1、第2章 三極管及其放大電路,半導(dǎo)體三極管放 大電路性能指標(biāo) 共射基本放大電路 工作點(diǎn)穩(wěn)定電路 共集電極電路和共基極電路 多級(jí)放大電路 反饋放大電路,什么是放大?,電信號(hào)放大:,竊聽器?,半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，簡(jiǎn)稱BJT）。 BJT是由兩個(gè)PN結(jié)組成的。,2.1 半導(dǎo)體三極管,【分類】,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,2.1.1 BJT的結(jié)構(gòu)與符號(hào),圖形符號(hào),發(fā)射結(jié)(Je),基極，用B或b表示（Base）,集電結(jié)(Jc

2、),發(fā)射極，用E或e 表示（Emitter）；,集電極，用C或c 表示（Collector）。,發(fā)射區(qū),集電區(qū),基區(qū),三極管符號(hào),箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向,結(jié)構(gòu)制作要求：,為實(shí)現(xiàn)放大，必須滿足三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件兩方面的要求。,發(fā)射結(jié)正向偏置UBE0,集電結(jié)反向偏置UBC1V,vCE =0V,記?。?當(dāng)vCE1時(shí)，各條特性曲線基本重合。,當(dāng)vCE增大時(shí)特性曲線相應(yīng)的右移。,25,輸入特性曲線,輸出特性曲線,它是以iB為參變量的一族特性曲線。,輸出特性曲線可以劃分為三個(gè)區(qū)域：,飽和區(qū)iC受vCE控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小。此時(shí)Je正偏，Jc正偏,飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)

3、域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小。此時(shí)Je正偏，Jc正偏。,截止區(qū)iC接近零的區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲線的下方。此時(shí)Je反偏，Jc反偏。,飽和區(qū)iC受vCE顯著控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)vCE的數(shù)值較小，一般vCEVbVe,放大VcUBE,電壓放大(電流放大),放大原理,放大的本質(zhì)功率（能量）的放大,C1 、C2稱為隔直電容或 耦合電容,該電路又稱為阻容耦合放大電路。,2.3.2 共射基本放大電路實(shí)際電路,基本共射放大電路的簡(jiǎn)化,共射放大電路改進(jìn)電路,vi,vo,需要使RbRc （一般為幾十倍）,改成唯一的 直流電源,三極管 T 起放大作用。,偏置電路VCC 、Rb 提供電源，并使三極管 工作在線性區(qū)。,

4、耦合電容C1 、 C2輸入耦合電 容C1保證信號(hào) 加到發(fā)射結(jié)， 不影響發(fā)射結(jié) 偏置。輸出耦 合電容C2保證 信號(hào)輸送到負(fù) 載，不影響集 電結(jié)偏置。,負(fù)載電阻RC、RL 將變化的集電極電流 轉(zhuǎn)換為電壓輸出。,阻容耦合共射放大電路,放大原理,輸入信號(hào)通過耦合電容加在三極管的發(fā)射結(jié)于是有下列過程：,三極管放大作用,變化的 通過 轉(zhuǎn)變?yōu)?變化的輸出,首先交代各物理量表示方法及其含義：, VBE，VCE，VI，VO IB，IC，IE，II, vi，vo，vbe， ib，ic，ie，ii,表示“直流量”：,大寫字母大寫下標(biāo),表示“交流量”的瞬時(shí)值：,小寫字母小寫下標(biāo), vBE，vCE，vI，vO iB，i

5、C，iE，iI，iO,表示“直流量交流量”：,小寫字母大寫下標(biāo),2.3.3 放大電路靜態(tài)分析, Vc，Vb，Ve，Vi Ib，Ic，Ie，Ii,表示“交流量的向量形式”：,大寫字母小寫下標(biāo)頭上點(diǎn),表示“交流量”的有效值：,大寫字母小寫下標(biāo),請(qǐng)?jiān)敿?xì)參閱教材P21表述。,靜態(tài)和動(dòng)態(tài),靜態(tài): 時(shí)，放大電路的工作狀態(tài)， 也稱直流工作狀態(tài)。 (Q點(diǎn)),放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動(dòng)態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，正確地區(qū)分直流通路和交流通路。,動(dòng)態(tài): 時(shí)，放大電路的工作狀 態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。,直流通路 能通過直流的通路。提供Q點(diǎn),固定偏置,例.2.2,2.3.4 動(dòng)態(tài)分析,動(dòng)

6、態(tài)分析討論的對(duì)象：交流成分（即變化的量）,放大電路在接入正弦信號(hào)時(shí)的工作情況,設(shè)輸入電壓vi=0.02sint(V),vBE=VBE+vbe iB=IB+ib vCE=VCE+vce iC=IC+ic,各分量都在原來靜態(tài)直流量的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)交流量，如下：, 共射極放大電路中的電壓、電流波形,uCE = VCC - iC RC,uBE = UBE + ui,uo = uCE - UCE,反相,非線性部分,線性部分,短路,短路,V=0 直流電源相當(dāng)于對(duì)地短路,分析性能指標(biāo), 在輸出特性曲線上，作出直流負(fù)載線 VCE=VCCiCRc，與IBQ曲線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)，從而得到VCEQ 和ICQ。, 在

7、直流通路中估算IBQ。,2.3.5 圖解分析法,為一直線,1.確定靜態(tài)工作點(diǎn),直流負(fù)載線,靜態(tài)工作點(diǎn),2.確定放大器的放大倍數(shù),交流負(fù)載線,其斜率為-1/RL ,RL= RLRc， 是交流負(fù)載電阻。,交流負(fù)載線與直流負(fù)載線 相交Q點(diǎn)。,交流通路-交流負(fù)載線-波形, 根據(jù)vI的波形，在BJT的輸入特性曲線圖上畫出vBE 、 iB 的波形,3.根據(jù)vI的波形求iB (不要求),4. 根據(jù)iB的變化范圍在輸出特性曲線圖上畫出iC和vCE 的波形,反相,動(dòng)態(tài)工作范圍,A,vo,可輸出的最大不失真信號(hào),合適的靜態(tài)工作點(diǎn),5.Q點(diǎn)對(duì)波形影響,將Q點(diǎn)選在交流負(fù)載線AB的中央，可以獲得最大的不失真輸出，即可以

8、得到最大的動(dòng)態(tài)工作范圍 即：BQ=AQ,B,Q,VCES,VCEA,截止失真的波形,NPN管頂部削平,Q點(diǎn)過低信號(hào)進(jìn)入截止區(qū),飽和失真的波形,NPN底部削平,Q點(diǎn)過高信號(hào)進(jìn)入飽和區(qū),例2.3,2.15,2.14,思路：將非線性的BJT等效成一個(gè)線性電路,適用范圍：放大電路的輸入信號(hào)是變化量且電壓很小時(shí)適用,2.3.6 小信號(hào)等效電路分析法,BJT雙口網(wǎng)絡(luò),1.三極管的小信號(hào)等效電路,交流,rbb,（1）利用直流通路求Q點(diǎn),共射極放大電路,一般硅管VBEQ=0.7V，鍺管VBEQ=0.2V， 已知。,2.放大電路的小信號(hào)等效電路及其分析,（1）畫出放大電路的交流通路,（2）畫小信號(hào)等效電路,（2

9、）將交流通路中的三極管用等效電路代替,則電壓增益為,（可作為公式）,電壓增益,（3）求放大電路動(dòng)態(tài)指標(biāo),負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相,Ri,輸入電阻,所以：,根據(jù)定義：,輸出電阻,小結(jié),例2.4,歸納等效電路法的步驟,先確定Q點(diǎn)（IBQ、ICQ、VCEQ）,求Q點(diǎn)處的和rbe,通常會(huì)給出,IEQ=IBQ+ICQICQ,三. 等效電路法的步驟,畫出放大電路的微變等效電路,列出電路方程并求解【一般要求增益、輸入電阻和輸出電阻】,小信號(hào)模型分析法就是把非線性的三極管線性化，這樣具有非線性元件的放大電路就轉(zhuǎn)化成為我們熟悉的線性電路了。,經(jīng)過線性化的三極管等效電路為：,稱為簡(jiǎn)化的H參數(shù)小信號(hào)模型（或微

10、變等效電路）,2.4 靜態(tài)點(diǎn)穩(wěn)定電路,2.4.1溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響,2.4.2 分壓偏置電路,固定偏流電路,射極偏置電路,旁路電容,Q點(diǎn)穩(wěn)定原理,目標(biāo)：溫度變化時(shí)，使IC維持恒定。,如果溫度變化時(shí)，b點(diǎn)電位能基本不變，則可實(shí)現(xiàn)Q點(diǎn)的穩(wěn)定。,分析該電路的特性指標(biāo),（1）Q點(diǎn)的估算:【IBQ、ICQ、VCEQ】,（2）動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算,（2）動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算,旁路電容,求電壓增益,求輸入電阻,Re=0，代入無旁路電容時(shí)輸入電阻表達(dá)式,?。?求輸出電阻,2.5.1 共集電極放大電路,電路結(jié)構(gòu),2.5 共集電極電路和共基極電路,又稱射極輸出器,為正值,表明輸出電壓與輸入電壓同相。,又稱電壓跟隨器,共集

11、電極放大電路的特點(diǎn)：,電壓放大倍數(shù)1（略小于1），對(duì)電壓基本無放大作用；,輸入阻抗高,對(duì)信號(hào)源影響小；,輸出阻抗小,帶負(fù)載能力強(qiáng)。,輸出電壓與輸入電壓同相；,電壓跟隨器,對(duì)電流具有放大作用。,射極輸出器的應(yīng)用,（1）放在多級(jí)放大器的輸入端，提高整個(gè)放大器的輸入電阻。,（2）放在多級(jí)放大器的輸出端，減小整個(gè)放大器的輸出電阻。,（3）放在兩級(jí)之間，起緩沖作用。,2.5.2 共基極電路,電路結(jié)構(gòu),CB,Re：引入直流負(fù)反饋以穩(wěn)定工作點(diǎn)Q,三種組態(tài)比較,其中,普通音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng),2.6.1 放大電路的頻率特性與通頻帶,2.6多級(jí)放大電路,1.放大電路的頻率特性與通頻帶,Rb=Rb1/Rb2

12、,2.單極放大電路的頻率特性分析,分析該電路的低頻響應(yīng)時(shí)，不應(yīng)該再忽略隔直電容和射極旁路電容,低頻,主要影響,中頻段,Rb= Rb1/ Rb2 Ri=Rb / rbe Ro=Rc,中頻時(shí):C1、C2 、Ce容抗較小，可視為短路； C容抗較大，可視為開路。等效電路如圖。,高頻段,將全頻段小信號(hào)模型中的C1、C2和Ce短路，即可獲得高頻段小信號(hào)模型微變等效電路，如圖所示。,1)RC耦合,2.6.2 多級(jí)放大電路的分析,1.耦和方式,2)直接耦合,優(yōu)點(diǎn)：低頻性能好， 易于繼集成 缺點(diǎn)：靜態(tài)點(diǎn)相互影響 （溫度漂移問題）,前級(jí)的開路電壓是下級(jí)的信號(hào)源電壓,前級(jí)的輸出阻抗是下級(jí)的信號(hào)源阻抗,下級(jí)的輸入阻抗

13、是前級(jí)的負(fù)載,2 多級(jí)放大電路的性能分析,結(jié)論：將幾級(jí)放大電路串聯(lián)起來后，總電壓增益為各單級(jí)電路電壓增益的乘積，較單級(jí)時(shí)提高了，但fL及fH，通頻帶變窄了。,2.7.1 反饋的基本概念,將電子系統(tǒng)輸出回路的電量（電壓或電流），送回到輸入回路的過程。,2.7 反饋放大電路,舉兩個(gè)例子，比如：一.我們使用冰箱制冷,由于外界溫度較高,冰箱向外界釋放熱量,冰箱內(nèi)溫度會(huì)朝著我們制定的度數(shù)降低,而外殼溫度會(huì)越來越高,一段時(shí)間后,當(dāng)冰箱內(nèi)的溫度達(dá)到所設(shè)置的度數(shù)后,冰箱會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),讓溫度不再進(jìn)一步地降低。這便是反饋調(diào)節(jié)。二.我們?cè)诩依锸褂孟匆聶C(jī)時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)注水量，啟動(dòng)機(jī)器后，水開始注入機(jī)桶，在未達(dá)到注水量

14、前，機(jī)器會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)水位上升，然而水位上升至設(shè)置量后，反饋調(diào)節(jié)便開始了，洗衣機(jī)停止注水工作。 例如在教小狗的時(shí)候，1+1=？，如果它銜的是寫有2圖片的時(shí)候，你給它骨頭吃，那它看到1+1的時(shí)候就會(huì)銜含有2的圖片，就有骨頭吃，這就是正反饋。當(dāng)它銜的不是2，你打一棍子它，那它下次就不敢再銜那張圖片了，這就是負(fù)反饋,放大：,迭加：,A稱為開環(huán)放大倍數(shù),AF稱為閉環(huán)放大倍數(shù),輸出信號(hào),輸入信號(hào),反饋信號(hào),凈輸入信號(hào),F稱為反饋系數(shù),1.正反饋與負(fù)反饋,正反饋：,負(fù)反饋：,反饋信號(hào)增強(qiáng)了外加輸入信號(hào)的作用，使得凈輸入量增加，最終使AF。,反饋信號(hào)削弱了外加輸入信號(hào)的作用，使得凈輸入量減小，最終使AF。,

15、例 2.4,判別方法：瞬時(shí)極性法。即在電路中，從輸入端開始，沿著 信號(hào)流向，標(biāo)出某一時(shí)刻有關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓變化的斜率 （正斜率或負(fù)斜率，用“+”、“-”號(hào)表示）。,負(fù)反饋,2.交流反饋和直流反饋,直流反饋：,交流反饋：,反饋量中只含有直流量，或者說，只在直流通路中存在的反饋。,反饋量中只含有交流量，或者說，只在交流通路中存在的反饋。,3.串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋,由反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸入端的連接方式判定,串聯(lián),串聯(lián)：輸入以電壓形式求和（KVL） -vi+vid+vf=0 即 vid=vi- vf,并聯(lián)：輸入以電流形式求和（KCL） ii-iid-if=0 即 iid=ii-if,并聯(lián),判斷方法：,（a）反

16、饋量與輸入量在不同輸入端，對(duì)應(yīng)的是電壓求和，說明是串聯(lián)反饋；,（b）反饋量與輸入量在同一輸入端，對(duì)應(yīng)的是電流求和，說明是并聯(lián)反饋；,4.電壓反饋與電流反饋,電壓反饋與電流反饋由反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出端的取樣對(duì)象決定,電壓反饋：反饋信號(hào)xf和輸出電壓成比例，即xf=Fvo 電流反饋：反饋信號(hào)xf與輸出電流成比例，即xf=Fio,并聯(lián)結(jié)構(gòu),串聯(lián)結(jié)構(gòu),方法一：假設(shè)把輸出端交流短路（即令輸出電壓等于0），觀察是否仍有反饋信號(hào)。如果反饋信號(hào)不存在了，即反饋量為0，則說明是電壓反饋；若反饋量不等于0，則說明是電流反饋。,方法二：將負(fù)載RL開路（即RL=），致使i0=0，從而使iF=0，即由輸出引起的反饋信

17、號(hào)消失了，可以確定為電流反饋。,判斷方法：,電壓負(fù)反饋：穩(wěn)定輸出電壓，具有恒壓特性,串聯(lián)反饋：輸入端電壓求和（KVL）,電流負(fù)反饋：穩(wěn)定輸出電流，具有恒流特性,并聯(lián)反饋：輸入端電流求和（KCL）,特點(diǎn)小結(jié)：,5.負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài),電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋 電流并聯(lián)負(fù)反饋,對(duì)于三極管電路：,若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同時(shí)加在三極管的基極或發(fā)射極，則為并聯(lián)反饋。,若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)一個(gè)加在基極一個(gè)加在發(fā)射極則為串聯(lián)反饋。,小知識(shí),開環(huán)增益,反饋系數(shù),閉環(huán)增益,因?yàn)?所以,已知,閉環(huán)增益的一般表達(dá)式,記住,2.7.2 負(fù)反饋放大器的計(jì)算,一般負(fù)反饋,稱為反饋深度,深度負(fù)反饋,正反饋,自激振蕩,即,閉環(huán)時(shí),對(duì)A求導(dǎo)得,只考慮幅值有,即閉環(huán)增益相對(duì)變化量比開環(huán)減小了1+AF,另一方面,在深度負(fù)反饋條件下,即閉環(huán)增益只取決于反饋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)由穩(wěn)定的線性元件組成時(shí)，閉環(huán)增益將有很高的穩(wěn)定性。,1. 增益穩(wěn)定性的提高,2.7.3負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響,加反饋前,加反饋后,失真,改善,2 非線性失真減小,放大電路加入負(fù)反饋后，增益下降，但通頻帶卻加寬了。,無反饋時(shí)放大器的通頻帶： fbw= f HfL f H 有反饋時(shí)放大器的通頻帶： fbwf= f HffLf f Hf,可以證明：fbwf = (1+AF) fbw