《晶体管放大器》课件

晶体管放大器电子工程核心组件，实现信号放大。基于半导体物理原理，广泛应用于各类电子设备。目录基础知识晶体管概述，工作原理及类型电路分析基本放大电路，参数与性能分析实践应用应用实例，实验测试，总结与思考晶体管发展简史11947年贝尔实验室肖克利、巴丁、布拉顿发明第一个晶体管21950年代开始商业化生产，逐步取代电子管31960年代硅晶体管技术成熟，成本下降，性能提升晶体管在现代电子中的地位电子设备核心从智能手机到航天器，几乎所有电子设备都依赖晶体管技术集成电路基础现代芯片内含数十亿个晶体管，支撑信息时代发展信号处理关键实现微弱信号放大，是信息捕获与传输的基础晶体管基本分类双极型晶体管(BJT)电流控制型，依靠少数载流子注入NPN型PNP型场效应管(FET)电压控制型，依靠电场效应结型(JFET)绝缘栅型(MOSFET)双极型晶体管结构介绍发射区(E)高掺杂，提供载流子基区(B)极薄，控制电流集电区(C)中等掺杂，收集载流子晶体管的三端定义发射极(E)主要电流提供端基极(B)控制端，电流很小集电极(C)输出端，接负载晶体管晶片制造工艺简述硅片准备单晶硅切片，抛光清洗掺杂区形成扩散或离子注入工艺切割分离晶粒切分封装测试引线连接，塑封或金属壳晶体管符号与电路标识元件电路符号特征NPN型箭头向外最常用PNP型箭头向内极性相反JFET垂直结构高输入阻抗MOSFET带绝缘层功耗低晶体管的主要参数β值电流放大倍数，通常为50-300BVCEO集电极-发射极击穿电压Ptot最大功耗，热设计关键ft转折频率，高频性能指标晶体管简单物理模型电子空穴运动载流子运动是信号放大基础两个PN结BE结正偏，BC结反偏耗尽区形成反偏结形成势垒PN结的电流传输机制基极电流与集电极电流关系β放大倍数电流放大β=Ic/Ib0.7VBE结压降硅管BE结导通电压50-300典型β范围随工艺和型号变化晶体管的输入、输出特性曲线Vce(V)Ib=10μAIb=20μAIb=30μABJT的三种工作状态截止状态BE结反偏，基本无电流，相当于开关断开放大状态BE结正偏、BC结反偏，Ic=βIb，线性区饱和状态BE结和BC结都正偏，相当于开关闭合截止与饱和状态下的典型电流分布截止状态Ib≈0Ic≈0仅有微小漏电流Vce≈Vcc饱和状态Ib较大Ic接近最大Ic不再随Ib变化Vce≈0.2V静态工作点的选择与稳定Q点意义确定放大器静态工作状态温度影响升温导致β增大，Q点上移负载线连接饱和点与截止点的直线直流偏置电路的基本作用确立Q点建立合适的静态工作点提供温度稳定减少参数漂移影响适应电源变化维持稳定工作状态阻容耦合放大电路原理图偏置网络建立Q点，提供直流通路耦合电容传输交流信号，阻断直流旁路电容发射极电阻旁路，提高增益负载电阻输出信号形成处共射极放大电路分析高增益电压增益通常达10-200倍信号反相输出信号相位反转180°中等阻抗输入阻抗1-10kΩ，输出约10kΩ共基极放大电路特性无电流增益电流增益α<1，约为0.98低输入阻抗输入阻抗仅几十欧姆高输出阻抗输出阻抗高达数十千欧良好高频特性Miller效应小，适合高频应用共集电极放大电路（射极跟随器）电压增益接近1输出电压跟随输入变化高输入阻抗典型值可达数百千欧低输出阻抗通常几十欧姆各种电路的优缺点对比电路类型电压增益输入阻抗输出阻抗相位共射极高中中反相共基极中高低高同相共集电极约1高低同相放大电路的交流等效模型混合π模型最常用小信号模型输入端：rπ输出端：ro控制源：gmVπT模型另一种常用模型基于三个电阻无需跨导参数直观理解物理结构交流小信号参数推导放大倍数的测算方法1确定gm值gm=IC/VT，VT约26mV2计算rπ值rπ=β/gm3分析负载影响计入所有并联电阻4计算电压增益Av=-gm·(rc||RL)输入电阻与输出电阻计算输入电阻(kΩ)输出电阻(kΩ)放大带宽的影响因素晶体管特性ft值限制高频响应耦合电容影响低频截止点分布电容决定高频截止点负反馈可扩展带宽频率响应的截止频率低频截止点耦合电容形成高通滤波中频区域增益平坦，相位稳定高频截止点分布电容形成低通滤波放大电路中的相移低频相移耦合电容引起，接近90°1中频相移共射极：180°共基极/共集电极：0°2高频相移分布电容引起，接近90°3总相移各阶段相移叠加4多级放大电路结构第一级低噪声，匹配信号源中间级提供主要增益输出级功率放大，匹配负载直接耦合与阻容耦合比较阻容耦合优点：简单、成本低缺点：低频响应差应用：一般音频放大直接耦合优点：良好低频响应缺点：直流漂移问题应用：直流放大器变压器耦合优点：阻抗匹配好缺点：体积大、频带窄应用：功率放大器放大电路中的负反馈应用稳定增益减少器件参数变化影响扩展带宽提高高频截止点降低失真减少非线性导致的谐波改善阻抗提高输入阻抗，降低输出阻抗直流偏置的五种常见方式固定偏置结构简单，温度稳定性差分压偏置最常用，温度稳定性好集电极反馈偏置负反馈提高稳定性发射极偏置良好温度稳定性温度漂移与补偿技术热问题源头β值随温度变化，每10℃约增加6%稳定电路设计大发射极电阻提供负反馈热敏元件补偿NTC热敏电阻补偿温度变化配对元件应用差分对结构消除共模变化晶体管的失真分析失真类型截止失真饱和失真非线性失真失真原因β值非线性工作点不当信号幅度过大改善措施合理选择Q点适当负反馈控制信号幅度大信号与小信号模型对比小信号模型适用于线性放大信号振幅小于热电压参数可线性化常用：混合π模型大信号模型适用于开关电路考虑非线性特性包含饱和和截止效应常用：Ebers-Moll模型实用放大器参数说明最关键指标增益稳定性和带宽信号质量指标S/N比、THD、IMD能量相关指标效率、功耗、最大功率4环境敏感度温度系数、长期稳定性放大器参数测试方法增益测试输入已知信号，测量输出与输入比值2频率响应扫频测试，绘制波特图阻抗测量输入端开路/短路测试法失真分析频谱分析仪测量谐波分量集成晶体管放大器的发展分立元件时代各元件独立封装，体积大混合集成多元件整合，尺寸缩小单片集成所有元件同一芯片，性能优化高度集成专用功能模块，易于使用晶体管在音频放大中的应用晶体管在无线通信中的应用射频放大提升微弱信号强度混频器实现频率转换振荡器产生载波信号天线放大改善接收灵敏度晶体管放大器在数据采集领域应用传感器前置放大放大微弱传感器输出信号热电偶信号应变片输出光电探测器信号调理电路提供滤波和电平转换共模抑制线性化处理偏置补偿检测与控制信号处理中的放大需求信号检测将微弱信号放大到可测量水平信号调理滤波整形，增强信噪比信号转换电平匹配与阻抗变换驱动控制驱动执行器所需功率放大晶体管选型与实际电路设计注意事项1性能参数匹配选择符合要求的频率、功率参数2热设计考虑散热器，避免热失控3电源抑制比减小电源纹波影响4布局布线减小寄生电容，防止自激晶体管放大器实验装置介绍信号发生部分函数信号发生器频率调节旋钮幅度调节旋钮放大电路部分各类放大电路模块可更换元件插座测试点引出端测量分析部分示波器连接端频谱分析仪数字万用表实验：共射极放大电路的测量连接电路按照实验指导书连接各元件测量静态参数用万用表测量各点直流电压动态信号测试输入小信号，示波器观察波形计算分析计算增益并与理论值对比常见故障分析与排查方法故障现象可能原因排查方法无输出信号元件损坏更换晶体管输出失真偏置不当调整偏置电阻自激振