第6章-晶体三极管与交流放大电路..ppt

1、第六章 晶体三极管与 交流放大电路,电子技术,-模拟电路部分,第六章 晶体三极管与交流放大电路,6.1 晶体三极管 6.2 基本放大电路的组成 6.3 放大电路的静态分析 6.4 放大电路的动态分析 6.5 放大器静态工作点的稳定 6.6 射极输出器 6.7 阻容耦合多级放大电路 6.8 互补对称功率放大电路,6.1晶体三极管,基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,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, 发射区的掺杂浓度最高；, 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；, 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面

2、图,结构特点,电流放大原理,EB,RB,EC,进入P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。,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。,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,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。,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,NPN型三极管,PNP型三极管,特性曲线,IC,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,一、输入特性,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UB

3、E0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,二、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,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:,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IBIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,

4、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？,当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,IC最大饱和电流：,Q位于截止区,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？,IC ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。,USB =2V时：,USB =5V时:,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？,

5、IC Icmax(=2 mA)， Q位于饱和区。(实际上，此时IC和IB 已不是的关系）,三、主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向

6、电流，受温度的变化影响。,B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流IBE。,集电结反偏有ICBO,3. 集-射极反向截止电流ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,5.集-射极反向击穿电压,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,6. 集电极最大允许功耗PCM,集

7、电极电流IC 流过三极管， 所发出的焦耳 热为：,PC =ICUCE,必定导致结温 上升，所以PC 有限制。,PCPCM,ICUCE=PCM,安全工作区,6.2 基本放大电路的组成,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,共射放大电路的基本组成,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,输出,？,参考点,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,耦合电容,隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输

8、入输出。,可以省去,电路改进：采用单电源供电,基本放大电路的工作原理,由于电源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,一、静态工作点,IBQ,ICQ,( ICQ,UCEQ ),(IBQ,UBEQ),(IBQ,UBEQ) 和( ICQ,UCEQ )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。,IB,uCE怎么变化,？,假设uBE有一微小的变化,uCE的变化沿一条直线,uce相位如何,？,uce与ui反相！,各点波形,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

9、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，经电容滤波只输出交流信号。,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,直流通道和交流通道,放大电路中各点的电压或电流都是在静态直流上附加了小的交流信号。,但是，电容对交、直流的作用不同。如果电容容量足够大，可以认为它对交流不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路，这样，交直流所走的通道是不同的。,交流通道：只考虑交流信号的分电路。 直流通道：只考虑直流信号的分电路。 信号的不同分量可以分别在不同的通道分析。,例：,对直流信号（只有+EC）,对交流信号(

10、输入信号ui),一、直流负载线,IC,UCE,UCEIC满足什么关系？,1. 三极管的输出特性。,2. UCE=ECICRC 。,直流 负载线,与输出特性的交点就是Q点,IB,直流负载线和交流负载线,二、交流负载线,其中：,iC 和 uCE是全量，与交流量ic和uce有如下关系,所以：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,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,6.3 放大电路的静态分析,一、估算法,（1）根据直流通道估算IB,RB称为偏置电阻，IB称为偏置电流。,（2）根据直流通道估算UCE、IB,IC,UCE,二、图解法,先估算 IB ，然后在输出特性曲线上作出直流

11、负载线，与 IB 对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点。,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。,6.4 放大电路的动态分析,一、三极管的微变等效电路,1. 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，三极管相当于电阻rbe。,rbe的量级从几百欧到几千欧。,2. 输出回路,所以：,(1) 输出端相当于一个受ib 控制的电流源。,(2) 考虑 uCE对 iC的影响，输出端还要并联一个大电阻rce。,rce的含义,rce很大， 一般忽略。,3. 三极

12、管的微变等效电路,c,b,e,二、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:,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,放大电路的性能指标,一、电压放大倍数Au,Ui 和Uo 分别是输入和输出电压的有效值。,二、输入电阻ri,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。输入电阻是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,三、输出电阻ro,放大电路对其负载而言，相当于信号源

13、，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,如何确定电路的输出电阻ro ？,步骤：,1. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。,2. 加压求流法。,方法一：计算。,方法二：测量。,1. 测量开路电压。,2. 测量接入负载后的输出电压。,步骤：,3. 计算。,符号规定,UA,大写字母、大写下标，表示直流量。,uA,小写字母、大写下标，表示全量。,ua,小写字母、小写下标，表示交流分量。,uA,ua,全量,交流分量,t,UA直流分量,三、电压放大倍数的计算,特点：负载电阻越小，放大倍数越小。,四、输入电阻的计算,对于为放大电路提供信号的信号源来说，放大电路

14、是负载，这个负载的大小可以用输入电阻来表示。,电路的输入电阻越大，从信号源取得的电流越小，因此一般总是希望得到较大的的输入电阻。,五、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：,(1) 所有电源置零，然后计算电阻（对有受控源的电路不适用）。,(2) 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,在放大电路中，输出信号应该成比例地放大输入信号（即线性放大）；如果两者不成比例，则输出信号不能反映输入信号的情况，放大电路产生非线性失真。,为了得到尽量大的输出信号，要把Q

15、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。,uo,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,uo,1. Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生 截止失真,2. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生 饱和失真,6.5 放大电路静态工作点的稳定,为了保证放大电路的稳定工作，必须有合适的、稳定的静态工作点。但是，温度的变化严重影响静态工作点。,对于前面的电路（固定偏置电路）而言，静态工作点由UBE、 和ICEO 决定，这三个参数随温度而变化，温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面。,T,UBE,ICEO,Q,一、温度对UBE的影响,二、温度对 值及ICE

16、O的影响,总的效果是：,小结：,固定偏置电路的Q点是不稳定的。 Q点不稳定可能会导致静态工作点靠近饱和区或截止区，从而导致失真。为此，需要改进偏置电路，当温度升高、 IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化。保持Q点基本稳定。,常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点。电路见下页。,分压式偏置电路：,一、静态分析,可以认为与温度无关。,似乎I2越大越好，但是RB1、RB2太小，将增加损耗，降低输入电阻。因此一般取几十k。,本电路稳压的过程实际是由于加了RE形成了负反馈过程,二、动态分析,+EC,uo,问题1：如果去掉CE，放大倍数怎样？,去掉 CE 后的交流通路和微变等效电路：,问题2：如

17、果电路如下图所示，如何分析？,静态分析：,直流通路,动态分析：,交流通路,交流通路：,微变等效电路：,问题：Au 和 Aus 的关系如何？,定义：,6.6 射极输出器,一、静态分析,二、动态分析,1. 电压放大倍数,1.,所以,但是，输出电流Ie增加了。,2.,输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,结论：,2. 输入电阻,输入电阻较大，作为前一级的负载，对前一级的放大倍数影响较小。,3. 输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,一般：,所以：,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,射极输出器的使用,1. 将射极输出器放在电路的首级，可以提高输入电阻。,2. 将射极输出器放在电路

18、的末级，可以降 低输出电阻，提高带负载能。,3. 将射极输出器放在电路的两级之间，可以起到电路的匹配作用。,6.7 多级放大电路及其级间耦合方式,耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。,常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,动态: 传送信号,减少压降损失,静态：保证各级有合适的Q点,波形不失真,输出,多级放大电路的框图,对耦合电路的要求,6.7.1 阻容耦合,第一级,第二级,负载,信号源,两级之间通过耦合电容 C2 与下级输入电阻连接,1. 静态分析,由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，

19、可以各级单独计算。,两级放大电路均为共发射极分压式偏置电路。,2. 动态分析,微变等效电路,第一级,第二级,例1:,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。 (1) 计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V); (2) 求放大电路的输入电阻和输出电阻； (3) 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。,解:,(1) 两级放大电路的静态值可分别计算。,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,解:,第二级是分压式偏置电路,解:,(2) 计算 r i和 r 0,由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出

20、器，它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻 ri2。,微变等效电路,(2) 计算 r i和 r 0,(2) 计算 r i和 r 0,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,多级阻容耦合放大器的特点：,(1) 由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。 (2) 前一级的输出电压是后一级的输入电压。 (3) 后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。 (4) 总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。 (5) 总输入电阻 ri 即为第

21、一级的输入电阻ri1 。 (6) 总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,由上述特点可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。,阻容耦合电路的频率特性：,耦合电容造成,三极管结电容造成,采用直接耦合的方式可降低放大电路的下限截止频率，扩大通频带。下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。,6.8 互补对称功率放大电路,1 对功率放大电路的基本要求,功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。,(1) 在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。,(2

22、) 由于功率较大，就要求提高效率。,晶体管的工作状态,甲类工作状态 晶体管在输入信号 的整个周期都导通 静态IC较大，波形好, 管耗大效率低。,乙类工作状态 晶体管只在输入信号 的半个周期内导通， 静态IC=0，波形严重失真, 管耗小效率高。,甲乙类工作状态 晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC 0，一般功放常采用。,6.8 互补对称放大电路,互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电路。 OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源供电。,1. OCL电路,ic1,ic2,静态时：,ui = 0V, iC1 0， iC2 0 uo = 0V。,动态时：,ui 0V,T2导通，T1截止,ui 0V,T1导通，T2截止,特点： 双电源