe的定义，当的定义，当ib b的的流向与假定的正方向相同时，流向与假定的正方向相同时，ic c的流向也必然与的流向也必然与假定的正方向相同，假定的正方向相同，这样，电流源这样，电流源hfefeib b的流向正如图中的箭头所的流向正如图中的箭头所示，是由集电极流向发射极。示，是由集电极流向发射极。等效电流源hfeib的流向是由ib（也就是vbe）来 在小信号模型中所讨论电压、电流也在小信号模型中所讨论电压、电流也都是变化量，因此不能利用小信号模型来都是变化量，因此不能利用小信号模型来求求Q点，或者利用它来计算某一时间的电点，或者利用它来计算某一时间的电压和电流总值。压和电流总值。值得注意的是值得注意的是，小信号模型虽然没有反，小信号模型虽然没有反映直流量，但小信号参数是在映直流量，但小信号参数是在Q点求出点求出的，所以它们实际上与的，所以它们实际上与IB B、IC C、VCECE等静等静态值是有关系的。计算出来的结果反映态值是有关系的。计算出来的结果反映了了Q点附近的工作情况。点附近的工作情况。模型的对象是变化量模型的对象是变化量：在小信号模型中所讨论电压、电流也都是变化量，因此不能利4根据放大电路的小信号模型等效电路计算放根据放大电路的小信号模型等效电路计算放大电路的交流指标大电路的交流指标 、Ri、Ro。注意：注意：由于在分析放大电路时，常用正弦电压作由于在分析放大电路时，常用正弦电压作为输入信号，所以小信号等效电路中的电压、电为输入信号，所以小信号等效电路中的电压、电流均用相量表示。流均用相量表示。利用利用BJTBJT的的H H参数小信号模型分析放大电路时，参数小信号模型分析放大电路时，可可按以下步骤进行按以下步骤进行：1 1根据直流通路估算静态工作点，确定根据直流通路估算静态工作点，确定H H参数；参数；2 2画出放大电路的交流通路；画出放大电路的交流通路；3 3画出放大电路的画出放大电路的H H参数小信号模型等效电路参数小信号模型等效电路4根据放大电路的小信号模型等效电路计算放大电路的交流指标 共射极放大电路共射极放大电路1.利用直流通路求利用直流通路求Q点点一般对硅管取一般对硅管取VBE=0.7V，锗管，锗管VBE=0.2V，且，且 已知已知。3.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析共射极放大电路的小信号模型分析 共射极放大电路1.利用直流通路求Q点一般对硅管取VBRbviRbRbviRc共射极放大电路共射极放大电路icvce+-交流通路交流通路RbviRcRLH参数小信号等效电路参数小信号等效电路2.画小信号等效电路画小信号等效电路 3.4.2 3.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析共射极放大电路的小信号模型分析RbviRbRbviRc共射极放大电路icvce+-交流通路根据根据根据根据RbviRcRL则电压增益为则电压增益为则电压增益为则电压增益为（公式）（公式）(1)(1)(1)(1)求电压增益求电压增益求电压增益求电压增益3.求放大电路动态指标求放大电路动态指标 3.4.2 3.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析共射极放大电路的小信号模型分析根据RbviRcRL则电压增益为（公式）(1)求电压增益3RbRcRLRi(3)(3)求输出电阻求输出电阻令令Ro=Rc 所以所以(2)(2)求输入电阻求输入电阻 3.4.2 3.4.2 共射极放大电路的小信号模型分析共射极放大电路的小信号模型分析RbRcRLRi(3)求输出电阻令Ro=Rc 所以(2 1.电路如图所示。电路如图所示。试画出其试画出其小信号等效模型电路。小信号等效模型电路。解：解：例题例题 1.电路如图所示。试画出其小信号等效模型电路。解：例例题例题 解：解：（1）（2）2.放大电路如图所示。试求：（放大电路如图所示。试求：（1）Q点；（点；（2）、。已知已知=50。end例题 解：（1）（2）2.放大电路如图所示。试求：（1）图解分析法和小信号模型分析法，实质图解分析法和小信号模型分析法，实质上它们是互相联系，互相补充的，将它们的上它们是互相联系，互相补充的，将它们的主要特点归纳如下主要特点归纳如下:图解法图解法真实地反映了真实地反映了BJT的非线性特性。的非线性特性。BJT的工作点延伸到特性曲线的非线性部的工作点延伸到特性曲线的非线性部分时，分时，在输入大信号以及分析输出幅值和在输入大信号以及分析输出幅值和波形失真的情况时，用图解法比较合适。波形失真的情况时，用图解法比较合适。如第如第5章功率放大电路，就会用到。章功率放大电路，就会用到。图解分析法和小信号模型分析法，实质上它们是互相联系，一般当输入电压幅度较小或一般当输入电压幅度较小或BJT基本基本上在线性范围内工作时，特别是放大电路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；比较复杂时，可用小信号模型来分析；小信号模型分析法小信号模型分析法的特点是将的特点是将BJT的特性用的特性用我们所熟悉的线性网络来代替，然后利用电我们所熟悉的线性网络来代替，然后利用电路计算的方法分析放大电路的各项技术指标路计算的方法分析放大电路的各项技术指标 、Ri、Ro等比较方便等比较方便.一般当输入电压幅度较小或BJT基本上在线性范围内工作思考与习题思考与习题思考题：P.101-3.4.1、3.4.4习题：P.143-3.4.1(c),(d)、3.4.4、3.4.5（其中第3问改为：分析电容C3的作用）思考与习题思考题：习题：人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。人有了知识，就会具备各种分析能力，模拟小信号模型分析法课件