分立元件放大电路(讲课版)

分立元件放大电路南京工业大学信息科学与工程学院电子系,第四章,1、半导体器件2、基本放大电路3、放大电路中静态工作点的稳定4、共集电极放大电路5、多级放大电路,第四章分立元件放大电路,基本要求理解半导体二极管、稳压二极管、晶体三极管的工作原理和主要参数；理解放大电路的基本性能指标；掌握共射极、共集电极单管放大电路静态工作点的作用和微变等效电路的分析方法；了解多级放大的概念。,重点理解半导体二极管、稳压二极管、晶体三极管的工作原理和主要参数；理解放大电路的基本性能指标；掌握共射极的微变等效电路分析方法。难点PN结的单向导电性，微变等效电路分析方法。,第一节半导体器件,PN结半导体二极管晶体三极管,一、PN结,本征半导体杂质半导体PN结的形成PN结的单向导电性,半导体:,导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。最常用的半导体为硅和锗。,1、本征半导体,半导体导电性能的特点:,热敏性:温度升高导电能力增强；光敏性:光照增强导电能力增强；掺杂后导电能力剧增。,本征半导体:,完全纯净、具有晶体结构的半导体。,本征半导体的导电性能:,(1)在绝对0度和没有外界影响时,共价键中的价电子被束缚很紧,本征半导体中无载流子的存在,具有绝缘体的性能。(2)在常温下（温度升高）使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴-本征激发.,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,自由电子,空穴,束缚电子,2、杂质半导体,本征半导体由于载流子数量极少，因此导电能力很低。掺入有用杂质的半导体叫杂质半导体。N型半导体P型半导体,N型半导体,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,多余电子,磷原子,掺入五价元素,在常温下即可变为自由电子,返回,失去一个电子变为正离子,P型半导体,硼原子,空穴,掺入三价元素,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。,3、PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变.,空间电荷区也称PN结,PN结的形成:,当型半导体和型半导体结合在一起的时侯，由于交界面处存在载流子浓度的差异多子扩散产生空间电荷区和内电场内电场阻碍多子扩散，有利少子漂移.当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即结。,4、PN结的单向导电性,PN结加正向电压（正向偏置，P接正、N接负）时，PN结处于正向导通状态，PN结正向电阻较小，正向电流较大。-抵消内电场的阻碍作用PN结加反向电压（反向偏置，P接负、N接正）时，PN结处于反向截止状态，PN结反向电阻较大，反向电流很小。-少数载流子漂移,二、半导体二极管,二极管的结构和类型二极管的伏安特性二极管的主要参数二极管的应用稳压二极管,1、二极管的结构和类型,将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。从P区引出的电极称为阳极（正极），从N区引出的电极称为阴极（负极）。按结构分二极管有点接触型和面接触型两类。,图(c)是二极管的表示符号。箭头方向表示加正向电压时的正向电流的方向，逆箭头方向表示不导通，体现了二极管的单向导电性能，其文字符号为D,2、二极管的伏安特性,二极管的伏安特性是指二极管两端的电压和流过管子的电流之间的关系。二极管本质上是一个PN结，它具有单向导电性，分正向特性和反向特性两部分。,硅管0.5V锗管0.2V,反向击穿电压U(BR),导通压降,死区电压,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,非线性,反向电流在一定电压范围内保持常数。,硅0.60.8V锗0.20.3V,3、二极管的主要参数,（1）最大整流电流IFM,二极管长期使用时所允许通过的最大正向平均电流。,（2）最高反向工作电压URM,是保证二极管不被击穿而允许施加的最高反向电压，一般是反向击穿电压1/2。,（3）最大反向电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。,4、二极管的应用,二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性实现整流、检波、限幅、箝位、开关、元件保护、温度补偿等。,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若V阳V阴或UD为正，二极管导通（正向偏置）若V阳8V二极管导通，可看作短路uo=8VuiVE,集电结反偏VCVB,通过实验及测量结果，得,IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列数据),晶体管的电流放大作用：IB的微小变化可以引起IC的较大变化(第三列与第四列的电流增量比)。,实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是电流控制电流的放大器件。,电流放大倍数,小结：,在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化晶体管放大的外部条件发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置晶体管是电流控制电流的放大器件,3、特性曲线,三极管的伏安特性反映了三极管电极之间电压和电流的关系。要正确使用三极管必须了解其伏安特性。,后一页,前一页,返回,输入特性输出特性,实验线路,输入回路,输出回路,EB,IC,mA,A,UCE,UBE,RB,IB,EC,共发射极电路,（1）输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：硅UBE0.60.7V锗UBE0.20.3V,（2）输出特性,IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，即IC=IB。,此区域满足IC=IB称为线性区（放大区），具有恒流特性。,UCEUBE,集电结正偏，IBIC，称为饱和区。,此区域中IC受UCE的影响较大,返回,此区域中:IB=0,UBE死区电压，称为截止区。,为可靠截止，常取发射结零偏压或反偏压。,输出特性可划分为三个区，分别代表晶体管的三种工作状态。,1）放大区(线性区，具有恒流特性)放大状态IC=IB，发射结正偏、集电结反偏。,2）截止区（晶体管处于截止状态）开关断开IB=0，IC0，UBE死区电压发射结反偏或零偏、集电结反偏。,3）饱和区(管子处于饱和导通状态)开关闭合IBIC，UCEUBE,发射结正偏，集电结正偏。,4、主要参数,电流放大系数，集-基极反向截止电流ICBO集-射极反向截止电流ICEO集电极最大允许电流ICM集-射极反向击穿电压U(BR)EOC集电极最大允许耗散功率PCM,直流电流放大系数：,电流放大系数和,交流电流放大系数：,放大电路的功能：将微弱的电信号加以放大，在输出端输出一个与输入信号波形相同而幅值增大的信号。放大电路的性能指标：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、非线性失真等。,Au,第二节基本放大电路,1.电路组成,参考点,一、放大电路的组成及工作原理,2.元件作用,放大元件,iC=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使T工作在放大区。,使发射结正偏，并提供适当的基极电流。,基极电源与基极电阻,后一页,前一页,返回,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容,隔直传交,信号源,负载,可以省去,参考点,输入,输出,3.工作原理,静态:无输入信号(ui=0)时,uo=0uC1=UBEuC2=UCE,？,无输入信号时,动态:加有输入信号时,uCE=VCCiCRC,uo=0uC1=UBEuC2=UCE,结论：,1）静态时，三极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。,后一页,前一页,返回,2）动态时，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。,iC,t,+,集电极电流,直流分量,交流分量,静态分析,动态分析,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。,二、放大电路的分析,静态分析（确定静态工作点）：估算法、图解法动态分析（计算放大电路的性能指标）：微变等效电路法、图解法,1、静态分析,（1）估算法求IB、IC、UCE步骤：1）画出直流通路2）根据直流通路估算IB3）估算IC4）根据直流通路估算UCE,C看作开路,直流通路,VT,+,后一页,前一页,1）画出直流通路,直流通路：无信号时直流电流的通路,2）根据直流通路估算IB,RB,RC,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,+UCC,RB,RC,+UCC,4）根据直流通道估算UCE,IC,根据电流放大作用,后一页,前一页,返回,3）估算IC,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：UCC=12V，RC=4K，RB=300K，=37.5。,解：,请注意电路中IB和IC的数量级,IC,RB,+UCC,RE,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。,后一页,前一页,（2）图解法：,直流偏置线与输入特性曲线交点Q的坐标(IB、UBE)即为所求静态工作点。,IB,UBE,由电路特性和晶体管的输入特性确定IB和UBE,后一页,前一页,返回,UCC,UCC/RB,由电路特性和输出特性确定IC和VCC。,直流负载线,后一页,前一页,直流负载线方程,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,返回,2、动态分析,动态：放大电路有交流信号输入（ui0）时的工作状态。动态分析:(性能指标)计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。,对输入的小交流信号而言，三极管相当于电阻。rbe称为晶体管输入电阻。,（1）微变等效电路法,1）输入回路,当信号很小时，将输入特性在小范围内近似线性。,三极管的微变等效电路,UBE,rbe的量级从几百欧到几千欧。,2）输出回路,iC,uCE,所以：,输出端相当于一个受ib控制的电流源。,后一页,前一页,输出端还要并联一个大电阻rce。,rce愈大，恒流特性愈好,rce称为晶体管输出电阻,返回,B,C,E,晶体三极管,微变等效电路,后一页,前一页,rce很大，一般忽略。,返回,用微变等效电路法分析电路：,画出交流通路画出微变等效电路求电压放大倍数求输入电阻求输出电阻,电工电子学B,1)画交流通路:交流信号传输的路径,信号源单独作用的电路.,C短路,直流电源可看作对地短路。,后一页,前一页,+UCC,返回,交流通路,后一页,前一页,返回,2)画出微变等效电路,将交流通路中的三极管用微变等效电路代替,后一页,前一页,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。,+,+,-,返回,3)求电压放大倍数：,负载电阻越小，放大倍数越小。,4)求输入电阻：,放大电路对信号源来说，是一个负载，其大小可以用一个输入电阻(等效电阻)来表示。,定义：,后一页,前一页,返回,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。输入电阻越大，放大电路得到的信号电压Ui也越大，因此一般希望输入电阻大些。,后一页,前一页,返回,5)求输出电阻：,对于负载而言，放大电路相当于一个信号源，而信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。,后一页,前一页,返回,RL,rbe,RB,RC,外加,1）断开负载RL,2）ES=0,内阻保留,3）外加电压,4）求,共发射极放大电路输出电阻,共射极放大电路特点：1.放大倍数高;2.输入电阻低;3.输出电阻高.,+,+,-,-,后一页,前一页,返回,加压求流法步骤:,RS,(2)图解法,步骤:1）根据ui在输入特性曲线上求iB2）画出交流负载线3）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE,iB,ib,t,1）根据ui在输入特性曲线上求iB,RB,RC,RL,ui,uo,交流通路,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,2）画出交流负载线,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,C,C,R,E,uce与ui反相！,iC,uCE,ic,t,3）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE,可输出的最大不失真信号,讨论:静态工作点的选择与非线性失真,Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生截止失真,Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生饱和失真,uo,输出波形,第三节放大电路中静态工作点的稳定,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。,前述的固定偏置放大电路，简单、容易调整，但在温度变化、三极管老化、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。,1.温度变化对静态工作点的影响,在固定偏置放大电路中(不掌握),当UCC和RB一定时，IC与UBE、以及ICEO有关，这三个参数随温度而变化。,后一页,前一页,返回,温度升高时，输出特性曲线上移,结论：当温度升高时，IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。,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。,后一页,前一页,返回,2.分压式偏置电路,稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化。,后一页,前一页,跳转,返回,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,后一页,前一页,返回,Q点稳定的过程,VB固定,RE:温度补偿电阻对直流：RE越大稳Q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。,后一页,前一页,返回,3.分压式偏置电路的分析,静态分析,动态分析,I1,I2,IB,VB,+,+,+,RB1,RC,C1,C2,RB2,CE,RE,RL,+UCC,旁路电容,返回,去掉CE后的微变等效电路,+UCC,返回,Au减小,(1)电压放大倍数,后一页,前一页,返回,(2)输入电阻ri和输出电阻r0,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,ri提高,ro不变,分压式偏置电路,返回,例1:,.,在图示放大电路中，已知UCC=12V,RC=6k,RE1=300，RE2=2.7K，RB1=60k，RB2=20kRL=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、r0及u。,返回,后一页,前一页,【解】,直流通路如图所示。,返回,后一页,前一页,微变等效电路如图,第四节共集电极放大电路,后一页,前一页,RB,+UCC,RC,C1,C2,RE,RL,ui,uo,+,+,+,+,返回,又称为射极输出器,一、静态分析,后一页,前一页,二、动态分析,1.电压放大倍数,电压放大倍数且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,后一页,前一页,返回,2.输入电阻,后一页,前一页,返回,3.输出电阻,断开负载电阻，用加压求流法求输出电阻。,置0,后一页,前一页,返回,一般,所以,后一页,前一页,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,返回,共集电极放大电路的特点：,1.电压放大倍数小于1，约等于12.输入电阻高3.输出电阻低4.输出与输入同相,后一页,前一页,返回,讨论,1.将射极输出器放在放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。,