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1、第15章 基本放大电路,15.2 基本放大电路的组成,15.3 放大电路的静态分析,15.5 静态工作点的稳定,15.7 多级放大电路,15.6 射极输出器,15.4 放大电路的动态分析,15.8 差动放大电路,15.1 半导体三极管,15.1 半导体三极管,一、三极管结构、符号,基极,发射极,集电极,NPN型,2、符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,由2个PN结组成；,根据结构不同，可分为：NPN型和PNP型,1、结构：,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：,集电区：面积最大,二、电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏
2、,PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVB,VCVBVE,VCVBVE,注意：EB 、EC极性不能接反，且ECEB,保证：,2. 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,晶体管的电流放大作用：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。,2） IC IB ， IC IE,3） IC IB,IB,IC,IE,实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。,3. 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
3、极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,使T具有放大作用的条件：,内部条件：,外部条件：,基区要做的很薄，且掺杂质浓度小，使IB很小,发射结正偏，集电结反偏,从基区扩散来的电子由于外部电源的作用而被拉入集电区形成ICE。,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 ICE0,三、特性曲线,重点讨论应用最广泛的共发射极
4、接法的特性曲线,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,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管： UBE 0.60.7VPNP型锗管： UBE 0.2 0.3V,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,特点： IC= IB ，也称为线性区,条件：发射结正偏、集电结反偏,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,条件：发射结反偏，集电结反偏,在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。 深度饱和时， 硅管UCES 0
5、.3V， 锗管UCES 0.1V。,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管处于饱和状态。,当UCE=UBE时，晶体管处于临界饱和。,饱和区,截止区,四、主要参数,1. 电流放大系数 ，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,例：在UCE= 6 V时， 在 Q1 点IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，
6、受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,
7、硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,一、基本放大电路组成及各元件作用,使发射结处于正偏，并提供大小适当的基极电流,共发射极基本电路,晶体管T:,放大元件,利用电流放大作用，获得较大的iC,基极电源EB与基极电阻RB：,为电路提供能量。并保证集电结反偏。,将变化的电流转变为变化的电压。,耦合电容C1 、C2 ：,集电极电源EC：,集电极电阻RC：,隔离输入、输出与放大电路直流的联系,RS、eS ：,交流信号源,RL：,负载,15.2 基本放大电路的组成,二、省去EB的放大电路,原因：,(1) 用到两个直流电源不方
8、便，可省去EB, IB、IC由 RB、RC控制,(2) 放大电路中，通常设公共端为“地”电位为0(参考点),(3) 为简化电路，而只在连接正极的一端标出电压值,三、放大电路工作原理：,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,UBE,无输入信号(ui = 0)时:,uo = 0uBE = UBEuCE = UCE,？,有输入信号(ui 0)时,uCE = UCC iC RC,uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uo,四、放大电路中各处电流、电压由eS和UCC共同作用产生,直流量+交流量,iB= IB + ib,iC= IC + ic,
9、uCE= UCE + uce,uBE= UBE + ube,其中：ib，ic表示交流分量的瞬时值,对放大电路的分析可分为：,(1) 求IB 、 IC、UCE,称为静态分析,(2) 求Au 、 ri、ro,称为动态分析,结论：,(1) 无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 电压和电流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。,(2) 加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发 生了变化，都在直流量的基础上叠加了一个交流量，但 方向始终不变。,+,集电极电流,直流分量,交流分量,动态分析,静态分析,(3)
10、 若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有 电压放大作用。,(4)输出电压与输入电压在相位上相差180， 即共发射极电路具有反相作用。,15.3 放大电路的静态分析,静态：当放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。,所用电路：放大电路的直流通路。,(1)使放大电路的放大信号不失真；(2)使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。,IB、IC、UCE,静态分析：确定放大电路的静态值。,静态工作点Q：,分析方法：估算法、图解法。,分析对象：各极电压电流的直流分量。,设置Q点的目的：,例：画出下图放大电路的直流通路,直流通路,直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC
11、 、 UCE ),对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）,断开,断开,一、用估算法确定静态值,2.由输入回路求IB：,由KVL: UCC = IB RB+ UBE,UCE = UCC IC RC,1.画直流通路（C开路）,3.由输出回路求IC、UCE：,IC= IB,例1：用估算法计算图示电路的静态工作点。,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：,二、用图解法确定静态值,用作图的方法确定静态值,1.作出电路非线性部分的V-I特性曲线晶体管输出特性,即：由电路工作情况的负载线与非线性元件的伏安特性曲线的交点确定，此交点称为工作点,2.做直流负载线：由输出特
12、性确定IC 和UCE,直流负载线方程,步骤：,(1)先求出IB：IB=UCC/RB,(2)确定IC=f(UCE)/IB,用图解法确定静态值,直流负载线斜率,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,IB大小不同，Q点位置也不同，IB称为偏置电流，其大小可由改变RB来调整。,讨论：当RB、RC、UCC变化时，其Q点的变化情况:,O,(1) 当RB增大时：,由IB=UCC/RB知，当RB增加时，IB减少。直流负载线不变，Q沿负载线下移到Q,(2) 当RC增大时：,IC=f(UCE) /IB不变，直流负载线斜率变化，,Q沿特性曲线左移到Q,(3) 当UCC增大时：,对IB=
13、UCC/RB知，UCCIB,斜率不变，但向右平移，Q变为Q,15.4 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。,所用电路：放大电路的交流通路。,计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro,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。,动态分析:,分析对象：,分析方法：微变等效电路法，图解法。,一、微变等效电路法,晶体管线性化的条件：,把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,保证在静态工作点附近小范围内,微变等效电路：,在小信号情况下工作,1、晶体管的微变等效电路,当信号很小时，在静态工作点附近的输入
14、特性在小范围内可近似线性化。,UBE,(1)输入回路,Q,输入特性,晶体管的输入电阻,晶体管的输入回路(B、E之间)可用rbe等效代替,(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。,晶体管的输出电阻,输出特性,晶体管的电流放大系数,晶体管的输出回路(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。,O,ib,晶体三极管,微变等效电路,晶体管的B、E之间可用rbe等效代替,晶体管的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,将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。,交
15、流通路,微变等效电路,微变等效电路相量表示,(1)画微变等效电路,因rbe与IE有关，故放大倍数与静态 IE有关。,(1)负号表示输出电压的相位与输入相反,(2)求电压放大倍数Au,讨论：,(2)Au与RL有关；,RL时电路开路，Au最大； RLAu,(3)Au与rbe、有关；,例1：,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。,(3)求放大电路输入电阻,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。,电路的输入电阻愈大，信号源内阻所消耗的能量就越少，因
16、此一般总是希望得到较大的输入电阻。,例1：,(4)求放大电路输出电阻,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。,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，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。,rbe,RB,RC,RL,E,B,C,+,-,+,-,+,-,RS,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：,1) 断开负载RL,3) 外加电压,4) 求,外加,2) 令 或,求ro的步骤：,rbe,RB,RL,E,B,C,+,-,+,-,
17、+,-,RS,RE,外加,例4：,二、图解法,用作图的方法来分析各电压和电流交流分量之间的传输情况和关系。,1、交流负载线,交流负载线,直流负载线,直流负载线：,其斜率：,交流负载线：,由于电容隔直流作用，RL不考虑,对交流来说电容视作短路RL考虑,其斜率：,很明显，,图解法,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,非线性失真：,放大电路的一个基本要求，就是vo尽可能不失真；,失真就是 v0 波形不像 vi 的波形；,(1)失真的原因：,a) 静态工作点不合适,b) 信号太大,使放大电路工作范围不在线性范围，又称为非线性失真,(2)失真的类型：,a) 截止失真：,b) 饱
18、和失真：,c) 饱和截止失真：,Q点太低，,Vi负半周进入截止区，,Q点太高，,Vi正半周进入截止区，,V0 正半周被削平,V0 负半周被削平,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。,若Q设置过高，,晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。,解决办法：,增大 RB，使 IB 减小,若Q设置过低,晶体管进入截止区工作，造成截止失真。,解决办法：,减小 RB，使 IB 增大,15.5 静态工作点的稳定,合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的先决条件。但是放大电路的静态工作点常因外界条件的变化而发生变动。,对共射极基本放大电路，当UCC和RB选定后，IB=UCC/RB固定
19、不变，电流 IB 称为偏置电流，获得偏流的电路称为偏置电路；对共射极基本放大电路称为固定偏置放大电路。,当温度升高时UBE ICQ点上移,固定偏置放大电路缺点：,当温度升高使 IC 增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化，保持Q点基本稳定。,为了更好的稳定Q点，引入分压式偏置电路：,一、分压式偏置电路,1. 稳定Q点的原理,基极电位基本恒定，不随温度变化,VB,集电极电流基本恒定，不随温度变化。,Q点稳定的过程,VE,VB 固定,RE：温度补偿电阻,VB,稳定的物理过程：,对直流：RE 越大,稳定Q点效果越好；,对交流：RE 越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。,二、静态分
20、析,(1)画直流通路:,VB,(2)求IB、IC、UCE:,三、动态分析,对交流：旁路电容 CE 将RE 短路，RE不起作用， Au，ri，ro与固定偏置电路相同。,如果去掉CE ，Au，ri，ro ？,旁路电容,去掉CE后的微变等效电路,如果去掉CE ，Au，ri，ro ?,无旁路电容CE,有旁路电容CE,Au减小,分压式偏置电路,ri 提高,ro不变,对信号源电压的放大倍数？,信号源,考虑信号源内阻RS 时,例1:,在图示放大电路中，已知UCC=12V, RC= 6k, RE1= 300， RE2= 2.7k， RB1= 60k， RB2= 20k RL= 6k ，晶体管=50， UBE=
21、0.6V, 试求:(1) 静态工作点 IB、IC 及 UCE；(2) 画出微变等效电路；(3) 输入电阻ri、ro及 Au。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,直流通路,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro,微变等效电路,15.6 射极输出器和多级放大电路,从发射极输出(共集电极电路),射极输出器：,一、射极输出器,1、静态分析,由输入回路：,由输出回路：,2、动态分析,Au1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器,微变等效电路,（共集电极）,(1)画微变等效电路,(2)求Au、ri、r0,其中,射极输出器的输入电阻高，对前级有利。 ri 与负载有关,射极输出器的输
22、出电阻很小，带负载能力强。,rbe,RB,+,-,RS,RE,共集电极放大电路(射极输出器)的特点：,(5) 由于ri大，ro小，可用于两个共射极电路的中间，起到匹配 作用，提高整个电路Au,(1) Au小于1，约等于1,仍有一定的电流（功率）放大作用;,(2) 输入电压和输出电压同相，且大小几乎相等；所以射极输 出器具有跟随作用，也称为射极跟随器。,(3) ri高，所以常用于多级电路的输入级，以减轻信号源的负载；,(4) ro低，用于多级电路输出级，以提高带负载能力；,例1：在图示放大电路中，已知UCC=12V, RE= 2k, RB= 200k， RL= 2k ，晶体管=60， UBE=0
23、.6V, 信号源内阻RS= 100，试求:(1) 静态工作点 IB、IE 及 UCE；(2) 画出微变等效电路；(3) Au、ri 和 ro 。,解:,(1)由直流通路求静态工作点。,(2) 由微变等效电路求Au、 ri 、 ro,微变等效电路,二、多级放大电路及其级间耦合,信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。,直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,减少压降损失,静态：保证各级有合适的Q点,波形不失真,多级放大电路的框图,放大器输入信号一般很微弱，因此常采用多级放大，这样才可在输出端获得必要的电压幅度或足够的功率，以推动负载工作。,耦合方式：,常用的耦合方式：,1、
24、阻容耦合,第一级,第二级,负载,信号源,两级之间通过耦合电容与下级输入电阻连接,(1) 静态分析,由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，可以各级单独计算。,两级放大电路均为共发射极分压式偏置电路。,(2)动态分析,微变等效电路,第一级,第二级,电压放大倍数：,例2：如图所示的两级电压放大电路，已知1= 2 =50。计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);(2) 求放大电路的输入电阻和输出电阻； (3) 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。,解:,(1) 两级放大电路的静态值可分别计算。,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,解:,(2)计算 r i和 r 0,微变等效电路,(3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,
