第二章 晶体管及放大电路 基本内容 –半导体晶体管 –共射极基本放大电路 –放大电路的基本分析方法 – 放大电路的频率特性 基本要求 1.理解并掌握晶体管的外部特性 (3个区)、判 断晶体管的类型和极性。 2.掌握各种放大电路的特点和分析方法。 3.了解放大电路的频率特性。 第二章 晶体管及基本放大电路 1 2. 1 半导体晶体管 要求: ?理解晶体管的放大原理 ?掌握晶体管的三个状态特点 ?掌握组成放大电路的外部条件 ?掌握晶体管的电流关系 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管 2 一. 基本结构与分类 1. 内部结构 符号 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/基本结构与分类 3 2.分类 1)按材料分 硅管 锗管 2)按结构分 NPN型 PNP型 3)按频率分 高频管 低频管 4)按功率分 大功率管 小功率管 对应型号 3A(锗PNP )3B (锗NPN ) 3C (硅PNP ) 3D (硅NPN ) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/基本结构与分类 4 二 . 晶体管的连接方式 ? 放大器一般为4端网络,根据公共端的不同, 晶体管有三种连接方式 IC IE IE IC IB IC IB IC IB (共发射极) (共集电射极) (共基射极) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管 5 三. 晶体管的放大作用 ? (一)三个区的特点 ? 1) 发射区是掺杂质比集电区掺杂 多的 N型半导体,电子浓度很大; ? 2) 基区很薄,为掺杂质很少的 P 型半导体。 ? 3) 集电极面积大,保证尽可能收 集到发射区发射的电子。 T 放大作 用的内部 条件 ? (二)载流子运动规律及电流分配关系 ? 当一个 NPN 型的晶体管接成共射极接法的 放大电路时: ? 发射结正向偏置 ? 集电结反向偏置 T 放大作用 的外部条件 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用 6 晶体管共射极接法的放大电路图 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用 7 1. 载流子运动规律 (a) 载流子运动 (b) 电流分配 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用 8 2. 电流关系 1)据KCL 定律有: IE ? IB ? IC 2)共射极晶体管的电流放大倍数: ? ? △IC ? ic △IB ib IC ? ?? IB I E ? (1? ?) ? I B 晶体管的电流关系体现了电流放大作用,故 称晶体管为电流控制型元件。因电流中有两种载流 子的运动,所以又称为双极型晶体管。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/晶体管的放大作用 9 四. 特性曲线 1. 输入特性曲线 ? 集一射极电压 UCE 为常数时, 输入电路(基极电路)中基极电 流 IB 与基—射极电压UBE 之间 的关系曲线,即 IB=f (UBE)| U CE=常数 3DG6的输入特性 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线 10 2. 输出特性曲线 ? 当基极电流 IB 为常数时,输出电路(集电 极电路)中集电极电流 IC 与集一射极电压 UCE 之间的关系曲线,即 IC=f (UCE)| I B=常数 1)三个基本区 (1)放大区(UCE >UBE ≥ (0.7或0.3)) ; (2)截止区 ( IB ≤ 0 ,UBE ≤ 0 , UCE > 0) ; (3)饱和区( UCE < UBE )。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线 11 3.晶体管特性曲线 3DG6的输入特性 3DG6的输出特性 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线 12 4.晶体管输出回路电阻 a) 静态电阻 RCE ? UCE IC b) 动态电阻 rce ? ?U CE ?I C rce>>RCE 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/特性曲线 13 五.主要参数 1.电流放大系数 1)共射极直流电流放大系数β 在静态(无输入信号)时 β ? IC 称为共射极直流放大系数。 IB 2)交流电流放大系数β 集电极电流的变化量△IC 与基极电流的变 化量△IB 的比值。 ?在放大β区?工△△作IICB时,UC常E ?常有数β?≈ ic ib β UCE ?常数 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/主要参数 14 2 . 集电极最大允许电流 ICM 集电极电流 IC 超过一定值时,晶体管的β值 要下降。当β 值下降到正常数值的三分之二时的 集电极电流 IC ,称为集电极最大允许电流 ICM 。 3.集—射极反向击穿电压 U(BR)CEO IB= 0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。当晶体管的集— 射极电压 U(BR)CEO 。 注:当UCE > U(BR)CEO 时,晶体管会被击穿。 4.集电极最大允许功率损耗 PCM PCM允许在集电极上消耗功率的最大值。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管/主要参数 15 六. 温度对参数的影响 一般温度对所有参数都影响,但影响最 显著的是 : 1. ICBO集电极与基极间的反向饱和电流 T ↑ (10°C ) → ICBO ↑ (约一倍); 2. β :T ↑(1°C ) → β↑( 1 % ); 3. UBE : T ↑ (1°C ) → UBE↑ ( 约2mV)。 IC↑ 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管 16 2. 2 共射极基本放大电路 基本要求: ? 理解组成基本放大电路各元件的作用 ? 掌握放大电路组成原则 ? 掌握直流通路和交流通路的画法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路 17 一. 放大电路的组成 第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成 18 1. 各元件的作用 T : 放大元件,在线性区。 UCC :作为放大电路直流工作 电源:与RC一起保证集电结 反向偏置。 RB :基极偏置电阻,与UCC共同提供适当的基极电流 IB(偏流),以使放大电路获得合适的工作点。 C1、C2 :用以耦合交流,隔断直流,通常称为耦合 电容器。 RC :为集电极负载电阻,将集电极电流的变化变换 为电压UCE的变化,以实现电压放大。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成 19 2. 放大电路组成的原则 1). 晶体管必须工作在放大区,即 NPN管:UC > UB ,由RC、UCC保证, UB > UE,由RB、UCC保证; PN P管: UC < UB < UE (与NPN管原理 同,电源和电容极性相反) ; 2). 信号能输入(C1),即u i 能使 i B 变化; 3). 信号能输出(C2),即 i C 变化产生 u o 输出。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成 20 例1:在晶体管放大电路中,测的得3个晶体管的各 级电位如图所示。试判断其极性(E 、B、C) 和类型(NPN、PNP、硅、锗) 解:(a) NPN (b) PNP (c) PNP ,硅 ,硅 ,锗 , 1 E , 2 B , 3 C; ,1 C ,2 B ,3 E; ,1 C ,2 E ,3 B; 第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路/电路组成 21 二. 直流通路和交流通路 直流通路(C开路) 直流分析:IB、IC、UCE 交流通路 ( C短路,UCC对地短路。) 交流分析:Aus、ri、ro 第二章 晶体管及基本放大电路/2.2 共射极基本放大电路 22 2. 3 放大电路的静态(直流)分析 ? 内容: 放大电路的直流分析是指:当ui=0,为保证 晶体管工作在放大区,确定放大电路的直流 值(静态值),即I B 、 I C 、UCE ,又称静态 工作点,简称Q点, Q点可通过公式估算或通 过作图求出 。 ? 任务: 掌握Q点估算的方法。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态(直流)分析 23 解析法确定Q点 ? 根据直流通路计算, UBE、β为已知。 IC=?IB UC=UCC - ICRC ? 硅管 UBE=0.6V~0.7V, ? 锗管 UBE=0.1V~0.2V, 直流通路 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态(直流)分析 24 例1. 在图所示的放大电路中,已知UCC=12V,RC= 3kΩ,RB=280kΩ ,β=50。求静态值。 IB ? UCC ? U BE RB ? 12 ? 0.7 280 ? 103 A ? 40?A IC=βIB=50×0.04=2mA UCE=UCC-IC RC =12 - 2×3=6V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态(直流)分析 25 例2:判断图中各晶体管的工作状态(饱和,放大, 截止)。设所有的二极管和晶体管均为硅管, β=40。 解: (a) 截止 , (b) 饱和 , (c) 放大 , 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 静态(直流)分析 26 2. 4 放大电路的动态分析 ? 动态:当放大电路的输入信号ui ≠0 时 的工作状态。 ? 任务:分析信号(交流分量)的传输 情况 ,掌握放大倍数 A u 、 输入电阻 ri 和输出电阻ro的计算方法。 ? 方法:微变等效电路法、图解法。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析 27 一. 微变等效电路 ? 表述: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,也就是把晶体管线性化, 等效为一个线性元件。这就是微变等效电路法。 ? 线性化的条件:晶体管在小信号(微变量)情况 下工作,才能在静态工作点附近的小范围内用 直线段近似地代替晶体管的特性曲线。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路 28 1. 晶体管的微变等效电路 1)输入回路 rbe ? ?U BE ?I B ube ? UCE ?常数 ib UCE ?常数 ? ube ? rbe ? ib 其中: rbe ? 300 ? (1 ? ?) 26(m V) I E (m A) 在线性工作区,当UCE 为常 数时,晶体管输入端BE等效为一 个电阻 rbe。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路 29 2) 输出回路 ? a) 在线性工作区,当 UCE 为常数时,晶体管 输出端CE可等效为一 个受控电流源 ic=βib。 ? b) 当IB 为常数时, UCE 的变化量△UCE 与 I C 的变化量△ IC 之比, 称为晶体管的输出电阻 r ce ,在Q点附近, r ce 为常数,即受控电流源 内阻 rce ? ?U CE ?IC IB ?常数 ? uce ic IB ?常数 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路 30 3)晶体管的微变等效电路图 r ce>> R c 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路 31 2. 放大电路的微变等效电路 ? 表述:将放大电路交流通路中的晶体管变换为 微变等效电路就构成放大电路的微变等效电路 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路 32 二. 放大电路的基本性能指标 1.电压放大倍数 放大电路的输出电压与输入电压幅值或有 效值之比,称为放大电路的电压放大倍数。 表达式: 2. 输入电阻ri Au ? Uo Ui ri ? Ui Ii 3. 输出电阻ro Uo r ? o Us ?0,RL ?? Io Aus ? Uo Us 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析 33 三. 分析举例 1).电压放大倍数 U? O ? ??I?b R?L R?L ? RC ? RL RC ? RL U? i ? I?b ? rbe A? u ? U? o U? i ?? ????RR?L I?L?b r rbrebIi?e' b Au的特点:UO与Ui的相位相反;|Au|>1。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/微变等效电路 34 2)输入电阻ri I?i ? U? i RB ? I?b ? U? i ? U? i RB rbe ri ? U? i I?i ? RB // rbe rbe ? U? i I?b ? r? ? 当RB >> rbe 时,ri≈ r be 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例 35 讨论: ? 当信号源为电压源时,若ri 很小,则有: ? 1) 将从信号源取用较大的电流,从而增加信号 源的负担; ? 2) 经过信号源内阻Rs和ri 的分压,使实际加到放 大电路的输入电压ui 减小,从而减小输出电压; ? 3) 后级放大电路的输入电阻,就是前级放大电 路的负载电阻,从而将会降低前级放大电路的电 压放大倍数。 ? 结论:希望放大电路的输入电阻ri 大。 ? 电流放大时,希望ri要低。 ? 功率放大时,希望ri=rs 。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例 36 3)输出电阻 ro 根据定义 ro ? U? O I?O U? i ?0 ? ∵ Ui=0,Ib=0 ? ∴βIb=0,ro = UO / IO=RC ? 讨论:若ro 较小,当负载变化时.输出电压 的变化较小,放大电路带负载的能力较强。 ? 结论:希望放大电路的输出电阻ro 小。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例 37 4)源电压放大倍数 A? us ? U? o U? s ? U? i U? s U? o U? i Rs + ? A? u U? i U? s Us- ? ri Rs ? ri A? u 考虑信号源内阻,放大倍数将下降。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/分析举例 38 四.图解分析法 ?由于 ui ≠ 0 ,整个放大电 路既有直流信号,又有交 流信号,即 iB=IBQ+ib、 iC=ICQ+ic 、uCE=UCEQ+uce。 ?若只考虑交流信号,由交 流通路有: ?ic= -1/RL’×uce,RL′=RC //RL称为交流负载。 基本放大器交流通路 ? iC= -1/RL′(UCE- uCE )+ ICQ称为交流负载线,其 特点:斜率为-1/RL′,过静态工作点Q。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/图解分析法 39 动态图解分析过程 ① ② ④ ③ ①信入的②画上输变A③输的特号iu,于出化将出变根根B ?性u根输特求交波特化据据i,上U据出性流iU形性求i输C在B绘特 上负ioi在;m上um入B输在C出性 的载E 第二章 晶体管及基本放大电路/2.4 动态分析/图解分析法 40 2.5 射极偏置放大电路 ? 射极偏置放大电路为稳定静态工作点而设置。 ? 温度对静态工作点的影响主要表现在晶体管的参 数(β 、 ICBO、 uBE )上,若静态工作点与晶体管 的参数基本无关,静态工作就能稳定。 ? 如果T ↑ →IC ↑ 时,若使IB ↓,就能使IC ↓,Q 点基本不变,所以从IB着手。 任务: ? 理解放大电路稳定静态工作点的原理。 ? 掌握静态计算和动态计算方法。 ? 总结射极偏置放大电路的特点。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路 41 一. 射极偏置电路的结构 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路 42 二.偏置电路的分析 1. 静态工作分析 I 1= I 2 + IB ; 若使 :I 2 >>I B ----(1) 则: I 1 ≈ I 2 直 流 通 ?U B ? RB 2 RB1 ? RB2 ?UCC (2) 路 UB与晶体管参数无关。 若使:UB>>UBE (3),且: I C >>I B 则:IC ? IE ? U B ? U BE RE ? UB (4) RE IC与T的参数无关 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路 43 2. 静态工作点Q的估算式 当满足式(1)和式(3)条件,则 UB ? RB 2 RB1 ? RB2 U CC IC ? IE ? U B ? U BE RE ? UB RE IB ? IC ? UCE ? UCC ? IC (RC ? RE ) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 44 3. 稳定静态工作点的物理过程: 温度升高 IC UE IC IB UBE 4. 稳定静态工作点的实质: 由于IC的变化通过IE 在RE 上引起电压降 (UE=IE RE )的变化,而后UE被引回(就是反馈) 到输入电路与UB比较,使UBE发生变化,牵制IC 的变化。这就是利用反馈法稳定静态工作点。电 路中引入的反馈为电流负反馈。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 45 2.动态分析(根据微变等效电路图) U? i ? I?b ? rbe U?O ? ?I?C (RC // RL ) ? ?I?C R?L ri ? ? A? u U? i I?i ? U? O U? i ? ?? R?L rbe ? RB1 // RB2 // rbe ? rbe ro ? U? O I?O U? i ?0 ? RC 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 46 提问:若在RE两端未并CE,如图所示,试 分析电路。 ? 1 ). 静态分析 ? ∵ 直流通路没 变,∴静态工 作点不受影响。 射极偏置放大电路 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 47 2 ) Au 的计算 R?L ? RC ? RL RC ? RL A? u ? U? o U? i ? ? ?I?b R?L I?b ?rbe ? (1? ?)RE ? 微变等效电路 ? ? ?R?L ri ' ri' ? rbe ? (1? ?)RE 放大倍数 显著减小 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 48 3). ri 、ro 的计算 ri? ? U? i I?b ? I?b ? rbe ? I?E I?b ? RE ? rbe ? (1? ? )RE ?ri ? ri?// RB1 // RB2 ?U? i ? 0时,有 I?b ? 0,则I?c ? 0 ro ? U? O I?O U? i ?0 ? RC 输入电阻增大 输出电 阻不变 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 49 例题:电路如图所示,试计算: 1) 静态工作点;2) 画 出微变等效电路;3) 求ri 、ro 、Au、Aus 。 放大电路图 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 50 ? 1) 静态工作点的计算 UB ? RB 2 RB1 ? RB2 ? U CC ? 10 ?103 (20 ?10) ?103 ?12 ? 4V IC ? IE ? U B ? U BE RE1 ? RE 2 4 ? 0.6 ?(0.2 ?1.8)?103 ? 1.7mA IB ? IC ? ? 42.5?A 例题直流通路 UCE ? UCC ? IC (RC ? RE1 ? RE2 ) ? 5.2V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 51 ? 2) 微变等效电路 ? 3) ri 、ro 、Au、Aus 的计算 rbe ? 300? ? (1 ? ? ) 26mV IE (mA)? 927? ? ? ?ri ? RB1 // RB2 // rbe ? (1? ? )RE1 ≈3.85kΩ ro ? RC ? 2k? 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 52 ? R?L ? RC // RL ? 2k? // 6k? ?1.5k? ? A? u ? ? rbe ?R?L ? (1? ? )RE1 ? ? 40 ?1.5?103 (0.927 ? 41? 0.2) ?103 ? ?6.57 ? A? us ? U? O U? S ? U? O U? i ? U? i U? S ? A?us ? A?u ri RS ? ri ? ?6.57 ? 3.85 ?103 (0.6 ? 3.85) ?103 ? ?5.68 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路/ 电路的分析 53 2.6 射极输出器 射极输出器是共集电极放大电路, 由发射极输出,故称为射极输出器。 任务: ? 掌握共集电极放大电路的分析计算。 ? 理解共集电极放大电路的三个特点。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 54 一. 静态分析 ? UCC=RBIB+ UBE + RE IE ? =RBIB+ UBE + (1+β) ? RE IB ? IB = (UCC - UBE ) / ? (RB+(1+β) RE ) ) ? IC = β IB ? UCE= UCC - RE IE 共c极放大电路图 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 55 二. 动态分析 ? ① 电压放大倍数 U? i ? I?b ? rbe ? I?e (RE // RL ) ? I?b?rbe ? (1? ? )RL? ? (R?L ? RE // RL ) U?O ? I?E RL? ? (1? ? )I?bRL? 微变等效电路 ? A?u ? U? O U? i ? (1? ? )RL? rbe ? (1? ? )RL? ?1 输入和输出电压 相位相同 数值近似相等 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 56 ? ② ri 的计算 I?i ? U? i RB ? I?b U? i ? I?b ? rbe ? I?e R?L ? I?b ?rbe ? (1? ? )R?L ?? r?I?b ? I?i ? U? i RB ? U? i r? 则 :ri ? U? i I?i ? RB // r? 射极输出器的输入电 阻r’较大,可作为多 级放大器的输入级。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器/ 动态分析 57 ?I?O③?rURo? OE的? 计(1?算?:)I?b ? U? O ? U? O RE rbe /(1 ? ? ) ? U? O ? U? O RE r0? ? ro ? U? O I?O U? i ?0 ? RE //( rbe 1? ? ) 射极输出器的输出电 阻r0较小,可作为多 级放大器的输出级。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器/ 动态分析 58 三. 主要特点 Au ≈1,即 uo≈ui ,具有跟随作用,故 称射极跟随器,可作为多级放大器的缓冲级 (中间级); 具有较高的输入电阻,可作为多级放大 器的输入级; ri ? RB //?rbe ? (1? ? )RL? ? 具有较小的输出电阻,有较强的带负载能力, 可作为多级放大器的输出级; ro ? RE //( rbe 1? ? ) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 59 ? 例题:在射极输出器中,UCC=12V,β=60, RB=200kΩ, RE= 2kΩ, RL = 2kΩ, UBE=0.6V . 试求1)静态值;2) Au 、ri 、ro 。 解:1)计算静态值; IB ? UCC ?U BE RB ? (1? ? )RE ? 12 ? 0.6 ?200 ? (1? 60)? 2??103 ? 35?A IC ? ? ? IB ? 60?35?10?3 ? 2.1mA IE ? (1? ? )IB ? 61?35?10?3 ? 2.14mA UCE ? UCC ? IE RE ? 7.72V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 60 2)?RL? ? RE // RL ?1k? rbe ? 300 ? (1 ? ?) 26(mA) IE (mA) ? 300 ? (1? 60)? 26 ? 1.04k? 2.14 ? A?u ? (1? ? )RL? rbe ? (1? ? )RL? ? 61?1?103 (1.04 ? 61?1)?103 ? 0.98 ?1 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 61 ri ? RB //?rbe ? (1? ?)R?L ? 200? (1.04 ? 61?1)?106 ? ?200 ? (1.04? 61?1??103 ? 47.35k? ro ? RE // rbe ? ? 0.0172k? ? 17.2? ? 通过上述计算结果,说明Au ≈1, ri 较 高、 ro 很低。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 62 交流放大电路汇总 a ? 静态计算 IB=(UCC-UBE)/RB IC=β IB UCE= UCC- RC IC b c UB=UCCRB/(RB1+RB) IC≈IE=(UB - UBE )/RE IB= IC /β UCE= UCC- (RC+ RE )IC IB=(UCC-UBE)/ (RB+(1+ β) RE ) IC=β IB UCE= UCC- RE IE 第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总 63 ? 动态计算 rbe=300+(1+ β) ×26÷IE a: RB 1断开,RE=0 RL′= RC // RL Au=- βRL′/rbe ri=RB //rbe ro=RC b: RL′= RC //RL ri ′=rbe+(1+ β) RE A//u=R-Bβ1R/L/′/rir′i ′ ri=RB ro=RC b ′: 有 CE RL′= RC //RL Au=- βRL′/rbe ri=RB // RB 1// ro=RC rbe + RL U O- c :RB1断开 RL′= RE // RL ri ′=rbe+(1+ β) RL′ Au= (1+ β) RL′/ri ′ ri=RB //ri ′ ro=RE // rbe/ (1+ β) 第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总 64 ? 电路特点 基本放大电路 ? 电路简单,电压放大倍数较高,输入电阻较小, 工作点不稳定。 射极偏置放大电路 ? 能稳定工作点,输入电阻较大,电压放大倍数较 小。 射极输出器 ? 能稳定工作点,输入电阻较大,电压放大倍数近 似为1,输出电阻较小,具有足够的电流放大作 用。 第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总 65 2.7 多级放大电路 一. 多级放大电路组成 信号源 输入级 电压放大 中间级 负载 输出级 末前级 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 66 1. 要求 1) 输入级主要要求具有足够高的 输入阻抗(信号源为电压源),可 使实际加到输入级的输入电压增大; 2) 对中间级主要要求具有足够大 的电压放大倍数; 3) 对末前级和输出级要求具有足 够的功率输出去推动负载。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 67 2. 级间耦合方式 耦合:在多级放大电路中,每两个单级 放大电路之间的联接方式称为耦合; 耦合方式: 1). 阻容耦合:两级之间通过耦合电容 C 2及下级输入电阻R 联接的方式。 特点:各级静态工作点互不影响,只适 合交流放大。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 68 2). 直接耦合:将前级输出端直接接到后 级的输入端或级与级之间直接联接的方式。 特点:适合交直流放大,但各级静态工作 点相互影响,并带来零点漂移。 3).变压器耦合:前级输出信号通过变压 器传递到后级输入端的方式。 特点:能实现阻抗匹配,信号隔离,适合 与交流功率放大电路,但体积大,频率特 性差。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 69 二. 阻容耦合放大电路的分析 以两级阻容耦合放大电路为例。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 70 1. 各级静态分析 第一级: U B1 ? RB 21 RB11 ? RB21 ? U CC IC1 ? I E1 ? U B1 ? U BE1 RE1 ? U B1 RE1 I B1 ? IC1 ?1 UCE1 ? UCC ? IC1(RC1 ? RE1) rbe1 ? 300 ? (1 ? ?1) 26 mV I E1(mA) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 71 第二级: UB2 ? RB 22 RB12 ? RB22 ? U CC IC2 ? IE2 ? U B2 ? U BE 2 RE 2 ? UB2 RE 2 IB2 ? IC2 ?2 UCE 2 ? UCC ? IC 2 (RC 2 ? RE 2 ) rbe2 ? 300 ? (1 ? ?2) 26 mV I E2 (mA) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 72 2.各级动态计算 两级阻容耦合放大电路的微变等效电路 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 73 1)电压放大倍数Au 的计算 A? u ? U? O U? i ? U? O2 U? i2 ? U? i2 U? i1 ? U? O2 U? i2 ? U? O1 U? i1 则:A? u ? A? u1 ? A? u2 n级则有: A? u ? A? u1A? u2 A? u3 ? ? ? A? un ? A? u1 ? ? ?1R?L1 rbe1 ? A? u ? A? u1A? u2 ? ?1? 2 A? u2 ? ( RC1 ? // ? 2 R?L2 rbe 2 ri2 )( RC 2 rbe1 ? rbe2 // RL ) R?L1 ? RC1 // ri2 ri2 ? RB12 // RB22 // rbe2 R?L2 ? RC 2 // RL 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 74 2) 输入电阻ri 、输出电阻ro 的计算 ri ? ri1 ? RB11 // RB21 // rbe1 ? rbe1 ro ? ro2 ? RC 2 意注:阻容耦合不适用于传递缓慢变化的信 号或直流变化的信号。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 75 例: 在图示中,已知电路参数和β1、β2、rbe1、 rbe2,试计算 (1)各级输入电阻ri1、ri2和总输入电阻ri; (2)各级输出电阻ro1、ro2和总输出电阻ro; (3)各级电压放大倍数、和总电压放大倍数。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 76 解:第一级为射极跟随器,第二级为射极偏置电路, 微变等效电路如图 1)ri=ri1=Rb // r’i1 r’i1 = rbe1+(1+β1) R’L1 R’L1 = Re1 //ri2 ri2= Rb12 // Rb22 // rbe2 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 77 2)ro1=( rbe1 /(1+β1)) // Re1 ro2 = Rc2 3) R’L = Rc2// RL A? u1 ? U? o1 U?i ? (1 ? ?1 )R?L1 rbe1 ? (1 ? ?1 )R?L1 A? u2 ? ?? 2 R?L rbe 2 A? u ? A? u1A? u2 A? us ? ri A? u Rs ? ri 第二章 晶体管及基本放大电路/2.7 多级放大电路 78 2.8 功率放大电路 一. 功率放大电路的要求 (1)输出功率尽可能大。 (2)负载得到的有用信号功率和电源供给的直流 功率的比值,即效率尽可能高。 (3) 失真尽可能小。 (4) 要有散热和保护保护措施。 (5)由于功放管是在大信号下工作,一般只能采 用图解分析法。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 79 二. 功率放大电路的工作方式 ⑴甲类工作方式: Q点设置在负载线的中 点,管子的导通角为 360°,输出波形失真小, 但静态管子功耗大,效 率低。 ⑵乙类工作方式: 管子的导通角为180°, 效率最高。输出波形失 真严重。 ⑶甲乙类工作方式: 管子的导通角大于180°, 效率较高,输出波形失 真较严重。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 甲类 乙类 甲乙 80 三. 互补对称功率放大电路 +Ucc +Ucc T1 + ui - T2 iC1 RL iC2 + uo - + ui - iC1 T1 iO + T2 + RL uo + ui iC2 - RL uo - - -Ucc -Ucc (a) (b) (c) ?1. 工作原理 ?静态时,基极回路没有偏流, T1、T2截止,uo为0。 ?(ui=正iL半)周从,上T至1导下通流,过T负2截载止R,L ,等u效o>电0路;如图(b)所示,电流ic ?( Tu2i轮=负流i半L)导周从通,下,T至1在截上负止流载,过RTL负2上导载合通R成,L,一等u个效o<完电0整,路的在如波u图i的形(一。c)个所周示期,中电,流Ti1c、 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 81 2. 主要指标计算 利用互补对称电路图解法进行分析计算。 iC iC ib iC iC 对应iC负半周 Iom uCE Q 0 Q 00 UCES Uom uCE 0 t uCE t 对应iC正半周 ? 静态工作点UCE=UCC,输出电压有效值Uo和输出电 流有效值Io,最大输出电压和输出电流幅值 Uom和 Iom ,晶体管饱和导通管压降 UCES。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 82 ⑴输出平均功率Po Po ? UoIo ? UomIom 2 ? Uom2 2R L ?当输入信号足够大,最大的输出电压和输出电流 幅值分别为 ? Uom=UCC-UCES≈UCC Iom= Uom /RL≈UCC /RL ?此时电路可能输出的最大平均功率为 Pom ? U om Iom 2 ? (U CC ? U CES )2 2RL ? U CC 2 2RL 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 83 ⑵电源提供的功率PE ?每一个电源提供的电流平均值IC(AV)为 ? ? 1 IC( AV ) ? 2? ? 0 Iom sin ?td?t ? 1 2? ? Uom sin ?td?t ? Uom 0 RL ?RL ?两个电源提供的总功率为 PE ? PE1 ? PE2 ? 2UCC IC(AV) ? 2U CCU om ?RL 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 84 ⑶能量转换效率η ?电源提供的功率转换成有用功率的效率为 ? ? PO ? Uom2 / 2UCC Uom ? ?Uom PE 2R L ?R L 4U CC ? 效率与输出电压的大小Uom有关,当信号足够 大时,Uom≈UCC,此时电路效率达最大值ηmax。 ?max ? ? 4 ? 78.5% 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 85 ⑷管子耗散功率PT ? 两个管子耗散功率PT为 PT ? PE ? Po ? 2U CC U om ?R L ? U om 2 2R L ? 管耗PT与Uom有关,但并不是Uom愈大,PT愈大。 令dPT/dUom=0,可求得在Uom=2UCC/π 时,管子 功耗达极大值PTm,此时两管总功耗为 PTm ? 2U CC 2 ?2R L ? 0.4Pom ? 单管功耗 PTm1=PTm2≈0.2Pom 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 86 ⑸管子耐压指标U(BR)CEO ? 管子的耐压指标是选择管子耐压的依据。 ? 静态时,管子UCE=UCC 。 ? 有信号输入时,截止管UCE=UCC(或UEE)+导通 管Ucm。 ? 当Ucm=UCC时,截止管UCE=2UCC。 ? 所以,管子的耐压指标为U(BR)CEO>2UCC 。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 87 例:电路如图所示。UCC=20V, RL=8Ω,输入正弦信号。⑴求Pom和 ηm ,设UCES≈0。⑵当ui=10sinωtV时, 求Po和η。 解: ⑴ Pom ? UCC 2 2R L ? 20 2 2?8 ? 25W ?m ? ? 4 ? 78.5% ⑵ 由于每个管子导通时为共集电极电路,Au≈1, uo=ui=10sinωtV,Uom=10V,所以 Po ? U 2 om 2R L ? 10 2 2?8 ? 6.25W ? ? Po ? ? Uom ? 3.14 ?10 ? 39.27% PE 4 UCC 4 ? 20 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 88 3. 乙类互补对称功放存在的问题 由于管子工作在乙类状 态,当输入信号电压过零处, 管子处于截止状态,输出电 压和输入电压之间不存在线 性关系,而产生失真,这种 失真称为交越失真。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 89 4. 解决办法 ? 采用甲乙类互补对称电路 ? T为前级放大官,由D1、D2给T1T2 提供偏压,使之微导通,即电路处 于甲乙类状态。 。 ? 静态时,T1T2均有很小电流 IC1IC2 流过,由于参数对称,IC1=IC2, 输 出电流IO=IC1-IC2=0,uo=0。 ?有输入信号时,T1、T2管的电流导 通时间均略大于半个周期,而输出 电流仍为二者之差。io=ic1-ic2,使输 出波形接近正弦波,从而克服了交 越失真。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 90 2.9 放大电路的频率特性 一. 频率特性的概念 1. 中频区 ?各种电容作用可以忽略的频率范围通 常称为中频区。在中频区内,电压放大 倍数Aum基本上不随频率而变化,保持 一常数。 2. 高频区 高频区电容的作用 ?影响频率特性的主要因素是管子的极 间电容和接线电容等,当频率↑→容抗 ↓→输出电压↓ →从而使Au ↓ ,同时产生 附加的滞后相移。 3. 低频区 ?影响频率特性的主要因素是耦合电容 和射极旁路电容 低频区电容的作用 第二章 晶体管及基本放大电路/ 91 3.共发射极放大电路的频率特性曲线 (a) 幅频特性 (b) 相频特性 第二章 晶体管及基本放大电路/2.9 放大电路的频率特性 92 二. 线性失真 由于放大电路对不同频率成分的放大倍数不同,而产生的 失真称为幅频失真;同样由于放大电路对不同频率成分的相 位移不同,而产生的失真称为相频失真。无论是幅频失真还 是相频失真,都是由线性电抗元件引起的,故这种失真称为 线性失真,在输出波形中不产生新的频率成分 。 幅 相 频 频 失 失 真 真 第二章 晶体管及基本放大电路/2.9 放大电路的频率特性 93 三. 晶体管的频率参数 1. 共射极截止频率fβ 晶体管共发射极放大电路的电流放大系数β是也频率的函数。 中、低频时,β= β0是常数;当频率升高时,由于管子内部 的电容效应,其放大作用下降,将β幅值下降到0·707β0时的 频率定义为的截止频率fβ 。 2. 特征频率 将β幅频特性下降到1时的频率定义为的特征频率fT 。通常 3. 共fT/基fβ>射>极1,截由止幅频频率特性可以得到fT与fβ的近似关系: fT≈β0 fβ 电流放大系数α也是频率的函数,当频率升高时,α的幅值下 降到0·707α0时的频率定义为的截止频率fα 。 ? 上述三个频率参数的关系为fα>fT> fβ,共基极放大电路的频率 特性要比共发射极放大电路的频率特性好的多。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.9 放大电路的频率特性 94 小结 1.晶体管是一种电流控制器件,用改变基极电流可以控制 集电极电流。它有三个极分别称为发射极e、基极b和集 电极c。根据结构的不同可分为NPN和PNP两种类型,根 据材料的不同又可分为硅晶体管和锗晶体管。 2.晶体管在电路中有共射、共集和共基三种组态。 3.晶体管的电流放大系数是它的主要参数,按电路组态的 不同有共射极电流放大系数β和共基极电流放大系数α之 分。 4.描述晶体管性能的有输入特性和输出特性,我们均称之 为伏-安特性。从输出特性上可以将晶体管分为放大区、 饱和区和截止区。 5. 放大电路的分析方法有图解法和微变等效电路法。 第二章 晶体管及基本放大电路 95 小结 6.放大电路工作点不稳定的原因,主要是由于温度的影响。 常用的稳定工作点的电路有射极偏置电路等,它是利用 反馈原理来实现的。 7.在多级放大电路的分析中,对于阻容耦合,各级静态工 作点是独立的,互不影响,因此,各级静态工作点可单 独计算。而各级间的输入电阻和输出电阻将分别影响前 级的负载和后级的输入电阻,因此,计算多级放大电路 的总增益时,应注意各级间的相互影响。 8.功率放大器的特点是:输出功率大,效率成为主要性能 指标,仅适用于图解法。 9.放大电路可以分为甲类、乙类和甲乙类三种工作方式, 功率放大器常工作在甲乙类三种工作方式。 10.将放大电路的电压放大倍数Au和相角φ作为频率的函数, 这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。 第二章 晶体管及基本放大电路 96