电工电子学第二版第七章

1、电工电子学,第七章 半导体三极管及交流放大电路,本章内容,1. 共射级放大电路的静态分析,3. 微变等效电路分析法,重点,2. 共射级放大电路的动态分析,4. 放大器中的负反馈,射极偏置电路,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,T,IC,IE,VE、VB不变,VBE,IB,反馈控制,1. 基极分压式射极偏置电路,a) 原理电路 (b) 直流通路,7-1 半导体三极管,基极,发射极,集电极,NPN型,符号,NPN型三极管,PNP型三极管,7-1 半导体三极管,7-1-1 基本结构,箭头表示发射区电流的实际方向,基区,

2、发射区,集电区,基区,发射区,集电区,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点（三极管放大特性的内部条件,集电区： 面积最大,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,测量三极管放大特性的实验线路,7-1-2 电流放大作用,1. 各电极电流关系及电流放大作用,结论,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为三极管的电流放大作用,1、三极管三个电极的电流是什么关系,上节复习,2、三极管的发射极与集电极是否可以调 换使用？为什么,2.三极管内部

3、载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略,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,进入基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,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,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO,RC,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流, 温度ICEO,常用公式,若IB =0, 则 IC ICE0,IE = IB+ IC,4. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、

4、集电结反偏,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,三极管是一种电流控制元件，所谓电流放大作用，就是用基极电流微小的变化去控制集电极电流较大的变化,PNP 发射结正偏 VEVB 集电结反偏 VBVC,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了三极管的性能，是分析放大电路的依据,为什么要研究特性曲线： 1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,7-1-3 三极管的伏安特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,1. 输入

5、特性,死区： 硅管0.5V，锗管0.1V,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,IB(A,UBE(V,20,40,60,80,0.4,0.8,UCE1V,O,UCE=0V,2. 输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区,1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性,条件：发射结正向偏置 集电结反向偏置,2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 ， UCE UCC,条件：发射结反向偏置、集电结反向偏置,饱和区,截止区,3）饱和区,UCE UBE时，饱和状态。 UCE 0 ,

6、 IC UCC / RC 。 条件：发射结正向偏置 集电结正向偏置 UCES ：饱和压降，硅管0.3V，锗管0.1V,放大区,饱和区,截止区,放大区,三极管输入输出特性曲线,7-1-4 三极管的主要参数,1、电流放大系数（ ）反映三极管放大能力,直流电流放大系数是在静态（无输入信号）时,交流电流放大系数是当三极管在动态（有交流信号输入）时,一般估算时，认为 ，采用,7-1-4 三极管的主要参数,2、集电极-基极反向截止电流,3、集电极-发射极反向穿透电流,ICEO和ICBO都是衡量三极管质量的重要参数，它们都随温度增加而增加。因此选管时，这两种电流尽量小些，减小温度对管子性能的影响,7-1-4

7、 三极管的主要参数,4、集电极最大允许电流,5、集电极-发射极反向击穿电压U（BR）CEO,6、集电极最大允许功率损耗PCM,放大的概念,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号,输出电压或电流在幅度上得到放大，输出信号能量得到加强,放大电路本质 ： 1. 输出信号的能量实际上是直流电源来提供的。 2. 小能量信号通过三极管的电流控制作用，将直流电源的能量转化为交流能量输出给负载,7-2 基本交流放大电路,对放大电路的基本要求 ： 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标,主要讨论放大电路的电路结构、工作原

8、理、分析方法,放大电路中必须包括放大器件，且工作在放大区,三极管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使三极管工作在放大区,基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流,共发射极基本放大电路,7-2-1 放大电路的组成,信号源,负载,集电极电源EC -为电路提供能量。并保证集电结反偏,集电极电阻RC-将变化的电流转变为变化的电压,耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出,信号源,负载,共发射极基本电路,UBE,无输入信号(ui = 0)时（静态,有输入信号(ui 0)动态时,三极管放大电路工作原理,工

9、程上常用的画法,共发射极基本电路,7-2-1 放大电路的组成,信号不失真（合适静态工作点,7-2-2 放大电路的分析方法,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,用直流通路,用交流通路,直流通路,仅UCC作用,电容开路,信号源短路，内阻RS保留,由于电源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,静态工作点Q,7-2-2 基本放大电路的静态分析,放大电路静态值：IBQ、UBEQ ICQ、UCEQ,7-2-3 静态工作点确定,一、估算法,1）根据直流通路估算IB,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流，UBE看成0.7V的常数,2）根据直流通路估算

10、UCE、IC,IC,UCE,UCC,例1：用估算法计算静态工作点,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k， =37.5,解,注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点,由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同,由KVL可得,由KVL可得,IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应在输入输出特性曲线上确定静态工作点,二、图解法,IC,UCE,UCEIC满足什么关系,1. 三极管的输出特性曲线,2. UCE=UCCICRC,直流负载线斜率,直流负载线,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,O,用作图的方法确定静态值,步

11、骤： 1. 用估算法确定IB,优点： 能直观地分析和了解静 态值的变化对放大电路 的影响,2. 由输出特性确定IC 和UCE,直流负载线方程,用作图法确定静态值,非线性失真,如果Q设置不合适，三极管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真,若Q设置过高,三极管进入饱和区工作，造成饱和失真,适当减小基极电流可消除失真,非线性失真,若Q设置过低,三极管进入截止区工作，造成截止失真,适当增加基极电流可消除失真,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真,7-3-3 放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态,分析方法： 微变等效电路法，图解法。 所用电

12、路： 放大电路的交流通路,动态分析: 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等,分析对象： 各极电压和电流的交流分量,目的： 找出Au、 ri、 ro与电路参数的关系，为设计 打基础,对交流信号(输入信号ui,RL,uo,ui,UCC不作用,电容短路,信号源单独作用,二、 微变等效电路法,微变等效电路： 把非线性元件三极管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的三极管线性化，等效为一个线性元件,线性化的条件： 三极管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替,微变等效电路法： 利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数A

13、u、输入电阻ri、输出电阻ro等,一、图解法,虚线右边 线性方程UCE= ICRL,RL =RcRL,交流负载线特点,斜率为- ，比直流负载线陡峭 空载时（RL开路），交流负载线与直流负载线重合,三极管的工作状态沿交流负载线移动,负载线经过Q点,虚线左边 三极管输出特性曲线,在 三极管输出特性曲线画出交流负载线,交流负载线的作法,IB,交流负载线,1、先做直流负载线确定Q点,3、将直线平移到Q点,2、做斜率为 辅助线,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数,交流波形的画法,40uA,60uA,20uA,动态分析图解法（输出端开路和有负载情况比较,有负载时电压放大倍数将减小

14、,三极管的微变等效电路可从三极管特性曲线求出,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化,1. 三极管的微变等效电路,UBE,对于小功率三极管,rbe一般为几百欧到几千欧,二、微变等效电路法,1) 输入回路,Q,输入特性,三极管的 输入电阻,三极管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系,2) 输出回路,rce愈大，恒流特性愈好 因rce阻值很高，一般忽略不计,三极管的输出电阻,输出特性,输出特性在线性工作区是 一组近似等距的平行直线,三极管的电流放大系数,三极管的输出回路(C、E之 间)可用一受控电流源 ic= ib 等效代替，

15、即由来确定ic和 ib之间的关系,一般在20200之间，在手册中常用hfe表示,O,ib,三极管,微变等效电路,1. 三极管的微变等效电路,三极管的B、E之间可用rbe等效代替,三极管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的三极管用三极管微变等 效电路代替即可得放 大电路的微变等效电 路,交流通路,微变等效电路,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,微变等效电路,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的三极管用微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路,3.电压放大倍数的计算,当放大电路输出端开路(未接RL)

16、时,因rbe与IE有关，故电压放大倍数与静态 IE有关,负载电阻愈小，放大倍数愈小,式中的负号表示输出电压的相位与输入相反,3.电压放大倍数的计算,例2,由例1、例2可知，当电路不同时，计算电压放大倍数 Au 的公式也不同。要根据微变等效电路找出 ui与ib的关系、 uo与ic 的关系,4.放大电路输入电阻的计算,放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻,定义,输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。一般总是希望得到较大的输入电阻,例1,5. 放大电路输出

17、电阻的计算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻,定义,输出电阻是动态电阻，与负载无关,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻,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,例3,求ro的步骤： 1) 断开负载RL,3) 外加电压,4) 求,外加,2) 令 或,7-5射级输出器（共集放大电路,一. 静态工作点的计算,UCC=IBRB+ UBE +IERE =IBRB+ UBE +(1+ ）IBRE =IB RB+ (1+ ）RE + UBE,直流通路,IC= IB 或 IC IE,7-5射级输出器（共集放大电路,二. 动态分析,交流通路,微变等效电路,动态分析,1、电压放大倍数,一般情况下,又称为射级跟随器,2、输入电阻,3、输出电阻,用加压求