《汽车电气系统检修》课程——第6章晶体管放大电路分析(1)

1、第第6 6章章 晶体管放大电路晶体管放大电路分析力分析力电气工程系电气工程系 6 6.1.1变晶体管的特性与识别变晶体管的特性与识别6 6.1.1.1.1晶体管的基本结构及类型晶体管的基本结构及类型6 6.1.1.2 2晶体管的放大原理晶体管的放大原理6 6.1.1.3 3晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线6 6.1.1.4 4晶体管的主要参数晶体管的主要参数6 6. .2 2 放大电路分析放大电路分析6 6.2.1.2.1共发射极放大电路共发射极放大电路6 6.2.2.2.2基本共集放大电路基本共集放大电路6 6. .3 3 集成运算放大电路集成运算放大电路6 6. .3 3.1.1差动放大电

2、路差动放大电路6 6. .3 3.2.2互补对称电路互补对称电路6 6. .3 3.3.3集成运放基本简介集成运放基本简介6 6. .3 3. .4 4集成运放在模拟信号运算方面的应用集成运放在模拟信号运算方面的应用6.16.1晶体管的特性与识别晶体管的特性与识别6.1.1晶体管基本结构及类型晶体管基本结构及类型基区基区集电区集电区发射区发射区基极基极集电极集电极发射极发射极集电结集电结发射结发射结NPN型结构及符号型结构及符号VTNPN型结构型结构PNP型结构和符号型结构和符号特点特点：发射区参杂浓度很大，：发射区参杂浓度很大， 基区薄且浓基区薄且浓度低，集电结面积大。度低，集电结面积大。

3、VTPNP型结构型结构6.16.1晶体管的特性与识别晶体管的特性与识别6.1.2 晶体管放大原理晶体管放大原理放大条件放大条件（）内部特点决定（）内部特点决定发射区产生大量载流子发射区产生大量载流子 基区传送载流子基区传送载流子 集电区收集载流子集电区收集载流子（）外部条件（）外部条件发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏IEICIBRBRCEBECNNP发射区电子发射区电子发射结正偏发射结正偏 利于发射区利于发射区发射电子发射电子基区基区集电结反偏集电结反偏利于集电区利于集电区收集电子收集电子 集电区集电区2. 电流分配电流分配IBRBEBICRCECIIICBE IE基极电流很小的变

4、化基极电流很小的变化，将引起集电极电流，将引起集电极电流一个很大的变化。一个很大的变化。IIBC IIBC 直流放大系数直流放大系数交流放大系数交流放大系数6.16.1晶体管的特性与识别晶体管的特性与识别6.1.3 晶体管特性曲线晶体管特性曲线 1. 输入特性曲线输入特性曲线IBf (UBE) UCE =常数常数 发射结、集电结正发射结、集电结正偏，两个二极管正向并联。偏，两个二极管正向并联。0UCE 集电结反偏，集电结反偏，IB 减小减小 UCE 1 IB 变化很小，与变化很小，与 UCE = 1 曲线重合。曲线重合。1UCE IB (A)UBE (V)UCE=0UCE12输出特性曲线输出特

5、性曲线常常数数 ICECB)U(If饱和区饱和区截止区截止区放大区放大区 截止区截止区IB0 ，IC0 ，UBE0 发射结反偏，集电结发射结反偏，集电结反偏。反偏。 放大区放大区 ICIB 发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。 饱和区饱和区 UCEUBE ，发射结正偏、集电结正偏。发射结正偏、集电结正偏。 IC (mA)UCE (V)IB0IB20IB40IB60IB806.16.1晶体管的特性与识别晶体管的特性与识别6.1.4 晶体管主要参数晶体管主要参数2极间反向电流极间反向电流 ICBO：发射极开路，基极与集电极间的：发射极开路，基极与集电极间的反向饱和电流，受温度影响大。反向

6、饱和电流，受温度影响大。 ICEO：基极开路，集电极与发射极间的：基极开路，集电极与发射极间的穿透电流。穿透电流。IIBC I)(ICBOOEC 11 放大倍数放大倍数 集电极最大电流集电极最大电流I ICMCM IC ICM 集电极集电极发射极反向击穿电压发射极反向击穿电压UCEO 基极开路，加在集电极和发射极间的最大基极开路，加在集电极和发射极间的最大允许工作电压。允许工作电压。 UCE UCEO 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗P PCMCM ICUCE PCM3极限参数极限参数6.26.2放大电路分析放大电路分析6.2.1 共发射极放大电路共发射极放大电路一一 放大的概念放大的概念

7、放大的实质放大的实质:对放大电路的基本要求对放大电路的基本要求 ：二二 电路组成电路组成晶体管晶体管T基极电源基极电源EB与基极电与基极电阻阻RBECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE集电极电源集电极电源EC集电极电阻集电极电阻RC-耦合电容耦合电容C1 、C2 +UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEZKZNNZ22211、基本思想、基本思想 非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，利用叠加定理，分别

8、分析电路中的交、直流成分。利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。分析三极管电路的基本思想和方法分析三极管电路的基本思想和方法直流通路直流通路( (ui = 0) )分析分析静态。静态。 画交流通路原则：画交流通路原则：1. 固定不变的电压源都视为短路；固定不变的电压源都视为短路；2. 固定不变的电流源都视为开路；固定不变的电流源都视为开路；3. 视电容对交流信号短路视电容对交流信号短路0j/1 C 交流通路交流通路( (ui 0) )分析分析动态，动态，只考虑变化的电压和电流。只考虑变化的电压和电流。2、基本方法、基本方法图解法：图解法：在输入、输出特性图上画交、直流负载线，在输入、输出

9、特性图上画交、直流负载线，求静态工作点求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。，分析动态波形及失真等。解析法：解析法：根据发射结导通压降估算根据发射结导通压降估算“Q”。用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。三三 静态分析静态分析 符号说明符号说明iB=IB+ib iC=IC+ic直流分量直流分量：IB、 IC、 IE 、UCE交流分量交流分量： ib、 ic、 ie 、uce总电流量总电流量： iB、 iC、 iE 、uCEiE=IE+ie uCE=UCE+ucetuoUbeUBEubeuBE直流通道直流通道 在在ui=0时所形成的直时所形成的直流

10、通路称为直流通道。流通路称为直流通道。 直流通道里只有直流直流通道里只有直流量，此时称放大电路为量，此时称放大电路为静态。静态。画法画法：视电容为开路，：视电容为开路，画出电路其余部分。画出电路其余部分。 +UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiE+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE1.估算法估算法静态工作点静态工作点Q Q静态分析的目的：静态分析的目的：确定放大电路的确定放大电路的静态工作点静态工作点(直流值直流值) I IBQBQ， I IC

11、QCQ ，U UCEQCEQ分析方法：分析方法：利用利用直流通路直流通路计算放大电路的静态工作点。计算放大电路的静态工作点。直流通路直流通路BCCBBECCBRURUUIBCIICCCCCEIRUU+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE直流通路直流通路2.图解法图解法输入直流偏置线方程：输入直流偏置线方程：U UBEBE = U = UCCCC I IB BR RB B输出直流负载线方程：输出直流负载线方程：uCE/ViC/mAUCCUCC/RCOQUCEQICQIB = 20 A输出回路图解输出回路图解输入回路图解输入回路图解QuBE/ViB/ A静态工作点静态工作点UCCUCC/RB

12、UBEQIBQOU UCECE = U = UCCCC R RC CI IC C+UCCRBRCT+UBEUCEICIBIE 四四 动态分析动态分析交流通道交流通道只考虑交流信号形成的电路通道称为只考虑交流信号形成的电路通道称为交流通道交流通道。此时视直流量短路，电路为此时视直流量短路，电路为动态动态。 画法画法：视直流源、电容均短路。：视直流源、电容均短路。 RSRBRCuSuO +UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiE在静态的基础上加入输入信在静态的基础上加入输入信号时的工作状态称为号时的工作状态称为。IBQuiOt iB OtuCEOtuoOt iC OtICQ

13、uBE Ot 1、微变等效电路法、微变等效电路法确定放大电路的电压放大倍数确定放大电路的电压放大倍数 ，输入电阻和输入电阻。输入电阻和输入电阻。微变（小信号）等效电路分析法。微变（小信号）等效电路分析法。+uce+ube ibicCBE从输入端口看进去，相当于电阻从输入端口看进去，相当于电阻 rbe几百几百-几千欧姆几千欧姆OIB UBE IB QIBUBE输入输入电阻电阻)()(26) 1()(300mVImViuIUrEbbeBBEbe从输出端口看进去为一从输出端口看进去为一个个受受 ib 控制的电流源控制的电流源+uce+ube ibicCBEQiC ICUCEuCE IBICIC ic

14、 = ib rbe Eibic ib+ube +uce BCICUCE阻值很高，约几十千欧阻值很高，约几十千欧几百千欧几百千欧，。rce输出输出电阻电阻cceICCEceiuIUrB|CECEUbceUBCiiII| 微变等效电路是对微变等效电路是对而言，先画放大电而言，先画放大电路的路的，将将交流通路中的晶体管用其交流通路中的晶体管用其微变等微变等效电路来代替，即得到放大电路效电路来代替，即得到放大电路的的晶体三极管交流分析晶体三极管交流分析步骤步骤： 分析直流电路，求出分析直流电路，求出“Q”，计算，计算 rbe。 画电路的交流通路画电路的交流通路 。 在交流通路上把三极管画成在交流通路上

15、把三极管画成 H 参数模型。参数模型。 分析计算叠加在分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。点上的各极交流量。根据画交流通路原则：根据画交流通路原则：ECRBRC+ui + RSus+uo C2RL+C1+ui + RSusRBRC+uo RL交流通路交流通路+uo + ibicRBRCRLuSRS+ui +uo + RBRLRSrbe Eibic ibBCusRC+ui 放大电路的动态参数计算放大电路的动态参数计算（1） 电压放大倍数的计算电压放大倍数的计算+uo + RBRLRSrbe Eibic ibBCusRC+ui 当输入的是正弦信号当输入的是正弦信号时，各电压和电流都可时，各电压和

16、电流都可用相量表示。用相量表示。电压放大倍数电压放大倍数开路时开路时iuUUA0beCbbebCiurRIrIRUUA0有负载时有负载时beLurRALRLCLCLCRRRRRR/ =（2） 输入电阻的计算输入电阻的计算Ri（3） 输出电阻的计算输出电阻的计算ro RCRo RC一般为几千欧，因此，这种基本放大电路一般为几千欧，因此，这种基本放大电路的输出电阻较高。的输出电阻较高。晶体管的输入电阻晶体管的输入电阻rbe比比较小，所以基本放大电较小，所以基本放大电路的输入电阻不高。路的输入电阻不高。+uo + RBRLRSrbe Eibic ibBCusRC+ui bebeBirrRr/图解步骤

17、：图解步骤：（1）根据静态分析方法，求出静态工作点）根据静态分析方法，求出静态工作点Q。（2）根据）根据ui在输入特性上求在输入特性上求uBE和和iB。（3）作交流负载线。）作交流负载线。（4）由输出特性曲线和交流负载线求）由输出特性曲线和交流负载线求iC和和uCE。 0 (a) 输入回路 (b) 输出回路 uCE iC Q ICQ UCC uBE iB 0 uBE t iB t 0 iC t 0 t Q Q Q Q Q IBQ UBEQ uCE UCEQ 直流负载线 交流负载线 0 0 2、图解法、图解法 放大电路非线性失真放大电路非线性失真五五 静态工作点的稳定静态工作点的稳定固定偏置放大

18、电路固定偏置放大电路 分压偏置放大电路分压偏置放大电路 直流通路直流通路6.26.2放大电路分析放大电路分析6.2.2 基本基本共集放大电路共集放大电路一一 共共集电极放大集电极放大电路的电路的分析分析RBRE+uOUCCRSuSuiRL1、静态分析、静态分析RIUIRUEEBEBBCC I)1(IBE R)1(RUUIEBBECCB IIBC RIUUEECCCE 2、动态分析、动态分析RBRE RLİbİcrbe ibRSUS İeUoUi 放大倍数放大倍数Au)1 ()1 (0LbeLiuRrRUUAELLRRR/输入电阻输入电阻ri)1 (/LbeBiiiRrRIUr输出电阻输出电阻r

19、01/0beBErRRr6.36.3集成运算放大电路集成运算放大电路6.3.1 差动放大电路差动放大电路一一 多级放大电路耦合多级放大电路耦合2、耦合方式、耦合方式：阻容耦合阻容耦合交流交流 直接耦合直接耦合直流直流 变压器耦合变压器耦合交流交流1、多级电压放大电路组成、多级电压放大电路组成输入输入一一 级级中间级中间级末末 级级输出输出 阻容耦合阻容耦合 变压器耦合变压器耦合 直接耦合直接耦合多级放大电路多级放大电路二二 差动放大电路的引入差动放大电路的引入零点漂移现象零点漂移现象：当输入信号为：当输入信号为0时，其输出电压保持不变时，其输出电压保持不变（不一定是（不一定是0），即输出端电压

20、偏离原来值上下波动。），即输出端电压偏离原来值上下波动。产生的原因产生的原因：温度、电源电压波动、元件参数变化等。：温度、电源电压波动、元件参数变化等。当温度变化而引起的半导体器件参数的变化是产生零点当温度变化而引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因。漂移的主要原因。抑制方法抑制方法：零点漂移就是：零点漂移就是 点的漂移，目前抑制零漂比较点的漂移，目前抑制零漂比较有效的实用方法是采用有效的实用方法是采用差动放大电路差动放大电路，三三 差动放大电路差动放大电路差分放大电路原理差分放大电路原理021iiuu21CCII21CCVV0210CCVVu21CCII21CCVV0)(2211

21、0CCCCVVVVu21 CCII差分放大电路差分放大电路共模输入共模输入：两个输入信号电压大小相等，极性相同：两个输入信号电压大小相等，极性相同放大倍数为放大倍数为0差模输入差模输入：两个输入信号电压大小相等，极性相反：两个输入信号电压大小相等，极性相反差模输入下，差分放大电路两管集电极之间的输出电压为两管各差模输入下，差分放大电路两管集电极之间的输出电压为两管各自输出电压变化量的自输出电压变化量的两倍两倍。21CCVV21iiuu21iiuu210CCvvu比较输入比较输入：大小和相对极性是任意的（差分放大大小和相对极性是任意的（差分放大)输出电压只与偏差值有关，而不需要反应两个信号本身大

22、小输出电压只与偏差值有关，而不需要反应两个信号本身大小。)(210iiuuuAu零点漂移的抑制反应了对共模信号的抑制能力。零点漂移的抑制反应了对共模信号的抑制能力。共模抑制电阻共模抑制电阻RE对称作用对称作用 RE对差模信号不起作用，差分放大就是要放大差模对差模信号不起作用，差分放大就是要放大差模信号抑制共模信号。信号抑制共模信号。共模抑制比共模抑制比：差模信号放大倍数与共模信号放大倍数比值差模信号放大倍数与共模信号放大倍数比值cdCMRRAAK6.36.3集成运算放大电路集成运算放大电路6.3.2 互补对称电路互补对称电路集成运放的输出级通常采用集成运放的输出级通常采用互补对称电路互补对称电

23、路；互补对称电路结构对称，采用正、负对称电源，静互补对称电路结构对称，采用正、负对称电源，静态时无直流电压输出，故负载可直接接到发射极，态时无直流电压输出，故负载可直接接到发射极，实现了直接耦合，在集成电路中得到了广泛的应任实现了直接耦合，在集成电路中得到了广泛的应任意两个同频率正弦量的和或差可用平行四边形法则意两个同频率正弦量的和或差可用平行四边形法则求。求。 互补对称电路互补对称电路6.36.3集成运算放大电路集成运算放大电路6.3.3 集成电路简介集成电路简介把整个电路的各个元件以及相互之把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个间的联接同时制造在一块半导

24、体芯片上，组成一个不可分的不可分的整体。整体。体积小、外部接线少、功耗低体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。、可靠性高、灵活性高、价格低。 按其功能的不同，集成电路可按其功能的不同，集成电路可分为分为模拟集成电路模拟集成电路和和数字集成电路数字集成电路两种。两种。一一 集成电路简介集成电路简介二二 集成运放电路简介集成运放电路简介偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级集成运算放大电路基本组成集成运算放大电路基本组成输入级：输入级： 差动放大电路，减少零点漂移、提高输入阻抗、高抗差动放大电路，减少零点漂移、提高输入阻抗、高抗干扰能力。干扰能力。输出级：输出级：

25、射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力，射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力，输出电阻要小，电压稳定。输出电阻要小，电压稳定。偏置电路：偏置电路： 为各级提供稳定、合适的静态工作点。为各级提供稳定、合适的静态工作点。中间级：中间级： 电压放大级，高电压放大倍数，发射极放大电路或多电压放大级，高电压放大倍数，发射极放大电路或多级电压放大电路。级电压放大电路。三三 集成运放图形符号及信号输集成运放图形符号及信号输入方式入方式 集成运放符号集成运放符号 反相输入反相输入同相输入同相输入输出端输出端三种基本输入方式三种基本输入方式反相输入方式反相输入方式同相输入方式同相输入方式差分输入方

26、式差分输入方式四四 主要参数主要参数2. . 输入失调电压输入失调电压 U IO使使UO= 0，输入端施加的补偿电压，输入端施加的补偿电压几毫伏几毫伏3. . 输入失调电流输入失调电流 IIOUO = 0 时，输入级两输入端时，输入级两输入端的静态电流之差。的静态电流之差。1 nA 0.1 A1. . 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 A0104 1074. .差模输入电阻差模输入电阻 r i输出电阻输出电阻 ro几百千欧几百千欧 几兆欧几兆欧几十欧几十欧 几百欧几百欧)dB(lg20cdCMRuuAAK 5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR70130 dB6. . 最大差模输入电压

27、最大差模输入电压 Uidmax共模输入共模输入U ic 过大，过大，K CMR下降。下降。当当 Uid过大时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击结可能因反压过大而被击穿。穿。LM741 为为 36 V7. .最大共模输入电压最大共模输入电压 UicmaxLM741 为为 16 V两输入端间允许加的最大差模输入电压。两输入端间允许加的最大差模输入电压。五五 集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性：集成运放的输出电压：集成运放的输出电压uO与输入电压与输入电压ui (u+u)之间的关系之间的关系uOf (ui) 称为集称为集成运放的

28、电压传输特性。成运放的电压传输特性。uOui+UOMUOM线性区线性区1）在线性区工作时在线性区工作时，输出电，输出电压压 与两输入端之间的电压与两输入端之间的电压 呈呈线性关系，即：线性关系，即：2）在饱和工作区在饱和工作区时这时时这时+UOM 和和 -UOM分别为输出正饱和电分别为输出正饱和电压和负饱和电压，其绝对值分压和负饱和电压，其绝对值分别略低于正、负电源电压。别略低于正、负电源电压。)(000uuAuAui饱和区饱和区 uoud反馈电路反馈电路开环系统：开环系统：不加反馈网络时的不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。开环放大倍数。闭环系统

29、：闭环系统：加上反馈网络时的电加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。放大倍数。 uoud六六 集成运放的理想特性集成运放的理想特性1、理想化条件、理想化条件开环电压放大倍数开环电压放大倍数差模输入电阻差模输入电阻开环输出电阻开环输出电阻共模抑制比共模抑制比 A0rir0KCMR2、理想运放的电压传输特性、理想运放的电压传输特性ui 0， |uO|UOM即即u+ u时，运放处于非时，运放处于非线性区。线性区。uOui+UOMUOM3、集成运放线性工作区的特点：、集成运放线性工作区的特点：+ u+uuo虚短虚短：集成运放两个输入：集成运放两个输入端之间

30、的电压通常非常接端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故近于零，但不是短路，故简称为简称为“虚短虚短”。 uOAO（uu） AOuuuoAO0uu 当当u0 （接地）（接地） u u 0 称此时的反相输入端为称此时的反相输入端为“虚地点虚地点”。反之，。反之，也成立。也成立。 uOui+UOMUOM+ u+uuo虚断虚断：流入集成运放：流入集成运放两个输入端的电流通两个输入端的电流通常为零，但又不是断常为零，但又不是断路故简称为路故简称为“虚断虚断”。 riII+ 04、集成运放非线性工作区的特点：、集成运放非线性工作区的特点：+ u+uuou+ u-时，时，u0=-UOM uOui+UO

31、MUOMu+ u-时，时，u0=UOM 虚断虚断的条件原则上的条件原则上仍成立仍成立，即，即 ii 0虚短虚短的条件原则的条件原则不成立不成立，即，即u+ u- 6.36.3集成运算放大电路集成运算放大电路6.3.4 集成运放在模拟信号运集成运放在模拟信号运算方面的应用算方面的应用一一 比例运算电路比例运算电路1、反相比例运算电路、反相比例运算电路 uouiifi1R1R2Rf i1=u iR1 if = uuo=uoRf i i +0 i 1 i f即即 ui/ /R1=uo/ / Rf 1iouRRAffuu uo、ui 符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。向相反。 电路中引入深度负反馈，电路中引入深度负反馈， 闭环放大倍数闭环放大倍数Auf 与运放的与运放的Au无关，仅与无关，仅与R1、Rf 有关。有关。 R2是平衡电阻是平衡电阻 同相端与地的等效电阻同相端与地的等效电阻 。其作用是保持输入级电路。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡