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 多級放大電路 反饋放大電路,什么是放大?,電信號放大:,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，簡稱BJT）。 BJT是由兩個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,圖形符號,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,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UBC0,要求外加電源電壓的極性必須滿足：,2.1.2 BJT的電流放大作用,1.三極管的偏置,即在滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求的前提下，三極管要實(shí)現(xiàn)放大，必須連接成如下形式：,2.三極管電流分配關(guān)系：,VCC,IEN,IEP,IE,=IEN+IEP,IEN,（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。,VCC,IE,IB,復(fù)

3、合,IBE,IBE,（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，從而形成發(fā)射極電流IE。,VCC,IE,（2）在基區(qū)中,電子繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散；,少數(shù)電子與基區(qū)空穴相復(fù)合，形成IB電流。,IB,（3）集電區(qū)收集大部分的電子，形成IC電流。,IC,ICN,ICN,IBE,將三極管看成一個廣義的節(jié)點(diǎn)（如下圖），有：,將三極管看成一個廣義的節(jié)點(diǎn)（如下圖），有：,共射電流放大倍數(shù),共基極電流放大系數(shù),共射電流放大倍數(shù),共基極電流放大系數(shù),2.1.3 .BJT的特性曲線,BJT的特性曲線是指各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，它是BJT內(nèi)部載流子運(yùn)動的外部表現(xiàn)。,工程上最常用的是BJT的輸入特性和輸出特性曲線。,以共射放大電

4、路為例：,輸入回路,輸出回路,輸入特性：,輸出特性：,BJT共射接法的輸入特性曲線,分三部分：, 死區(qū), 非線性區(qū), 線性區(qū),vCE =1V,vCE 1V,vCE =0V,記住：,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)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。,

5、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vCE0.7V（硅管）。此時(shí)Je正偏，Jc正偏或反偏電壓很小。,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。,放大區(qū)iC平行于vCE軸的區(qū)域，曲線基本平行等距。 此時(shí)Je正偏，Jc反偏。電壓大于0.7V左右（硅管）。,模電著重討論的就是該放大區(qū)！,三極管工作情況總結(jié),例1：測量三極管三個電極對地電位，試判斷三極管的工作狀態(tài)。,放大VcVbVe,放大VcVbVe,例2.1,2.1.4 BJT的主要參數(shù),BJT的主要參數(shù),共基電流放大系數(shù), 共射電流放大系數(shù),與的關(guān)系：,的值小于1，但接近于1。,的值遠(yuǎn)大

6、于1，通常在20200范圍內(nèi)。,【關(guān)于“主要參數(shù)”這部分詳細(xì)內(nèi)容請同學(xué)們自己看書P15！】,極間反向電流,（1）ICBO：集電極基極反向飽和電流,O是Open的字頭，代表第三個電極E開路。它相當(dāng)于單個集電結(jié)的反向飽和電流。因此，它只決定于溫度和少子的濃度。,2.極限參數(shù),（1）集電極最大允許電流ICM,指BJT的參數(shù)變化不超過允許值時(shí)集電極允許的最大電流。,（1）集電極最大允許電流ICM,指BJT的參數(shù)變化不超過允許值時(shí)集電極允許的最大電流。,（2）集電極最大允許功率損耗PCM,表示集電極上允許損耗功率的最大值。,PCM=iCvCE,過壓區(qū),過流區(qū),（3）反向擊穿電壓,復(fù)習(xí),符號,放大條件:

7、電流關(guān)系 工作區(qū)域,特點(diǎn) 判斷工作狀態(tài),發(fā)射結(jié)正向偏置UBE0,集電結(jié)反向偏置UBC0,放大是最基本的模擬信號處理功能。,模擬電子中研究的最主要電路：放大電路,具有放大特性的電子設(shè)備：收音機(jī)、電視機(jī)、手機(jī)、擴(kuò)音器等等。,2.2 放大電路性能指標(biāo),這里的“放大”是指把微小的、微弱的電信號的幅度不失真的進(jìn)行放大。,一般來說，放大電路就是一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。,放大電路 （放大器）,+,-,Rs,+,-,+,-,RL,信號源,負(fù)載,信號源電壓,輸入電壓,輸出電壓,Rs,信號源內(nèi)阻,RL,負(fù)載電阻,輸入電流,輸出電流,放大電路的主要性能指標(biāo)：【參見教材P17】,性能指標(biāo)是衡量放大電路品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)由這

8、些指標(biāo)還要來決定放大電路的適用范圍。,這里主要討論,輸入電阻,輸出電阻,增益,2.2.1 增益,實(shí)質(zhì)上就是輸出對輸入的放大倍數(shù)。,電壓增益,電流增益,無量綱,無量綱,功率放大倍數(shù)定義為 AP=POP,用分貝表示的電壓增益和電流增益如下：,由于功率與電壓（或電流）的平方成比例，因此功率增益表示為：,2.2.2 輸入電阻Ri,+,-,Rs,+,-,+,-,RL,Ri,Ri決定了放大電路從信號源吸取信號幅值的大小，即它決定了放大電路對信號源的要求。,Ri,放大電路,(放大器),Ri越大，Ii就越小，放大電路從信號源索取的電流越小。放大電路所得到的輸入電壓Vi越接近信號源電壓Vs。,2.2.3 輸出電

9、阻Ro,Ro的求法：將信號源短路，即 =0，但保留Rs；且負(fù)載RL兩端開路，即RL=時(shí),開路,短路,RO越小，放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。,2.2.4 最大輸出幅值,放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要：,1.工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位； 2.要有合適的交流負(fù)載線。,由于三極管存在非線性，使輸出信號產(chǎn)生了非線性失真。 非線性失真系數(shù)的定義：在某一正弦信號輸入下，輸出波形因非線性而產(chǎn)生失真，其諧波分量的總有效值與基波分量之比，用THD表示，即,2.2.5 非線性失真系數(shù),兩個回路,正確的直流偏置,ui為小信號,ui和VBB串接,RB為基極偏置電阻,RC為集電極偏置電阻,輸入回

10、路,輸出回路,放大的外部條件,2.3.1共射基本放大電路組成,2.3 共射基本放大電路,IC變化了IC ，IB變化了IB,uBE= VBB+ui=VBB +UBE,iE = IE +IE ， iC = IC +IC ，iB = IB+IB,UO=IC RC,UOUBE,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 、R

11、b 提供電源，并使三極管 工作在線性區(qū)。,耦合電容C1 、 C2輸入耦合電 容C1保證信號 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

12、標(biāo), vBE，vCE，vI，vO iB，iC，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?jiān)敿?xì)參閱教材P21表述。,靜態(tài)和動態(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)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通路和交流通路。,動態(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

13、偏置,例.2.2,2.3.4 動態(tài)分析,動態(tài)分析討論的對象：交流成分（即變化的量）,放大電路在接入正弦信號時(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

14、為Q點(diǎn)，從而得到VCEQ 和ICQ。, 在直流通路中估算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,動態(tài)工作范圍,A,vo,可輸出的最大不失真信號,合適的靜態(tài)工作點(diǎn),5.Q點(diǎn)對波形影響,將Q點(diǎn)選在交流負(fù)載線A

15、B的中央，可以獲得最大的不失真輸出，即可以得到最大的動態(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等效成一個線性電路,適用范圍：放大電路的輸入信號是變化量且電壓很小時(shí)適用,2.3.6 小信號等效電路分析法,BJT雙口網(wǎng)絡(luò),1.三極管的小信號等效電路,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.放大電路的小信號等效電路及其分析,（1）畫出放大電

16、路的交流通路,（2）畫小信號等效電路,（2）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）求放大電路動態(tài)指標(biāo),負(fù)號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

17、電路為：,稱為簡化的H參數(shù)小信號模型（或微變等效電路）,2.4 靜態(tài)點(diǎn)穩(wěn)定電路,2.4.1溫度對靜態(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）動態(tài)參數(shù)的估算,（2）動態(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

18、電壓與輸入電壓同相。,又稱電壓跟隨器,共集電極放大電路的特點(diǎn)：,電壓放大倍數(shù)1（略小于1），對電壓基本無放大作用；,輸入阻抗高,對信號源影響?。?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,對電流具有放大作用。,射極輸出器的應(yīng)用,（1）放在多級放大器的輸入端，提高整個放大器的輸入電阻。,（2）放在多級放大器的輸出端，減小整個放大器的輸出電阻。,（3）放在兩級之間，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多級放大電路,1.放大電

19、路的頻率特性與通頻帶,Rb=Rb1/Rb2,2.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,將全頻段小信號模型中的C1、C2和Ce短路，即可獲得高頻段小信號模型微變等效電路，如圖所示。,1)RC耦合,2.6.2 多級放大電路的分析,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）,前級的開路電壓是下級的信號源電壓,前級的

20、輸出阻抗是下級的信號源阻抗,下級的輸入阻抗是前級的負(fù)載,2 多級放大電路的性能分析,結(jié)論：將幾級放大電路串聯(lián)起來后，總電壓增益為各單級電路電壓增益的乘積，較單級時(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)溫度會朝著我們制定的度數(shù)降低,而外殼溫度會越來越高,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,冰箱會進(jìn)行自動調(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.我們在家里使用洗衣機(jī)時(shí)會設(shè)置一個注水量，

21、啟動機(jī)器后，水開始注入機(jī)桶，在未達(dá)到注水量前，機(jī)器會產(chǎn)生動力驅(qū)動水位上升，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,輸入信號,反饋信號,凈輸入信號,F稱為反饋系數(shù),1.正反饋與負(fù)反饋,正反饋：,負(fù)反饋：,反饋信號增強(qiáng)了外加輸入信號的作用，使得凈輸入量增加，最終使AF。,反饋信號削弱了外加輸入信

22、號的作用，使得凈輸入量減小，最終使AF。,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 ii

23、d=ii-if,并聯(lián),判斷方法：,（a）反饋量與輸入量在不同輸入端，對應(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象決定,電壓反饋：反饋信號xf和輸出電壓成比例，即xf=Fvo 電流反饋：反饋信號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。如果反饋信號不存在了，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號消失了，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