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 要求: 半导体晶体管 ? 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 晶体管的结构及类型 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型。 二氧化硅 e b N 发射区 e b N 发射区 P 基区 N 集电区 P 集电区 P c 基区 c (a)平面型(NPN) 三极管的结构 e 发射 极,b基 极,c 集电极。 (b)合金型(PNP) 3 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 集电极 c 集电区 N 基极 b 集电结 基区 发射结 b c P N 发射区 符号 发射极 e 图 三极管结构示意图和符号 NPN 型 e 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 4 集电极 c 集电区 P N 基极 b N 集电结 c N P 基区 发射结 b 发射区 发射极 e e 符号 三极管结构示意图和符号 (b)PNP 型 5 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 二. 分类 1)按材料分 2)按结构分 硅管 锗管 NPN型 PNP型 高频管 低频管 大功率管 小功率管 对应型号 3A(锗PNP ) 3B (锗NPN ) 3C (硅PNP ) 3D (硅NPN ) 3)按频率分 4)按功率分 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 6 三 晶体管的电流放大作用 以 NPN 型三极管为例讨论 c N b c 三极管若实 现放大,必须从 三极管内部结构 和外部所加电源 的极性来保证。 表面看 P N b 不具备 放大作用 e e 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 7 c N b P P N N 三极管内部结构要求: 1. 发射区高掺杂。 2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米,而且掺杂较 少。 3. 集电结面积大。 e 三极管放大的外部条件:外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态,而集电结处于反向偏置状态。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 8 即在满足内部结构要求的前提下,三极管要 实现放大,必须连接成如下形式: 三极管在工作时 要加上适当的直 流偏置电压。 ?发射结正偏: 由VBB保证 ?集电结反偏: 由VCC、 VBB保证 VCB=VCE - VBE > 0 + VCB b- Rb VBB + VBE - c c区 b区 e区 e N + Rc Jc P JeVCE N - VCC 例:共发射极接法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 9 1 晶体管内部载流子的运动 三极管内部载流子运动分为三个过程: (1)发射区向基区注入 电子,从而形成发 c N b IEN IEP 射极电流IE。 Rb Rc Jc P Je N VCC VBB e 例:共发射极接法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 10 三极管内部载流子运动分为三个过程: (1)发射区向基区注入 电子,从而形成发 c N b IEN 射极电流IE。 Rb Rc Jc P Je IEP N ≈IEN VCC VBB e IE =IEN+IEP 例:共发射极接法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 11 三极管内部载流子运动分为三个过 程: (1)发射区向基区注入电子,从 而形成发射极电流IE。 c N IB ≈IBN 复合 IBN b IEN (2)在基区中 ①电子继续向集电 结扩散; ②少数电子与基区 空穴相复合,形成 IB电流。 Rc Rb Jc P Je IEP N IE VCC VBB e 例:共发射极接法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 12 三极管内部载流子运动分为三个过程: (1)发射区向基区注入电子,从 而形成发射极电流IE。 (2)在基区中 ①电子继续向集电结扩散; ②少数电子与基区空穴相复 合,形成IB电流。 c IB IC ≈ICN ICN N Rc Rb IBN b IEN (3)集电区收集大部 分的电子,形成IC 电流。 VBB e Jc P Je N IEP VCC IE 例:共发射极接法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 13 三极管内部载流子运动分为三个过程: (1)发射区向基区注入电子,从 而形成发射极电流IE。 (2)在基区中 ①电子继续向集电结扩散; ②少数电子与基区空穴相复 合,形成IB电流。 (3)集电区收集大部分的电子, 形成IC电流。 c ICBO IB IC ICN N Rc Rb IBN b IEN Jc P Je N IEP VCC 另外,集电区的少子形 VBB e IE 成反向饱和电流ICBO 例:共发射极接法 14 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 2、晶体管的电流分配关系 实际上: 由KCL,有: c ICBO IB IC ICN I E ? I EN ? I EP ? I CN ? I BN ? I EP N Rc I C ? I CN ? I CBO I B ? I BN ? I EP ? I CBO ? I ? ? I CBO Rb IBN b IEN Jc P Je N IEP VCC VBB e IE 例:共发射极接法 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 15 将三极管看成一个广义的节点(如下图),有: IC c ICBO IE=IC+IB IC IB IE 可简化为 N IB Rc Rb bIBN IEN Jc P Je N IEP VCC VBB e IE 例:共发射极接法 16 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 2.共射极晶体管的电流放大倍数: 直流放大系数 IC ? ? ? I B 交流放大系数 I E ? (1 ? ?) ? I B ic I ?? ? △I B ib △ C 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 17 四 . 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 IE IB IC IB (共基极) (共发射极) (共集电极) 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管 18 五 晶体管的共射特性曲线 一. 输入特性曲线 简单地看,输入特性曲线类似于发射结的 伏安特性曲线,即讨论iB与vBE之间的函数关系。 因为有集电结电压的影响,它与一个单独的PN 结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响, 在讨论输入特性曲线时,应使vCE=常数。 vCE的影响,可以用三极管的内部反馈作 用解释,即vCE对iB的影响。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 19 分三部分: ① 死区 ② 非线性区 ③ 线性区 记住: ③ ①当vCE>1时, 各条特性曲线 基本重合。 ②当vCE增大时 特性曲线相应 的右移。 ② vBE /V iB /μA vCE =1V vCE =0V 25℃ vCE >1V ① 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 共射接法的输入特性曲线 20 2 输出特性曲线 它是以iB为参变量的一族特性曲线。 iC=f(uCE)? IB=const iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA 25℃ 共射接法的输出特性曲线 vCE/V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 21 现以iB=40uA一条加以说明: (1)当vCE=0V时,因集电极无收集作用,iC=0。 (2)当vCE稍增大时,发射结虽处于正向电压之下, 但集电结反偏电压很小,如: vCE<1V vBE=0.7V vCB= vCE-vBE≤0.7V 集电区收集电子的 能力很弱,iC主要由 vCE决定:vCE↑→ic↑ iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA 25℃ vCE /V 22 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 现以iB=40uA一条加以说明: (3)当uCE增加到使集电结反偏电压较大时,如: vCE≥1V vCB≥0.7V 运动到集电结的电子基本上都可以被集电区 收集,此后vCE 再 增加,电流也没有 iC /mA 明显得增加,特性 =80μA =60μA =40μA =20μA 曲线进入与vCE轴 基本平行的区域。 同理,可作出iB= 其他值的曲线。 25℃ vCE /V 23 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 输出特性曲线可以划分为三个区域: 饱和区——iC受vCE显著控制的区域,该区域内 vCE的数值较小,一般vCE<0.7V(硅管)。此时 Je正偏,Jc正偏或反偏电压很小。 iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 25℃ vCE /V 24 输出特性曲线可以划分为三个区域: 饱和区——iC受vCE显著控制的区域,该区域内vCE的数值较 小,一般vCE<0.7V(硅管)。此时Je正偏,Jc正偏或反偏电 压很小。 截止区——iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的 下方。此时Je反偏,Jc反偏。 iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 25℃ vCE /V 25 输出特性曲线可以划分为三个区域: 饱和区——iC受vCE显著控制的区域,该区域内vCE的数值较 小,一般vCE<0.7V(硅管)。此时Je正偏,Jc正偏或反偏电 压很小。 截止区——iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。此时 Je反偏,Jc反偏。 放大区——iC平行于 vCE轴的区域,曲线 基本平行等距。 此 时Je正偏,Jc反偏。 iC /mA 模电着重讨 论的就是该 放大区!=80μA =60μA =40μA =20μA 电压大于0.7V左右 (硅管)。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 25℃ vCE /V 26 iC /mA 当vCE大于一定的数值时, IC只与IB有关,满足IC=βIB 关系,该区域称为线性区 =80μA (即放大区)。 =60μA =40μA =20μA 25℃ vCE /V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 27 晶体管输出回路电阻 a) 静态电阻 U CE RCE ? IC b) 动态电阻 U CE rce ? ?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 28 六.晶体管的主要参数 1.电流放大系数 1)共射极直流电流放大系数β I 在静态(无输入信号)时 β ? C IB 称为共射极直流放大系数。 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。 ?在放大区工作时,常有 β≈ β I β? △IB △ C U CE ?常数 ic ? ib U CE ?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 29 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。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 30 七. 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)。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.1 半导体晶体管 31 重点:晶体管电路的基本问题和分析方 三种工作状态 判断导通还是截止: 法 以 NPN为 例: UBE > U(th) 则导通 UBE < U(th) 则截止 状态 放大 饱和 临界 截止 电流关系 条 件 发射结正偏 集电结反偏 两个结正偏 集电结零偏 两个结反偏 I C = ? IB I C ? ? IB ICS = ? IBS IB < 0, IC = 0 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 32 判断饱和还是放大: 1. 电位判别法 NPN 管 UC > UB > UE UE < UC < UB 放大 饱和 放大 饱和 PNP 管 2. 电流判别法 UC ? UB < UE UE > UC > U B 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 33 重点:三极管工作状态的判断 [例1]:测量某NPN型BJT各电极对地的电压值如下, 试判别管子工作在什么区域? 原则: (1) VC =3V (2) VC =5V (3) VC =3.4V VB =0.7V VB =0V VB =4V VE =0V VE =3V VE =3.3V 截止 反偏 反偏 放大 正偏 反偏 饱和 正偏 正偏 发射结 集电结 解: 对NPN管而言,放大时VC > VB > VE 对PNP管而言,放大时VC < VB 0, UBC<0,即UC > UB > UE 。 PNP管 UBE<0, UBC<0,即UC < UB < UE 。 (1)U1 b、U2 e、U3 c NPN 硅 (2)U1 b、U2 e、U3 c NPN 锗 (3)U1 c、U2 b、U3 e PNP 硅 (4)U1 c、U2 b、U3 e PNP 锗 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 36 在晶体管放大电路中,测的得3个晶体管的各 习题1: 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; 37 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 习题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 38 复习 1.BJT放大电路三个 电流关系 ? 2.BJT的输入、输出特性曲线? 3.BJT工作状态如何判断? IE =IC+IB IC ? ? IB I E ? 1 ? ?)I B ( uCE = 0V uCE ? 1V uBE /V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 39 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 40 放大是最基本的模拟信号处理功能。 这里的“放大”是指把微小的、微弱的电信号 的幅度不失真的进行放大。 所谓“不失真”:就是一个微弱的电信号通过 放大器后,输出电压或电流的幅度得到了放大, 但它随时间变化的规律不能变。 放大的本质:是实现能量的控制和转换。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 41 2.2.1 放大电路的组成原理 T:NPN 型三极管,为放大电 路核心元件; 输入回路:发射极正向偏置 输出回路:集电极反向偏置 RB :基极偏置电阻,与EB共同提供 适当的基极电流IB(偏流), EB:基极直流电源,保证 EC:为输出信号提供能量; J以使放大电路获得合适的工作点。 正向偏置EB>Von e 为发射结提供正向偏置电 压,提供静态基极电流(静 态基流)。 RC:当 iC 通过 Rc,将电流的变化 转化为集电极电压的变化,传送 到电路的输出端; 42 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 多电源供电变为 单电源供电 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 43 2.2.2 直流通路和交流通路 直流通路:是在直流电流作用下直流电流流经的通路 1. 电容开路 2. 交流信号源短路(保留其内阻) 交流通路:是在输入信号作用下交流信号(电流)流 经的通路 1. 耦合电容对交流相当于短路 2. 无内阻的直流电源对地短路 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 44 1)直流分析 2)交流分析 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 45 分别判断下图所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。 解:(a)可能 (b)可能 (c)不能 (d)不能,T的发射结会因电流过大而损坏。 (e)可能 第二章 晶体管及基本放大电路/2.3 动态分析/微变等效电路 46 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 47 1、解析法计算输入回路 IBQ、 UBEQ。 偏置电阻 断开 Cb1 IB vi vo Cb2 断开 偏置电流 直流通路 近似估算Q点 ∵ VCC》VBE ∴输入端用恒压降模型等效,则: I BQ VCC ? VBE ? Rb VCC ? I BQ Rb ? VBE ICQ + VBE + VCEQ - VCC ? Rb (?VCC》VBE ) I CQ ? ?I BQ IBQ - VCEQ ? VCC ? I CQ RC 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。 U CC ? U BE IB ? RB 12 ? 0.7 ? A ? 40 ?A 3 280 ? 10 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 50 2.用图解法确定Q点 步骤:(1)把放大电路分成非线性和线性两 线性电路部分 个部分 (2)作出非线性部分的伏安 特性,即BJT的输出特性 ICQ + VBE IBQ - + VCEQ - 先求IBQ,仍用上 面近似估算法: I BQ VCC ? Rb 非线性电路部分 用图解法确定Q点 iC /mA =80μA =60μA =40μA =20μA 25℃ BJT共射接法的输出特性曲线 vCE/V 用图解法确定Q点 步骤:(3)作出线性部分的V-I特性——直 流负载线 线性电路部分 线性部分的电压、电流关系为: vCE ? VCC ? ic RC ICQ + VBE 为一直线 IBQ - + VCEQ - ic=0时,vCE=VCC ——M点 VCC vCE=0时,ic ? ——N点 RC 且斜率为-1/RC (4)由线性与非线性两部分V-I特性的交点确定Q点 用图解法确定Q点 N 直流负载线 Q M VCEQ ΔvCE vCE 通过图解可求得Q点各参数 图解法确定静态工作点总结 例2 :图(a)电路,已知Rb=280Ω,Rc=3kΩ,UCC=12V, 三极管的输出特性曲线如图 (b)所示,试用图解法确定静态 工作点。 2.2.3 电路参数对静态工作点的影响 Rb增大 IBQ减小。 Q点下移 Rb减小 IBQ增大。 Rc增大 N减小。 Q点左移 RC减小 N增大。 Q点右移 UCC增大 IBQ增大N增大、 M增大。 Q点平行上移 Q点上移 UCC减小 IBQ减小 N减小 、 M减小 。 Q点平行下移 U ic ? CC RC 分别改正下图所示各电路中的错误,使它们有可能放大正弦 波信号。要求保留电路原来的共射接法和耦合方式。 解: (a)将-VCC改为+VCC 。 (b)在+VCC 与基极之间 加Rb。 (c)将VBB反接,且在输入 端串联一个电阻。 (d)在VBB支路加Rb,在 -VCC与集电极之间加Rc。 2.3.1.图解法分析动态特性 1:交流负载线的作法 1)交流负载线必通过静态工作点。 2)交流负载线的斜率由R'L表示 一:共射极电路 Q点 ? RL ? RL // RC uCE ? U CEQ ? I CQ R ' L 交流波形的画出 ? 当vi=Vi sinωt时 iB o ib IB t o iC ic IC t vCE vce o VCE t vo v o vi o o t VCE t 与vi相比幅值加大且反相了 +VCC (+12V) RC Rb VBB UI 各电压、电流的波形 ui O + I C +△I C 3 T 2 U CE +△U CE t 1 I B +△I B U BE +△U BE UO iB IBQ O iC ICQ - t u BE ? U BEQ ? ube 基本共射放大电路的电压 放大作用是利用晶体管的 iB ? I BQ ? ib 电流放大作用,并依靠RC iC ? I CQ ? ic 将电流的变化转化成电压 uCE ? U CEQ 的变化来实现的。 ? u ce uCE UCEQ O uo O t t t O 2.3.2 放大电路的非线性失真 输入信号 基本共射极放大电路的波形分析 1. 由三极管特性曲线非线性引起的失真 2. 静态工作点不合适引起的失真 波形的失真: 饱和 失真 截止 失真 由于放大电路的工作点达到了三极管 的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管, 输出电压表现为底部失真。 由于放大电路的工作点达到了三极管 的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管, 输出电压表现为顶部失真。 注意:对于PNP管,由于是负电源供电,失真的表现 形式,与NPN管正好相反。 最大不失真输出电压: 最大不失真输出电压是指:当工 作状态已定的前提下,逐步增大 输入信号,三极管的状态尚未进 入截止和饱和时,输出所能获得 的最大输出电压。 U om ? min ??VCC ? U CEQ ?, ?U CEQ ? U CES ? 2 ? 放大电路要想获得大的 不失真输出幅度,要求: 工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位; 2.4 三极管微变等效电路 晶体管在小信号(微变量)情况下工作时,可以在静 态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的 特性曲线,三极管就可以等效为一个线性元件。这样就 可以将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。 研究的对象仅仅是变化量 微变等效条件 信号的变化范围很小 2.4.1. 晶体管的微变等效电路 iB c b iC 输入、输出特性如下: iB=f(vBE)? vCE=const iC=f(vCE)? iB=const 可以写成: vBE ? f ( iB , vCE ) vBE e vCE iC ? f ( iB , vCE ) BJT双口网络 1)输入回路 ?U BE rbe ? ?I B U CE ?常数 ube ? ib U CE ? 常数 ? ube ? rbe ? ib 26 (mV ) 其中 : rbe ? 300 ? (1 ? ?) I E (mA) 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。 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 r ? ?U CE ce ?I C 为常数,即受控电流源 内阻 ? uce I B ?常数 ? ic I B ?常数 3)晶体管的微变等效电路图 ? ? ib 是受控源 ,且为电流控制电流 r ce>> R c 源(CCCS)。 ? 电流方向与ib的方向是关联的。 2.4.2 放大电路的分析 1:放大电路的性能指标 放大电路示意图 图2.1.2放大电路示意图 一、放大倍数 表示放大器的放大能力 根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求, 放大器可分为四种类型,所以有四种放大倍数的定义。 (1)电压放大倍数为: (2)电流放大倍数为: (3)互阻放大倍数为: (4)互导放大倍数为: Auu=UO/UI(重点) Aii=IO/II Aui=UO/II Aiu=IO/UI 本章重点研究电压放大倍数Auu 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, 那么就要从信号源吸取电流。 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。 Ii US ~ Ui Au Ri=Ui / Ii 一般来说, Ri越大越好。 三、输出电阻 Ro + ? VS I?i + ? Vi Rs - - 放大电路 Ro ?? + (放大器) VO - + ? Vo ? Io RL Ro - VO’——空载时的输出电压有效值 VO——带负载后的输出电压有效值 RO越小,负载电阻RL变化 时,VO的变化越小,放大 RL ? VO ? VO RO ? RL 电路的带负载能力越强。 三、输出电阻 Ro 短路 + ? VS I?i + ? Vi Rs - - 放大电路 Ro ?? + (放大器) VO - + ? Vo ? Io 开路 × - × Ro RL ? Ro的求法:将信号源短路,即 VS =0,但保 留Rs;且负载RL两端开路,即RL=∞时 ? Vo Ro= ? Io ? Vs=0 RL ? ? 2、共发射极放大电路 电路动态参数的分析就是 求解电路电压放大倍数、 输入电阻、输出电阻。 解题的方法是: 作出h参数的交流等效 电路 图2.2.5共射极放大电路 1. 画出放大电路的微变等效电路 (1)画出放大电路 的交流通路 vi Cb1 vo Cb2 ic ib vi ie 图2.2.5共射极放大电路 交 vo 流 通 路 (2)将交流通路中的三极管用H参数等效电路代替 1. 画出放大电路的微变等效电路 ic c b ib vbe βib vce ic ib vi ie e 交 vo 流 通 路 (2)将交流通路中的三极管用H参数等效电路代替 1. 画出放大电路的微变等效电路 ic c b ib + vi Rb vbe βib vce - ic ib vi ie e 交 vo 流 通 路 (2)将交流通路中的三极管用H参数等效电路代替 1. 画出放大电路的微变等效电路 ic c b ib + + vi Rb vbe βib vce Rc RL vo - ic ib vi ie e 交 vo 流 通 路 - 得小信号等效电路(即微变等效电路)如下: ? Ic ? VS ? Vi ? Vo ? 2. 求电压增益 AV ? ? Vi ? ? Vi ? I b rbe 负号表示输出电压 ? Vo 与输入电压反相 ? Vo R? ? ? AV ? ?? L ? Vi rbe ? 式中 RL ? RC // RL ? ? Vo ? ? I c R? L ? ? I c ? ?I b ? ? Vo ? ? ?I b R? L 3. 求输入电阻Ri ? I Rb ? VS ? Vi ? Vo ? ? Vi Vi ? ? ? I i ? I Rb ? I b ? ? Rb rbe ? Vi Ri ? ? Ii Ri Ri ? Rb // rbe ? rbe 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。 当信号源有内阻时: 定义: ? Vo ? AV= ? V i RS + u ? VS S + ? Vo ? AVS = ? V s - u ? V ii - 放大 Ri 电路 + RL u?o VO - ? 由图知: Vi= Ri ? VS Ri ? Rs ? ? ? Vo Vo Vi = Ri A ? ? 所以:AVS= ? ? ? V V Ri ? Rs V ? ? Vs i s 4. 求输出电阻Ro 根据定义: ? Vo Ro = ? Io ? Iib b RL ? ? , ? Vs ? 0 所以: ? ii I i 0 ? Iic c ? Io ? + Vo Ro ? ? Rc ? Rb ? r be β ib R c V Io o 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。 Ro 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 。 ? 2.5.1 静态工作点稳定的必要性 三极管是一种对温度十分敏感的元件。温度变化对管 子参数的影响主要表现有: 1. UBE 改变。UBE 的温度系数约为 –2 mV/?C,即温度 每升高 1?C,UBE 约下降 2 mV 。 2. ? 改变。温度每升高 1?C, ? 值约增加 0.5% ~ 1 %, ? 温度系数分散性较大。 3. ICBO 改变。温度每升高 10?C ,ICBQ 大致将增加一 倍,说明 ICBQ 将随温度按指数规律上升。 温度对静态工作点的影响 三极管是一种对温度十分敏感的元件。 温度变化对三极管参数的影响主要表现在以 下三方面: 1. 温度对VBE的影响 iB 50? C 25 ? C 工作点 上移 T I BQ ? VCC ? VBEQ Rb VBE IC IB vBE 2. 温度对β的影响 T 故: β IC 曲线族的间隔变宽 β 易发生 饱和失真 Q点 上移 β IC 易发生 Q点 截止失真 下移 3. 温度对ICBO的影响 ∵反向饱和电流ICBO是由少子漂移运动形成, 总之: 因此受温度影响比较严重。 ICBO ? ? ICEO ? 即:T↑→ICBO↑ T ? ? VBE ? ? IB ? ? IC ? 但硅管的ICBO很小,所以受温度的影响可以忽 ?? 略不计。 综上所述,温度对三极管各参数的影响最终将 导致集电极电流IC变化,引起Q点移动。 4)源电压放大倍数 ? Uo ? Aus ? ? Us ? ? Ui Uo ? ? ? U U s i Rs Us + ? Ui ? ? Au ? U s ri ? ? Au Rs ? ri 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 94 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 95 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 96 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 路 RB 2 ?U B ? ? U CC (2) RB1 ? RB 2 UB与晶体管参数无关。 若使:UB>>UBE (3),且: I C >>I B U B ? U BE U B 则:I C ? I E ? ? (4) IC与T的参数无关 RE RE 第二章 晶体管及基本放大电路/2.5 射极偏置放大电路 97 2. 静态工作点Q的估算式 当满足式(1)和式(3)条件,则 RB 2 UB ? U CC RB1 ? R B 2 U B ? U BE U B IC ? I E ? ? RE RE IC IB ? ? U CE ? U CC ? I C ( 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 98 3. 稳定静态工作点的物理过程: 温度升高 IC IB IC UE 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 99 2.动态分析(根据微变等效电路图) ? Ui ri ? ? RB1 // RB 2 // rbe ? rbe ? Ii ? UO R? ? ? ? Au ? ?? L ? rbe Ui ? ? U i ? I b ? rbe ? ? ? U O ? ? I C ( RC // RL ) ? ? I C R? L ? UO ro ? ? IO ? U i ?0 ? RC 100 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 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 101 2 ) Au 的计算 RC ? RL R? ? L RC ? RL ? Uo ? Au ? ? Ui ? ? ? I b R? L 微变等效电路 ? ? I b ?rbe ? (1 ? ?) RE ? ? R? ' L 放大倍数 ?? ' ri ? rbe ? (1 ? ?) RE ri 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 102 3). ri 、ro 的计算 ? Ui ri? ? ? Ib ? ? I b ? rbe ? I E ? RE ? ? Ib ? rbe ? (1 ? ? ) RE ? UO ro ? ? IO ? RC 输出电 阻不变 103 ? ri ? ri? // RB1 // RB 2 ? ?U i ? 0时,有 ? ? I ? 0, 则I ? 0 b c ? U i ?0 输入电阻增大 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 电路如图所示,试计算: 1) 静态工作点;2) 画 例题: 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 104 ? 1) 静态工作点的计算 RB 2 UB ? ? U CC RB1 ? RB 2 10 ?103 ? ?12 ? 4V 3 (20 ? 10) ?10 U B ? U BE IC ? I E ? RE 1 ? R E 2 4 ? 0.6 ? ? 1.7mA 3 ( .2 ? 1.8 ?10 0 ) IC IB ? ? 42.5?A U CE ? U CC ? I C ( RC ? RE1 ? RE 2 ) ? 5.2V ? 例题直流通路 105 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 ? 2) 微变等效电路 ? 3) ri 、ro 、Au、Aus 的计算 ? ri ? RB1 // RB 2 // ?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 106 26mV rbe ? 300 ? ? (1 ? ? ) ? 927 ? I E ( mA) ? R? ? RC // RL ? 2k? // 6k? ? 1.5k? L ? ? Au ? ? ? R? L rbe ? (1 ? ? ) RE1 40 ?1.5 ?10 3 ?? ? ?6.57 3 (0.927 ? 41 ? 0.2) ?10 ? ? ? UO UO U i ? ? Aus ? ? ? ? ? ? U S Ui U S ri ? ?A ? ? Aus u RS ? ri 3.85 ? 103 ? ?6.57 ? (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 107 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 108 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 共c极放大电路图 ? UCE= UCC - RE IE 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 109 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? ? RE // RL ) L ? ? ? ? ? U O ? I E RL ? (1 ? ? ) I b RL 微变等效电路 ? ? UO (1 ? ? ) RL ? ? ? Au ? ?1 ? ? U i rbe ? (1 ? ? ) RL 输入和输出电压 相位相同 数值近似相等 110 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 ? ② ri 的计算 ? Ui ? ? Ii ? ? Ib RB ? ? ? U i ? I b ? rbe ? I e R? L ? ? ? I b ?rbe ? (1 ? ? ) R? ? ? r ?I b L ? ? Ui Ui ? ? Ii ? ? RB r ? ? Ui 则:ri ? ? RB // r ? ? Ii 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。 111 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器/ 动态分析 ? ③ro 的计算: ? ? ? U O ? (1 ? ? ) I ? IO b RE ? ? UO UO ? ? RE rbe /(1 ? ? ) ? ? UO UO ? ? RE r0? ? U i ?0 ? UO ? ro ? ? IO rbe ? RE //( ) 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。 112 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器/ 动态分析 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; rbe ro ? RE //( ) 1? ? 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 113 ? 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; U CC ? U BE 12 ? 0.6 IB ? ? ? 35?A 3 RB ? (1 ? ? ) RE ?200 ? (1 ? 60) ? 2??10 I C ? ? ? I B ? 60 ? 35 ?10 ? 2.1mA ?3 I E ? (1 ? ? ) I B ? 61? 35 ?10 ? 2.14mA ?3 U CE ? U CC ? I E RE ? 7.72V 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 114 ? 2) ? RL ? RE // RL ? 1k? 26(mA ) rbe ? 300 ? (1 ? ? ) I E (mA ) 26 ? 300 ? (1 ? 60) ? ? 1.04k? 2.14 ? ? ? (1 ? ? ) RL ? Au ? rbe ? (1 ? ? ) RL 61?1?10 ? ? 0.98 ? 1 3 (1.04 ? 61?1) ?10 3 第二章 晶体管及基本放大电路/2.6 射极输出器 115 ri ? RB // ?rbe ? (1 ? ?)R?L ? 200 ? (1.04 ? 61?1) ?10 ? ? 47.35k? 3 ?200 ? (1.04 ? 61?1??10 6 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 116 交流放大电路汇总 a IB=(UCC-UBE)/RB IC=β IB UCE= UCC- RC IC b UB=UCCRB/(RB1+RB) IC≈IE=(UB - UBE )/RE IB= IC /β UCE= UCC- (RC+ RE )IC c IB=(UCC-UBE)/ (RB+(1+ β) RE ) IC=β IB UCE= UCC- RE IE ? 静态计算 第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总 117 ? 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 + RL U O - b: RL′= RC //RL ri ′=rbe+(1+ β) RE Au=- βRL′/ ri ′ ri=RB // RB 1// ri ′ ro=RC b ′: 有 CE RC //RL Au=- βRL′/rbe ri=RB // RB 1// rbe ro=RC RL′= 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) 118 第二章 晶体管及基本放大电路/ 交流放大电路汇总 ? 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 119 2.7 信号源 输入级 多级放大电路 一. 多级放大电路组成 电压放大 中间级 末前级 负载 输出级 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。 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。 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。 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。 1. 各级静态分析 第一级: RB 21 U B1 ? ? U CC RB11 ? RB 21 U B1 ? U BE1 U B1 I C 1 ? I E1 ? ? RE 1 RE 1 I C1 I B1 ? ?1 U CE1 ? U CC ? I C1 ( RC1 ? RE1 ) 26 mV rbe1 ? 300 ? (1 ? ?1 ) I E1 (mA) 第二级: RB 22 U B2 ? ? U CC RB12 ? RB 22 U B 2 ? U BE 2 U B 2 IC 2 ? I E 2 ? ? RE 2 RE 2 I B2 IC 2 ? ?2 U CE 2 ? U CC ? I C 2 ( RC 2 ? RE 2 ) rbe2 26 mV ? 300 ? (1 ? ? 2 ) I E 2 (mA) 2.各级动态计算 两级阻容耦合放大电路的微变等效电路 1)电压放大倍数Au 的计算 ? ? ? ? ? U O U O 2 U i 2 U O 2 U O1 ? Au ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? U i U i 2 U i1 U i 2 U i1 ? ? ? 则:Au ? Au1 ? Au 2 ? ? ? ? ? n级则有:Au ? Au1 Au 2 Au3 ? ? ? Aun L L ? ? ? ? 2 R? 2 ? ? ? ? 1 R? 1 Au 2 ? Au1 rbe 2 rbe1 ? ? A A ? ? ? ( RC1 // ri 2 )( RC 2 // RL ) ? Au ? u1 ? u 2 1 2 rbe1 ? rbe 2 R? 1 ? RC1 // ri 2 L R? 2 ? RC 2 // RL L ri 2 ? RB12 // RB 22 // rbe 2 2) 输入电阻ri 、输出电阻ro 的计算 ri ? ri1 ? RB11 // RB 21 // rbe1 ? rbe1 ro ? ro 2 ? 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。 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。 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 ro2 = Rc2 2)ro1=( rbe1 /(1+β1)) // Re1 3) R’L = Rc2// RL ? U o1 (1 ? ?1 ) R ?L1 L ? ? ?? R ? ? u1 ? A ? Au 2 2 ?i rbe1 ? (1 ? ?1 ) R ?L1 U rbe 2 ? ? ? Au ? Au1 Au2 ? Aus ? ri ? Au R s ? ri 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 133 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 134 三. 互补对称功率放大电路 +Ucc T1 + ui T2 iC1 + + ui RL uo iC2 -Ucc (a) (b) (c) +Ucc iC1 T1 i O RL + uo + ui T2 iC2 -Ucc RL + uo - ?1. 工作原理 ?静态时,基极回路没有偏流, T1、T2截止,uo为0。 ?ui正半周,T1导通,T2截止,等效电路如图(b)所示,电流ic (= iL)从上至下流过负载RL ,uo>0; ?ui负半周,T1截止,T2导通,等效电路如图(c)所示,电流ic (= iL)从下至上流过负载RL,uo<0,在ui的一个周期中, T1、 T2轮流导通,在负载RL上合成一个完整的波形。 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 135 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 0 0 UCES uCE Uom Q uCE 0 0 Q t t 对应iC正半周 uCE ? 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 136 ⑴输出平均功率Po U om I om U om Po ? U o I o ? ? 2 2R L 2 ? 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 2 ?此时电路可能输出的最大平均功率为 Pom U om I om (U CC ? U CES ) 2 U CC ? ? ? 2 2R L 2R L 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 137 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 I C ( AV ) 1 ? 2? ? ? 0 1 I om sin ?td?t ? 2? ? ? 0 U om U om sin ?td?t ? RL ?RL ?两个电源提供的总功率为 2U CCU om PE ? PE1 ? PE2 ? 2U CC I C(AV) ? ?RL 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 138 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 U om 2U CC U om ?U om ?? ? / ? PE 2R L ?R L 4U CC 2 ? 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 ? ? ? 78.5% 4 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 139 ⑷管子耗散功率PT ? 两个管子耗散功率PT为 2U CC U om U om PT ? PE ? Po ? ? ?R L 2R L 2 ? 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 2U CC PTm ? 2 ? 0.4Pom ? RL ? 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 140 2 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 141 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。 2 U CC 解: ⑴ 20 2 2R L 2 ? 8 ? ?m ? ? 78.5% 4 Pom ? ? ? 25 W 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 U om 10 2 Po ? ? ? 6.25 W 2R L 2 ? 8 Po ? U om 3.14 ? 10 ?? ? ? ? 39.27% PE 4 U CC 4 ? 20 第二章 晶体管及基本放大电路/2.8 功率放大电路 142 2 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 143 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 144 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 ?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 第二章 晶体管及基本放大电路/ 高频区电容的作用 低频区电容的作用 145 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 146 第二章 晶体管及基本放大电路/2.9 放大电路的频率特性 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 频 失 真 相 频 失 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 147 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 fT/fβ>>1,由幅频特性可以得到fT与fβ的近似关系: fT≈β0 fβ 3. 共基射极截止频率 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 148 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 149 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 150