晶体管应用电路(下半部分12学时)模拟电子技术及应用.ppt

第3章晶体管应用电路 共20学时 学习目标 晶体管 即半导体三极管 是具有放大作用的半导体器件 它是各种类型放大电路中的重要组成部分 通过本章学习 主要要掌握以下内容 上半部分 8学时 1 晶体管的基本特性及性能检测 2 晶体管放大电路的分析方法 3 共射 共集 共基三种放大器性能特点 下半部分 12学时 4 多级放大器的分析 5 差分放大器原理 6 功率放大器结构与原理 7 场效应管放大器的结构与原理 本章内容3 1三极管工作原理 4学时 3 2三极管共射放大器 2学时 3 3三极管共集与共基放大器 2学时 3 4多级放大器 2学时 3 5放大器主要性能参数的测试 2学时 3 6差分放大器 2学时 3 7低频功率放大器 2学时 3 8场效应管放大器 4学时 3 9项目设计 放大电路的设计 本章小结 3 4多级放大器 输入级一般采用具有高输入电阻的共集放大器或场效应管放大器 中间级常由若干级共射放大器组成 以获得较大的放大倍数 输入级和中间级都是小信号放大电路 输出级应具有一定的输出功率 因而采用大信号放大电路 功率放大器 经过多级电路的放大 就可获得足够大的放大倍数 采用多级放大器主要目的是 提高电压放大倍数 电压增益 3 4 1直接耦合多级放大器 直接耦合多级放大器的特点1 由于直接耦合不需接入电抗性元件 因此 结构简单便于集成 并且具有较好的频率特性 2 由于采用直接耦合方式 因此既可传递交流信号 又能传递变化缓慢的信号或直流信号 3 由于直接耦合前后级静态工作点相互影响 因此 存在 零点漂移现象 请参阅相关资料 例3 5如图所示两级放大器 V1 V2为硅管 1 2 60 Vcc 15V 1 说明电路的耦合方式 2 说明各级电路的组态 3 计算静态参数IC1 UCE1 IC2 UCE2 忽略基极电流IB 阻容耦合的特点1 各级静态工作点彼此独立 2 耦合电容不能传递缓慢信号或直流信号 3 由于集成电路中制造较大容量电容很困难 因此集成电路中不采用阻容耦合方式 3 4 2阻容耦合多级放大器 例3 6在图2 37a所示电路中 1 2 50 rbe1 1k rbe2 0 2k 求 1 两级放大器的电压放大倍数Au 2 两级放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro 第一级与第二级各是什么组态 图3 39三级阻容耦合放大电路 写出各级输入电阻式 由图3 39可知 第3级是基本共射放大电路 其电压增益 3 4 3变压器耦合多级放大器 变压器也是一种隔直流传交流的器件 因此变压器耦合放大器也属于交流放大器 变压器在传输信号的同时 还具有阻抗变换作用 另外 这种放大器的频率特性不好 体积大 不便集成 3 5放大器主要性能参数的测试 3 5 2输入电阻Ri的测试 由测得的Ui 和Ui即可得到放大器的输入电阻Ri 需要注意 辅助电阻R的取值应适当 不宜太大或太小 当被测输入电阻Ri很高时 不宜采用此方法 3 5放大器主要性能参数的测试 3 5 3输出电阻Ro的测试 注意 两次测量时输入电压ui应保持不变 ui的大小应适当 以保证RL接入和断开时输出电压均为不失真的正弦波 输入信号的频率应在频带内的中频区域 4 一般选取RL与Ro为同数量级的电阻 3 6差分放大器 3 6 1零点漂移 在级间采取直接耦合的放大电路中 任一点直流电位的变化 都会引起输出端电位的变化 所以当输入信号为零时 放大电路输出端仍会有缓慢变化的电压输出 如图3 44所示 这种现象叫做零点漂移 又简称为零漂 产生零点漂移的原因很多 任何元器件参数的变化 电源的波动都将会造成输出电压的漂移 但是实践证明 温度变化是造成零漂的主要原因 也是最难克服的因素 这是因为电源电压的波动可以采取稳压电源来解决 电阻值的变化 可以通过老化来提高来提高其稳定性 只有半导体三极管 由于它对温度的敏感是固有的特性 这种影响就成了主要因素 想抑制零漂 首先要解决放大电路中第一级放大管的参数受温度影响的问题 一般采取以下措施 1 选用高质量的硅管 2 利用热敏元件补偿 3 采用差分式放大电路 3 6 2差分式基本放大电路 1 电路基本形式 2 抑制零点漂移的原理 T iC1 iC2 UC1 UC2 Uo UC1 UC2 0 3 6 3几种常见的差分放大电路 1 射极耦合差分放大电路 长尾式 2 双电源长尾电路 3 具有恒流源的差分放大电路 3 6 4差分基本放大电路的几种接法 3 7低频功率放大器 功放 要求具有较高的输出功率 一般在多级放大器的输出级功放特点 工作在大信号下 故微变等效法不适用要讨论的问题 避免失真和提高输出效率 而且两者矛盾 3 7 1概率放大器的分类 2 乙类 ui 定义此时晶体管集电极电流导通角为 2 180 或 90 低频功放 3 甲乙类 ui 此时晶体管集电极电流导通角为180 360 或90 180 低频功放 4 丙类 ui 此时晶体管集电极电流导通角为 180 或 90 高频功放 无输出耦合电容功放 双电源 乙类互补对称功率放大器 存在交越失真 UEQ 0 1 电路图 3 7 2OCL功放电路 2 OCL功率放大器的主要技术参数 1 最大失真输出功率Pom 设输出电压为u0 Ucmsin t 电流为i0 Icmsin t则 P0 UcmIcm 最大不失真输出电压幅度 UCM VCC UCES其中UCES为晶体管的饱和压降 当UCES VCC时 有UCM VCC 则最大输出功率为Pom 3 效率 2 直流电源供电功率PDC 两个晶体管集电极电流均为 半波整流 波形 其直流分量为IC1 IC2 IC0 Icm PDC VCCIC0 VCCIcm 78 为理论值 实际一般仅为60 左右 4 管耗PC 总管耗 PC PDC P0 每只晶体管的管耗为 PC1 PC2 PC 每只晶体管的最大管耗为 PCM 0 2Pom 5 功率管的选择 集电极最大允许损耗功率 0 2Pom 集 射反向击穿电压U BR CEO 2VCC 最大允许集电极电流ICM VCC RL 例3 8 已知乙类互补对称功放VCC VEE 24V RL 8 试估算 1 该电路最大输出功率Pom 2 最大管耗PCM 3 说明该功放电路对功率管的要求 解 1 36W 2 PCM 0 2Pom 0 2 36 7 2W 3 a 选择功率管时为保证管子不被烧坏 要求管子集电极最大允许损耗功率 0 2P0max 7 2W b 处于截止状态的管子 其集 射反向击穿电压U BR CEO 2VCC 48V c 功率管最大允许集电极电流ICM VCC RL 3A 克服交越失真 单电源 输出端接大电容的甲乙类互补对称功率放大器 UEQ 1 电路图 3 7 3OCL功放电路 2 OTL功率放大器的主要技术参数 接入大电容起到一个负电源作用 因此OCL电路的参数与OCL区别只是将公式中的VCC换成VCC 以上电路缺点 输出电压的最大幅度只有VCC 2 并且实际输出电压的正向峰值达不到VCC 2 因为随UA RC1的电流 VT1管压降UCE 不能进入饱和状态 输出正向幅度 解决方法 引入带自举的功放电路 即接入较大容量电容C1 其直流电压可认为不变 3 7 4低频功放基本参放的测试 以OCL功放为例 测试电路如图3 54所示 图中VCC 15V 在测试过程中要保证在最大不失真输出的前题下进行 1 最大不失真输出平均功率的测量在图3 48所示电路输入端加入f 1kHZ正弦信号ui 并逐渐增大ui幅度 用示波器观察负载两端输出电压的波形 直到输出波形幅度最大而且不出现削波失真为止 用电子毫状表测量输入 输出电压Ui Uo 在最大不失真情况下 电路的实际输出平均功率为 负载RL 8 2 电源供给的平均功率将电源VCC断开 串入2A直流电流表 输入端接入ui并逐渐加大 用示波器观察输出波形 当输出最大不失真时 读取直流电流表读数ICO实际电源供给平均功率PDC为PDC VCC ICO 3 功率放大器的效率输出平均功率Po与电源供给的平均功率PDC之比 3 8场效应管f放大器 3 8 1场效应晶体管的基本特性 3 8 1场效应晶体管的基本特性 一 结型场效应晶体管 结型场效应管简称JFET 它是利用半导体内的电场效应来工作的 因而也称为体内场效应器件 结型场效应管有N沟道和P沟道两类 3 8 1场效应晶体管的基本特性 一 结型场效应晶体管 3 8 1场效应晶体管的基本特性 一 结型场效应晶体管 UGS off uDS 0 3 8 1场效应晶体管的基本特性 二 绝缘栅型场效应晶体管 3 8 1场效应晶体管的基本特性 二 绝缘栅型场效应晶体管 3 8 1场效应晶体管的基本特性 二 绝缘栅型场效应晶体管 3 8 1场效应晶体管的基本特性 二 绝缘栅型场效应晶体管 当uGS UGS th 时 三 场效应晶体管的特性参数 1 性能参数 1 开启电压UGS th 是增强型MOS管特有的参数 它是指uDS为一固定值 如10V 使iD等于某一微小电流 如10 A 时所需要的最小uGS值 2 夹断电压UGS off 是耗尽型MOS管和结型管的参数 它是指uDS为一固定值 如10V 而使iD减小到某一微小电流 如10 A 时的uGS值 3 饱和漏极电流IDSS是耗尽型MOS管和结型管的参数 它是指在uGS 时 使管子出现预夹断时的漏极电流 IDSS也是结型管所能输出的最大电流 4 直流输入电阻RGS是指在漏 源极间短路的条件下 栅 源极之间所加直流电压与栅极直流电流的比值 一般JFET的RGS 107 而IGFET的RGS 109 三 场效应晶体管的特性参数 1 性能参数 5 低频跨导 互导 gm是指在uDS为某一定值时 漏极电流iD的微变量和引起它变化的uGS微变量的比值 即gm反映了栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力 是表征场效应管放大能力的一个重要参数 对应于三极管的 单位为西门子 S 也常用mS或 S 场效应管的gm一般为几毫西门子 三 场效应晶体管的特性参数 2 极限参数 1 最大漏极电流IDM是指管子在工作时允许的最大漏极电流 2 最大耗散功率PDM最大耗散功率PDM uDS iD 它受管子的最高工作温度的限制 与三极管的PCM相似 3 漏源击穿电压U BR DS它是漏 源极间所能承受的最大电压 也就是使iD开始急剧上升 管子击穿 时的uDS值 4 栅源击穿电压U BR GS它是栅 源极间所能承受的最大电压 击穿会造成短路现象 使管子损坏 3 8 2共源极场效应管放大电路 一 电路结构 3 8 2共源极场效应管放大电路 二 直流静态工作点 3 8 2共源极场效应管放大电路 三 交流放大特性 3 8 3场效应管源极输出器 一 电路结构 如图所示为耗尽型NMOS管构成的共漏极放大电路 由其交流通路可见 漏极是输入 输出信号的公共端 由于信号是从源极输出 也称源极输出器 二 交流放大特性 式中RL RS RL 输出电压与输入电压同相 且由于gmRL 1 所以Au小于1 但接近于1 3 8 3场效应管源极输出器 二 交流放大特性 由上分析可知 源极输出器与三极管的射极输出器有相似的特点 电压放大倍数小于且接近于1 输入电阻较高 输出电阻较低 3 8 3场效应管源极输出器 3 9项目设计 放大电路的设计 3 9 1项目说明本项目通过设计几种典型晶体管应用电路 达到以下目标 1 掌握晶体管共发射极放大器的电路结构 基本特性和调试方法 并了解非线性失真的有关概念 2 掌握晶体管共集电极放大器 电压跟随器 的电路结构 基本特性和调试方法 3 掌握低频功率放大器的电路结构 基本特性和调试方法 4 掌握多级放大电路的作用 3 9 2任务内容1 设计一多级放大器 第一级为晶体管共发射极放大器 第二级为电压跟随器 末级为低频功率放大器 且三者共用同一直流电源 2 画出电路原理图 并注明所有元器件参数 3 选择实物元器件进行实际制作电路 4 逐级调试各放大器 使各级均处于最佳工作状态 自行设计记录测量数据的表格和参数 请在三周内利用业余时间完成上述各项任务 3 9 3成果形式1 实物成果 实际制作的多级放大电路板 2 书面 或电子文稿 成果 项目设计报告 3 9 4评价标准本项目设计的评价采用优 良 合格 不合格四个等级 1 合格 按时完成上述各项任务 项目报告内容完整 明确各级放大电路的基本工作原理 所制作的实际电路能够正常工作和使用 2 良好 在达到合格条件的基础上 对电路中各元件的作用均有正确的解释和说明 3 优秀 在达到良好条件的基础上 对项目设计过程中出现的电路故障有记录和解决措施 总结内容丰富 体会深刻 对新知识有较好的掌握 4 不合格 未达到合格要求的条件 不合格者须重做本项目 第3章小结1 晶体管特性晶体管是由两个PN结构成的 它具有放大 截止 饱和三种不同工作状态 在放大电路中 晶体管工作在放大区 这时它具有受控特性 指iC与iB关系 和恒流特性 指iC与uCE关系 2 放大电路 1 放大体现了信号对能量的控制作用 放大电路输出信号与输入信号具有相同的变化规律 只是幅度不同 其能量远大于输入信号能量 电源为能量的提供者 2 放大电路 2 放大电路的要求是能不失真的进行放大 实际上失真是不可避免的 为了衡量放大器的性能优劣 引入性能指标 如在最大不失真的前提下引出放大倍数 输入电阻 输出电阻等指标 3 为了实现放大 电路必须包含有源器件 如晶体管等 并且保证有源器件既有合适的静态工作点 又要使待放大的信号能够输入 放大 并且不失真的输出 4 放大电路存在两种状态 即静态和动态 当未加信号时称为静态 放大电路的静态直接影响放大器的工作性能如失真等 必须设计合适的静态工作点 静态工作点受温度影响较大 实际中常采用能够稳定静态工作点的分压偏置放大器 3 多级放大器多级放大器中各级之间的耦合方式包括阻容耦合 直接耦合和变压器耦合 三种方式各有特点 阻容耦合和变压器耦合各级间静态工作点不产生相互