《半导体三极管放大》PPT课件.ppt

2020 3 23 1 2 1BJT 2 3放大电路的分析方法 2 4放大电路静态工作点的稳定问题 2 2基本共射极放大电路 2 5多级放大电路 第二章半导体三极管放大电路 2 6其他放大电路 2020 3 23 2 2 1 1BJT的结构简介 2 1 2放大状态下BJT的工作原理 2 1 3BJT的V I特性曲线 2 1 4BJT的主要参数 2 1 5三极管放大的三种组态 3 1BJT 2020 3 23 3 2 1 1BJT的结构简介 a 小功率管 b 小功率管 c 大功率管 d 中功率管 外形 2020 3 23 4 半导体三极管类型 半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的 在工作过程中 两种载流子 电子和空穴 都参与导电 故又称为双极型晶体管 简称晶体管或三极管 两个PN结 把半导体分成三个区域 这三个区域的排列 可以是N P N 也可以是P N P 因此 三极管有两种类型 NPN型和PNP型 2020 3 23 5 BJT和TTL概念 BJT BipolarJunctionTransistor即双极结型晶体管 简称晶体三极管 TTL 逻辑门电路 全称Transistor TransistorLogic 即BJT BJT逻辑门电路 是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路 应用较早 技术已比较成熟 TTL主要有BJT和电阻构成 具有速度快的特点 最早的TTL门电路是74系列 后来出现了74H系列 74L系列 74LS 74AS 74ALS等系列 但是由于TTL功耗大等缺点 正逐渐被CMOS电路取代 2020 3 23 6 半导体三极管的结构示意图如图所示 它有两种类型 NPN型和PNP型 a NPN型管结构示意图 b PNP型管结构示意图 c NPN管的电路符号 d PNP管的电路符号 BJT的结构简介 2020 3 23 7 集成电路中典型NPN型BJT的截面图 BJT的结构剖面 内部 内构造 发射区杂质浓度 基区和集电区基区很薄发射区面积 集电区面积 2020 3 23 8 NPN型 PNP型 箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向 三极管结构及符号 2020 3 23 9 1 产生放大作用的条件使内部载流子三个传输过程正常进行的条件 内部 内构造 发射区杂质浓度 基区和集电区基区很薄发射区面积 集电区面积外部 外加电压 发射结正偏集电结反偏 2 1 2放大状态下BJT的工作原理 电流分配和电流放大作用 2020 3 23 10 2 三极管内部载流子的传输过程 发射结正偏 多子扩散 发射区 N区电子浓度大 向基区发射多子电子的过程 电子在 薄的 基区扩散和复合过程 复合很少部分 大部分到集电区边缘 集电结反偏 少子漂移 电子被 大面积 掺杂少 集电区吸引和收集的过程 同时少子有漂移 2020 3 23 11 三极管内部电流的流向 提问 为什么少子只考虑ICBO 因为集电结反偏 少子不可忽视 发射区向基区注入电子 形成发射极电流iE电子在基区中的扩散与复合 形成基极电流iB 因为基区很薄 掺杂少 iB小 集电区收集扩散过来的电子 形成集电极电流iC少子的漂移形成集电极饱和电流ICBO 2020 3 23 12 iE iC iB 放大原理小结实验表明iC比iB大数十至数百倍 iB虽然很小 但对iC有控制作用 iC随iB的改变而改变 即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化 表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用 这就是三极管的电流放大作用 本质是直流能转换成交流能 3 电流分配关系 含大小 2020 3 23 13 1 输入特性曲线 UCE为常数时 从输入方向看的VAR 与二极管类似 2 1 3BJT的V I特性曲线1 三极管的特性曲线 输入 iB f vBE vCE const 2 当vCE 1V时 vCB vCE vBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 同样的vBE下IB减小 特性曲线右移 1 当vCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 以共射极放大电路为例 共射极连接 输入特性曲线 2020 3 23 15 三极管的特性曲线 输出 特性曲线三个区 讲清左右两图区别 左边是电源电压和偏置电阻固定 IB一定时的图 讲清三个区的条件和特性 详细见下页 2020 3 23 16 输出特性三个区条件和特性 模拟电路中三极管一般工作在放大区 也称电流控制器件 此时 UCB 0 集电结正向偏置 示意图见下 饱和区 iC明显受vCE控制的区域 该区域内 一般vCE 0 7V 硅管 此时 发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 iC f vCE iB const 输出特性曲线的三个区域 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 vBE小于死区电压 放大区 iC平行于vCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 输出特性曲线文字描述 2020 3 23 18 2 1 4三极管的主要参数 1 三极管的参数用来表示管子的性能 是选择和使用三极管的重要依据 其主要参数有下面几个 1 电流放大系数 iC iB电流放大倍数是表示三极管的电流放大能力的参数 由于制造工艺的离散性 即使同一型号的三极管 其 值也有很大差别 常用三极管的 值一般在20 200之间 若三极管的 值小 则电流放大效果差 但 值太大的三极管 性能不稳定 2020 3 23 19 三极管的主要参数 2 反向电流 2 极间反向电流iCBO iCEO iCEO 1 iCBO穿透电流iCEO基极开路时 集电极与发射极之间加反向电压时的集电极电流称作穿透电流 由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极 故称穿透电流 性能良好的管子iCEO比较小 iCEO受周围温度影响较大 温度升高时 iCEO急剧增大 这对三极管的稳定性会产生很不利的影响 2020 3 23 20 1 温度对ICBO的影响 温度每升高10 ICBO约增加一倍 2 温度对 的影响 温度每升高1 值约增大0 5 1 3 温度对反向击穿电压V BR CBO V BR CEO的影响 温度升高时 V BR CBO和V BR CEO都会有所提高 2 温度对BJT特性曲线的影响 1 温度对BJT参数的影响 end 3 温度对BJT参数及特性的影响 2020 3 23 21 4 极限参数 1 集电极最大允许电流ICM 下降到额定值的2 3时所允许的最大集电极电流 2 反向击穿电压U BR CEO 基极开路时 集电极 发射极间的最大允许电压 3 集电极最大允许功耗PCM 电流太大时 集电结会发热 易烧坏 因为发射结电流小 所以一般不考虑ICM极限参数 书P113 2020 3 23 22 综上所述 三极管的放大作用 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输 然后到达集电极而实现的 电流放大系数 iC iB实现这一传输过程的两个条件是 1 内部条件 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度 且基区很薄 2 外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 放大作用小结 2020 3 23 23 c 共集电极接法 集电极作为公共电极 用CC表示 b 共发射极接法 发射极作为公共电极 用CE表示 a 共基极接法 基极作为公共电极 用CB表示 BJT的三种组态 2 1 5三极管放大的三种组态 2020 3 23 24 2 2 1基本共射极放大电路的组成 2 2 2基本共射极放大电路的工作原理 2 2基本共射极放大电路 2020 3 23 25 基本共射极放大电路 2 2 1基本共射极放大电路的组成 2020 3 23 26 基本放大电路的组成及工作原理 一 放大电路的功能及性能指标放大器定义 如果一个电路或设备具有把外界送给它的弱小电信号加以放大并送给负载的能力 那么这个电路或设备就称为放大器 如扩音机 核心器件由晶体管 集成电路或场效应管等器件组成 放大电路的功能 是将微弱的电信号 电压 电流或功率 放大到所需要的数据 从而使电子设备的终端执行元件 如继电器 仪表 扬声器等 有所动作或显示 信号源 可以将不同特性的信号源等效成电压源或电流源 电源 向放大器提供能量 负载 经放大后 较强的信号输入到的终端执行元件 放大电路的实质 就是在输入信号控制下把直流电源的能量转换成输出信号能量的装置 2020 3 23 27 如 扩音机就是一个典型放大器 2020 3 23 28 放大电路的性能指标 评价一个放大电器性能好坏的标准主要有 放大倍数 输入电阻 输出电阻 最大不失真输出电压 非线性失真系数 通频带 最大输出功率 效率等 2020 3 23 29 一般放大电路的组成 放大电路的组成原则 保证晶体管工作在放大区 即 满足放大的外部条件 使ib控制ic 输入信号能被足够地放大和顺利地传送 不失真 原因 C是为了避免前后级工作点互相影响 2020 3 23 30 一般放大电路的各元件的作用 1 晶体管T 放大元件 用基极电流iB控制集电极电流iC 2 电源UCC和UBB 使晶体管的发射结正偏 集电结反偏 晶体管处在放大状态 同时也是放大电路的能量来源 提供电流iB和iC UCC一般在几伏到十几伏之间 3 偏置电阻RB 用来调节基极偏置电流IB 使晶体管有一个合适的工作点 一般为几十千欧到几百千欧 2020 3 23 31 一般放大电路的各元件的作用 4 集电极负载电阻RC 将集电极电流iC的变化转换为电压的变化 以获得电压放大 一般为几千欧 提供合适的集电结偏置 5 电容Cl C2 用来传递交流信号 起到耦合的作用 同时 又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离 起隔直作用 为了减小传递信号的电压损失 Cl C2应选得足够大 一般为几微法至几十微法 通常采用电解电容器 2020 3 23 32 右下是共发射极放大电路的实用电路 原因 两个电源浪费 这里RB比RC大 使VB比VC低 C是为了避免前后级工作点互相影响 33 实用的共射放大电路各部分作用 2020 3 23 34 1 静态 直流工作状态 输入信号vi 0时 放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态 直流通路 VCEQ VCC ICQRc 3 2 2基本共射极放大电路的工作原理 2020 3 23 35 2 动态 输入正弦信号vs后 电路将处在动态工作情况 此时 BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化 交流通路 end 2 2 2基本共射极放大电路的工作原理 2020 3 23 36 动态 有交流输入 放大电路各处电压 电流均为直流量加交流量 一般放大电路总的状态 动态 静态和动态好比人的静止和运动状态时的脉动 运动状态时的脉动叠加在静止值之上 2020 3 23 37 动态分析情况 动态是指有交流信号输入时 电路中的电流 电压随输入信号作相应变化的状态 由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作 电路中的电压uCE 电流iB和iC均包含两个分量 2020 3 23 38 ic t IB 0 iB 0 t ib 0 t b 基极电流波形 t ui 0 a 输入信号电压波形 一般放大电路的工作过程 2020 3 23 39 c 集电极电流波形 ic 0 t t IC 0 iC 0 t d RC上压降的波形 urc 0 t t URC 0 uRC 0 一般放大电路的工作过程 t 2020 3 23 40 e 三极管管压降的波形 t 0 UCE t 0 uCE 0 t ui 一般放大电路的工作过程 uCE VCC uRC uce 2020 3 23 41 图放大电路的动态工作情况 i0 ii 放大电路的波形示意图 输入与输出电压的方向相反 看清何时有直流 何时只有交流 2020 3 23 42 放大电路工作原理实质 1 输出电压的波形和输入信号电压的波形相同 只是输出电压幅度比输入电压大 有时示意图一样 但单位分别为微伏和毫伏 2 输出电压与输入信号电压相位差为180 通过以上分析可知 放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iC iC在RL上形成压降作为输出电压 iC是直流电源UCC提供的 因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用 直流电能转化成交流电能的功率 2020 3 23 43 字符的含义 小写字母带小写下缀表示交流瞬时值 符号及下标均大写是直流分量 小写符号加大写下标是总的瞬时值 如iB IB ib 晶体管集电极 发射极间的管压降为UCE UCC ICRc当ui 0时 放大电路处于静态或叫处于直流工作状态 这时的基极电流IB 集电极电流IC和集电极发射极电压UCE用IB ICQ UCEQ表示 它们在三极管特性曲线上所确定的点就称为静态工作点 其习惯上加Q表示 uBE UBE ui 当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时 信号电压ui将和静态正偏压UBE相串连作用于晶体管发射结上 iB IB ib 基极电流iB由两部分组成 一个是固定不变的静态基极电流IB 一个是作正弦变化的交流基极电流ib iC IC ic 一个是固定不变的静态集电极电流IC 一个是作正弦变化的交流集电极电流ic 2020 3 23 44 2 3放大电路的分析方法 放大电路的分析方法主要有两种 图解分析法和计算分析法 图解法 就是利用晶体管的特性曲线以及负载线等 用做图的方法 直接描绘出各有关电压 电流波型 计算分析法 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成线性电路 就是放大电路的微变等效电路 然后用线性电路的分析方法来分析和计算各指标 这种方法称为 微变等效电路 计算分析法 2020 3 23 45 2 3 1图解分析法 2 3 2小信号模型分析法 静态工作点的图解分析 动态工作情况的图解分析 BJT的H参数及小信号模型 用H参数小信号模型分析基本共射极放大电路 小信号模型分析法的适用范围 2 3放大电路的分析方法 2 3 1图解分析法 1 静态 2020 3 23 46 图解分析可以用来分析静态工作点 图形失真 采用该方法分析 必须已知三极管的输入输出特性曲线 2020 3 23 47 幅度较大而工作频率不太高的情况 优点 直观 形象 有助于建立和理解交 直流共存 静态和动态等重要概念 有助于理解正确选择电路参数 合理设置静态工作点的重要性 能全面地分析放大电路的静态 动态工作情况 缺点 不能分析工作频率较高时的电路工作状态 也不能用来分析放大电路的输入电阻 输出电阻等动态性能指标 图解分析法的适用范围 48 二极管图解法举例 曲线图已知 分别求E 1 5V 3V时的I和U 0 511 53U 解题思路 I f U 由曲线 E U I 103 由拓扑外结构 最后画图 求得交点 求得I和U 见上图 也可以解联立方程 两个二元一次方程 I31 5 2020 3 23 49 1 静态工作点的图解分析 列输入回路方程 列输出回路方程 直流负载线 VCE VCC iCRc 首先 画出直流通路 直流通路 2 3 1图解分析法 静态分析步骤 2020 3 23 50 在输出特性曲线上 作出直流负载线VCE VCC iCRc 与IBQ曲线的交点即为Q点 从而得到VCEQ和ICQ 静态分析步骤 51 下面以耦合共射放大电路为例进行分析 52 画直流通路和交流通路 在画直流通路和交流通路时 应遵循下列原则 1 对直流通路 电感可视为短路 电容可视为开路 2 对交流通路 若直流电源内阻很小 理想电压源 则其上交流压降很小 可把它看成短路 若电容在交流通过时 交流压降很小 可把它看成短路 实际的输出由直流和交流输出合成 53 1 直流通路 直流通路 无交流输入时电路的工作状态 此时交流电压源可视为短路 耦合电容可视为开路 54 2 求静态值图解法步骤 图解步骤 1 用估算法求出基极电流IBQ 如40 A 2 根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线 3 作直流负载线 根据集电极电流IC与集 射间电压UCE的关系式UCE UCC ICRC可画出一条直线 该直线在纵轴上的截距为UCC RC 在横轴上的截距为UCC 其斜率为 1 RC 只与集电极负载电阻RC有关 称为直流负载线 55 图解法步骤 4 求静态工作点Q 并确定UCEQ ICQ的值 晶体管的ICQ和UCEQ既要满足IB 40 A的输出特性曲线 又要满足直流负载线 因而晶体管必然工作在它们的交点Q 该点就是静态工作点 由静态工作点Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ 56 IB 40 A的输出特性曲线 由UCE UCC ICRC所决定的直流负载线 两者的交点Q就是静态工作点 过Q点作水平线 在纵轴上的截距即为ICQ 过Q点作垂线 在横轴上的截距即为ICQ 图解法 57 图解法举例 已知上图 求电路的静态工作点 在输出特性曲线图中作直流负载线MN 58 例题可以看书上P123 124例4 3 1 在输出特性曲线图中作直流负载线MN iB 40 A的输出特性曲线与直流负载线MN交于Q 9 1 8 Q即为静态工作点 静态值为IBQ 40 A ICQ 1 8mA UCEQ 9V 59 例题 2020 3 23 60 2 3 1图解分析法 2 动态 动态是指有交流信号输入时 电路中的电流 电压随输入信号作相应变化的状态 由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作 电路中的电压uCE 电流iB和iC均包含直流和交流两个分量 2020 3 23 61 动态工作情况的图解分析步骤 图解步骤 1 根据静态分析法 求出静态工作点Q 2 根据ui在输入特性曲线上求uBE和iB 3 由拓扑结构作交流负载线 4 输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE 62 输入回路动态图 2020 3 23 63 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE的波形 输出回路的动态图 64 动态时交流通路 交流通路 ui单独作用下的电路 由于电容C1 C2足够大 容抗近似为零 相当于短路 若直流电源内阻很小 理想电压源 则其上交流压降很小 可把它看成对地短路直流电源UCC去掉 短接 65 动态时交流负载线 列输出回路方程直流负载线VCE VCC iCRc交流负载线VCE VCC iCRc uCE为0时 ic VCC Rc 上升 2020 3 23 66 共射极放大电路中的电压 电流波形 动态工作情况的波形 2020 3 23 67 动态时的波形定性分析 输入与输出电压方向相反 2020 3 23 68 截止失真的电流和电压波形 静态工作点对波形失真的影响 截止失真 进入截止区域而引起的失真 2020 3 23 69 饱和失真的电流和电压波形 静态工作点对波形失真的影响 饱和失真 进入饱和区域而引起的失真 70 几个重要结论 从图解分析过程 可得出如下几个重要结论 1 放大器中的各个量uBE iB iC和uCE都由直流分量和交流分量两部分组成 2 由于C2的隔直作用 uCE中的直流分量UCEQ被隔开 放大器的输出电压uo等于uCE中的交流分量uce 且与输入电压ui反相 3 放大器的电压放大倍数可由uo与ui的幅值之比或有效值之比求出 负载电阻RL越小 交流负载电阻RL 也越小 交流负载线就越陡 使Uom减小 电压放大倍数下降 71 几个重要结论 4 静态工作点Q设置得不合适 会对放大电路的性能造成影响 若Q点偏高 当ib按正弦规律变化时 Q 进入饱和区 造成ic和uce的波形与ib 或ui 的波形不一致 输出电压uo 即uce 的负半周出现平顶畸变 称为饱和失真 若Q点偏低 则Q 进入截止区 输出电压uo的正半周出现平顶畸变 称为截止失真 饱和失真和截止失真统称为非线性失真 可以通过实验验证 2020 3 23 72 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 建立小信号模型 就是将非线性器件做线性化处理 从而简化放大电路的分析和设计 2 3 2小信号模型分析法 73 把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路 就是放大电路的微变等效电路 然后用线性电路的分析方法来分析 这种方法称为微变等效电路分析法 等效的条件是晶体管在小信号 微变量 情况下工作 这样就能在静态工作点附近的小范围内 用直线段近似地代替晶体管的特性曲线 小信号等效模型的条件 适用范围 74 输入特性曲线在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的 当uBE有一微小变化 UBE时 基极电流变化 IB 两者的比值称为三极管的动态输入电阻 用rbe表示 即 模型 1 晶体管微变输入等效模型 75 输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线 集电极电流的微小变化 IC仅与基极电流的微小变化 IB有关 而与电压uCE无关 故集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源 即 2 微变输出等效模型 76 3 微变等效图 77 以耦合共射放大电路为例进行分析 78 交流通路 ui单独作用下的电路 由于电容C1 C2足够大 容抗近似为零 相当于短路 直流电源UCC去掉 短接 交流等效电路的画法 79 4 放大电路微变等效电路 把晶体管微变等效模型代入交流等效电路得到 80 1 电压放大倍数 三 主要性能指标的计算1电压放大倍数 81 式中RL RC RL 当RL 开路 时 放大倍数也可以用增益来表示 单位 分贝 dB 1电压放大倍数 显然有RL时 Au小 见下图 82 2 输入电阻 83 输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流 输入电流 的大小 为了减轻信号源的负担 总希望Ri越大越好 另外 较大的输入电阻Ri 也可以降低信号源内阻Rs的影响 使放大电路获得较高的输入电压 在下式中由于RB比rbe大得多 Ri近似等于rbe 在几百欧到几千欧 一般认为是较低的 并不理想 2 输入电阻含义 84 3 输出电阻 Ro的计算方法是 信号源短路 断开负载RL 在输出端加电压 求出由产生的电流 则输出电阻Ro为 85 对于负载而言 放大器的输出电阻Ro越小 负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小 表明放大器带负载能力越强 因此总希望Ro越小越好 上式中Ro在几千欧到几十千欧 一般认为是较大的 也不理想 3 输出电阻含义 86 例题 图示电路 已知 RB为300k 其他电阻均为3k 电源为12V 电容足够大 三极管的 为50 试求 1 用估算法求静态工作点 2 RL接入和断开两种情况下电路的电压放大倍数 3 输入电阻Ri和输出电阻Ro 4 输出端开路时的源电压放大倍数 求解步骤 2020 3 23 87 1 利用直流通路求Q点 2 画小信号等效电路 3 求放大电路动态指标 88 例题 89 显然接RL后的Au降低 例题 2020 3 23 90 放大电路的输入信号幅度较小 BJT工作在其V T特性曲线的线性范围 即放大区 内 H参数的值是在静态工作点上求得的 所以 放大电路的动态性能与静态工作点参数值的大小及稳定性密切相关 优点 分析放大电路的动态性能指标 Av Ri和Ro等 非常方便 且适用于频率较高时的分析 缺点 在BJT与放大电路的小信号等效电路中 电压 电流等电量及BJT的H参数均是针对变化量 交流量 而言的 不能用来分析计算静态工作点 小信号模型分析法小结 2020 3 23 91 共射极放大电路 放大电路如图所示 已知BJT的 80 Rb 300k Rc 2k VCC 12V 求 1 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 2 当Rb 100k 时 放大电路的Q点 此时BJT工作在哪个区域 忽略BJT的饱和压降 解 1 2 当Rb 100k 时 静态工作点为Q 40 A 3 2mA 5 6V BJT工作在放大区 其最小值也只能为0 即IC的最大电流为 所以BJT工作在饱和区 VCE不可能为负值 此时 Q 120uA 6mA 0V end 例题 2020 3 23 92 2 4 1温度对静态工作点的影响 2 4 2射极偏置电路 1 基极分压式射极偏置电路 2 含有双电源的射极偏置电路 3 含有恒流源的射极偏置电路 2 4放大电路静态工作点的稳定问题 2020 3 23 93 温度上升时 BJT的反向电流ICBO ICEO及电流放大系数 或 都会增大 而发射结正向压降VBE会减小 这些参数随温度的变化 都会使放大电路中的集电极静态电流ICQ随温度升高而增加 ICQ IBQ ICEO 从而使Q点随温度变化 要想使ICQ基本稳定不变 就要求在温度升高时 电路能自动地适当减小基极电流IBQ 2 4 1温度对静态工作点的影响 2020 3 23 94 1 稳定工作点原理 目标 温度变化时 使IC维持恒定 如果温度变化时 b点电位能基本不变 则可实现静态工作点的稳定 有负反馈控制作用时更稳定 T IC IE VE VB不变 VBE IB 反馈控制 基极分压式射极偏置电路 a 原理电路 b 直流通路 2 4 2射极偏置电路 2020 3 23 95 b点电位基本不变的条件 I1 IBQ 此时 VBQ与温度无关 VBQ VBEQ Re取值越大 反馈控制作用越强 一般取I1 5 10 IBQ VBQ 3 5V 1 稳定工作点原理 基极分压式射极偏置电路分析 2020 3 23 96 1 基极分压式射极偏置电路 2 放大电路指标分析 静态工作点 指标 注意 这里有了Re 2020 3 23 97 电压增益 画小信号等效电路 放大电路指标分析 2020 3 23 98 电压增益 输出回路 输入回路 电压增益 画小信号等效电路 确定模型参数 已知 求rbe 增益 可作为公式用 放大电路指标分析 2020 3 23 99 输入电阻 则输入电阻 放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻 放大电路指标分析 2020 3 23 100 输出电阻 输出电阻 求输出电阻的等效电路 其中 放大电路指标分析 实用的稳定电路分析 加了RB2 Re和Ce Ce的作用是使发射极的交流信号旁路 Re对交流信号无负反馈 实用的稳定电路分析 103 例 图示电路 接CE 已知UCC 12V RB1 20k RB2 10k RC 3k RE 2k RL 3k 50 试估算静态工作点 并求电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 1 用估算法计算静态工作点 例题 104 例题 105 2 求电压放大倍数 例题 106 3 求输入电阻和输出电阻 例题 107 3 5多级放大电路 多级放大电路动态指标的计算 108 阻容耦合多级放大电路 109 电路特点 各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接 优点 各级静态工作点互不影响 可以单独调整到合适位置 且不存在零点漂移问题 缺点 不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号 且由于需要大容量的耦合电容 因此不能在集成电路中采用 110 1 阻容耦合多级放大电路分析 1 静态分析 各级单独计算 2 动态分析 电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积 注意 计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中 如计算第一级的电压放大倍数时 其负载电阻就是第二级的输入电阻 输入电阻就是第一级的输入电阻 输出电阻就是最后一级的输出电阻 111 2 阻容耦合多级放大的频率特性和频率失真 图多级放大电路的通频带 a 两个单级放大电路分别的通频带 b 耦合后 放大电路的通频带变窄 112 中频段 电压放大倍数近似为常数 低频段 耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大 以致不可视为短路 因而造成电压放大倍数减小 高频段 晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小 以致不可视为开路 也会使电压放大倍数降低 幅频特性 113 除了电压放大倍数会随频率而改变外 在低频和高频段 输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变 所以在整个频率范围内 电压放大倍数和相位移都将是频率的函数 电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特性 相位移与频率的函数关系称为相频特性 二者统称为频率特性或频率响应 放大电路呈现带通特性 图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0 707倍时所对应的两个频率 分别称为上限频率和下限频率 其差值称为通频带 114 一般情况下 放大电路的输入信号都是非正弦信号 其中包含有许多不同频率的谐波成分 由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同 相位移也不一样 所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时 若谐波频率超出通频带 输出信号uo波形将产生失真 这种失真与放大电路的频率特性有关 故称为频率失真 115 二 直接耦合多级放大电路 116 直接耦合多级放大电路的特点 优点 能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号 且由于没有耦合电容 故非常适宜于大规模集成 缺点 各级静态工作点互相影响 且存在零点漂移问题 零点漂移 放大电路在无输入信号的情况下 输出电压uo却出现缓慢 不规则波动的现象 产生零点漂移的原因很多 其中最主要的是温度影响 117 变压器耦合 我们把级与级之间通过变压器连接的方式称为变压器耦合 其电路如图所示 118 图2 39变压器耦合放大电路 119 三 三种耦合方式的比较 120 直接耦合放大器存在的问题 由于集成电路大电容难做和兼顾低频的原因 仍需直接耦合 耦合工作点的相互影响在直接耦合放大器中 由于级与级之间无隔直 流 电容 因此各级的静态工作点相互影响 从而要求在设计电路时 合理安排 使各级都有合适的静态工作点 若将直接耦合放大器的输入端短路 ui 0 理论上讲 输出端应保持某个固定值 直流 不变 然而 实际情况并非如此 输出电压往往偏离初始静态值 出现了缓慢的 无规则的漂移 这种现象称为零点漂移 121 其他放大 3 6 1放大电路的三种接法 教材重点是共发射极电路 其他的为了解共集电极电路学称为射极输出器 放大电路共有三种接法 共发射极 共集电极 共基极 122 一 共集电路 射极输出器交流通路 123 一射极输出器 1 静态分析 124 求电压放大倍数 射极输出器 2 动态分析 共集电极放大电路的交流微变等效电路 125 求输入电阻 输入电阻 126 求输出电阻 输出电阻 127 射极输出器的特点 电压放大倍数小于1 但约等于1 即电压跟随 输入电阻较高 输出电阻较低 射极输出器的用途 射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻 这是射极跟随器最突出的优点 射极跟随器常用作多级放大器的第一级或最末级 也可用于中间隔离级 用作输入级时 其高的输入电阻可以减轻信号源的负担 提高放大器的输入电压 用作输出级时 其低的输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响 并易于与低阻负载相匹配 向负载传送尽可能大的功率 128 例 图示电路 已知UCC 12V RB 200k RE 2k RL 3k RS 100 50 试估算静态工作点 并求电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 1 用估算法计算静态工作点 例 129 例 130 二 共基极电路 131 三 三种基本放大电路的比较 132 三种基本放大电路的特点 共射极电路具有较高的电压放大倍数和电流放大倍数 同时输入输出电阻又比较适中 所以在对输入输出电阻没有特殊要求的地方 被普遍采用 广泛应用于低频放大电路的输入级 中间级和功率输出级 共集电路的特点是输入电阻大 输出电阻小 电压放大倍数小于1 输入输出电压同相 常用作多级放大器的输入级 输出级或需要阻抗变换的场合 共基电路虽然电流放大倍数小于1 但它具有较高的电压放大倍数 且输入 输出电压信号同相位 输入电阻小 高频特性好 常用于宽频放大器中 133 2 6 2差动放大电路 集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合多级放大电路 直接耦合存在的一大难题是温漂问题 温漂 外界环境 特别是温度 变化 引起静态工作点移动 漂移 这就是温漂 在多级放大器中 第一级温漂尤为严重 必须采取有效方法抑制温漂 抑制零漂的方法有多种 如采用温度补偿电路 稳压电源以及精选电路元件等方法 最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路 134 差动放大电路的工作原理 差动放大电路构想 用一个与放大器放大管特性相同的晶体管 组成一个与放大电路相同的电路 用这个电路的零漂来抵消放大器的零漂 效果比较好 这就构成差动放大电路 135 温度变化时两个单管放大电路的工作点都要发生变动 分别产生输出漂移 uol和 uo2 由于电路是对称的 所以 uol uo2 差动放大电路的输出漂移 uo uol uo2 0 即消除了零点漂移 抑制零点漂移的原理 136 因两侧电路对称 放大倍数相等 电压放大倍数用Ad表示 则 2 差模输入 差模信号 两输入端加的信号大小相等 极性相反 137 差模电压放大倍数 可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数 差动放大电路用多一倍的元件为代价 换来了对零漂的抑制能力 138 共模电压放大倍数 3 共模输入 共模信号 两输入端加的信号大小相等 极性相同 139 共模抑制比越大 表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强 共模抑制比 说明电路对共模信号无放大作用 即完全抑制了共模信号 实际上 差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例 所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小 也就是反映了它对零点漂移的抑制能力 140 4 存在问题 基本差放电路是利用电路对称性 将两管温漂在输入出端互相抵消的 对每个管子本身的温漂没有任何抑制 因此存在如下问题 不易实现电路的完全对称 工程上常采用单边输出 温漂无法解决 无论单边或双边输出 严重的温漂会使Q点进入饱和或截止区 不能工作 141 负电源UEE的作用 是为了补偿RE上的直流压降 使发射极基本保持零电位 减轻 Ucc的压力也增加输出电压 解决办法 采取措施解决各边电路本身的温漂问题 解决办法 加射极公共电阻 或恒流源 142 1 静态分析 2 差模输入时 交流通路 3 性能指标 是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力 发射极电阻RE的作用 143 典型差动放大电路 144 恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用 恒流源作用 145 差动放大电路的输入输出方式 146 双