第2章 半导体三级管与基本放大电路ppt课件

第二章半导体三极管与基本放大电路 2 1晶体三极管 2 2场效应晶体管 2 3光敏三极管 2 4电压放大器 2 5射极输出器 2 6场效应管放大电路 2 7多级放大电路 2 8差动放大电路 2 9串联型稳压电路 2 10功率放大电路 2 1半导体三极管 2 1 1基本结构 基极 发射极 集电极 NPN型 PNP型 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 掺杂浓度较大 发射区 掺杂浓度最高 发射结 集电结 电流放大原理 EB RB Ec 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 1 进入P区的电子少部分与基区的空穴复合 形成电流IBE 多数扩散到集电结 EB RB Ec 集电结反偏 有少子形成的反向电流ICBO 从基区扩散来的电子作为集电结的少子 漂移进入集电结而被收集 形成ICE 2 IB IBE ICBO IBE 3 4 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 NPN型三极管 PNP型三极管 实验线路 2 1 2放大作用 1 输入特性 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 工作压降 硅管UBE 0 6 0 7V 锗管UBE 0 2 0 3V 2 输出特性 IC mA 此区域满足IC IB称为线性区 放大区 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 3 主要参数 前面的电路中 三极管的发射极是输入输出的公共点 称为共射接法 相应地还有共基 共集接法 共射直流电流放大倍数 1 电流放大倍数 工作于动态的三极管 真正的信号是叠加在直流上的交流信号 基极电流的变化量为 IB 相应的集电极电流变化为 IC 则交流电流放大倍数为 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 2 集 基极反向截止电流ICBO ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流 受温度的变化影响 3 集 射极反向截止电流ICEO B E C N N P ICBO进入N区 形成IBE 根据放大关系 由于IBE的存在 必有电流 IBE 集电结反偏有ICBO 4 集电极最大电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 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 所以集电极电流应为 IC IB ICEO 而ICEO受温度影响很大 当温度上升时 ICEO增加很快 所以IC也相应增加 三极管的温度特性较差 5 集 射极反向击穿电压 当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 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 集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC流过三极管 所发出的焦耳热为 PC ICUCE 必定导致结温上升 所以PC有限制 PC PCM ICUCE PCM 安全工作区 2 1 5电路中增加复合管 增加复合管的目的是 扩大电流的驱动能力 复合管的构成 方式1 复合管构成方式很多 不论哪种等效方式 等效后晶体管的性能均如下确定 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 方式2 场效应管与双极型晶体管不同 它是多子导电 输入阻抗高 温度稳定性好 结型场效应管JFET 绝缘栅型场效应管MOS 场效应管有两种 2 2场效应晶体管 N 基底 N型半导体 两边是P区 G 栅极 S源极 D漏极 1 结构 1 2 1 1结型场效应管 导电沟道 N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管 2 工作原理 以P沟道为例 PN结反偏 UGS越大则耗尽区越宽 导电沟道越窄 UDS较小时 UDS较小时 但当UGS较小时 耗尽区宽度有限 存在导电沟道 DS间相当于线性电阻 UGS越大耗尽区越宽 沟道越窄 电阻越大 UDS较小时 UGS达到一定值时 夹断电压VP 耗尽区碰到一起 DS间被夹断 漏极电流是ID 0 UGS Vp且UDS较大时UGD VP时耗尽区的形状 越靠近漏端 PN结反压越大 UGS Vp且UDS较大时UGD VP时耗尽区的形状 沟道中仍是电阻特性 但是是非线性电阻 UGS VpUGD VP时 漏端的沟道被夹断 称为予夹断 UDS增大则被夹断区向下延伸 UGS VpUGD VP时 此时 电流ID由未被夹断区域中的载流子形成 基本不随UDS的增加而增加 呈恒流特性 3 特性曲线 饱和漏极电流 夹断电压 转移特性曲线一定UDS下的ID UGS曲线 ID UDS 恒流区 输出特性曲线 0 N沟道结型场效应管的特性曲线 转移特性曲线 输出特性曲线 N沟道结型场效应管的特性曲线 2 2场效应管 场效应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 结型场效应管 按结构不同场效应管有两种 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 1 结构和电路符号 P型基底 两个N区 SiO2绝缘层 2 2 1 2绝缘栅场效应管 金属铝 N沟道增强型 N沟道耗尽型 予埋了导电沟道 P沟道增强型 P沟道耗尽型 予埋了导电沟道 以N沟道增强型为例 2 MOS管的工作原理 UGS 0时 对应截止区 UGS 0时 感应出电子 VT称为阈值电压 UGS较小时 导电沟道相当于电阻将D S连接起来 UGS越大此电阻越小 当UDS不太大时 导电沟道在两个N区间是均匀的 当UDS较大时 靠近D区的导电沟道变窄 UDS增加 UGD VT时 靠近D端的沟道被夹断 称为予夹断 3 增强型N沟道MOS管的特性曲线 转移特性曲线 输出特性曲线 UGS 0 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线 耗尽型的MOS管UGS 0时就有导电沟道 加反向电压才能夹断 转移特性曲线 0 ID UGS VT 输出特性曲线 UGS 0 UGS 0 UGS 0 2 4 0放大的概念 电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号 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 2 4电压放大电路 放大电路的性能指标 1 电压放大倍数Au Ui和Uo分别是输入和输出电压的有效值 2 输入电阻ri 放大电路一定要有前级 信号源 为其提供信号 那么就要从信号源取电流 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数 输入电阻越大 从其前级取得的电流越小 对前级的影响越小 输入电阻 3 输出电阻ro 放大电路对其负载而言 相当于信号源 我们可以将它等效为戴维南等效电路 这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 如何确定电路的输出电阻 在电路的计算中求ro有两个方法 1 所有的电源置零 2 加压求流法 将独立源置零 保留受控源 输出电阻的测量方法 ro 测量开路电压 输出电阻的测量方法 ro RL 测量接入负载后的输出电压 4 通频带 通频带 fbw fH fL 放大倍数随频率变化曲线 16 0 3符号规定 UA 大写字母 大写下标 表示直流量 uA 小写字母 大写下标 表示全量 ua 小写字母 小写下标 表示交流分量 uA ua 全量 交流分量 t UA直流分量 三极管放大电路有三种形式 共射放大器 共基放大器 共集放大器 以共射放大器为例讲解工作原理 2 4 1放大电路的基本组成 共射放大电路 放大元件iC iB 工作在放大区 要保证集电结反偏 发射结正偏 输入 输出 参考点 共射放大电路 集电极电源 为电路提供能量 并保证集电结反偏 共射放大电路 集电极电阻 将变化的电流转变为变化的电压 共射放大电路组成 使发射结正偏 并提供适当的静态工作点 基极电源与基极电阻 共射放大电路组成 耦合电容 隔离输入输出与电路直流的联系 同时能使信号顺利输入输出 单电源供电 可以省去 RB 单电源供电 基本放大电路的静态工作原理 由于电源的存在IB 0 IC 0 IB IC IE IB IC 基本放大电路的静态工作原理 IB IC IC UCE IB UBE 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 uCE怎么变化 交流放大原理 假设uBE有一微小的变化 uCE的变化沿一条直线 uCE相位如何 uCE与uBE反相 各点波形 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 2 4 2放大电路的分析 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 计算机仿真 2 4 2 1直流通道和交流通道 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 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 这样就有了交流通道 只考虑交流信号的分电路 和直流通道 只考虑直流信号的分电路 不同的信号可以分别在不同的通道分析 例 对直流信号 只有 EC 直流通道 对交流信号 输入信号ui 交流通道 2 4 2 2直流负载线 IC UCE UCE IC满足什么关系 1 输出特性 2 UCE EC ICRC UCE EC ICRC 直流负载线 与输出特性的交点就是Q点 IB 2 4 2 3交流负载线 其中 iC和uCE是全量 与交流量ic和uce有如下关系 所以 这就是说 交流信号的变化沿着斜率为 的直线 这条直线通过Q点 称为交流负载线 交流负载线的作法 IB 过Q点作一条直线 斜率为 交流负载线 2 4 2 4静态分析 1 估算法 1 根据直流通道估算IB RB称为偏置电阻 IB称为偏置电流 2 根据直流通道估算UCE IB IC UCE 2 图解法 先估算IB 然后在输出特性曲线上作出直流负载线 与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点 例 用估算法计算静态工作点 已知 EC 12V RC 4K RB 300K 37 5 解 请注意电路中IB和IC的数量级 2 4 2 5动态分析 三极管的微变等效电路 首先考察输入回路 当信号很小时 将输入特性在小范围内近似线性 uBE 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻rbe 对于小功率三极管 rbe的量级从几百欧到几千欧 考察输出回路 所以 输出端相当于一个受ib控制的电流源 输出端还要并联一个大电阻rce rce的含义 rce很大 一般忽略 弄清楚等效的概念 1 对谁等效 2 怎么等效 e b c b e c 2 放大电路的微变等效电路 将交流通道中的三极管用微变等效电路代替 3 电压放大倍数的计算 负载电阻越小 放大倍数越小 4 输入电阻的计算 对于为它提供信号的信号源来说 电路是负载 这个负载的大小可以用输入电阻来表示 输入电阻的定义 输入电阻是动态电阻 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此一般总是希望得到较大的的输入电阻 rbe RB RC RL 5 输出电阻的计算 对于负载而言 放大电路相当于信号源 可以将它进行戴维南等效 戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 计算输出电阻的方法 1 所有电源置零 然后计算电阻 对有受控源的电路不适用 2 所有独立电源置零 保留受控源 加压求流法 所以 用加压求流法求输出电阻 为了得到尽量大的输出信号 要把Q设置在交流负载线的中间部分 如果Q设置不合适 信号进入截止区或饱和区 造成非线性失真 2 4 2 6失真分析 uo 可输出的最大不失真信号 合适的静态工作点 uo Q点过低 信号进入截止区 称为截止失真 信号波形 uo Q点过高 信号进入饱和区 称为饱和失真 信号波形 为了保证放大电路的稳定工作 必须有合适的 稳定的静态工作点 但是 温度的变化严重影响静态工作点 对于前面的电路 固定偏置电路 而言 静态工作点由UBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面 T UBE ICEO Q 2 4 3静态工作点的稳定 温度对UBE的影响 温度对 值及ICEO的影响 总的效果是 总之 固定偏置电路的Q点是不稳定的 为此 需要改进偏置电路 当温度升高 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 常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点 电路见下页 可以认为与温度无关 似乎I2越大越好 但是RB1 RB2太小 将增加损耗 降低输入电阻 因此一般取几十K 本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程 如果去掉CE 放大倍数怎样 去掉CE后的微变等效电路 将RE折算到基极 去掉CE后的微变等效电路 2 5射极输出器 工作情况分析 静态分析 动态分析 1 电压放大倍数 1 所以 但是 输出电流Ie增加了 2 输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 讨论 2 输入电阻 输入电阻高 对前级有利 3 输出电阻 用加压求流法求输出电阻 置0 一般 所以 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 讨论 1 将射极输出器放在电路的首级 可以提高输入电阻 2 将射极输出器放在电路的末级 可以降低输出电阻 提高带负载能 3 将射极输出器放在电路的两级之间 可以起到电路的匹配作用 1 电路的组成原则及分析方法 1 静态 适当的静态工作点 使FET工作在恒流区 场效应管的偏置电路相对简单 2 动态 能为交流信号提供通路 组成原则 静态分析 估算法 图解法 动态分析 微变等效电路法 分析方法 2 6场效应管放大电路 2 静态分析 求 UDS和ID 设 UG UGS 则 UG US 而 IG 0 所以 Rs 3 场效应管的微变等效电路 跨导 漏极输出电阻 4 动态分析 ri ro ro RD 10K 源极输出器 微变等效电路 求ro 加压求流法 耗尽型自给偏压偏置电路 1 静态分析 UGS ISRS IDRS RS控制静态工作点 2 动态分析 耦合 耦合方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 2 7多级阻容耦合放大电路 设 1 2 50 rbe1 2 9K rbe2 1 7K 2 7 1典型电路 对耦合电路要求 要求 动态 传送信号 减少压降损失 耦合电路 静态 保证各级Q点设置 波形不失真 阻容耦合电路的频率特性 耦合电容造成 三极管结电容造成 关键 考虑级间影响 1 静态 Q点同单级 2 动态性能 方法 ri2 RL1 2 7 2性能分析 考虑级间影响 1 解 1 微变等效电路 2 动态参数 1 ri R1 rbe1 1 RL1 其中RL1 RE1 ri2 RE1 R2 R3 rbe1 RE1 RL1 RE1 ri2 27 1 7 1 7K ri 1000K 2 9 51 1 7 K 82K 2 ro RC2 10K 3 中频电压放大倍数 其中 2 8差动放大电路 2 8 1 直接耦合放大电路的特殊问题2 8 2基本型差动放大器2 8 3双电源长尾式差放2 8 4恒流源式差放2 8 5差动电路的几种接法 2 8 0直接耦合电路的特殊问题 特殊问题 R2 RE2 为设置合适的Q点而增加 1 前后级Q点相互影响 2 零点漂移 当ui 0时 特殊问题 有时会将信号淹没 1 结构 对称 2 8 1差动放大电路基本原理 2 抑制零漂的原理 uo uC1 uC2 0 uo uC1 uC1 uC2 uC2 0 当ui1 ui2 0时 当温度变化时 uc1 uc2 1 结构 为了使左右平衡 可设置调零电位器 2 8 2双电源长尾式差放 ui1 2 静态分析 温度T IC IE 2IC UE UBE IB IC ui1 ui2 0 RE 强负反馈作用 2 Q点的计算 直流通路 IC1 IC2 IC IB UC1 UC2 UCC IC RC UE1 UE2 IB RB UBE UCE1 UCE2 UC1 UE1 3 动态分析 1 输入信号分类 1 差模输入 ui1 ui2 ud 差模电压放大倍数 共模输入 2 ui1 ui2 uC 共模电压放大倍数 共模抑制比 KCMRR KCMRR dB 分贝 Common ModeRejectionRatio differentialmode commonmode 3 任意输入 ui1 ui2 差模分量 共模分量 ud uC ui1 uC ud ui2 uC ud 叠加 分解 例题 ui1 20mv ui2 10mv 则 ud 5mv uc 15mv ui1 15mv 5mv ui2 15mv 5mv ui ui1 ui2 2ud 即 2 差模输入 UCC UEE ui uo RC T1 RB RC T2 RB RE R R 均压器 1 RE对差模信号作用 ui1 ui2 ib1 ic1 ib2 ic2 ic1 ic2 iRE ie1 ie2 0 uRE 0 RE对差模信号不起作用 UCC UEE ui uo RC T1 RB RC T2 RB RE R R 2 差模信号通路 T1单边微变等效电路 3 放大倍数 差模电压放大倍数 单边差模放大倍数 若差动电路带负载RL 接在c1与c2之间 对于差动信号而言 RL中点电位为0 所以放大倍数 总的差动电压放大倍数 ro 2RC ro 输入电阻 输出电阻 4 输入输出电阻 3 共模输入 uC uoc2 uoc1 uoc RE对共模信号起作用 并且iRE 2ie1 共模信号通路 T1单边微变等效电路 ic1 uc1 RB uoc1 ib1 RC ib1 2RE ie1 rbe1 uoc2 AC2 uc2 uoc uoc1 uoc2 0 uoc1 AC1 uc1 AC 0 负载影响共模放大倍数吗 不影响 恒流源式差放电路 电路结构 IC3 rce3 1M 恒流源 T3 放大区 IC3 ui1 UCC ui2 uo C1 B1 C2 E B2 RC T1 RB RC T2 RB R2 T3 R1 R3 UEE 恒流源相当于阻值很大的电阻 恒流源不影响差模放大倍数 恒流源影响共模放大倍数 使共模放大倍数减小 从而增加共模抑制比 理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻 所以共模抑制比是无穷 恒流源的作用 2 8 4差放电路的几种接法 输入端接法 双端 单端 输出端接法 双端 单端 双端输出 Ad Ad1 单端输出 差模电压放大倍数 2 9稳压电路 在小功率设备中常用的稳压电路有稳压管稳压电路 线性稳压电路和开关型稳压电路等 其中稳压管稳压电路最简单 但是带负载能力差 一般只提供基准电压 不作为电源使用 开关型稳压电源效率较高 目前用的也比较多 但因学时有限 这里不做介绍 以下主要讨论线性稳压电路 19 4 1稳压电路的主要性能指标 1 稳压系数S 稳压系数S反映电网电压波动时对稳压电路的影响 定义为当负载固定时 输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比 2 输出电阻R0 输出电阻用来反映稳压电路受负载变化的影响 定义为当输入电压固定时输出电压变化量与输出电流变化量之比 它实际上就是电源戴维南等效电路的内阻 19 4 2串联反馈式稳压电路 一 电路结构的一般形式 串联式稳压电路由基准电压 比较放大 取样电路和调整元件四部分组成 T UI UO 比较放大 基准 取样 UR FUO C2 RL 调整元件 调整元件T与负载串联 通过全部负载电流 比较放大器可以是单管放大电路 差动放大电路 集成运算放大器 调整元件可以是单个功率管 复合管或用几个功率管并联 基准电压可由稳压管稳压电路组成 取样电路取出输出电压UO的一部分和基准电压相比较 因调整管与负载接成射极输出器形式 为深度串联电压负反馈 故称之为串联反馈式稳压电路 一种实际的串联式稳压电源 二 稳压原理 当UI增加或输出电流减小使U0升高时 三 输出电压的确定和调节范围 四 影响稳压特性的主要因素1 比较放大部分的AV和电压反馈系数F愈大越好 2 基准电压愈稳定越好 3 放大部分的电源愈稳定越好 4 调整管rce愈大越好 rce小则 UI引起的 UO大 五 改进措施 串联反馈式稳压电路 在运放理想条件下 AV ri 1 增加放大级数或选用增益高的集成运放 2 采用辅助电源 比较放大部分的电源 3 用恒流源负载代替集电极电阻以提高增益 六 过流保护为避免使用中因某种原因输出短路或过载 致使调整管流过很大的电流 使之烧坏故需有快速保护措施 常见保护电路有两类 限流型 把电流限制在允许范围内 不再增大 截留型 过流时使调整管截止或接近截止 七 缺点 调整管工作在线性放大区 当负载电流较大时 其损耗 P UCE I0 大 电源的效率 P0 Pi U0I0 UiIi 较低 为了提高效率 可采用开关型稳压电源 集成稳压电源 简介 随着半导体工艺的发展 现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源 具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 最简单的集成稳压电源只有输入 输出和公共引出端 故称之为三端集成稳压器 本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器 其内部也是串联型晶体管稳压电路 该组件的外形如下图 稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内 电路内部附有短路和过热保护环节 1端 输入端2端 公共端3端 输出端 W7800系列稳压器外形 1端 公共端2端 输入端3端 输出端 W7900系列稳压器外形 分类 型号后XX两位数字代表输出电压值 W78系列 输出正电压 W79系列 输出负电压 输出电压额定电压值有 5V 9V 12V 18V 24V等 一 输出为固定电压的电路 W7800系列稳压器基本接线图 19 5 2应用电路 输出为固定正压时的接法如图所示 输入与输出端之间的电压不得低于3V 正负电压同时输出电路 二 输出正负电压的电路 UXX 为W78XX固定输出电压UO UXX UZ 三 提高输出电压的电路 运算放大器作为电压跟随器使用 它的电源就借助于稳压器的输入直流电压 由于运放的输入阻抗很高 输出阻抗很低 可以克服稳压器输出电流变化的影响 四 输出电压可调式电路 用三端稳压器也可以实现输出电压可调 下图是用W7805组成的7 30V可调式稳压电源 W7805 UXX 5V 同时消除了 IO R2 一项 稳压器输出用下式表示 例1 扩音系统 一 功率放大器的作用 做放大电路的输出级 以驱动执行机构 如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转等 2 10功率放大电路 例二 温度控制 R1 R3 标准电阻 Ua 基准电压 Rt 热敏电阻 A 电压放大器 Rt T UO T Ub UO1 二 分析功放电路应注意的问题 电流 电压信号比较大 必须注意防止波形失真 电源提供的能量尽可能转换给负载 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 射极输出器效率低的原因 一般射随器静态工作点 Q 设置较高 靠近负载线的中部 信号波形正负半周均不失真 电路中存在的静态电流 ICQ 在晶体管和射极电阻中造成 较大静态损耗 致使效率降低 设Q点正好在负载线中点 若忽略晶体管的饱和压降 则有 UCEQ 1 2 UCCICQ UCC 2RE 这种工作方式称为甲类放大 UCC 2 RL PE UCCICQ UCC2 2RE UCC2 8RL PO PE 25 互补对称功率放大电路 OTL OutputTransformerLess OCL OutputCapacitorLess 互补对称 电路中采用两支晶体管 NPN PNP各一支 两管特性一致 类型 一 无输出电容的互补对称功放电路 OCL电路 工作原理 设ui为正弦波 静态时 ui 0V T1 T2均不工作