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1、第2章 三极管及其放大电路,半导体三极管放大电路性能指标共射基本放大电路工作点稳定电路 共集电极电路和共基极电路多级放大电路反馈放大电路,什么是放大?,电信号放大:,窃听器?,半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称BJT）。BJT是由两个PN结组成的。,2.1 半导体三极管,【分类】,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,2.1.1 BJT的结构与符号,图形符号,发射结(Je),基极，用B或b表示（Base）,集电结(Jc),发射极，
2、用E或e表示（Emitter）；,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,三极管符号,箭头代表发射极电流的实际方向,结构制作要求：,为实现放大，必须满足三极管的内部结构和外部条件两方面的要求。,发射结正向偏置UBE0,集电结反向偏置UBC0,要求外加电源电压的极性必须满足：,2.1.2 BJT的电流放大作用,1.三极管的偏置,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：,2.三极管电流分配关系：,VCC,IEN,IEP,IE,=IEN+IEP,IEN,（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。,VCC,IE,IB,复合,IBE,IB
3、E,（1）发射区向基区注入电子，从而形成发射极电流IE。,VCC,IE,（2）在基区中,电子继续向集电结扩散；,少数电子与基区空穴相复合，形成IB电流。,IB,（3）集电区收集大部分的电子，形成IC电流。,IC,ICN,ICN,IBE,将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：,将三极管看成一个广义的节点（如下图），有：,共射电流放大倍数,共基极电流放大系数,共射电流放大倍数,共基极电流放大系数,2.1.3 .BJT的特性曲线,BJT的特性曲线是指各电极电压与电流之间的关系曲线，它是BJT内部载流子运动的外部表现。,工程上最常用的是BJT的输入特性和输出特性曲线。,以共射放大电路为例：,输入回
4、路,输出回路,输入特性：,输出特性：,BJT共射接法的输入特性曲线,分三部分：, 死区, 非线性区, 线性区,vCE =1V,vCE 1V,vCE =0V,记住：,当vCE1时，各条特性曲线基本重合。,当vCE增大时特性曲线相应的右移。,25,输入特性曲线,输出特性曲线,它是以iB为参变量的一族特性曲线。,输出特性曲线可以划分为三个区域：,饱和区iC受vCE控制的区域，该区域内vCE的数值较小。此时Je正偏，Jc正偏,饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小。此时Je正偏，Jc正偏。,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。,饱和区iC受vC
5、E显著控制的区域，该区域内vCE的数值较小，一般vCE0.7V（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。电压大于0.7V左右（硅管）。,模电着重讨论的就是该放大区！,三极管工作情况总结,例1：测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。,放大VcVbVe,放大VcVbVe,例2.1,2.1.4 BJT的主要参数,BJT的主要参数,共基电流放大系数, 共射电流放大系数,与的关系：,的值小于1，但接近于1。,的值远大于1，通常在20
6、200范围内。,【关于“主要参数”这部分详细内容请同学们自己看书P15！】,极间反向电流,（1）ICBO：集电极基极反向饱和电流,O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于单个集电结的反向饱和电流。因此，它只决定于温度和少子的浓度。,2.极限参数,（1）集电极最大允许电流ICM,指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。,（1）集电极最大允许电流ICM,指BJT的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。,（2）集电极最大允许功率损耗PCM,表示集电极上允许损耗功率的最大值。,PCM=iCvCE,过压区,过流区,（3）反向击穿电压,复习,符号,放大条件:电流关系工作区域,
7、特点判断工作状态,发射结正向偏置UBE0,集电结反向偏置UBC0,放大是最基本的模拟信号处理功能。,模拟电子中研究的最主要电路：放大电路,具有放大特性的电子设备：收音机、电视机、手机、扩音器等等。,2.2 放大电路性能指标,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。,一般来说，放大电路就是一个双端口网络。,放大电路（放大器）,+,-,Rs,+,-,+,-,RL,信号源,负载,信号源电压,输入电压,输出电压,Rs,信号源内阻,RL,负载电阻,输入电流,输出电流,放大电路的主要性能指标：【参见教材P17】,性能指标是衡量放大电路品质优劣的标准，同时由这些指标还要来决定放大电路
8、的适用范围。,这里主要讨论,输入电阻,输出电阻,增益,2.2.1 增益,实质上就是输出对输入的放大倍数。,电压增益,电流增益,无量纲,无量纲,功率放大倍数定义为 AP=POP,用分贝表示的电压增益和电流增益如下：,由于功率与电压（或电流）的平方成比例，因此功率增益表示为：,2.2.2 输入电阻Ri,+,-,Rs,+,-,+,-,RL,Ri,Ri决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小，即它决定了放大电路对信号源的要求。,Ri,放大电路,(放大器),Ri越大，Ii就越小，放大电路从信号源索取的电流越小。放大电路所得到的输入电压Vi越接近信号源电压Vs。,2.2.3 输出电阻Ro,Ro的求法：将信
9、号源短路，即 =0，但保留Rs；且负载RL两端开路，即RL=时,开路,短路,RO越小，放大电路的带负载能力越强。,2.2.4 最大输出幅值,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；2.要有合适的交流负载线。,由于三极管存在非线性，使输出信号产生了非线性失真。 非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分量之比，用THD表示，即,2.2.5 非线性失真系数,两个回路,正确的直流偏置,ui为小信号,ui和VBB串接,RB为基极偏置电阻,RC为集电极偏置电阻,输入回路,输出回路,放大的外部条
10、件,2.3.1共射基本放大电路组成,2.3 共射基本放大电路,IC变化了IC ，IB变化了IB,uBE= VBB+ui=VBB +UBE,iE = IE +IE ， iC = IC +IC ，iB = IB+IB,UO=IC RC,UOUBE,电压放大(电流放大),放大原理,放大的本质功率（能量）的放大,C1 、C2称为隔直电容或 耦合电容,该电路又称为阻容耦合放大电路。,2.3.2 共射基本放大电路实际电路,基本共射放大电路的简化,共射放大电路改进电路,vi,vo,需要使RbRc（一般为几十倍）,改成唯一的直流电源,三极管 T 起放大作用。,偏置电路VCC 、Rb提供电源，并使三极管工作在线
11、性区。,耦合电容C1 、C2输入耦合电容C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出耦合电容C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。,负载电阻RC、RL将变化的集电极电流转换为电压输出。,阻容耦合共射放大电路,放大原理,输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结于是有下列过程：,三极管放大作用,变化的 通过 转变为变化的输出,首先交代各物理量表示方法及其含义：, VBE，VCE，VI，VO IB，IC，IE，II, vi，vo，vbe， ib，ic，ie，ii,表示“直流量”：,大写字母大写下标,表示“交流量”的瞬时值：,小写字母小写下标, vBE，vCE，vI，vO iB，iC，iE，iI，
12、iO,表示“直流量交流量”：,小写字母大写下标,2.3.3 放大电路静态分析, Vc，Vb，Ve，Vi Ib，Ic，Ie，Ii,表示“交流量的向量形式”：,大写字母小写下标头上点,表示“交流量”的有效值：,大写字母小写下标,请详细参阅教材P21表述。,静态和动态,静态: 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。 (Q点),放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。,动态: 时，放大电路的工作状 态，也称交流工作状态。,直流通路 能通过直流的通路。提供Q点,固定偏置,例.2.2,2.3.4 动态分析,动态分析讨论的对象：
13、交流成分（即变化的量）,放大电路在接入正弦信号时的工作情况,设输入电压vi=0.02sint(V),vBE=VBE+vbe iB=IB+ibvCE=VCE+vce iC=IC+ic,各分量都在原来静态直流量的基础上叠加了一个交流量，如下：, 共射极放大电路中的电压、电流波形,uCE = VCC - iC RC,uBE = UBE + ui,uo = uCE - UCE,反相,非线性部分,线性部分,短路,短路,V=0 直流电源相当于对地短路,分析性能指标, 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCCiCRc，与IBQ曲线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。, 在直流通路中估算IBQ
14、。,2.3.5 图解分析法,为一直线,1.确定静态工作点,直流负载线,静态工作点,2.确定放大器的放大倍数,交流负载线,其斜率为-1/RL ,RL= RLRc， 是交流负载电阻。,交流负载线与直流负载线相交Q点。,交流通路-交流负载线-波形, 根据vI的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的波形,3.根据vI的波形求iB (不要求),4. 根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和vCE 的波形,反相,动态工作范围,A,vo,可输出的最大不失真信号,合适的静态工作点,5.Q点对波形影响,将Q点选在交流负载线AB的中央，可以获得最大的不失真输出，即可以得到最大的动态工作范围
15、即：BQ=AQ,B,Q,VCES,VCEA,截止失真的波形,NPN管顶部削平,Q点过低信号进入截止区,饱和失真的波形,NPN底部削平,Q点过高信号进入饱和区,例2.3,2.15,2.14,思路：将非线性的BJT等效成一个线性电路,适用范围：放大电路的输入信号是变化量且电压很小时适用,2.3.6 小信号等效电路分析法,BJT双口网络,1.三极管的小信号等效电路,交流,rbb,（1）利用直流通路求Q点,共射极放大电路,一般硅管VBEQ=0.7V，锗管VBEQ=0.2V， 已知。,2.放大电路的小信号等效电路及其分析,（1）画出放大电路的交流通路,（2）画小信号等效电路,（2）将交流通路中的三极管用
16、等效电路代替,则电压增益为,（可作为公式）,电压增益,（3）求放大电路动态指标,负号表示输出电压与输入电压反相,Ri,输入电阻,所以：,根据定义：,输出电阻,小结,例2.4,归纳等效电路法的步骤,先确定Q点（IBQ、ICQ、VCEQ）,求Q点处的和rbe,通常会给出,IEQ=IBQ+ICQICQ,三. 等效电路法的步骤,画出放大电路的微变等效电路,列出电路方程并求解【一般要求增益、输入电阻和输出电阻】,小信号模型分析法就是把非线性的三极管线性化，这样具有非线性元件的放大电路就转化成为我们熟悉的线性电路了。,经过线性化的三极管等效电路为：,称为简化的H参数小信号模型（或微变等效电路）,2.4 静
17、态点稳定电路,2.4.1温度对静态工作点的影响,2.4.2 分压偏置电路,固定偏流电路,射极偏置电路,旁路电容,Q点稳定原理,目标：温度变化时，使IC维持恒定。,如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现Q点的稳定。,分析该电路的特性指标,（1）Q点的估算:【IBQ、ICQ、VCEQ】,（2）动态参数的估算,（2）动态参数的估算,旁路电容,求电压增益,求输入电阻,Re=0，代入无旁路电容时输入电阻表达式,小！,求输出电阻,2.5.1 共集电极放大电路,电路结构,2.5 共集电极电路和共基极电路,又称射极输出器,为正值,表明输出电压与输入电压同相。,又称电压跟随器,共集电极放大电路的特点：,电
18、压放大倍数1（略小于1），对电压基本无放大作用；,输入阻抗高,对信号源影响小；,输出阻抗小,带负载能力强。,输出电压与输入电压同相；,电压跟随器,对电流具有放大作用。,射极输出器的应用,（1）放在多级放大器的输入端，提高整个放大器的输入电阻。,（2）放在多级放大器的输出端，减小整个放大器的输出电阻。,（3）放在两级之间，起缓冲作用。,2.5.2 共基极电路,电路结构,CB,Re：引入直流负反馈以稳定工作点Q,三种组态比较,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,2.6.1 放大电路的频率特性与通频带,2.6多级放大电路,1.放大电路的频率特性与通频带,Rb=Rb1/Rb2,2.单极放大电路的频率
19、特性分析,分析该电路的低频响应时，不应该再忽略隔直电容和射极旁路电容,低频,主要影响,中频段,Rb= Rb1/ Rb2Ri=Rb / rbe Ro=Rc,中频时:C1、C2 、Ce容抗较小，可视为短路； C容抗较大，可视为开路。等效电路如图。,高频段,将全频段小信号模型中的C1、C2和Ce短路，即可获得高频段小信号模型微变等效电路，如图所示。,1)RC耦合,2.6.2 多级放大电路的分析,1.耦和方式,2)直接耦合,优点：低频性能好， 易于继集成缺点：静态点相互影响 （温度漂移问题）,前级的开路电压是下级的信号源电压,前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗,下级的输入阻抗是前级的负载,2 多级放大电
20、路的性能分析,结论：将几级放大电路串联起来后，总电压增益为各单级电路电压增益的乘积，较单级时提高了，但fL及fH，通频带变窄了。,2.7.1 反馈的基本概念,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。,2.7 反馈放大电路,举两个例子，比如：一.我们使用冰箱制冷,由于外界温度较高,冰箱向外界释放热量,冰箱内温度会朝着我们制定的度数降低,而外壳温度会越来越高,一段时间后,当冰箱内的温度达到所设置的度数后,冰箱会进行自动调节,让温度不再进一步地降低。这便是反馈调节。二.我们在家里使用洗衣机时会设置一个注水量，启动机器后，水开始注入机桶，在未达到注水量前，机器会产生动力驱动水位上
21、升，然而水位上升至设置量后，反馈调节便开始了，洗衣机停止注水工作。例如在教小狗的时候，1+1=？，如果它衔的是写有2图片的时候，你给它骨头吃，那它看到1+1的时候就会衔含有2的图片，就有骨头吃，这就是正反馈。当它衔的不是2，你打一棍子它，那它下次就不敢再衔那张图片了，这就是负反馈,放大：,迭加：,A称为开环放大倍数,AF称为闭环放大倍数,输出信号,输入信号,反馈信号,净输入信号,F称为反馈系数,1.正反馈与负反馈,正反馈：,负反馈：,反馈信号增强了外加输入信号的作用，使得净输入量增加，最终使AF。,反馈信号削弱了外加输入信号的作用，使得净输入量减小，最终使AF。,例 2.4,判别方法：瞬时极性
22、法。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 （正斜率或负斜率，用“+”、“-”号表示）。,负反馈,2.交流反馈和直流反馈,直流反馈：,交流反馈：,反馈量中只含有直流量，或者说，只在直流通路中存在的反馈。,反馈量中只含有交流量，或者说，只在交流通路中存在的反馈。,3.串联反馈与并联反馈,由反馈网络在放大电路输入端的连接方式判定,串联,串联：输入以电压形式求和（KVL） -vi+vid+vf=0 即 vid=vi- vf,并联：输入以电流形式求和（KCL） ii-iid-if=0 即 iid=ii-if,并联,判断方法：,（a）反馈量与输入量在不同输入端，对应
23、的是电压求和，说明是串联反馈；,（b）反馈量与输入量在同一输入端，对应的是电流求和，说明是并联反馈；,4.电压反馈与电流反馈,电压反馈与电流反馈由反馈网络在放大电路输出端的取样对象决定,电压反馈：反馈信号xf和输出电压成比例，即xf=Fvo电流反馈：反馈信号xf与输出电流成比例，即xf=Fio,并联结构,串联结构,方法一：假设把输出端交流短路（即令输出电压等于0），观察是否仍有反馈信号。如果反馈信号不存在了，即反馈量为0，则说明是电压反馈；若反馈量不等于0，则说明是电流反馈。,方法二：将负载RL开路（即RL=），致使i0=0，从而使iF=0，即由输出引起的反馈信号消失了，可以确定为电流反馈。,
24、判断方法：,电压负反馈：稳定输出电压，具有恒压特性,串联反馈：输入端电压求和（KVL）,电流负反馈：稳定输出电流，具有恒流特性,并联反馈：输入端电流求和（KCL）,特点小结：,5.负反馈放大电路的四种组态,电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈,对于三极管电路：,若反馈信号与输入信号同时加在三极管的基极或发射极，则为并联反馈。,若反馈信号与输入信号一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈。,小知识,开环增益,反馈系数,闭环增益,因为,所以,已知,闭环增益的一般表达式,记住,2.7.2 负反馈放大器的计算,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,即,闭环时,
25、对A求导得,只考虑幅值有,即闭环增益相对变化量比开环减小了1+AF,另一方面,在深度负反馈条件下,即闭环增益只取决于反馈网络。当反馈网络由稳定的线性元件组成时，闭环增益将有很高的稳定性。,1. 增益稳定性的提高,2.7.3负反馈对放大器性能的影响,加反馈前,加反馈后,失真,改善,2 非线性失真减小,放大电路加入负反馈后，增益下降，但通频带却加宽了。,无反馈时放大器的通频带： fbw= f HfL f H 有反馈时放大器的通频带： fbwf= f HffLf f Hf,可以证明：fbwf = (1+AF) fbw放大器的一个重要特性：增益与通频带之积为常数。 即： Amf fbwf= Am fbw,3.扩展通频带,负反馈对放大电路性能的改善，是以牺牲增益为代价的。,串联负反馈 ,并联负反馈 ,电压负反馈 ,电流负反馈 ,增大输入电阻,减小输入电阻,减小输出电阻，稳定输出电压,增大输出电阻，稳定输出电流,闭环输入电阻 Rif=vi/ii,4. 改变输入电阻和输出电阻,闭环输入电阻,闭环输出电阻,闭环输出电阻,5. 引入负反馈的一般原则,电压稳定,电压负反馈,电流稳定,电流负反馈,输入电阻小,串联负反馈,输入电阻大,并联负反馈,电压源,串联负反馈,电流源,并联负反馈,
