B7 放大电路基础

基本概念

二端口功能模块电路
核心：完成能量转化等有源器件
指标：放大系数，输入输出阻抗，频带范围，不失真输出范围

四个放大电路模型

电压放大模型 u-u
电流放大模型 i-i
阻抗放大模型 i-u u/i
导纳放大模型 u-i. i/u

$A_{u} ：二端口放大倍数， A_{u o} ：负载放大倍数$
输入阻抗： $Z_{i} = \frac{U_{i}}{I_{i}}$
输出阻抗： $Z_{o} = - \frac{U_{o}}{I_{o}}$ ( $I_{o}$ 方向是向外，这里是求输出阻抗
所以负号改变方向)

非线性失真系数：（非线性增益）$$THD=\frac{\sqrt{ \sum^{\infty}{k=2}U^{2} }}{U_{o1}}$$

线性失真：（对不同频率的放大倍数不同）

频带范围： 3dB频带（也就是0.707倍波动）：来限制频带范围

双极型三极管（电流控制型

B： basic 基极
C：collector 集电极
E：emitter 发射极
E 发、B 控、C 收——发射极发出载流子，基极控制流量，集电极收集载流子。
B,E 电流方向相同

要求输入和输出分别都构成回路:
故,E，C，B级都可以做输入输出共有的回路

输入特性: $i_{B} = f (U_{B E}) |_{U_{c e = C}}$
输出特性 $I_{c} = f (U_{C E}) |_{I_{B} = C}$
- 输出上可以分为三个区:截止(cut off),饱和(saturation),放大(active)
- - 截止区:
    - 条件: 发射结( $J_{e}$ )零偏或反偏( $U_{B E} < U_{B E_{o n}}$ ),或集电结 $J_{c}$ 反偏
    - 此时 $I_{C}$ 几乎为0, $I_{B} = 0$
  - 饱和区:
    - 条件: $J_{e}$ 正偏, $J_{c}$ 也正偏,并且 $U_{B E} > U_{B E_{o n}}$
    - 此时 $I_{B} 对 I_{C}$ 失去了控制.
    - 饱和电压记为: $U_{C E S}$
  - 放大区:
    - 条件: $J_{e}$ 正偏, $J_{c}$ 反偏
    - 对NPN:正偏反偏都是对基极比较而言.
    - 此时 $i_{C} = β i_{B}$ ,集电极电流与基极电流成正比
    - 而 $U_{C E}$ 的改变对 $i_{C}$ 的影响不大

电流放大系数:
交直流按同一个:
极间反向电流: $I_{C B O}$ 等
$U_{(B R) C E O}$ :集射极间击穿电压
$I_{C M}$

晶体管的放大电路(共发射极基本放大电路)

组成:

核心: 放大器件
偏置电路:使放大器件工作在放大状态
输入耦合电路:
输出耦合电路:

放大电路的基本分析

静态分析,动态分析

注: $I_{c} = β I_{b}$

分离后,可以通过简化电路,从而一口气求出来复杂的和电路.
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动态分析: 目的,确定放大电路的性能指标

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动态等效分析:
去除所有直流源,同时把电容等短路(简化计算),从而等效分析

共射放大电路为反向放大电路,其他电路都是正向放大电路.

等效电路分析法

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其中 $R_{c e}$ 模拟 $U_{c e}$ 对 $i_{c}$ 的控制,但是当负载<<其时,可忽略
$r_{b e} = r_{b b^{'}} + r_{b^{'} e}$ ,前者为基区体电阻
$r_{b^{'} e} = β \frac{V_{T}}{I_{C Q}}$ : $其中 : V_{T}$ 温度电压当量.

$A_{u} = - β \frac{R_{L}}{r_{b e}}$ $\begin{align} \\A_{us}= \frac{\dot{U_{o}}}{\dot{U_{s}}}=\frac{R_{i}}{R_{i}+R_{s}}A_{u} \\R_{i}=\frac{\dot{U_{i}}}{\dot{I_{i}}}= R_{B}||r_{be} \\R_{o}=\frac{\dot{U_{o}}}{\dot{I_{o}}}|_{R_L=0,U_{s}=0}=R_{c}||r_{ce} \\r_{b'e}=\beta \frac{V_{T}}{I_{CQ}}\end{align}$$![B7_放大电路基础_2025-11-05_17-06-21.jpg](/img/user/export_to_word/B7_%E6%94%BE%E5%A4%A7%E7%94%B5%E8%B7%AF%E5%9F%BA%E7%A1%80_2025-11-05_17-06-21.jpg)$

静态分析: 关键是找到 $U_{c c} 直流源$
画交流通路: $关键是找到 U_{i} 交流输入, 同时对直流源处理到地$
直流源偏置无视,(即接地)
电容近似短路
也形成输入和输出回路
画微变等效电路
先画三极管
再勾连成输入和输出回路
求微变参数
求动态参数
$R_{i} 和 R_{o}$ 求解皆用戴维南等效求解.

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$A_{u} = 1$ 通过 $I_{b}$ 联系,求解

目的:通过负反馈抑制温度对电路的影响.
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共集电极放大电路

也叫射极输出器,射极跟随器:(电压放大系数<1,但是约等于1,但是电流放大 $β$ )

补充:如何理解这里的交流接地^[1]

核心:把 $i_{b} 流过的电阻, 等效为 i_{e} 流过的电阻, 再和 R_{e} 并联, 得, R_{o}$

共集电极放大电路又称电压跟随器，主要用途：

多级放大电路的第一级，减小对信号源的影响。
多级放大电路的输出级，隔离负载对放大电路的影响，特别适用于低阻值负载的情况（如扬声器）。
用于多级放大的中间级，隔离前后级，实现电路的阻抗匹配。

找到 $U_{c c}$

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场效应管放大电路

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MOS管工作原理解析:^[2]

Enmos

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N沟道是正电源供电,P沟道是负电源供电

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#task 如何理解上面的RG [created:: 2025-11-10]

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Mos

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动态分析电路
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#task 对两个R_0比较 [created:: 2025-11-12]
两个的MOS管对应位置是不同的,

总结一下两个 $R_{0}$ 的计算:

我们此时以 $U_{S}$ 为参考地
则对应带 $U_{G}$ 电位为 $U_{g s}$ ,而右边此时等电位,得出 $U_{D}$ 为 $U_{g s}$
从而得出 $U_{o}$ 的电压,而电流我们则已经知道了,其正是MOS管放大出来的电流,从而得出并联的等效电阻

放大电路的频率特性

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米勒定理等效后
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三个频段的等效电路

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短路时间常数法
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#task 如何求解R_E [priority:: highest] [created:: 2025-11-12]

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A_{u l} = A_{\frac{u m}{1 - J F_{l i} / f}} A_{u h} = A_{\frac{u m}{1 + J F_{l i} / f}}

电容相并就直接相加

#task U_beq 是怎么求的,为什么一定是0.7v ,如果外加更大的电压怎么办? [created:: 2025-11-17]
#task 三极管是如何供电的? [created:: 2025-11-17]

. 什么是“AC地”？在电路中，“地”（Ground）是我们的 0V 参考点。
- “DC地”：指 DC 直流电压为 0V 的点。
- “AC地”：指 AC 交流电压（即电压变化量）为 0V 的点。
  由于 $U_{C C}$ 电源所在点的 AC电压（变化量）为 0，所以它对于AC信号来说，就等同于“地”。
↩︎

MOS管（MOSFET）的核心工作原理是通过栅极电压控制氧化层电场，进而调控源漏极之间的导电沟道，实现对电流的开关或放大控制，本质是电压控制器件（栅极几乎无电流）。

一、核心结构基础（以NMOS为例）

要理解原理，先明确核心结构（PMOS结构对称，仅掺杂类型相反）：

衬底（B）：通常是P型半导体（NMOS）或N型半导体（PMOS），是器件的基础载体。
源极（S）/漏极（D）：在衬底上通过离子注入形成高浓度掺杂区——NMOS的S、D是N型掺杂（载流子为电子），PMOS的S、D是P型掺杂（载流子为空穴）。
栅极（G）：位于S、D之间，通过一层极薄的氧化层（SiO₂）与衬底隔离，栅极本身为金属或多晶硅，氧化层是关键绝缘结构（保证栅极无电流）。

二、核心工作过程（NMOS导通原理）

以最常用的增强型NMOS为例，分三步理解：

栅极加正向电压（V_GS > 阈值电压Vth）：
栅极接正电压、源极接地时，栅极与衬底之间形成电场（电场方向从栅极指向衬底）。
电场会排斥衬底（P型）中的空穴，吸引衬底深处的电子到氧化层下方的衬底表面。
形成导电沟道：
当V_GS足够大（超过阈值电压Vth，典型值0.5-2V），聚集的电子会在S、D之间形成一层N型导电沟道（与S、D的N型区连通）。
此时S、D之间的“隔离”被打破，具备了电流导通的路径。
源漏加电压产生电流（I_DS）：
在S、D之间加正向电压（V_DS > 0），电子会从源极（S）出发，通过导电沟道流向漏极（D），形成漏极电流I_DS。
I_DS的大小由V_GS控制：V_GS越大，电场越强，导电沟道越宽，I_DS越大（放大特性）；V_GS固定时，I_DS随V_DS变化（不同工作区域特性不同）。

三、关键工作区域（NMOS为例）

MOS管的工作状态分三个区域，对应不同应用场景：

截止区（V_GS < Vth）：
栅极电压不足，未形成导电沟道，S、D之间近似开路，I_DS≈0，对应“开关断开”状态。
饱和区（V_GS > Vth 且 V_DS ≥ V_GS - Vth）：此时仍有 漂移电流
导电沟道已形成，但漏极附近的沟道被“夹断”（因V_DS较大，抵消了栅极在漏极侧的电场）。
此时I_DS基本不随V_DS变化，仅由V_GS决定（I_DS ∝ (V_GS - Vth)²），适合用于放大电路。
非饱和区（线性区）（V_GS > Vth 且 V_DS < V_GS - Vth）：
导电沟道完整（未夹断），I_DS同时随V_GS和V_DS变化（I_DS ∝ V_DS），沟道相当于一个受V_GS控制的可变电阻，适合用于开关电路（导通状态）。

四、NMOS与PMOS的核心差异（原理层面）

特性	NMOS（N沟道）	PMOS（P沟道）
载流子	电子（迁移率高，开关速度快）	空穴（迁移率低，速度较慢）
导通条件	V_GS > Vth（正向栅源电压）	V_GS < -Vth（负向栅源电压）
电流方向（I_DS）	从D到S（实际电子从S到D）	从S到D（实际空穴从S到D）
衬底连接	通常接地（与源极相连）	通常接电源正极（与源极相连）

五、关键补充：增强型与耗尽型MOS管

增强型MOS管（常用）：无栅压时（V_GS=0）无导电沟道，必须加栅压才能导通（NMOS需V_GS>Vth，PMOS需V_GS<-Vth）。
耗尽型MOS管：无栅压时已存在天然导电沟道，加反向栅压可减小沟道宽度甚至截止（NMOS加负V_GS，PMOS加正V_GS），多用于特定放大场景。

↩︎

基本概念

双极型三极管（电流控制型

晶体管的放大电路(共发射极基本放大电路)

放大电路的基本分析

动态分析: 目的,确定放大电路的性能指标

等效电路分析法

共集电极放大电路

场效应管放大电路

放大电路的频率特性

三个频段的等效电路

. 什么是“AC地”？在电路中，“地”（Ground）是我们的 0V 参考点。

一、核心结构基础（以NMOS为例）

二、核心工作过程（NMOS导通原理）

三、关键工作区域（NMOS为例）

四、NMOS与PMOS的核心差异（原理层面）

五、关键补充：增强型与耗尽型MOS管