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晶体管放大电路基础 第六章 第六章晶体管放大电路基础 6 1放大电路的基本概念6 2双极型晶体三极管及其电路模型6 3双极型晶体三极管放大电路6 4场效应晶体三极管6 5场效应管放大电路6 6多级放大电路6 7功率放大电路6 8放大电路中的负反馈 6 1放大电路的基本概念 放大的对象 变化量放大的本质 能量的控制放大的特征 功率放大放大的基本要求 不失真 放大的前提 判断电路能否放大的基本出发点 6 1 1线性受控电源模型 受控电源是另一类电源模型 它的输出端具有理想电源的特征 但其参数却受到电路中其他变量的控制 受控电源是为了描述电子器件的特性而提出的电路元件模型 按照受控电源输出端表现的电压源特性或电流源特性 以及控制其参数的变量为电压或电流 受控电源共分4种 电压控制电压源VCVS 电压控制电流源VCCS 电流控制电压源CCVS 电流控制电流源CCCS 受控电源的符号与特性 电压控制电压源VCVS 控制方程 电流控制电压源CCVS 为电压传输 放大 系数 无量纲 r为转移电阻 电阻量纲 受控电源的符号与特性 电压控制电流源VCCS 控制方程 电流控制电压源CCVS g为转移电导 电导量纲 为电流传输 放大 系数 无量纲 6 1 2放大电路技术指标指标 1 放大倍数 输出量与输入量之比 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 信号源 信号源内阻 输入电压 输出电压 输入电流 输出电流 任何放大电路均可看成为二端口网络 2 输入电阻和输出电阻 将输出等效成有内阻的电压源 内阻就是输出电阻 空载时输出电压有效值 带RL时的输出电压有效值 输入电压与输入电流有效值之比 从输入端看进去的等效电阻 3 频带范围 通频带 4 最大不失真输出电压Uom 交流有效值 由于电容 电感及半导体器件PN结的电容效应 使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降 并产生相移 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力 下限频率 上限频率 6 2双极型晶体管三极管及其电路模型 又称半导体三极管 晶体三极管 或简称晶体管 BipolarJunctionTransistor 三极管的外形如下图所示 三极管有两种类型 NPN型和PNP型 主要以NPN型为例进行讨论 图1 3 1三极管的外形 中功率 大功率 6 2 1晶体管的结构及类型 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型 图1 3 2a三极管的结构 a 平面型 NPN b 合金型 PNP e发射极 b基极 c集电极 发射区 集电区 基区 图1 3 2 b 三极管结构示意图和符号NPN型 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 集电极c 基极b 发射极e 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 集电极c 发射极e 基极b 6 2 2晶体管的电流分配及放大原理 以NPN型三极管为例讨论 三极管若实现放大 必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证 不具备放大作用 三极管内部结构要求 1 发射区高掺杂 2 基区做得很薄 通常只有几微米到几十微米 而且掺杂较少 三极管放大的外部条件 外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态 而集电结处于反向偏置状态 3 集电结面积大 一 晶体管内部载流子的运动 发射结加正向电压 扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区 基区的空穴扩散到发射区 形成发射极电流IE 基区多子数目较少 空穴电流可忽略 2 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流电子到达基区 少数与空穴复合形成基极电流Ibn 复合掉的空穴由VBB补充 多数电子在基区继续扩散 到达集电结的一侧 晶体管内部载流子的运动 3 集电结加反向电压 漂移运动形成集电极电流Ic集电结反偏 有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn 其能量来自外接电源VCC 另外 集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流 用ICBO表示 晶体管内部载流子的运动 简要概括 载流子运动分三个过程 1 电子由发射区向基区的扩散过程 形成发射极电流IE2 电子和空穴在基区的复合 电源补充空穴的过程 形成基极电流IB3 在外电场的作用下集电区收集电子的过程 形成集电极电流IC 二 晶体管的电流分配关系 IEp ICBO IE IC IB IEn IBn ICn IC ICn ICBO IE IEn IEp ICn IBn IEp IB IEP IBN ICBO IE IC IB 图1 3 4晶体管内部载流子的运动与外部电流 6 2 3晶体管的特性曲线 iB f uBE UCE const 2 当uCE 1V时 uCB uCE uBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 在同样的uBE下IB减小 特性曲线右移 1 当uCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 一 输入特性曲线 iC f uCE IB const 二 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域 三极管的参数分为三大类 直流参数 交流参数 极限参数 一 直流参数 1 共发射极直流电流放大系数 IC ICEO IB IC IB vCE const 6 2 4晶体管的主要参数 2 共基直流电流放大系数 3 集电极基极间反向饱和电流ICBO 集电极发射极间的反向饱和电流ICEO ICEO 1 ICBO 二 交流参数 1 共发射极交流电流放大系数 iC iB UCE const 2 共基极交流电流放大系数 iC iE UCB const 3 特征频率fT 值下降到1的信号频率 1 最大集电极耗散功率PCM PCM iCuCE 三 极限参数 2 最大集电极电流ICM 3 反向击穿电压 UCBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 UEBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 UCEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系UCBO UCEO UEBO 6 3 1共发射极放大电路 VBB Rb 使UBE Uon 且有合适的IB VCC 使UCE Uon 同时作为负载的能源 Rc 将 iC转换成 uCE uo 动态信号作用时 输入电压ui为零时 晶体管各极的电流 b e间的电压 管压降称为静态工作点Q 记作IBQ ICQ IEQ UBEQ UCEQ 6 3双极型晶体管放大电路 1 单管共发射极放大电路的组成 2 设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真 设置合适的静态工作点 首先要解决失真问题 但Q点几乎影响着所有的动态参数 为什么放大的对象是动态信号 却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压 3 基本共射放大电路的工作原理 饱和失真 截止失真 底部失真 顶部失真 动态信号驮载在静态之上 输出和输入反相 要想不失真 就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区 波形分析 4 放大电路的组成原则 静态工作点合适 合适的直流电源 合适的电路参数 动态信号能够作用于晶体管的输入回路 在负载上能够获得放大了的动态信号 对实用放大电路的要求 共地 直流电源种类尽可能少 负载上无直流分量 1 放大电路静态分析 1 直流通路 Us 0 保留Rs 电容开路 电感相当于短路 线圈电阻近似为0 2 交流通路 大容量电容相当于短路 直流电源相当于短路 内阻为0 通常 放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存 这使得电路的分析复杂化 为简化分析 将它们分开作用 引入直流通路和交流通路的概念 6 3 2放大电路的基本分析方法 VBB越大 UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小 一 基本共射放大电路的直流通路和交流通路 列晶体管输入 输出回路方程 将UBEQ作为已知条件 令ICQ IBQ 可估算出静态工作点 2 放大电路的动态分析 半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化 利用线性元件建立模型 来描述非线性器件的特性 输入回路等效为恒压源 输出回路等效为电流控制的电流源 一 直流模型 适于Q点的分析 利用估算法求解静态工作点 实质上利用了直流模型 二 晶体管的h参数等效模型 交流等效模型 在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络 输入回路 输出回路各为一个端口 在低频 小信号作用下的关系式 交流等效模型 按式子画模型 电阻 无量纲 无量纲 电导 h参数的物理意义 b e间的动态电阻 内反馈系数 电流放大系数 c e间的电导 分清主次 合理近似 什么情况下h12和h22的作用可忽略不计 简化的h参数等效电路 交流等效模型 查阅手册 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻数值小可忽略 利用PN结的电流方程可求得 在输入特性曲线上 Q点越高 rbe越小 或者写作 三 动态分析 放大电路的交流等效电路 根据 则电压增益为 1 求电压放大倍数 电压增益 2 求输入电阻 3 求输出电阻 令 4 当信号源有内阻时 求 Ri为放大电路的输入电阻 等效电路法的步骤 归纳 1 首先画出直流通路 利用近似估算法 基尔霍夫定律 确定放大电路的静态工作点Q 2 画出交流通路 熟练后该步骤可以省略 3 画出放大电路的微变等效电路 4 求解各个动态性能指标 1温度对静态工作点的影响 所谓Q点稳定 是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变 这是靠IBQ的变化得来的 T ICQ Q 若温度升高时要Q 回到Q 则只有减小IBQ 6 3 3工作点稳定电路 2静态工作点稳定的典型电路一 电路组成 Ce为旁路电容 在交流通路中可视为短路 二 稳定原理 为了稳定Q点 通常I1 IB 即I1 I2 因此 基本不随温度变化 设UBEQ UBE UBE 若UBEQ UBE UBE 则UEQ稳定 Re的作用 T IC UE UBE UB基本不变 IB IC Re起直流负反馈作用 其值越大 反馈越强 Q点越稳定 关于反馈的一些概念 将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈 直流通路中的反馈称为直流反馈 反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈 反之称为正反馈 Re有上限值吗 三 Q点分析 分压式电流负反馈工作点稳定电路 什么条件下成立 利用戴维宁定理等效变换后求解Q点 Rb上静态电压可忽略不计 四 动态分析 利 弊 无旁路电容Ce时 6 3 4基本共集放大电路 射极输出器 一 静态分析 二 动态分析 1 电压放大倍数 故称之为射极跟随器 2 输入电阻的分析 Ri与负载有关 带负载电阻后 3 输出电阻的分析 Ro与信号源内阻有关 五 特点 输入电阻大 输出电阻小 只放大电流 不放大电压 在一定条件下有电压跟随作用 令Us为零 保留Rs 在输出端加Uo 得 当单级放大电路不能满足多方面的性能要求 如Au 104 Ri 2M Ro 100 时 应考虑采用多级放大电路 组成多级放大电路时首先应考虑如何 连接 几个单级放大电路 耦合方式即连接方式 常见耦合方式有 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合等 6 6多级放大电路 6 6 1阻容耦合 Q点相互独立 不能放大变化缓慢的信号 低频特性差 不能集成化 共射电路 共集电路 利用电容连接信号源与放大电路 放大电路的前后级 放大电路与负载 为阻容耦合 多级放大电路的动态分析 1 电压放大倍数 2 输入电阻 3 输出电阻 对电压放大电路的要求 Ri大 Ro小 Au的数值大 最大不失真输出电压大 分析举例 6 6 2直接耦合 既是第一级的集电极电阻 又是第二级的基极电阻 能够放大变化缓慢的信号 便于集成化 Q点相互影响 存在零点漂移现象 当输入信号为零时 前级由温度变化所引起的电流 电位的变化会逐级放大 输入为零 输出产生变化的现象称为零点漂移 第二级 第一级 一 如何设置合适的静态工作点 Q1合适吗 对哪些动态参数产生影响 用什么元件取代Re既可设置合适的Q点 又可使第二级放大倍数不至于下降太大 若要UCEQ 5V 则应怎么办 用多个二极管吗 二极管导通电压UD 动态电阻rd Re UCEQ1太小 加Re Au2数值 改用D 若要UCEQ1大 则改用DZ 稳压管伏安特性 小功率管多为5mA 由最大功耗得出 必要性 rz u i 小功率管多为几欧至二十几欧 二 零点漂移现象及其产生的原因 1 什么是零点漂移现象 uI 0 uO 0的现象 2 产生原因 温度变化 直流电源波动 元器件老化 其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因 故也称零漂为温漂 3 克服温漂的方法 引入直流负反馈 温度补偿 4 典型电路 差分放大电路 6 7功率放大电路概述 能够向负载提供足够功率信号的放大电路称为功率放大电路 简称功放 功放既不是单纯追求输出高电压 也不是单纯追求输出大电流 而是追求在电源电压确定的情况下 输出尽可能大的功率 功放电路的要求 Pomax大 三极管可工作在极限状态 Pomax PV要尽量高 允许失真 但失真度要小 6 7 1功率放大电路的特点 一 功率放大电路中的晶体管 在功率放大电路中 为使输出功率尽可能大 要求晶体管工作在极限应用状态 选择功放管时 要注意极限参数的选择 还要注意其散热条件 使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施 三 主要技术指标 1 最大输出功率Pom 功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率 是交流功率 表达式为Po IoUo 最大输出功率是在电路参数确定的情况下 负载上可能获得的最大交流功率 2 转换效率 功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比 直流功率等于电源输出电流平均值与电压之积 二 功率放大电路的分析方法 采用图解法 不能使用用小信号等效电路 四 功率放大电路的分类 在放大电路中 若输入信号为正弦波时 根据晶体管在信号整个周期内导通情况分类 甲类 2 乙类 甲乙类 2 丙类 导通角 小于 丁类 功放管工作在开关状态 管子仅在饱和导通时消耗功率 集电极电流iC将严重失真 6 7 2互补对称功率放大电路 双电源供电 T1和T2特性对称 静态时 T1和T2均截止 输出电压为零 工作时 T1和T2交替工作 正 负电源交替供电 输出与输入之间双向跟随 不同类型的二只晶体管交替工作 且均组成射极输出形式的电路称为 互补 电路 二只管子的这种交替工作方式称为 互补 工作方式 一 双电源的互补对称功率放大电路 OCL电路 1 电路组成及工作原理 ui 0T1导通T2截止 iC1 io iE1 iC1 uO iC1RL ui 0T2导通T1截止 iC1 io iE2 iC2 uO iC2RL ui 0T1 T2截止 若考虑三极管的开启电压 输出波形将产生交越失真 2 消除交越失真的OCL电路的工作原理 消除交越失真思路 ui 0 给T1 T2提供静态电压 UB1B2 UD1 UD2 UR2 UB1B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和 两管均处于微导通状态 即都有一个微小的基极电流 分别为IB1和IB2 静态时应调节R2 使UE为0 即u0为0 3 OCL电路的输出功率及效率 当输入电压足够大 且又不产生饱和失真的图解分析 图中I区为T1管的输出特性 II区为T2管的输出特性 二只管子的静态电流很小 可认为Q点在横轴上 Uop VCC UCES1 最大输出电压幅值 最大不失真输出电压的有效值 最大输出功率 电源VCC提供的电流 电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积 即电源供给功率 转换效率 理想情况下 UCES可忽略 但大功率管UCES较大 不能忽略 理想情况下 UCES可忽略 但大功率管UCES较大 不能忽略 静态时 前级电路应使基极电位为VCC 2 发射结电位为VCC 2 故电容上的电压也VCC 2 单电源供电 T1和T2特性对称 工作时 T1和T2轮流导通 电路为射极跟随状态 Uo Ui 二 单电源的互补对称功率放大电路 电阻R1 R2和D1 D2串联接在电源与 地 之间 D1 D2导通 两二极管导通电压恰好为晶体管提供了一定的偏置 使两晶体管在静态时处于弱导通状态 从而克服信号过零电平时的交越失真 6 9 1放大电路中的负反馈 电子电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路 影响输入量 称为反馈 6 9放大电路中的负反馈 从反馈的结果来判断 凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈 否则为正反馈 引入反馈后其变化是增大 还是减小 或者 凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈 否则为正反馈 6 9 2负反馈的类型及判断 按照反馈电路在放大电路输出端采样的信号的不同 分为电压反馈和电流反馈 如果反馈信号取自输出电压为电压反馈 如果反馈信号取自输出电流为电流反馈 1 电压反馈和电流反馈及其判断 电压反馈 电流反馈 电压反馈 电流反馈 电压反馈和电流反馈的判断 仅受基极电流的控制 反馈电流 电路引入了电流负反馈 按照反馈信号在输入端与输入信号的比较形式不同 分为串联反馈和并联反馈 如果反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式比较求和 即反馈信号与输入信号串联 为串联反馈 如果反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式比较求和 即反馈信号与输入信号并联 为并联反馈 2 串联反馈和并联反馈及其判断 串联反馈 串联反馈 并联反馈 并联反馈 只对交流信号起作用的反馈 称为交流反馈 只对直流信号起作用的反馈 称为直流反馈 对交直流信号都起作用的反馈为交直流反馈 3 交流反馈和直流反馈及其判断 电路中有无反馈 是正反馈还是负反馈 是电压还是电流 是串联