1、第七章半导体三极管及交流放大电路,2013年 3月,第七章 半导体三极管及交流放大电路,本章内容,1. 共射级放大电路的静态分析,3. 微变等效电路分析法,重点：,2. 共射级放大电路的动态分析,4. 放大器中的负反馈,7-1 半导体三极管,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,7-1 半导体三极管,7-1-1 基本结构,箭头表示发射区电流的实际方向,基区,发射区,集电区,基区,发射区,集电区,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点（三极管放大特性的内部条件）：,集电区： 面积最大,晶体管的核心是两个PN结：发射结和集电结
2、,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,测量三极管放大特性的实验线路,7-1-2 电流放大作用,1. 各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为三极管的电流放大作用。,1、三极管三个电极的电流是什么关系？,上节复习,2、三极管的发射极与集电极是否可以调 换使用？为什么？,2.三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,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。,进入基区的电子少部分与基区的空穴复合，形成
3、电流IBE ，多数扩散到集电结。,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。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,RC,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),若IB =0, 则 IC ICE0,IE = IB+ IC,4. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,三极管是一种电流控制元件，所谓电流放大作用，就是用基极电
4、流微小的变化去控制集电极电流较大的变化。,PNP 发射结正偏 VEVB 集电结反偏 VBVC,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了三极管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,7-1-3 三极管的伏安特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,1. 输入特性,死区： 硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管UBE 0.60.7V PNP型锗管UBE 0.2 0.3
5、V,IB(A),UBE(V),20,40,60,80,0.4,0.8,UCE1V,O,UCE=0V,2. 输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,条件：发射结正向偏置集电结反向偏置,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 ， UCE UCC 。,条件：发射结反向偏置、集电结反向偏置,饱和区,截止区,（3）饱和区,UCE UBE时，饱和状态。 UCE 0 , IC UCC / RC 。条件：发射结正向偏置集电结正向偏置 UCES ：饱和压降，硅管0.3V，锗管0.1V,放大区,饱
6、和区,截止区,放大区,三极管输入输出特性曲线,7-1-4 三极管的主要参数,1、电流放大系数（ ）反映三极管放大能力,直流电流放大系数是在静态（无输入信号）时,交流电流放大系数是当三极管在动态（有交流信号输入）时,一般估算时，认为 ，采用,7-1-4 三极管的主要参数,2、集电极-基极反向截止电流,3、集电极-发射极反向穿透电流,ICEO和ICBO都是衡量三极管质量的重要参数，它们都随温度增加而增加。因此选管时，这两种电流尽量小些，减小温度对管子性能的影响。,7-1-4 三极管的主要参数,4、集电极最大允许电流,5、集电极-发射极反向击穿电压U（BR）CEO,6、集电极最大允许功率损耗PCM,
7、放大的概念:,放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。,输出电压或电流在幅度上得到放大，输出信号能量得到加强,放大电路本质 ：1. 输出信号的能量实际上是直流电源来提供的。 2. 小能量信号通过三极管的电流控制作用，将直流电源的能量转化为交流能量输出给负载,7-2 基本交流放大电路,对放大电路的基本要求 ：1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。2. 尽可能小的波形失真。另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。,主要讨论放大电路的电路结构、工作原理、分析方法,放大电路中必须包括放大器件，且工作在放大区,三极管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使三
8、极管工作在放大区 。,基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。,共发射极基本放大电路,7-2-1 放大电路的组成,信号源,负载,集电极电源EC -为电路提供能量。并保证集电结反偏。,集电极电阻RC-将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。,信号源,负载,共发射极基本电路,工程上常用的画法,共发射极基本电路,7-2-1 放大电路的组成,信号不失真（合适静态工作点）,+UCC,RB,RC,C1,C2,T,+,+,RL,ui,+,uo,+,判断以下电路能否对输入信号实现放大,+UCC,RC
9、,C1,C2,T,+,+,RL,ui,+,uo,+,+,C3,UBE,无输入信号(ui = 0)时（静态）:,？,有输入信号(ui 0)动态时,三极管放大电路工作原理,7-2-2 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,用直流通路,用交流通路,直流通路：,仅UCC作用,电容开路,信号源短路，内阻RS保留,由于电源的存在IB0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,静态工作点Q,7-2-2 基本放大电路的静态分析,放大电路静态值：IBQ、ICQ、UCEQ 。,7-2-3 静态工作点确定,一、估算法,（1）根据直流通路估算IB,RB称为偏置电
10、阻，IB称为偏置电流，UBE看成0.7V的常数,（2）根据直流通路估算UCE、IC,IC,UCE,+UCC,例1：用估算法计算静态工作点。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k， =37.5。,解：,注意：电路中IB 和 IC 的数量级不同,例2：用估算法计算图示电路的静态工作点。,由例1、例2可知，当电路不同时，计算静态值的公式也不同。,由KVL可得：,由KVL可得：,(IB,UBE) 和( IC,UCE )分别对应在输入输出特性曲线上确定静态工作点。,二、图解法,IC,UCE,UCEIC满足什么关系？,1. 三极管的输出特性曲线。,2. UCE=UCCICRC 。,直流负载线斜
11、率,直流负载线,由IB确定的那条输出特性与直流负载线的交点就是Q点,O,用作图的方法确定静态值,步骤：1. 用估算法确定IB,优点：能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。,2. 由输出特性确定IC 和UCE,直流负载线方程,用作图法确定静态值,非线性失真,如果Q设置不合适，三极管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。,若Q设置过高，,三极管进入饱和区工作，造成饱和失真。,适当减小基极电流可消除失真。,非线性失真,若Q设置过低，,三极管进入截止区工作，造成截止失真。,适当增加基极电流可消除失真。,如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。,上节复习,如图所示
12、的共射极放大电路中，设 Ucc 6V，Rb270k ，RC 3 k ，三极管为硅管，其输出特性曲线如下图所示。用图解法求该电路的静态工作点。,7-2-4 放大电路的动态分析,动态：放大电路有信号输入（ui 0）时的工作状态。,分析方法： 微变等效电路法，图解法。 所用电路：放大电路的交流通路。,动态分析: 计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,分析对象：各极电压和电流的交流分量。,目的：找出Au、 ri、 ro与电路参数的关系，为设计打基础。,对交流信号(输入信号ui),+,-,RL,+,-,uo,ui,UCC不作用,电容短路,信号源单独作用,一、图解法,虚线右边 线性方程UC
13、E= ICRL,RL =RcRL,交流负载线特点：,斜率为- ，比直流负载线陡峭 空载时（RL开路），交流负载线与直流负载线重合。,三极管的工作状态沿交流负载线移动,负载线经过Q点,虚线左边 三极管输出特性曲线,在 三极管输出特性曲线画出交流负载线,交流负载线的作法,IB,交流负载线,1、先做直流负载线确定Q点,3、将直线平移到Q点,2、做斜率为 辅助线，,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大电路的电压放大倍数。,交流波形的画法,40uA,60uA,20uA,动态分析图解法（输出端开路和有负载情况比较）,有负载时电压放大倍数将减小。,二、 微变等效电路法,微变等效电路：把非线性元件三极管
14、所组成的放大电路等效为一个线性电路。即把非线性的三极管线性化，等效为一个线性元件。,线性化的条件：三极管在小信号（微变量）情况下工作。因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。,微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。,三极管的微变等效电路可从三极管特性曲线求出。,当信号很小时，在静态工作点附近的输入特性在小范围内可近似线性化。,1. 三极管的微变等效电路,UBE,对于小功率三极管：,rbe一般为几百欧到几千欧。,二、微变等效电路法,(1) 输入回路,Q,输入特性,三极管的 输入电阻,三极管的输入回路(B、E之间
15、)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和 ib之间的关系。,(2) 输出回路,rce愈大，恒流特性愈好 因rce阻值很高，一般忽略不计。,三极管的输出电阻,输出特性,输出特性在线性工作区是 一组近似等距的平行直线。,三极管的电流放大系数,三极管的输出回路(C、E之 间)可用一受控电流源 ic= ib 等效代替，即由来确定ic和 ib之间的关系。,一般在20200之间，在手册中常用hfe表示。,O,ib,三极管,微变等效电路,1. 三极管的微变等效电路,三极管的B、E之间可用rbe等效代替。,三极管的C、E之间可用一受控电流源ic=ib等效代替。,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中
16、的三极管用三极管微变等 效电路代替即可得放 大电路的微变等效电 路。,交流通路,微变等效电路,分析时假设输入为正弦交流，所以等效电路中的电压与电流可用相量表示。,微变等效电路,2. 放大电路的微变等效电路,将交流通路中的三极管用微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,3.电压放大倍数的计算,当放大电路输出端开路(未接RL)时，,因rbe与IE有关，故电压放大倍数与静态 IE有关。,负载电阻愈小，放大倍数愈小。,式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。,3.电压放大倍数的计算,例2：,由例1、例2可知，当电路不同时，计算电压放大倍数 Au 的公式也不同。要根据微变等效电路找出 ui与ib
17、的关系、 uo与ic 的关系。,4.放大电路输入电阻的计算,放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。,定义：,输入电阻是对交流信号而言的，是动态电阻。,输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。一般总是希望得到较大的输入电阻。,例1：,5. 放大电路输出电阻的计算,放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,定义：,输出电阻是动态电阻，与负载无关。,输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化时输出
18、电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,共射极放大电路特点： 1. 放大倍数高; 2. 输入电阻低; 3. 输出电阻高.,例3：,求ro的步骤： 1) 断开负载RL,3) 外加电压,4) 求,外加,2) 令 或,在放大电路中，三极管必须有合适的静态工作点，才能使放大电路有足够大的动态范围、一定的放大倍数及输入、输出电阻。,7-4分压式偏置电路,1、影响静态工作点Q稳定的因素：,电源电压波动、电路参数变化、三极管老化等,最主要的因素:三极管的特性参数（uBE 、 、 ICBO）随温度变化造成 Q点的变化。,当温度升高时，它们变化的总结果是使集电极电流 增大，从而破坏静态工作点的稳定
19、性。,所以要稳定Q 点，关键在于使集电极电流 不变,2、如何稳定静态工作点Q,分压式偏置电路稳定Q 点,3、分压式偏置电路分析,静态工作点Q估算,直流通路,3、分压式偏置电路分析,动态分析,交流通路,微变等效电路,若断开射极旁路电容，如何分析？,上节复习：,1、为什么分压式偏置电路能稳定静态工作点？,2、分压式偏置电路中射极旁路电容的作用？去掉后 对电路影响是什么？,7-5射级输出器（共集放大电路）,电路结构特点：,交流通路,集电极是输入回路、输出回路公共端（共集）,输出电压取自发射极（射极输出电路）,7-5射级输出器（共集放大电路）,一. 静态工作点的计算,UCC=IBRB+ UBE +IE
20、RE=IBRB+ UBE +(1+ ）IBRE=IB RB+ (1+ ）RE + UBE,直流通路,IC= IB 或 IC IE,7-5射级输出器（共集放大电路）,二. 动态分析,交流通路,微变等效电路,动态分析：,1、电压放大倍数,一般情况下,又称为射级跟随器,2、输入电阻,3、输出电阻,用加压求流法求输出电阻。,置0,保留,输出电阻,当RS=0时,（加压求流法）,当RS不等于0时,所以,2. 输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。,输出电压与输入电压近似相等，电压未被放大，但是电流放大了，即输出功率被放大了。,三、射极输出器的特点,射极输出器的输出电阻很小，带负载能力强。,射
21、极输出器的输入电阻很大，从信号源取得的信号大。,3.输入电阻,4.输出电阻,四、射极输出器的用途,用在电路的输入级，提高输入电阻。,用在电路的输出级，提高带负载能力。,7-6-2多级放大器,单管（单级）放大电路特点,放大倍数有限 （一般为几十倍）,放大电路其他技术指标很难满足实际需要,因此需要采用多级放大电路,多级放大电路的组成,信号源,输入级,中间级,输出级,负 载,多级放大电路的耦合（连接）方式,阻容耦合,直接耦合,变压器耦合,保证各级静态工作点正常设置,前一级输出的交流信号能畅通的传送给后一级,信号在耦合电路中传递时不产生失真,阻容耦合,通过电阻、电容将前级输出与后级输入连接起来,特点：
22、,电容隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。,前一级的输出电压是后一级的输入电压。uo1=ui2,总的电压放大倍数Au=各级放大倍数之积,后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻,总的输入电阻ri是前一级的输入电阻ri1,总的输出电阻ro是后一级的输出电阻ro2,课堂测验,一、填空,1、一个半波整流电路的变压器副边电压为10V，负载电阻为250，流过二极管的平均电流为_。 2、桥式整流电路的输出电压为10V，每个二极管所承受的最大反向电压为_。,二、计算题,1、如下图所示的稳压管稳压电路中，Ui=16V。当稳压管的电流IZ的变化范围为5-40mA时，RL的变化范围为多少？,RL,I
23、Z,2、如下图所示的二级放大电路，求,第一级与第二级的静态工作点Q1、Q2 画出微变等效电路 求出各级电压放大倍数和总的电压放大倍数,直接耦合,R11,RC1,C11,R12,CE1,RE1,ui,通过一个导线将前级输出与后级输入连接起来,特点：,各级放大器的静态工作点会相互影响，估算困难。,前一级的输出电压是后一级的输入电压。uo1=ui2,总的电压放大倍数Au=各级放大倍数之积,后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻,总的输入电阻ri是前一级的输入电阻ri1,总的输出电阻ro是后一级的输出电阻ro2,零点漂移,练习：,R21,+Ucc,C21,C22,RE2,RL,uo,如图所示的两级放大
24、电路 求： 第一级与第二级的静态工作点Q1、Q2 画出微变等效电路 求出各级电压放大倍数和总的电压放大倍数,变压器耦合,R11,C11,R12,CE1,RE1,ui,用变压器连接前后级，通过磁耦合将前级输出送到后级,特点：,各级间无电的联系，静态工作点相互独立。,能进行阻抗变换，多用于功率放大电路,体积笨重，很少使用,7-7放大器中的负反馈,7-7-1反馈的基本概念,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号叠加，就称为反馈。,取+ 净输入信号增大 正反馈 放大倍数提高 用于振荡器,取 - 净输入信号减小 负反馈 放大倍数降低 用于放大器,开环,闭环,负反馈
25、的作用：稳定静态工作点；稳定放大倍数；提高输入电阻；降低输出电阻；扩展通频带,净输入信号：,ube = ui - uf,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,设输入电压 ui 为正，,7-7-2反馈的判断方法,1、 有无反馈判断：输入回路与输出回路有无联系,有：有反馈,无：无反馈,2、正负反馈判断： 瞬时极性法,先假定输入信号某一瞬间的极性，用 +或者-表示，分别表示瞬时极性对地的 电压的正或负。 沿着信号传输的方向到输出回路，找 到反馈点 判断反馈量与净输入信号关系 若净信号增大正反馈 若净信号减少负反馈,串联,并联,(将反馈信号变为电压信号,与输入电压ui相减,得到被放大的电压信号u
26、be),(将反馈信号变为电流信号,与输入电流ii相减,得到被放大的电流信号ib),四种负反馈:(1)电流串联负反馈 (2)电压串联负反馈(3)电流并联负反馈 (4)电压并联负反馈,7-7-3负反馈的类型,例1：,ui 与 uf 串联,以电压形式比较 串联反馈,结论：,反馈过程：,电流负反馈具有稳定输出电流的作用,反馈类型 串联电流负反馈,Ic,Uf,Ube,ib,Ic ,uf ic RC,+ uf ,+ ,ube,Ube = Ui - Uf,例2：,净输入信号：,ii 与 if 并联，以电流形式比较 并联反馈,ii 正半周时，if 也是正半周，即两者同相,负反馈,if 正比于输出电压电压反馈,
27、if 与 uo反相,并联电压负反馈,ib = ii - if,Ib = Ii - If,可见 Ib Ii , 反馈电流 If 削弱了净输入电流,反馈过程：,电压负反馈具有稳定输出电压的作用,反馈类型 并联电压负反馈,例2：,Uo,if,ib,ic,Uo,Ib = Ii - If,例3：判断图示电路中的负反馈类型。,解: RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；,RE1对本级引入串联电流负反馈。,RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。,例3：判断图示电路中的负反馈类型。,解:,RE1、RF引入越级串联电压负反馈。,+,+,T2集电极的 反馈到T1的发射极，提高了E1的交流电位
28、，使Ube1减小，故为负反馈；反馈从T2的集电极引出，是电压反馈；反馈电压引入到T1的发射极，是串联反馈。,上节复习：,1、反馈的概念,2、正负反馈判断： 瞬时极性法,引反馈点,计算净输入信号,从接受反馈的那一级输入端开始，设极性为+（或-） 沿着信号传输的方向到输出回路，找到反馈点 判断反馈量与净输入信号关系 若净信号增大正反馈 若净信号减少负反馈,例1、判断图中反馈的正、负。,用瞬时极性法,+,-,+,引入反 馈点,ube,净输入量ube=ui-uf,uf,净输入量减小,负反馈,例2：判断图示电路中的级间反馈正、负。,用瞬时极性法,+,-,-,+,+,净输入量ube=ui-uf,净输入量减
29、小,负反馈,例3：判断图示电路中的级间反馈正、负。,+,-,-,+,+,净输入量ib=ii+if,净输入量增加,正反馈,ii,ib,if,例4：判断图示电路中的级间反馈正、负。,3、负反馈四种类型的判断,电压、电流负反馈,与输出信号有关,3、负反馈四种类型的判断,串联、并联负反馈,与输入回路有关,+UCC,(a),RE1,+,R1,RF1,RF2,C2,RC2,RC1,CE2,RE2,R2,+,C,+,+,+,+,例5：判断反馈类型,RF,电压串联负反馈,电压并联负反馈,+,电流并联负反馈,放大：,叠加：,A称为开环放大倍数开环增益,输出信号,输入信号,反馈信号,净信号,当A很大时,AF1,结
30、论:闭环放大倍数降低。当A很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数 与三极管无关,只与反馈网络有关。,7-7-3负反馈对放大器工作性能的影响,1、降低放大倍数,2.提高放大倍数的稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高。,放大倍数下降至1/(1+|AF|)倍，其稳定性提高1+|AF|倍。,若|AF| 1，称为深度负反馈，此时：,稳定性：输入信号一定，外界条件变化(温度变化、电源波动）引起 输出信号的变化。相对变化 越小越稳定。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,3. 改善波形非线性失真,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。,5. 对输入电阻的影响,1) 串联负反馈,无负反馈时：,有负反馈时：,使电路的输入电阻提高,无负反馈时：,有负反馈时：,2) 并联负反馈,使电路的输入电阻降低,电压负反馈具有稳定输出电压的作用， 即有恒压输出特性，故输出电阻降低。,电流负反馈具有稳定输出电流的作用， 即有恒流输出特性，故输出电阻提高。,1) 电压负反馈使电路的输出电阻降低,2) 电流负反馈使电路的输出电阻提高,6.对输出电阻的影响,例6：,1. 三极管的输入、输出特性曲线,3. 微变等效电路的画法和交流参数的计算Au、ri、ro,本章小结,2. 放大电路的静态、动态分析,4. 负反馈的判别和分析,
