电工电子技术 基本放大电路详解.ppt

第9章基本放大电路 9 1双极型晶体管 9 2放大电路的工作原理 9 3放大电路的静态分析 9 4放大电路的动态分析 9 5双极型晶体管基本放大电路 9 6场效应型晶体管 9 7场效应型晶体管基本放大电路 9 8多级放大电路 9 9差分放大电路 9 10功率放大电路 9 1双极型晶体管 晶体管又称半导体三极管 晶体管是最重要的一种半导体器件之一 它的放大作用和开关作用 促使了电子技术的飞跃 晶体管图片 一 基本结构 晶体管的主要类型 1 根据结构分为 NPN型和PNP型 2 根据使用的半导体材料分为 硅管和锗管 一 基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 符号 NPN型晶体管 PNP型晶体管 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 发射结 集电结 结构特点 集电区 面积最大 二 工作状态 1 放大状态 发射结正偏 集电结反偏 PNP管 发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 从电位的角度看 NPN管 发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 即 VC VB VE 即 VC VB VE 二 工作状态 1 放大状态 发射结正偏 集电结反偏 PNP管 发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 从电位的角度看 NPN管 发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 即 VC VB VE 即 VC VB VE 晶体管电流放大的实验电路 设EC 6V 改变可变电阻RB 则基极电流IB 集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化 测量结果如下表 1 各电极电流关系及电流放大作用 晶体管电流测量数据 结论 1 IE IB IC符合基尔霍夫定律 2 IC IB IC IE 3 IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用 实质 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化 是CCCS器件 2 晶体管内部载流子的运动规律 基区空穴向发射区的扩散可忽略 发射结正偏 发射区电子不断向基区扩散 形成发射极电流IE 基区接电源正极 基区激发的价电子不断被电源拉走 补充空穴形成电流IBE 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 多数扩散到集电结 集电结反偏 阻挡集电区电子向基区扩散 但是它将从基区扩散来的电子拉入集电区 形成电流ICE 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 2 晶体管内部载流子的运动规律 IC ICE ICBO ICE IB IBE ICBO IBE ICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数 集 射极穿透电流 温度 ICEO 常用公式 若IB 0 则IC ICE0 IB微小的变化 会产生IC很大的变化 IC IB 0 UCE UCC UCE UCC RCIC 晶体管相当于通路 3 特点 特点 IB IC基本不变 IC UCC RC UCE 0 晶体管相当于短路 条件 发射结正偏 集电结正偏 IB IC UCE UCC RCIC ICM UCC RC 2 饱和状态 电路图 饱和状态时的晶体管 特点 IB 0IC 0UCE UCC晶体管相当于开路 3 截止状态 条件 发射结反偏 集电结反偏 电路图 截止状态时的晶体管 晶体管处于放大状态 例9 1 1 图示电路 晶体管的 100 求开关S合向a b c时的IB IC和UCE 并指出晶体管的工作状态 忽略UBE 解 1 开关S合向a时 0 01mA UCC 15VUBB1 5VUBB2 1 5VRB1 500k RB2 50k RC 5k IC IB 100 0 01mA 1mAUCE UCC RCIC 15 5 103 1 10 3 V 10V 3 开关S合向c时 2 开关S合向b时 IBS IB晶体管处于饱和状态 UCE 0V 晶体管处于截止状态 IB 0 IC 0 UCE UCC 15V 三 特性曲线 即晶体管各电极电压与电流的关系曲线 是晶体管内部载流子运动的外部表现 反映了晶体管的性能 是分析放大电路的依据 为什么要研究特性曲线 1 直观地分析晶体管的工作状态2 合理地选择偏置电路的参数 设计性能良好的电路 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 发射极是输入回路 输出回路的公共端 共发射极电路 输入回路 输出回路 测量晶体管特性的实验线路 1 输入特性 特点 非线性 正常工作时发射结电压 NPN型硅管UBE 0 7VPNP型锗管UBE 0 3V 3DG100晶体管的输入特性曲线 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 2 输出特性 共发射极电路 3DG100晶体管的输出特性曲线 在不同的IB下 可得出不同的曲线 所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线 2 输出特性 IB 0 20 A 放大区 晶体管有三种工作状态 因而输出特性曲线分为三个工作区 1 放大区 IC IB 发射结正偏 集电结反偏 2 截止区 IB 0以下区域为截止区 有IC 0 发射结反偏 集电结反偏 截止区 IB 0时 IC ICEO 很小 ICEO 0 001mA 对NPN型硅管 当UBE 0 5V时 即已开始截止 为使晶体管可靠截止 常使UBE 0 截止时 集电结也处于反向偏置 UBC 0 此时 IC 0 UCE UCC 饱和区 3 饱和区 在饱和区 IB IC 发射结正偏 集电结正偏 硅管UCES 0 3V 锗管UCES 0 1V UCES 0 ICS UCC RC 饱和时 IB IBS 当晶体管饱和时 UCE 0 发射极与集电极之间如同一个开关的接通 其间电阻很小 当晶体管截止时 IC 0 发射极与集电极之间如同一个开关的断开 其间电阻很大 可见 晶体管除了有放大作用外 还有开关作用 四 主要参数 1 电流放大系数 静态 直流 电流放大系数 动态 交流 电流放大系数 当晶体管接成共发射极电路时 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数 晶体管的参数也是设计电路 选用晶体管的依据 注意 和 的含义不同 但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下 两者数值接近 常用晶体管的 值在20 200之间 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流 受温度的影响大 温度 ICBO 3 集 射极反向截止电流 穿透电流 ICEO ICEO受温度的影响大 温度 ICEO 所以IC也相应增加 晶体管的温度特性较差 4 集电极最大允许电流ICM 5 集 射极反向击穿电压U BR CEO 集电极电流IC上升会导致晶体管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 晶体管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 6 集电极最大允许耗散功耗PCM PCM取决于晶体管允许的温升 消耗功率过大 温升过高会烧坏晶体管 PC PCM ICUCE 硅管允许结温约为150 C 锗管约为70 90 C ICUCE PCM 安全工作区 由三个极限参数可画出晶体管的安全工作区 晶体管参数与温度的关系 1 温度每增加10 C ICBO增大一倍 硅管优于锗管 2 温度每升高1 C UBE将减小 2 2 5 mV 即晶体管具有负温度系数 3 温度每升高1 C 增加0 5 1 0 本节题型 1 判断管子类型 NPN PNP 硅管 锗管 2 判断管子工作状态 放大 截止 饱和 饱和 发射结正偏 集电结正偏 UBE 0 UBC 0 IB IBS 放大 发射结正偏 集电结反偏 UBE 0 UBC 0 IB IBS截至 发射结反偏 集电结反偏 UBE 0 UBC 0 IB 0 例 用直流电压表测某电路中三只晶体管的三个电极对地的电压 其数值如图所示 指出晶体管的E B C三个极 并说明该管是硅管还是锗管 解 放大的概念 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晶体管的电流控制作用 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 9 2放大电路的工作原理 放大电路的目的是将微弱的变化信号不失真的放大成较大的信号 这里所讲的主要是电压放大电路 电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示 如图 Au 三种晶体管放大电路 共射极放大电路 共基极放大电路 共集电极放大电路 以共射极放大电路为例讲解工作原理 一 放大电路的组成 一 放大电路的组成 共发射极基本交流放大电路 1 共发射极基本放大电路组成 2 基本交流放大电路各元件作用 晶体管T 放大元件 iC iB 要保证集电结反偏 发射结正偏 使晶体管工作在放大区 基极电源EB与基极电阻RB 使发射结处于正偏 并提供大小适当的基极电流 共发射极基本电路 集电极电源EC 为电路提供能量 并保证集电结反偏 集电极电阻RC 将变化的电流转变为变化的电压 耦合电容C1 C2 隔离输入 输出与放大电路直流的联系 同时使信号顺利输入 输出 信号源 负载 共发射极基本电路 2 基本交流放大电路各元件作用 基本放大电路的简化画法 单电源供电时常用的画法 共发射极基本电路 上堂课回顾 1 晶体管 符号 NPN型三极管 PNP型三极管 上堂课回顾 1 晶体管 1 IE IB IC符合基尔霍夫定律 2 IC IB IC IE 3 IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用 晶体管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 UBE IC IE IB CTE B UCE 特点 非线性 正常工作时发射结电压 NPN型硅管UBE 0 7VPNP型锗管UBE 0 3V 3DG100晶体管的输入特性曲线 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 上堂课回顾 2 输入特性 IB 0 20 A 放大区 晶体管有三种工作状态 因而输出特性曲线分为三个工作区 1 放大区 发射结正偏 集电结反偏 有电流放大作用 IC IB 输出曲线具有恒流特性 上堂课回顾 3 输出特性 2 截止区 IB 0以下区域为截止区 有IC 0 截止区 IB 0时 IC ICEO 很小 ICEO 0 001mA 发射结反偏 集电结反偏 失去电流放大作用 IC 0 晶体管C E之间相当于开路 开关断开 上堂课回顾 饱和区 3 饱和区 在饱和区 IB IC深度饱和时 UCE 0 ICS UCC RC 发射结正偏 集电结正偏 失去放大作用 晶体管C E之间相当于短路 开关接通 上堂课回顾 上堂课回顾 共发射极基本交流放大电路 1 共发射极基本放大电路组成 一 放大电路的组成 上堂课回顾 单电源供电时常用的画法 共发射极基本电路 基本放大电路的简化画法 UBE IB 大写字母 大写下标 表示直流量 静态值 ube ib 小写字母 小写下标 表示交流瞬时值 uBE iB 小写字母 大写下标 表示交 直混合量 总量 Ube Ib 大写字母 小写下标 表示交流分量有效值 符号规定 3 共射极放大电路的电压放大作用 无输入信号 ui 0 时 uo 0uBE UBEuCE UCE 结论 1 无输入信号电压时 晶体管各电极都是恒定的电压和电流 IB UBE和IC UCE IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点 称为静态工作点 UBE 无输入信号 ui 0 时 uo 0uBE UBEuCE UCE 有输入信号 ui 0 时 uCE UCC iCRC uo 0uBE UBE uiuCE UCE uo 3 共射放大电路的电压放大作用 结论 2 加上输入信号电压后 各电极电流和电压的大小均发生了变化 都在直流量的基础上叠加了一个交流量 但方向始终不变 集电极电流 直流分量 交流分量 动态分析 静态分析 结论 3 若参数选取得当 输出电压可比输入电压大 即电路具有电压放大作用 4 输出电压与输入电压在相位上相差180 即共发射极电路具有反相作用 结论 1 交流信号的传输情况 2 电压和电流都含有直流分量和交流分量 uBE UBE ube uCE UCE uce iB IBE ib iC IC ic 3 输入信号电压ui和输出电压u0相位相反 返回 4 ui的幅度过大或静态工作点不合适 将使工作点进入非线性区而产生非线性失真 饱和失真 截止失真 5 非线性失真的特点 饱和失真 输出电压波形的下半部被削平截止失真 输出电压波形的上半部被削平 放大电路实现放大的条件 1 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 3 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流 4 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压 经电容滤波只输出交流信号 如何判断一个电路是否能实现放大 1 晶体管必须偏置在放大区 发射结正偏 集电结反偏 2 正确设置静态工作点 使整个波形处于放大区 如果已给定电路的参数 则计算静态工作点来判断 如果未给定电路的参数 则假定参数设置正确 3 信号能否输入到放大电路中 4 信号能否输出 与实现放大的条件相对应 判断的过程如下 讨论 从静态工作点的设置和微变等效电路上 判断各电路对输入的正弦交流信号ui有无放大作用 并说明原因 假设各电容对交流信号均可视为短路 ui幅度很小 在10mV以内 无放大作用静态IB IC 0 题1 无放大作用 输入信号通过直流电源对地短路 题2 题3 无放大作用 输入信号通过电容C3及直流电源对地短路 题4 无放大作用 无RC 输出电压 0 题5 无放大作用 PNP三极管 无静态电流 题6 PNP三极管 接负电源 EC 电解电容极性倒过来 EC 有两种工作状态 静态 当输入信号为零时电路的工作状态静态时放大电路中只有直流分量 动态 有输入信号时电路的工作状态动态时电路中的信号为交 直流混合信号 放大电路的工作状态 放大电路分析 静态分析 动态分析 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 放大电路的分析方法 1 直流通路和交流通路 放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号 直流通路 只考虑直流信号的分电路 交流通路 只考虑交流信号的分电路 9 3放大电路的静态分析 但是 电容对交 直流的作用不同 如果电容容量足够大 可以认为它对交流不起作用 即对交流短路 而对直流可以看成开路 这样 交直流所走的通道是不同的 一 静态工作点的确定 例 画出下图放大电路的直流通路 直流通路 直流通路用来计算静态工作点Q IB IC UCE 对直流信号电容C可看作开路 即将电容断开 断开 断开 对交流信号 有输入信号ui时的交流分量 C可看作短路 忽略电源的内阻 电源的端电压恒定 直流电源对交流可看作短路 短路 短路 对地短路 交流通路 用来计算电压放大倍数 输入电阻 输出电阻等动态参数 放大电路的静态分析 分析方法 估算法 图解法 IB IC UCE 静态分析 确定放大电路的静态值 所用电路 放大电路的直流通路 2 用放大电路的直流通路确定静态值 根据电流放大作用 当UBE UCC时 由KVL UCC IBRB UBE 由KVL UCC ICRC UCE 所以UCE UCC ICRC 例1 计算静态工作点 已知 UCC 12V RC 4k RB 300k 37 5 解 注意 电路中IB和IC的数量级不同 例2 计算图示电路的静态工作点 由例1 例2可知 当电路不同时 计算静态值的公式也不同 由KVL可得 由KVL可得 3 用图解法确定静态值 用作图的方法确定静态值 步骤 1 用估算法确定IB 优点 能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响 2 由输出特性确定IC和UCC 直流负载线方程 3 用图解法确定静态值 直流负载线斜率 直流负载线 由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点 O Q点称为静态工作点 二 静态工作点的影响 1 当IB太小 Q点很低 引起后半周截止失真 2 当IB太大 Q点很高 引起前半周饱和失真 截止失真和饱和失真统称为非线形失真 截止失真 饱和失真 9 4放大电路的动态分析 动态 放大电路有信号输入 ui 0 时的工作状态 分析方法 微变等效电路法 图解法 动态分析对象 各极电压和电流的交流分量 所用电路 放大电路的交流通路 计算电压放大倍数Au 输入电阻ri 输出电阻ro等 一 微变等效电路法 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 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 晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出 当信号很小时 在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化 1 晶体管的微变等效电路 UBE 对于小功率晶体管 rbe一般为几百欧到几千欧 一 微变等效电路法 1 输入回路 Q 输入特性 晶体管的输入电阻 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 2 输出回路 rce愈大 恒流特性愈好因rce阻值很高 一般忽略不计 晶体管的输出电阻 输出特性 输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线 晶体管的电流放大系数 晶体管的输出回路 C E之间 可用一受控电流源ic ib等效代替 即由 来确定ic和ib之间的关系 一般在20 200之间 在手册中常用hfe表示 O ib 晶体管 微变等效电路 1 晶体管的微变等效电路 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 2 放大电路的微变等效电路 将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路 交流通路 微变等效电路 分析时假设输入为正弦交流 所以等效电路中的电压与电流可用相量表示 微变等效电路 2 放大电路的微变等效电路 9 4放大电路的动态分析 二 放大电路的主要性能指标1 电压放大倍数Au 其分贝值 Au dB 20lg Au 定义 当输入信号为正弦交流信号时 1 电压放大倍数的计算 当放大电路输出端开路 未接RL 时 因rbe与IE有关 故放大倍数与静态IE有关 负载电阻愈小 放大倍数愈小 式中的负号表示输出电压的相位与输入相反 例1 1 电压放大倍数的计算 例2 由例1 例2可知 当电路不同时 计算电压放大倍数Au的公式也不同 要根据微变等效电路找出ui与ib的关系 uo与ic的关系 2 放大电路输入电阻的计算 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 定义 输入电阻是对交流信号而言的 是动态电阻 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数 因此一般总是希望得到较大的输入电阻 例1 例2 例1 输入端断开 看进去的等值电阻 记ri简单方法 记ri方法 输入端断开 看进去的等值电阻 3 放大电路输出电阻的计算 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 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 例3 求ro的方法1 外加电压法 1 断开负载RL 3 外加电压 4 求 外加 2 令或 例3 背记ro的方法 1 断开负载RL 3 从输出端看进去 2 除去信号源 电压源短接 电流源断开 外加 例4 外加电压法求ro 例4 断开负载看进去方法求ro 背记ro的方法 四 放大电路的频率特性 阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容 发射极旁路电容及三极管的结电容等 它们的容抗随频率变化 故当信号频率不同时 放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化 这就产生了幅度失真和相位失真 统称频率失真 因此我们要研究放大电路频率特性 频率特性 幅频特性 电压放大倍数的模 Au 与频率f的关系 相频特性 输出电压相对于输入电压的相位移 与频率f的关系 通频带 f Au fL fH Auo 幅频特性 下限截止频率 上限截止频率 耦合 旁路电容造成 晶体管结电容 造成 O 低频段 中频段 高频段 放大电路分低 中 高三个频段研究 在中频段可认为电容不影响交流信号的传送 放大电路的放大倍数与信号频率无关 前面所讨论的放大倍数及输出电压相对于输入电压的相位移均是指中频段的 由于信号的频率较低 耦合电容和发射极旁路电容的容抗较大 其分压作用不能忽略 在低频段放大倍数降低和相位移越前的主要原因是耦合电容和发射极旁路电容的影响 由于信号的频率较高 耦合电容和发射极旁路电容的容抗比中频段还小 仍可视作短路 在高频段放大倍数降低和相位移滞后的主要原因是晶体管电流放大系数 极间电容和导线的分布电容的影响 9 5双极型晶体管基本放大电路 合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件 但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动 固定偏置放大电路 当RB一经选定 IB就固定不变 因此称为固定偏置放大电路 固定偏置放大电路 简单 容易调整 但在温度变化 晶体管老化 电源电压波动等外部因素的影响下 将引起静态工作点的变动 严重时将使放大电路不能正常工作 其中影响最大的是温度的变化 温度变化对静态工作点的影响 在固定偏置放大电路中 当温度升高时 UBE ICBO 上式表明 当UCC和RB一定时 IC与UBE 以及ICEO有关 而这三个参数随温度而变化 温度升高时 IC将增加 使Q点沿负载线上移 iC uCE Q 温度升高时 输出特性曲线上移 固定偏置电路的工作点Q点是不稳定的 为此需要改进偏置电路 当温度升高使IC增加时 能够自动减少IB 从而抑制Q点的变化 保持Q点基本稳定 结论 当温度升高时 IC将增加 使Q点沿负载线上移 容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真 甚至引起过热烧坏晶体管 O 一 共射放大电路 分压式偏置电路 RE射极直流负反馈电阻 CE交流旁路电容 一 分压式偏置电路 1 稳定Q点的原理 基极电位基本恒定 不随温度变化 VB I1 I2 IB 一 分压式偏置电路 1 稳定Q点的原理 集电极电流基本恒定 不随温度变化 VB 从Q点稳定的角度来看似乎I2 VB越大越好 但I2越大 RB1 RB2必须取得较小 将增加损耗 降低输入电阻 而VB过高必使VE也增高 在UCC一定时 势必使UCE减小 从而减小放大电路输出电压的动态范围 在估算时一般选取 I2 5 10 IB VB 5 10 UBE RB1 RB2的阻值一般为几十千欧 参数的选择 Q点稳定的过程 VE VB VB固定 RE 温度补偿电阻对直流 RE越大 稳定Q点效果越好 对交流 RE越大 交流损失越大 为避免交流损失加旁路电容CE 输入特性曲线 2 静态工作点的计算 估算法 3 动态分析 对交流 旁路电容CE将RE短路 RE不起作用 旁路电容 和前面的固定偏置放大电路微变等效电路相同 例1 在图示放大电路中 已知UCC 12V RC 6k RE1 300 RE2 2 7k RB1 60k RB2 20k RL 6k 晶体管 50 UBE 0 6V 试求 1 静态工作点IB IC及UCE 2 画出微变等效电路 3 输入电阻ri ro及Au 解 1 由直流通路求静态工作点 直流通路 2 由微变等效电路求Au ri ro 微变等效电路 二 共集放大电路 因从发射极输出 所以称射极输出器 因对交流信号而言 集电极是输入与输出回路的公共端 所以是共集电极放大电路 1 静态分析 直流通路 共集电极 2 动态分析 2 动态分析 1 电压放大倍数 电压放大倍数Au 1且输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 微变等效电路 2 输入电阻 射极输出器的输入电阻高 对前级有利 ri与负载有关 3 输出电阻 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 所谓带负载能力强 是指当负载变化时 放大倍数基本不变 共集电极放大电路 射极输出器 的特点 1 电压放大倍数小于1 约等于1 2 输入电阻高 3 输出电阻低 4 输出与输入同相 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Au 1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 三 共基放大电路1 电路结构 2 静态分析 IC IB UCE UCC RCIC REIE UCC RC RE IC 共基放大电路 共基放大电路的直流通路 3 动态分析 共基放大电路的交流通路 共基放大电路 共基放大电路的微变等效电路 RC 共基放大电路的微变等效电路 多级放大电路及其级间耦合方式 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 输出 多级放大电路的框图 对耦合电路的要求 9 8多级放大电路 阻容耦合 第一级 第二级 负载 信号源 两级之间通过耦合电容C2与下级输入电阻连接 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 1 静态分析 2 动态分析 微变等效电路 阻容耦合 Au Au1 Au2其中 RL1 ri2 ri ri1 ro ro2 阻容耦合放大电路 只能放大交流信号 无法传递直流信号 微变等效电路 1 静态分析前后级静态工作点相互影响 相互制约 不能独立设置 2 动态分析分析方法同直接耦合放大电路 可以放大直流信号 3 零点漂移 二 直接耦合 直接耦合 例9 6 1 如图所示放大电路 已知RB1 33k RB2 RB3 10k RC 2k RE1 RE2 1 5k 两晶体管的 1 2 60 rbe1 rbe2 0 6k 求总电压放大倍数 RL1 ri2 解 第一级为共射放大电路 它的负载电阻即第二级的输入电阻 RB3 rbe2 1 2 RE2 8 46k 1 62k 162 第二级为共集放大电路 可取Au 1 Au Au1 Au2 162 1 162 RL1 RB3 rbe2 1 2 RE2 解 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 9 9差分放大电路 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 直接耦合存在的两个问题 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 抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题 差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构 一 工作原理 电路结构对称 在理想的情况下 两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等 差分放大原理电路 两管基极输入 输出取自两管集电极之间 两管静态工作点相同 1 零点漂移的抑制 uo VC1 VC2 0 uo VC1 VC1 VC2 VC2 0 静态时 ui1 ui2 0 当温度升高时 IC VC 两管变化量相等 对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用 IC1 IC2 VC1 VC2 2 有信号输入时的工作情况 两管集电极电位呈等量同向变化 所以输出电压为零 即对共模信号没有放大能力 理想状态 1 共模信号ui1 ui2大小相等 极性相同 共模信号需要抑制 但因两侧不完全对称 uo 0 共模电压放大倍数 很小 1 2 有信号输入时的工作情况 两管集电极电位一减一增 呈等量异向变化 2 差模信号ui1 ui2大小相等 极性相反 uo VC1 VC1 VC2 VC 2 VC1 即对差模信号有放大能力 差模信号是有用信号 差模电压放大倍数 很大 1 任意输入的信号ui1 ui2 都可分解成差模分量和共模分量 3 比较输入 ui1 ui2大小和极性是任意的 差模分量 共模分量 ui1 uC ud ui2 uC ud 例 ui1 20mV ui2 10mV 则 ud 5mV uc 15mV ui1 15mV 5mV ui2 15mV 5mV 差放电路的几种接法 二 输入输出方式 单端输入 双端输出 双端输入 单端输出 单端输入信号为 二 输入输出方式 1 反相输入 2 同相输入 9 10功率放大电路 一 对功率放大电路的基本要求 功率放大电路的作用 是放大电路的输出级 去推动负载工作 例如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转 电动机旋转等 1 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率 2 由于功率较大 就要求提高效率 功放电路中电流 电压要求都比较大 必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM UCEM PCM 15 8 1对功率放大电路的基本要求 1 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率 电源提供的能量尽可能地转换给负载 以减少晶体管及线路上的损失 即注意提高电路的效率 Pomax 负载上得到的交流信号功率 PE 电源提供的直流功率 2 由于功率较大 就要求提高效率 甲类工作状态 放大电路的工作状态 甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大 波形好 管耗大效率低 乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通 静态IC 0 波形严重失真 管耗小效率高 甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期 静态IC 0 一般功放常采用 如何提高效率 办法 降低Q点 缺点 但又会引起截止失真 二 乙类互补对称放大电路 互补对称 电路中采用两个晶体管 NPN PNP各一个 两管特性一致 1 电路 1 特点 T1 T2的特性一致 一个NPN型 一个PNP型两管均接成射极输出器 输出端有大电容 单电源供电 2 静态时 ui 0 IC1 0 IC2 0 OTL原理电路 电容两端的电压 B 3 动态时 设输入端在UCC 2直流基础上加入正弦信号 T1导通 T2截止 同时给电容充电 T2导通 T1截止 电容放电 若输出电容足够大 其上电压基本保持不变 则负载上得到的交流信号正负半周对称 ic1 ic2 交流通路 uo 输入交流信号ui的正半周 输入交流信号ui的负半周 4 交越失真 当输入信号ui为正弦波时 输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真 交越失真产生的原因由于晶体管特性存在非线性 ui 死区电压晶体管导通不好 采用各种电路以产生有不大的偏流 使静态工作点稍高于截止点 即工作于甲乙类状态 克服交越失真的措施 动态时 设ui加入正弦信号 正半周T2截止 T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 负半周T1截止 T2基极电位进一步降低 进入良好的导通状态 静态时T1 T2两管发射结电压分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 三 甲乙类互补对称放大电路 相位补偿 使喇叭相当于纯电阻负载 去耦 防止低频自激 消振 防止高频自激 集成功放LM386接线图 特点 工作可靠 使用方便 只需在器件外部适当连线 即可向负载提供一定的功率 四 集成功率放大电路 本章要求 理解共发射极放大电路的组成及其性能特点 掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等效电路分析法 3 了解放大电路输入 输出电阻概念 了解放大电路的频率特性 互补功率放大电路的工作原理 4 了解差分放大电路的工作原理和性能特点 5 了解场效应管 第9章基本放大电路 本章结束 上堂课回顾 1 晶体管 符号 NPN型三极管 PNP型三极管 上堂课回顾 1 晶体管 1 IE IB IC符合基尔霍夫定律 2 IC IB IC IE 3 IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用 晶体管放大的外部条件 发射结正偏 集电结反偏 UBE IC IE IB CTE B UCE 特点 非线性 正常工作时发射结电压 NPN型硅管UBE 0 6 0 7VPNP型锗管UBE 0 2 0 3V 3DG100晶体管的输入特性曲线 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 上堂课回顾 2 输入特性 IB 0 20 A 放大区 晶体管有三种工作状态 因而输出特性曲线分为三个工作区 1 放大区 发射结正偏 集电结反偏 有电流放大作用 IC IB 输出曲线具有恒流特性 上堂课回顾 3 输出特性 2 截止区 IB 0以下区域为截止区 有IC 0 截止区 IB 0时 IC ICEO 很小 ICEO 0 001mA 发射结反偏 集电结反偏 失去电流放大作用 IC 0 晶体管C E之间相当于开路 开关断开 上堂课回顾 饱和区 3 饱和区 在饱和区 IB IC深度饱和时 UCE 0 ICS UCC RC 发射结正偏 集电结正偏 失去放大作用 晶体管C E之间相当于短路 开关接通 上堂课回顾 上堂课回顾 共发射极基本交流放大电路 1 共发射极基本放大电路组成 一 放大电路的组成 上堂课回顾 单电源供电时常用的画法 共发射极基本电路 基本放大电路的简化画法 9 6场效晶体管及其放大电路 场效晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件 即是电压控制元件 它的输出电流决定于输入电压的大小 基本上不需要信号源提供电流 所以它的输入电阻高 且温度稳定性好 场效应管的类型 按结构不同场效应管有两种 结型场效应管 绝缘栅型场效应管 本节仅介绍绝缘栅型场效应管 按工作状态可分为 增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分 9 6 1绝缘栅场效应管 漏极D 栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的 称绝缘栅型场效应管 1 N沟道增强型管的结构 栅极G 源极S 1 增强型绝缘栅场效应管 符号 由于栅极是绝缘的 栅极电流几乎为零 输入电阻很高 最高可达1014 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅 故又称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOS场效应管 2 N沟道增强型管的工作原理 由结构图可见 N 型漏区和N 型源区之间被P型衬底隔开 漏极和源极之间是两个背靠背的PN结 当栅源电压UGS 0时 不管漏极和源极之间所加电压的极性如何 其中总有一个PN结是反向偏置的 反向电阻很高 漏极电流近似为零 当UGS 0时 P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层 填补空穴形成负离子的耗尽层 当UGS UGS th 时 还在表面形成一个N型层 称反型层 即勾通源区和漏区的N型导电沟道 将D S连接起来 UGS愈高 导电沟道愈宽 2 N沟道增强型管的工作原理 当UGS UGS th 后 场效应管才形成导电沟