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电路与电子学-6

电路与电子学-6

十一、放大器小信号模型
(继续我们关于放大器大信号和小信号的分析,今天我们的重点是小信号分析,让我们首先来复习一些内容,正如你们所知的MOS管放大器是这样的)。(研究电路,你们会发现,也是我这门课总在强调的有一些固定模式,一直在重复,这就是其中一个,一个带输入端的类似MOS管这样的三端口器件,漏源两端口,上接Rl,Vs像这样串联在一起,这是一种很常见的形式,其它形式也有,分压器也很常见,我们将不断地碰到它)。(戴维南等效的话,就是一个电压源和电阻串联是另一种常见形式,诺顿等效,电流源和电阻并联,也是很常见的,我们有必要非常熟悉如何分析这些东西)。(对于分压器,如此常见,你必须要一见到它,就能熟练写出表达式,我同样鼓励你们去看看分流器,当你有两个电阻并联的时候,并且有电流流过电阻,能够快速找到两个电流的比值)。(这个表达式和分压器得十分类似,我们提到过,当MOS管工作在饱和区那它就表现得像电流源,这个电路能够在这种情况下进行放大)。(在以后的课程中你会看到类似这样的电路,实际上,这个电路的可能性很大,在这门课,我们通过遵守规定简化了生活,同时也很有用,遵守规定,是很有用的)。(我们可以规定电路总是在饱和区工作,然后用电流源模型来进行分析,同样推断出,MOS管有效饱和区的边界就变得非常重要了,于是我们需要进行大信号分析,两步,1,计算出输出关于输入的响应;2,计算出有效工作区域,比如输入Vi,或受控参数Vo的相应范围)。(今天我们进入小信号分析,上节课,三角波进入放大区,虽然它放大了,但是是非线性的,还记得我们两个礼拜之前的目标么?我们要设计一个线性放大器,所以今天将继续我们建立线性放大器的话题)
(不断声明在饱和区很重要,因为只有在饱和区,输出的表达式才是Vo=Vs-k(vi-Vt)^2Rl/2,注意这是一个非线性关系,于是关键就是如何建立理想的放大器,还记得在非线性“世博废材”例子中所用的技巧吗?我们用了禅宗,我们说虽然它是非线性的,但是如果你仅仅关注这条曲线的一小部分,它呈现线性)。(接下来我们要说的例子,将会是“发光世博废材”那个例子的重复,只是这里是一个三端口器件,稍微有些复杂,我不需要进行泰勒级数展开,我将只做一个完整的表达式,为你腿演出小信号的值)。(好的,回忆我们的小信号模型,1,确定某个偏置点Vi、Vo,当然还有某个Ids在第三页上,然后在这个大的偏压上叠加一个小的信号Vi。还记得“抬升”么,这里Vi就是抬升“轰”,在Vi上我叠加了一个小信号Vi。我声称放大器对于这些小信号的响应接近是线性的)。(小信号模型的关键点,下面我会用几种不同的方法证明给你们看。当我做小信号分析的时候。我会在某个偏置点附近的区域里面工作) 。(你们以前看过这个了,我是怎么得到偏置的。这是放大器Rl,Vs这在第四页Vo,得到偏置的方法是假直流电压Vi,然后在叠加上我的小信号Vi。这个直流偏置把信号抬升到了我期望的值)。(通过改变偏置点,你可以改变放大器的特性。为了让你对将来的情况有个预览,我问你们,如果改变了偏置点,你们认为会有什么变化。我还没做数学上的推导,你们直觉上感觉会怎么样),(更高的偏压会导致更大的放大,不一定!)。(这个叫做DC偏置,也叫做工作点电压,这叫做小信号输入,也叫做增量输入)
(先给你们透露下,这里我把两个放大器藕合在一起,这个放大器的输出工作点电压,就变成了这个放大器的输入工作点电压,就是说当这个输出连到这个输入的时候,这个输出工作点电压也就耦合到了这个输入上,这就悲剧了,当我调节这个放大器的偏置时,另一个放大器的偏置也在改变,这两个互相影响,然而我们作为工程师就要寻找简单的途径,你将在三四周后学到另外一种技巧,这种技巧可以将两级放大器之间去耦合
(继续刚刚的话题,我下面要做的是,用数学方法来解决这个问题,进行数学分析,这次我就不用泰勒展开了,因为这个表达式可以完全展开,就不用泰勒展开了)。(换句话说,工作点输出电压Vo,现在我定义一些你们今后将会经常碰到的术语,我把它叫做Gm=K(Vi-Vt),下节课会讲到这样做的原因,对于给定的偏置电压,它是个常数)。(好了,这就是线性放大器。A是增益,乘以Vi,增益包括-RlK(Vi-Vt),增益与Rl相关,即负载电阻的大小Rl,K是一个MOSFET参数)
(从另一角度来看它,另外一种数学分析方式,这里我是给出了一个完全的展开,导出小信号响应。另外也可以走一个捷径,增量vo等于该店斜率乘以vi)。(剩下几分钟,让我把所有东西整理一下,同样也会点出你们将要涉及的很多问题,主要是关于怎么选择偏置点。这里我采取的是分析方法,当给定Rl,K,Vi等时,怎样在两个小放大器和一个大放大器之间选择之类,问题归结为怎样选择合适的偏置点,我们现在就要涉及这些东西,首先,增益或说是放大倍数,放大器最重要的设计参数之一就是增益是多少。例如摩托罗拉公司打算要你设计一个手机用的线性功率放大器,你说我知道该怎么做,然后她们说下一级需要一个100毫伏的输入,这个来自天线的信号只有几十或几百微伏,要放大几百倍,几千倍,这就是增益的用处,注意增益同Rl成正比)。(第二点,偏置太高会失真,偏置太低也会失真,所以偏置点选择很重要,偏置在你没有失真情况下,决定你能传输多大信号)。(第三点,关于输入信号有多大,有效输入范围多少,比如有一个信号,你希望正半周和负半周获得同样的偏移,然后当偏置点变化时,有效输入范围将会随之变化,我们在下节课将会讨论这些问题,并讨论一些设计问题)
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