电子电工学第7章.ppt

1、熟练掌握几种放大电路的特点、分析方法及应用。,第7章 基本放大电路,本章要求：,了解三极管的结构，理解三极管的放大作用和输入输出特性。,理解由三极管构成的几种基本放大电路的组成、工作原理。,第7章 基本放大电路,主要内容,7.1 晶体三极管,晶体三极管又称半导体三极管，简称晶体管或三极管，因为有电子和空穴两种载流子参与导电，又称双极型三极管。,7.1.1 基本结构,第7章 基本放大电路,发射区的杂质浓度很高； 集电区的杂质浓度较低； 基区很薄且杂质浓度很低； 集电结的面积比发射结的面积大。,结构特点：,第7章 基本放大电路,1电流放大现象及外部条件,三极管具有放大作用时必备的外部条件：,7.1

2、.2 电流放大作用及原理,发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,第7章 基本放大电路,电流放大作用,（3）基极电流的微小变化可以引起集电极电流的较大变化。,此结果符合基尔霍夫电流定律。,（1）IE = IB +IC 。,（2） IC IE 。,第7章 基本放大电路,2载流子的运动规律,（1）发射区向基区扩散电子,同时，基区的多数载流子（空穴）在发射结正向电压作用下，扩散到发射区，空穴所形成的空穴电流很小，可以忽略不计，因此射极电流IE主要是电子电流。,发射结处于正向偏置状态,发射区的多数载流子（自由电子）在正向电压的作用下，越过发射结扩散到基区，同时从电源负极补充电子。,形成连续的射极电流

3、IE。,第7章 基本放大电路,（2）电子在基区的扩散与复合,扩散到基区的自由电子，在发射结附近浓度最大，远离发射结的地方浓度低，形成浓度差，电子继续向集电结方向扩散。,扩散到基区的自由电子在扩散过程中，只有一小部分电子与基区的空穴相遇而复合。,同时EB的阳极不断从基极拉走价电子产生空穴，使基区的空穴浓度基本不变。,这样就形成了连续的电流IBE ，其大小约等于基极电流IB 。,第7章 基本放大电路,扩散到基区的自由电子只有一小部分与基区的空穴相遇而复合，绝大部分到达了集电结附近。,这是三极管放大作用的主要内部条件。,各区的掺杂浓度和结构可控，三极管的电流放大作用可控。,第7章 基本放大电路,同时

4、，由于集电结反向偏置，集电区的少数载流子空穴和基区的少数载流子电子将发生漂移运动，形成反向饱和电流ICBO ，其值很小，但受温度影响很大。,（3）集电区收集电子,集电结外加反向偏置电压,扩散到集电结附近的电子在反向电压作用下穿过集电结为集电区所收集，形成电流ICE ，它基本上等于集电极电流IC 。,第7章 基本放大电路,在放大状态下，直流电流放大系数和交流电流放大系数近似相等。,3电流分配关系,发射区发射电子的数目等于基区复合的电子数与集电结收集的电子数之和，其外部表现为：,三极管的电流放大作用取决于电子在基区扩散与复合的比例。,电流放大系数：表示三极管的放大能力。,集电极电流IC与基极电流I

5、B的比值，称为直流电流放大系数，亦称静态电流放大系数，即,集电极电流的变化量IC与基极电流的变化量IB的比值，称为交流电流放大系数，亦称动态电流放大系数，即,第7章 基本放大电路,最常用的共射极接法时的测试电路如图7.4所示。,7.1.3 特性曲线,三极管的特性曲线是指三极管各极电压与电流之间的关系曲线。,第7章 基本放大电路, 输入特性曲线,它反映了三极管输入回路中的电压与电流的关系，其函数表达式为,当集电极与发射极之间的电压UCE为一常数时，由基极和发射极构成的输入回路中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。,第7章 基本放大电路,当UCE 1V时，由于集电结的电场已经足够强，将

6、发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区，UCE再增大，被集电区收集的电子数也不会明显增加，即IB不会明显减小。因此，UCE 1V以后的输入特性曲线基本重合在一起。,UCE =0V时，如曲线1所示。,当UCE =0V时，集电极与发射极电位相等，发射结和集电结相当于并联，输入特性与二极管的正向伏安特性曲线类似。,UCE1V时，如图曲线2所示。,随着UCE的增大，从发射区进入基区的电子将有更多部分到达集电区，导致与基区空穴复合的电子数目减少。要获得同样大小的基极电流IB ，就必须加大基-射极电压UBE ，使发射区发射更多的电子，所以输入特性曲线右移。,第7章 基本放大电路,输出特性反映了三极管

7、输出回路中电压与电流的关系。对应于某一个IB，就有一条输出特性曲线，故输出特性是一族曲线，如图所示 。, 输出特性曲线,基极电流IB为某一常数时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。,第7章 基本放大电路,输出特性根据三极管工作状态，可分为三个区域。,（1）放大区,输出特性曲线的近于水平部分的线性区域称为放大区。,三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。,在该区域内，集电极电流IC几乎仅取决于基极电流IB ， 即 IC = IB，而与UCE无关，表现出三极管的电流放大作用。,第7章 基本放大电路,IC近似为零（IC等于穿透电流ICEO），UBE小于死区电压。,（2）截止区,IB

8、= 0的曲线以下的区域称为截止区。,发射结和集电结均处于反向偏置状态,第7章 基本放大电路,对于小功率管，一般认为UCE =UBE时达到临界饱和状态，当UCE UBE时称为饱和，通常用UCES来表示饱和时的管压降。 一般小功率硅管的UCES小于0.4V，锗管小于0.2V。,（3）饱和区,在输出特性曲线中靠近纵轴的区域，各条特性曲线十分密集，这部分称为饱和区。,发射结和集电结均处于正向偏置状态。,此时，IC不受IB的控制，三极管失去电流放大作用。,第7章 基本放大电路,它是指有输入信号时，在同一个集电极电压UCE下，集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB的比值，即,7.1.4 主要参数,1电流

9、放大系数,电流放大系数是反映三极管电流放大能力的一个基本参数，包括直流电流放大系数和交流电流放大系数。,（1）直流电流放大系数,指无输入信号时，在同一个集电极电压UCE下，集电极电流IC与基极电流IB的比值，即,（2）交流电流放大系数,第7章 基本放大电路,ICBO的大小标志着集电结质量的好坏，其值越小越好。ICBO随温度的升高而增加。,2反向饱和电流,（1）集电极反向饱和电流ICBO,当发射极开路时，在基极与集电极之间加一定的反向电压，少数载流子将形成反向漂移电流，称为集电极反向饱和电流ICBO 。,第7章 基本放大电路,三极管的ICBO、愈大，ICEO愈大，三极管的热稳定性就愈差。,（2）

10、穿透电流ICEO,ICEO是指当基极开路时，集电极与发射极之间加反向电压，由集电区穿过基区流入发射区的电流。,根据三极管的电流分配关系，从发射区扩散到达集电区的电子数，应等于ICBO的1+倍,第7章 基本放大电路,集电结上允许的最大功率损耗称为集电极最大允许耗散功率PCM。在安全工作情况下，集电极耗散功率PC应满足：,3极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,集电极电流增大到一定程度时，将显著下降。规定下降到额定值的三分之二时所对应的集电极电流为最大允许电流ICM。,一般小功率管ICM为几十毫安；大功率管为几安以上。,（2）集电极最大允许耗散功率PCM,第7章 基本放大电路,极限参数ICM

11、、PCM、U(BR)CEO 在输出特性上共同确定了三极管的安全工作区。,当UCE 时，ICEO将大幅度上升，管子将被击穿。,（3）反向击穿电压,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集-射极反向击穿电压 。,第7章 基本放大电路,7.2 基本交流放大电路,7.2.1 基本交流放大电路的组成,第7章 基本放大电路,1放大电路的基本工作情况,集电极电压uCE = EC- iCRC,第7章 基本放大电路,交、直流叠加的信号用小写字母、大写下标表示，如iB、uCE。,符号标注的约定,在基本交流放大电路中交、直流信号同时存在，为区分各种信号的电流、电压，约定如下：,直流信号用大写字母、大

12、写下标表示，如IB、UCE；,交流信号用小写字母、小写下标表示，如ib、uce；,第7章 基本放大电路,（4）当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压。,2放大电路的组成原则,（1）直流电源要设置合适静态工作点，并作为输出的能源。对于晶体三极管放大电路，电源的极性和大小应使三极管基极与发射极之间处于正向偏置，而集电极与基极之间处于反向偏置，即保证晶体管工作在放大区。,（2）电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流。,（3）输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。,第7章 基本放大电路,3放大电路的组成元件及其

13、作用,放大电路的核心元件，工作在放大状态，起电流放大作用。,RC的主要作用是将放大的集电极电流信号转化为电压信号输出，以实现电压放大。RC阻值一般为几千欧到几十千欧。,（1）晶体三极管T,（2）集电极负载电阻RC,第7章 基本放大电路,三极管的真正作用是利用基极电流IB对集电极电流IC的控制关系，实现控制电源供给能量的目的。,（3）集电极电源EC,EC是放大电路的能源提供者，同时为集电结提供一个反向偏置电压，以保证三极管工作在放大状态。,EC一般为几伏到几十伏。,第7章 基本放大电路,EB一般在几伏到几十伏范围内，RB一般为几十千欧到几百千欧。,（4）基极电源EB和基极偏置电阻RB,EB和RB

14、组成基极偏置电路，为三极管的发射结提供正向偏置电压。,基极电阻RB的作用是获得合适的偏流以保证三极管工作在放大状态。,第7章 基本放大电路,C1、C2的容量应取得足够大，一般为几微法到几十微法，通常采用电解电容。,（5）耦合电容C1和C2,电容器C1和C2称为耦合电容，其作用是隔直传交。,第7章 基本放大电路,在实际应用中，通常将基极和集电极两个电源合并成一个，只标出其对地的电压值和极性，用UCC表示。,第7章 基本放大电路,7.2.2 放大电路的静态分析,静态工作点：静态时，在三极管的输入、输出特性上对应的工作点称为静态工作点。,静态分析：目的是确定放大电路的静态工作点。,放大电路分析,图解

15、分析法:可以形象直观地分析和理解放大电路的信号放大过程。,近似计算法：更迅捷、简便。相当于量化分析。,静态：放大电路没有输入信号时的工作状态称为静态。,第7章 基本放大电路,利用图解分析法进行放大电路的静态分析就是利用管子的输入和输出特性曲线，通过作图的方法来分析放大电路在静态时的情况，即求解静态工作点。,分析静态工作点时，必须在直流通路中进行。如图所示。,1图解分析法,（1）直流负载线,第7章 基本放大电路,这是一个直线方程。因为它由直流通路得出，且与集电极负载电阻RC有关，故称为直流负载线，如图中直线MN所示。,第7章 基本放大电路,求静态工作点实际就是要确定静态值IB、IC和UCE。,（

16、2）静态工作点,（5）找出对应Q点的静态值IB 、IC 、UCE。,图解法分析静态工作点的一般步骤：,（1）给出三极管的输出特性曲线；,（2）作直流负载线；,（3）由直流通路求出偏流IB；,（4）由IB对应的输出特性与直流负载线的交点得出静态工作点Q；,第7章 基本放大电路,例7-1 放大电路及晶体管特性曲线如图所示，已知EC =12V，RC = 4k，RB =300k。（1）作直流负载线，（2）求静态工作点。,第7章 基本放大电路,解：（1）根据图7-13所示的直流通路，可列出直流负载线方程,当IC =0时，UCE =UCC =12V，在输出特性上得到M点；当UCE =0时，IC =UCC

17、/RC =12/4 =3mA，在输出特性上得到N点。连接M、N两点，即可得直流负载线。,第7章 基本放大电路,从图中可求：IC =1.5mA，UCE =6V。,(2) 由输入特性曲线可求得UBE =0.7V，根据直流通路：,IB = 40A的这条输出特性与直流负载线的交点即为静态工作点Q。,第7章 基本放大电路,从如图直流通路中可得：,2近似计算法,近似计算法是在一定的条件下，忽略一些次要因素，用近似公式计算出结果。它比图解法更迅捷、更简便。,第7章 基本放大电路,7.2.3 放大电路的动态分析,进行动态分析的目的是在给定电路参数和输入信号的情况下，确定电路的电压放大倍数等动态参数，研究交流信

18、号的传输情况。,输入端加上输入信号时放大电路的工作状态称为动态。,1.图解分析法, 根据输入电压ui的变化在输入特性上求基极电流iB的变化。,利用图解法对放大电路进行动态分析可按下述步骤进行。, 根据iB在输出特性上求iC和uCE。, 根据图解结果计算电压放大倍数。,（1）基本方法,第7章 基本放大电路,第7章 基本放大电路,（2）交流负载线,画交流通路的原则：原理图中的耦合电容C1、C2均看作短路；电源UCC对地短路。,第7章 基本放大电路,并联等效电阻：,uCEO为交流负载线在uCE轴上的截距。,第7章 基本放大电路,当放大电路的静态工作点选择不合适时，输出电压由于三极管的非线性，会产生与

19、输入电压不一致的波形，即发生非线性失真。,当输入、输出信号幅度都不太大时，在不失真的前提下，应把工作点选得低一些，以减小电路的能量损耗。,（3）非线性失真分析,通常采用改变RB的办法改变静态工作点。,第7章 基本放大电路,2近似计算法,动态分析的近似计算法就是定量分析放大电路的性能指标。,（1）电压放大倍数,三极管的动态输入电阻：,在共射极固定偏执放大电路中，在输入电压ui作用下，基极产生一个交流电流ib。因而可以把管子的输入回路B、E之间用一个等效电阻rbe表示，其物理意义为：,第7章 基本放大电路,在交流通路中：,负号表明uo与ui反相。,工程上，对于低频小功率管的输入电阻常采用下式进行估

20、算：,注意各个量的单位,则,第7章 基本放大电路,放大电路相对于信号源或前级放大电路来说是一个负载，可用一个电阻来等效代替，称为放大电路的输入电阻，定义为放大电路的输入电压与输入电流的比值，即,信号源存在一定的内阻RS，ri将引起实际加到放大电路的输入电压的减小。ri越小，信号源负担越重。 后级放大电路的输入电阻即前级放大电路的负载电阻，后级的ri较小将会降低前级放大电路的电压放大倍数。因此，通常希望放大电路的输入电阻能高一些。,（2）输入电阻ri,输入电阻和输出电阻是衡量放大电路质量好坏的重要指标。,第7章 基本放大电路,利用交流通路求输入电阻ri的值。即,（3）输出电阻ro,放大电路相对于

21、负载或后级放大电路是一个信号源。这个信号源的内阻称为放大电路的输出电阻ro。,第7章 基本放大电路,利用交流通路可确定ro值。则,rce为晶体管的动态输出电阻。由于集电结是反向偏置，使得rce的阻值远远大于RC，因此,输出电阻的大小反映了放大电路带负载的能力。ro较大时，放大电路的带负载能力较差。因此，通常希望放大电路输出级的输出电阻低一些。,第7章 基本放大电路,例7.2 图示放大电路中，如果UCC =12V，RB =300k，RC =4k， =40，求（1） 电路能否正常放大？（2） RL =和RL =4k时的电压放大倍数 、 。（3） 电路的输入电阻ri和输出电阻ro。（4）若输出电压波

22、形为顶部失真，试问电路出现了什么失真？如何消除？,根据放大电路的直流通路计算出静态工作点。,解：（1）估算静态工作点Q。,第7章 基本放大电路,Q点合适，电路能够正常放大。,（2）求电压放大倍数,求电压放大倍数等动态参数应根据交流通路进行。,第7章 基本放大电路,三极管输入电阻：,当RL = 时，,当RL =4k 时，,（3）求ri和ro,第7章 基本放大电路,（4）电压波形的顶部出现失真，说明电路出现了截止失真，应减小RB的阻值，以增大偏流IB，提高静态工作点。,第7章 基本放大电路,温漂：当环境温度变化时，三极管的参数ICBO（ICEO）、及UBE都会随之而变化，最终的结果都是导致IC变化

23、，使静态工作点移向非线性区。这种现象称为温漂。,7.2.4 稳定工作点的分压式偏置放大电路,固定偏置放大电路的缺点是无法抑制温漂。受环境温度变化影响，会产生静态工作点漂移。,如何克服这一缺点呢？,分压式偏置放大电路的设计思路就是尽可能的排除或减小温漂对静态工作点的影响。,1分压式偏置放大电路的基本特点,第7章 基本放大电路,（1） 利用上偏电阻RB1和下偏电阻RB2组成分压器以固定基极电位。,如果使：,则,第7章 基本放大电路,则基极电位,（2）引入发射极电阻RE ，限制温漂影响。,若使VB UBE ，则UBE的影响可忽略不计，即尽可能地减小了温漂的影响。,（3）旁路电容CE可以消除射极电阻RE对放大电路交流特性的影响。,第7章 基本放大电路,2稳定工作点的原理,分压式偏置放大电路电路稳定工作点的实质，就是利用射极电阻的电流负反馈作用来抑制集电极电流的变化而使静态工作点保持基本不变。,第7章 基本放大电路,对于锗管，一般取,3电路参数的选择,对于硅管，一般取,第7章 基本放大电路,4静态工作点的确定,第7章 基本放大电路,（1）电压放大倍数,有旁路电容时的交流通路,5动态分析,（2）输入电阻ri,（3）输出电阻ro,第7章 基本放大电路,例7.3 图7.22（a）所示放大电路，已知UCC =12V，RC =2k，RE =2k ，RB1 =20k ，