前述的固定偏置放大电路.ppt

1、第二章放大器的基本原理,主要内容：半导体的基础知识:P型硅，N型硅PN结及半导体二极管稳压二极管三极管及特性、参数基本放大电路及分析,引入内容：半导体器件,物质分类：导体、绝缘体、半导体、超导体半导体器件是现在电子学的重要组成部分。体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点而得到广泛的应用。,2.1.1本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,2.1半导体的基本知识,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子

2、。,硅和锗的共价键结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,2.1.2杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴,N型半导体(主要载流子为电子+,电子半导体)P型半导体(主要载流子为空穴-,空穴半导体),N型半导体,在

3、硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,硅或锗+少量磷N型半导体,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。

4、由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。,硅或锗+少量硼P型半导体,空穴,P型半导体,硼原子,硅原子,空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动,杂质半导体的示意表示法,2.2.1PN结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,2.2PN结及半导体二极管,二种不同杂质半导体的结合,二种不同杂质半导体的结合,空穴浓度,电子浓度,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,空间电荷区,PN结处载流子的运动,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结处载流子的运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂

5、移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,2.2.2PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负、N区加正电压。,PN结正向偏置,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流很小，A级,2.2.3半导体二极管,(1)、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,(2)、伏安特性,导通压降:

6、硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),（3）静态电阻Rd，动态电阻rD,静态工作点Q（UQ，IQ）,（3）静态电阻Rd，动态电阻rD,静态电阻：Rd=UQ/IQ（非线性）,动态电阻：rD=UQ/IQ,在工作点Q附近，动态电阻近似为线性，故动态电阻又称为微变等效电阻,例1：二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管半波整流,例2：二极管的应用,R,RL,ui,uR,uo,利用二极管的特性可以作半波整流和产生正负脉冲。,2.3稳压二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工作电流IZ在Izmax和Izmin之

7、间时,其两端电压近似为常数,正向同二极管,稳定电流,稳定电压,例：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200。若负载电阻变化范围为1.5k4k，是否还能稳压？,UZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k4k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）；i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）；iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7(mA),iZ=10-6

8、.7=3.3(mA)RL=4k,iL=10/4=2.5(mA),iZ=10-2.5=7.5(mA),稳压二极管考察是否稳压的标准：ImaxImin稳压值,2.4半导体三极管,2.4.1基本结构,NPN型,PNP型,三极管符号,基区:较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区:掺杂浓度较高,发射结,集电结,2.4.2电流放大原理,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IB，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集，形成IC。,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,静态电流

9、放大倍数,静态电流放大倍数，动态电流放大倍数,动态电流放大倍数,IB：IB+IB,2.4.3特性曲线,IB与UBE的关系曲线（同二极管）,（1）输入特性,死区电压,硅管0.5V,工作压降:硅管UBE0.7V,（2）输出特性(IC与UCE的关系曲线),IC(mA),Q,Q,输出特性,IC(mA),当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB,且IC=IB。此区域称为线性放大区。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE死区电压,，称为截止区。,输出特性三个区域的特点:,(1)放大区BE结正偏，BC结反偏，IC=I

10、B,且IC=IB,(2)饱和区BE结正偏，BC结正偏，即UCEUBE，IBIC，UCE0.3V,(3)截止区UBE死区电压，IB=0，IC=ICEO0,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区,USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mAICS=2mA，Q位于放大区IC最大饱和电流ICS=(USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA,例：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k当

11、USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？,USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB=500.061=3.05mAICS=2mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB已不是的关系）,三极管的技术数据：（自学）（1）电流放大倍数（2）集-射间穿透电流ICEO（3）集-射间反向击穿电压UCEO(BR)（4）集电极最大电流ICM（5）集电极最大允许功耗PCM,49,2.5基本放大电路,2.5.1概论,2.5.2放大电路的组成和工作原理,2.5.3放大电路的分析方法,2.5.1概论,放大的概念：电子学中放大的目的是将微弱的变化信号

12、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,信号的输入、输出和放大,放大电路的基本概念,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,输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻，是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。,（加压求流法）,一般来说，ri越大越好。ri越大，ii就越小，ui就越接近uS,(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，其内阻就是输出电阻，是表明放大电路带负载的能力。,如何确定电路的输出电阻？,在

13、电路的计算中求ro有两个方法：,1、所有的电源（包括信号源）置零，保留受控源。然后采用加压求流法。,ro=u/i,测量开路电压uo=uso,2、开路电压除以短路电流法。,测量短路电流io=uso/ro,输出电阻：uo/io=uso/（uso/ro）=ro,(4)通频带,放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降到中频电压放大倍数A0的0.707时，即,(4)通频带,通频带：,fbw=fHfL,放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线,2.5.2基本放大电路的组成和工作原理,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

14、原理,1、基本放大电路,晶体管T-放大元件,iC=iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。,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。,共发射极基本电路,（1）共发射极放大电路的组成,电路中各元件的作用如下:（1）集电极电源UCC:其作用是为整个电路提供能源,保证三极管的发射结正向偏置,集电结反向偏置。（2）基极偏置电阻Rb:其作用是为基极提供合适的偏置电流。（3）集电极电阻Rc:其作用是将集电极电流的变化转换成电压的变化。（4）耦合电容C1、C2:其作用是隔直流、通交流。（5）符号“”为接地符号,是电路中的零参考电位。,共射放大电路,放大元件i

15、C=iB，工作在放大区，要保证发射结正偏，集电结反偏。,输入,输出,参考点,+,+,使发射结正偏，并提供适当的静态工作点IB和UBE。,基极电源与基极电阻,共射放大电路,+,+,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,耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F50F,作用：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。,+,+,双电源供电,可以省去,+,+,RB,单电源供电,+,+,实现放大的条件,(1)晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集电结反偏。(2)正确设置静态工作

16、点，使晶体管工作于放大区。(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，经电容耦合只输出交流信号。,（2）共发射极放大电路的工作过程,uo0uBE=UBE+uiuCE=UCE+uo,uCE=UCCiCRC,2、放大电路的静态工作点,静态：放大电路无信号输入（ui=0）时的工作状态。,静态分析：确定放大电路的静态值。,静态工作点Q：IB、IC、UCE。,分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。,设置Q点的目的：(1)使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动

17、态的基础。,（1）估算IB（UBE0.7V),RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,用估算法分析放大器的静态工作点（IB、UBE、IC、UCE）,（2）估算UCE、Ic,IC,UCE,Ic=IB,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,UBE0.7V,（1）用直流通路法确定静态工作点,由KVL:UCC=IBRB+UBE,当UBEUCC时，,根据电流放大作用,由KVL:UCC=ICRC+UCE,所以UCE=UCCICRC,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,

18、输出,参考点,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IB和UBE。,基极电源与基极电阻,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,耦合电容：电解电容，有极性，大小为10F50F,作用：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,基本放大电路的工作原理,由于电源的存在IB0,IC0,IC,IE=IB+IC,无信号输入时,静态工作点,基本放大电路的工作原理,IC,(IC,UCE),(IB,UBE),静态工作点,(IB,UBE)

19、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。,放大电路的直流通道,直流通道,用图解法分析放大器的静态工作点,UCE=ECICRC,直流负载线,与IB所决定的那一条输出特性曲线的交点就是Q点,IB,静态UCE,静态IC,uCE怎么变化,？,交流放大原理,假设uBE静态工作点的基础上有一微小的变化ui,静态工作点,uCE的变化沿一条直线交流负载线,各点波形,uo比ui幅度放大且相位相反,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

20、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。,2.5.3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,计算机仿真,对交流信号(输入信号ui),放大器的交流通道,1/C0,交流通道,交流负载线,其中：,交流量ic和uce有如下关系：,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,直流负载线,动态分析,1、,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BE间等效于电阻rbe。,对输入的小交流信号而言，三极管BE间等效于电阻rbe。,b,e,

21、c,b,e,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。,且电流源两端还要并联一个大电阻rce。,rce的含义,rce很大，一般忽略。,三极管的微变等效电路,e,b,c,b,e,c,rbe,ic=ib,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,交流通道,微变等效电路,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

22、般总是希望得到较大的的输入电阻。,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：,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：,失真分析：,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。,失真输出波形较输入波形发生畸变，称为失真,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,二、基本放大电

23、路及其工作状态分析,基本放大电路的组成形式,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）用图解法确定静态值,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。,步骤：1.用估算法确定IB,2.由输出特性确定IC和UCC,直流负载线方程,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,直流负载线斜率,3、放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui0）时的工作状态。,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。,分析方法：微变等效电路法，图解法。所用电路：放大电

24、路的交流通路。,目的：找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计打基础。,动态分析图解法,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。,RL=,4、放大电路的非线性失真,如果Q设置不合适，晶体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，,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,若Q设置过低,晶体管进入截止区工作，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。,三、放大电路性能指标的计算,微变等效电路：把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的

25、晶体管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：晶体管在小信号（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Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,1.晶体管的微变等效电路,晶体管的微变等效电路可从晶体管特性曲线求出。,(1)输入回路,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。,晶体管的输入电阻,晶体管的输入回路(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。,输入特性,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,(2)输出回路,输出特

26、性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic=ib等效代替，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。,晶体管的输出电阻,rce愈大，恒流特性愈好因rce阻值很高，一般忽略不计。,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替。,晶体三极管,微变等效电路,晶体管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,ib,2、用微变等效电路计算性能指标,将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,微变等效电路,(1)电压放大倍数,当放大电路输出端开路(未接RL)时，,因r

27、be与IE有关，故放大倍数与静态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。,例1：,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。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。,(2)放大电路输入电阻的计算,例1：,(3)放大电路输出电阻的计算,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

28、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。,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,四、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。,温度变化对静态工作点的影响,上式表明