电工学9课件.ppt

半导体三极管和放大电路,本章基本要求深入理解三极管的电流放大作用，输入输出特性曲线。掌握直流通路、交流通路的画法，熟悉直流分量、交流分量的表示方法。3.深入理解静态工作点的含义，及其与失真的关系。4.掌握微变等效电路的画法。掌握分压式偏置电路、共射极电路、射极输出器的电路分析及特点。初步掌握多级放大电路的分析方法。7.了解放大电路中反馈的概念。,常见三极管实物图,半导体三极管又称晶体三极管，简称三极管或晶体管,三极管内部有三层半导体,根据排列方式不同,分为NPN型和PNP型;中间一层称为基区,两边分别为发射区和集电区。,三层半导体形成两个PN结。发射极与基极之间的PN结称发射结，集电极与基极之间的PN结称集电结。,三极管的基本结构,发射结,集电结,发射结,集电结,从三个区引出的电极分别称为发射极(E),基极(B),集电极(C),NPN型,PNP型,三极管的符号表示,箭头方向为发射结正向偏置时电流方向,国产三极管的命名规则,电流分配和放大原理,实验结论,1)观察每列：IE=IB+IC，符合KCL，且IEIC,2)IC,IE比IB大得多，第3列：IC/IB=3.2/0.05=64,晶体管有电流放大作用IC=IB,3)基极电流得少量变化，引起集电极电流的较大变化，IC/IB=(3.2-2.45)/(0.02-0.01)=75,将IC与IB的比值称动态电流放大系数：=IC/IB,三极管的特性曲线,晶体管的特性曲线用来表示该晶体管各极电压和电流之间的相互关系，它反映晶体管的特性，是分析放大电路的重要依据。特性曲线可用晶体管特性图示仪直观显示。,UCE,UBE,EB,V,测量晶体管特性的实验数据,V,+,_,+,_,RB,IB,EC,EB,IC,IE,_,+,+,_,C,E,B,1.输入特性曲线：,指当集射极电压UCE为常数时,输入端电压UBE与电流IB的关系。,IB=f(UBE)|UCE=常数,UCE增大，曲线族右移，当UCE=1，曲线基本重合.通常只画出UCE=1时一条曲线,输入特性曲线是非线性的，有一段“死区”，硅管约0.5V,锗管约0.1V,输出特性曲线,输出特性曲线指当基极电流IB为常数时，输出电路(集电极电路)集电极电流IC与集射极电压UCE之间的关系曲线。,IC=f(UCE)|IB=常数,曲线是以IB为参变量的曲线族，曲线族分为三个区域：,饱和区:当UCE较小时,3)放大区：在曲线的水平段,2)截止区:IB=0曲线以下的区域,UCE变化,IC变化较小,当IB不变,IC基本不变,且IC=IB，具有恒流特性,UCE较小的变化,IC有较大的变化ICIB,饱和压降UCE=0.3V,IB=0时,集电极仍有很小的电流,称穿透电流ICEO。,12,三极管的主要参数,1.电流放大系数和=IC/IB，=IC/IB2.穿透电流ICEOIB=0时（基极开路时）流过集射极间的电流越小越好3.集电极最大允许电流ICMICICM,显著下降，三极管损坏4.集射极反向击穿电压UCEO基极开路时，集射极最大允许电压5.集电极最大允许耗散功率,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。,放大的实质:用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。,对放大电路的基本要求：1.要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。2.尽可能小的波形失真。另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,本章主要讨论电压放大电路,放大的概念:,交流放大电路,基本放大电路的组成,单电源供电时常用的画法,RCIB，VBUBE,一般取：I2=(510)IB，UB=(510)UBE,IE,参数的选择,放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui0）时的工作状态。,分析方法：微变等效电路法，图解法。所用电路：放大电路的交流通路。,动态分析:计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析对象：各极电压和电流的交流分量。,目的：找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计打基础。,微变等效电路：把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：晶体管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,微变等效电路法,把非线性元件三极管等效为一个线性元件，这样就可以象处理线性电路那样来处理三极管放大电路。等效(线性化)条件:晶体管在小信号(微变量)情况下工作。,微变等效电路,当输入信号很小时，输入曲线在静态工作点Q附近可看成一段直线。,（对小信号变量:UBEube，IBib）,输入特性曲线,三极管的输入电阻,UBE,Q,晶体管的输入电阻,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。小信号情况下，rbe为一常数,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。,输出特性曲线在Q点附近是一组等距平行直线,具有恒流特性，且iC受ib控制,当小信号时：,为常数，确定ib受iC控制的程度,三极管的输出端等效为受控恒流源,三极管的恒流特性,晶体管的电流放大系数,三极管的输出电阻,rce愈大，恒流特性愈好，因rce阻值很高，一般忽略不计。,非理想恒流源具有内阻，与恒流源并联,rce很大，一般忽略。,uce,uce,ic,晶体管的微变等效电路（线性化的电路模型）,ube,rbe,ib,ib,rce,+,+,-,-,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,放大电路,共发射极放大电路,放大电路的交流通路,uo,-,+,ic,B,E,C,B,RC,RL,电压电流均为正弦量，用相量表示，箭标标明正方向,RC,RL,放大电路的动态分析,RC,RL,电压放大倍数,当输出端开路时（RL不接），,(o与i反相),放大电路的输入电阻ri,放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。,RC,RL,将从信号源取用较大电流，增加信号源负担Rs与ri分压，使实际加在放大电路中的输入电压Ui减小，从而减小输出电压。,当输入电阻较小时：,希望放大电路的输入电阻高些,放大电路的输入电阻对电路的影响,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,定义：,输出电阻是动态电阻，与负载无关。,放大电路的输出电阻ro,求ro的步骤：1)断开负载RL,3)外加电压,4)求,外加,2)令或,输出电阻ro的求法：,希望放大电路的输出电阻低些,放大电路的输出电阻对电路的影响,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,2019/12/13,69,可编辑,2,射极输出器,负载电阻接在发射极上，输出电压从三极管发射极取出，这种放大电路称射极输出器。,静态电路分析,画直流通路，作静态分析：,UCC=IBRB+UBE+IERE,UCC=UCE+IERE,找出交流通路，画微变等效电路，作动态分析。,动态电路分析,动态分析,1.电压放大倍数,微变等效电路,Au=o/i,1、,所以,射极输出器没有电压放大作用，但有电流和功率放大作用,2、,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,(2)动态分析-输入电阻ri,射极输出器输入电阻由偏置电阻RB和rbe+(1+)RL并联而成，RB值较大，(1+)RL比rbe大,因此射极输出器的输入电阻大,ri=i/i,rbe,RB,RL,E,B,C,+,-,+,-,+,-,RS,RE,外加,(3)动态分析-输出电阻ro,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,射极输出器的主要特点为,电压倍数接近于1但恒小于1输入电阻高输出电阻低,射极输出器的应用,主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。,1.因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,2.因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。,3.利用ri大、ro小以及Au1的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。,4.射极输出器具有恒压输出特性,分压式偏置电路动态分析,对交流：旁路电容CE将RE短路，RE不起作用，Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,旁路电容,举例,一般放大电路的输入信号都很微弱，为毫伏级或微伏级，需经多级放大才能满足要求。,多级放大电路有若干单级放大电路组成：,多级放大电路,级间耦合方式,耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。,常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,动态:传送信号,减少压降损失,静态：保证各级有合适的Q点,波形不失真,多级放大电路的框图,对耦合电路的要求,一.阻容耦合,优点：能放大交直流信号,二.直接耦合放大电路,直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。,2.零点漂移,零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。,存在的两个问题：,1.前后级静态工作点相互影响,零点漂移的危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。,三.变压器耦合放大电路,ui,RL,T1,RB21,T1,RB1,RB2,RB22,RE1,CE1,RE2,CE2,TR1,TR2,+UCC,1.能够实现阻抗、电压、电流变换,实现前后级的完全隔离,2.变压器重，体积大,不适合缓慢信号或直流信号,+,_,两级阻容耦合放大电路分析,在多级放大电路中，前级电路输出是后级电路的输入，总电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积。,但在计算各级放大倍数时，必须考虑后级对前级的影响，把后级输入电阻当成前级的负载电阻。,一.电压放大倍数,二.输入电阻,多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻。,三.输出电阻,多级放大电路的输出电阻就是输出级的输出电阻。,1.静态分析,由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，可以各级单独计算。,两级放大电路均为共发射极分压式偏置电路。,2.动态分析,微变等效电路,第一级,第二级,例2:,如图所示的两级电压放大电路，已知1=2=50,T1和T2均为3DG8D。(1)计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);(2)求放大电路的输入电阻和输出电阻；(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。,解:,(1)两级放大电路的静态值可分别计算。,第一级是射极输出器:,放大电路的反馈,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，因而使输入信号发生改变的过程就称为反馈。,反馈放大电路的三个环节：,基本放大电路,比较环节,反馈放大电路的方框图,反馈电路,输出信号,输入信号,反馈信号,反馈系数,净输入信号,放大倍数,反馈放大电路的方框图,净输入信号,若三者同相，则Xd=XiXf,可见Xd1，称为深度负反馈，此时：,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。,3.改善波形失真,加反馈前,加反馈后,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,小,接近正弦波,正弦波,4.对输入电阻的影响,在同样的ib下