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1、1,船舶无线电技术基础,第2章 晶体三极管及电压放大电路大连海事大学信息科学技术学院主讲教师：杨梅,上篇 模拟电路,2,2.1 晶体三极管双极型三极管,2.1.1 结构三极管由两个PN结构成分类：NPN型和PNP型以NPN型为例：三个区：发射区、基区、集电区三个极：发射极E、基极B、集电极C两个结：发射结（BE结）、集电结（CB结）,3,晶体三极管实现放大的条件：（1）内部结构条件：发射区高掺杂。基区很薄。集电结面积大。（2）外部偏置条件：外加电源使发射结正偏，集电结反偏。,共发射极连接：E极作为输入、输出公共端，当VcVBVE时，满足外部条件，可实现放大。,4,晶体三极管放大时内部载流子的运
2、动,1）发射：发射结正偏，利于多数载流子的运动，IE=IEN+IEP。发射区高掺杂，IEIEP。,2）复合和扩散：电子到达基区后，与P区的多子空穴产生复合形成基极电流IBN。基区空穴浓度低，且薄，大多数电子在基区中继续扩散到达集电结一侧。,IE=IEN+IEP,IBN=IENICN,5,晶体三极管放大时内部载流子的运动,3）收集：集电结反偏，将基区中扩散过来的电子收集到集电极形成ICN。同时，集电区少子空穴和基区少子空穴进行漂移运动，形成反向饱和电流ICBO,电流分配关系：IEICIB,IC=ICN+ICBO,IB=IEP+IBNICBO=IEP+IEN ICN ICBO=IE-IC,IE=I
3、EN+IEP,IBN=IENICN,6,2.1 晶体三极管双极型三极管,NPN和PNP的符号,电流关系：IEICIB,7,2.1 晶体三极管双极型三极管,IC=ICN+ICBO=,IC=,=IB+ICEO,共基极直流电流放大系数:,:共射极直流电流放大系数,输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小时，,8,2.1.3 晶体三极管的伏安特性曲线（NPN）,晶体三极管伏安特性曲线：描绘三极管各极电压和电流间的相互关系,共发射极，NPN管,（1）输入特性曲线：以输出电压为参变量，描述输入电流与输入电压之间的关系。,（2）输出特性曲线：以输入电流（或电压)为参变量，描述输出电流与输出电压之间的关系。,
4、9,2.1.3 晶体三极管的伏安特性曲线（NPN）,输入特性曲线发射结正偏：iBfin（vBE）vCE常数vCE=0，与二极管伏安特性曲线正向相似。死区电压 导通压降vCE0,vCEvBE，曲线向右移。vBE一定，iB随vCE增大而减小.vCE=1,vCE再增大，iB也不会减小很多。,输入特性是一组曲线族。,10,2.1.3 晶体三极管的共射特性曲线（NPN）,输出特性曲线:从特性分四个区：放大区截止区饱和区击穿区,11,2.1.4 晶体三极管的四个工作区,放大区：近似为水平的直线 特点：iCiB,iC/iBIC/IB iC基本不随vCE电压变化而变化要求外电压条件：发射结正向偏置，集电结反向
5、偏置,12,2.1.4 晶体三极管的四个工作区,(2)截止区：iB=0曲线以下的区域 特点：iB 0，iC 0三极管不放大，截止 要求外电压条件：发射结反向偏置 集电结反向偏置,13,2.1.4 晶体三极管的四个工作区,(3)饱和区：特点：iC iB 饱和压降vCES0.4V 要求外电压条件：发射结正向偏置 集电结正向偏置,14,2.1.4 晶体三极管的四个工作区,(4)击穿区vCE增大，vCB相应增大。当vCE增大到一定值时，集电结vCB发生反向击穿。造成电流iC剧增曲线上翘,15,2.1.4 晶体三极管的四个工作区,放大区：Je正偏，Jc反偏 截止区：Je和Jc都反偏 iC0，CE之间相当
6、于开路 饱和区：Je和Jc都正偏 CE间饱和压降约为0.3V，很小。因而CE 之间相当开关闭合。晶体三极管的开关作用广泛应用于数字电路中,开关区,16,2.2 单管电压放大电路,共发射极放大电路,外部供电条件：发射结正偏集电结反偏,双电源阻容耦合共射放大电路,共发射极：E极作为输入、输出公共端,17,2.2 单管电压放大电路,电路组成及各元件作用：(1)晶体管T：晶体管是放大电路中的放大件，具有电流放大作用,(2)集电极电源VCC：电源VCC为输出信号提供能量外，保证集电结反偏，使晶体管处在放大。,(3)集电极负载电阻RC将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电压放大,18,2.2 单管电压
7、放大电路,电路组成及各元件作用：(4)VBB和RB：VBB保证发射结正偏，RB用于提供合适的静态偏置IB和VBE。IB大小对放大作用的优劣和性能有密切关系。(5)C1和C2：耦合隔直电容，容量较大。作用：隔直流、通交流对直流信号，C1C2视为开路，有隔直作用；对交流信号，容抗可忽略，C1C2视为短路，起耦合作用。,19,2.2 单管电压放大电路,共发射极放大电路,单电源基本阻容耦合共射放大电路,20,2.2 单管电压放大电路,分析遵循的原则：先静态分析、后动态分析静态：未加交流输入信号（vi0）时的工作状态（直流状态）称静态。静态时晶体管各极直流电流和极间直流电压的值，称为静态工作点，常用Q表
8、示，即（IBQ、VBEQ、ICQ、VCEQ）；用直流通路分析。动态：分析加上交流输入信号vi时的工作状态。用交流通路来分析。,21,直流通路与交流通路 由于放大电路中存在电抗性元件，对直流信号和交流信号呈现的阻抗不同，所以，直流的通路和交流的通路是不同的。正确画出直流通路和交流通路的方法：直流通路的 画法：电容：开路；电感线圈：短路；信号源：短路，但应保留其内阻。交流通路的 画法：大容量电容（如耦合电容）：短路，理想电压源（VCC）：短路；理想电流源：开路；,22,例1：画放大电路的直流通路和交流通路,直流通路,交流通路,23,例2：画放大电路的直流通路和交流通路,直流通路,交流通路,24,2
9、.2 单管电压放大电路,分析遵循的原则：先静态、后动态静态分析：画直流通路，用于求解静态工作点。动态分析：画交流通路，用于研究放大电路的动态性能指标（放大倍数、输入电阻、输出电阻等）。,放大电路工作在放大状态时，电路中交、直流信号并存。,25,电压放大原理,静态：当 vi0时，静态工作点IBQ、VBEQ、ICQ和VCEQ。VCEQ为恒定量，C2有隔直作用。vO0。,2.2 单管电压放大电路,26,动态分析：加入小信号vivBE=VBEQ+vi iB=IBQ+ib iC=iB=IBQ+ib=ICQ+ic vCE=VCC-iCRC=VCC-ICQRC-icRC=VCEQ+vceC2具有“隔直流，通
10、交流”的作用 vo=vce=-icRC,反相放大,2.2 单管电压放大电路,电压放大原理,27,结论,（1）当vi为零时，电路处于静态，IBQ、ICQ、VCEQ表征静态工作点Q。（2）静态工作点Q 的设置合适时，加入vi后，iB、iC和vCE将围绕静态值随vi信号的变化规律近似线性变化。（3）只有交流量反映了输入信号的变化,因此，需要放大电路输出的是交流量。(4)共射极放大电路实现了反相放大。,2.2 单管电压放大电路,28,2.2 单管电压放大电路,放大电路的分析方法图解法：利用晶体管的输入、输出特性曲线，用作图的方法分析。微变等效电路法：在一个小的变化范围内，近似认为三极管的特性曲线为线性
11、，因此用其相应的微变等效电路代替三极管，将非线性电路用线性电路来分析。,29,图解法的静态分析,图解法的静态分析：在输入、输出特性曲线上，用作图的方法确定静态工作点Q，即在输入特性曲线上求出（IBQ，VBEQ），在输出特性曲线上求出（ICQ、VCEQ）,VBE=VCC-IBRB,1、输入回路电压方程,直流通路,或 VCC=VBE+IBRB,2、输出回路电压方程,或VCE=VCC-ICRC,VBE=VCC-IBRB,VCC=VCE+ICRC,30,图解法的静态分析,VBE=VCC-IBRB,当VBE0：IBVCC/RB，在纵轴上找到点（0，VCC/RB）当IB0:VBEVCC在横轴上找到点（VC
12、C,0）两点连成直线（输入回路直流负载线）该直线与输入特性曲线的交点为Q（ICQ，VCEQ）,Q,输入回路电压方程,1、在输入特性曲线上确定Q（IBQ，VBEQ）,VCC,VCC/RB,31,图解法的静态分析,Q,2、在输出特性曲线上确定Q（ICQ，VCEQ）,当VCE0：ICVCC/RC，在纵轴上找到点（0，VCC/RC）当IC0:VCEVCC在横轴上找到点（VCC,0）两点连成直线（输出回路直流负载线）该直线与IB=IBQ对应的输出特性曲线的交点为Q（ICQ，VCEQ）,输出回路电压方程,VCE=VCC-ICRC,32,2.2 单管电压放大电路,静态工作点的设置,管子放大,发射结正偏集电结
13、反偏,静态工作点：外加输入信号为0时，各极直流电压和电流确定的工作点，用Q表示。IBQ、VBEQ、ICQ和VCEQ。静态工作点用直流通路求解。,Q在放大区工作,设置合适的静态工作点,33,只改变RB，对Q点的影响,电路参数对Q点的影响,RB,IBQVCC/RB Q 饱和区,Q,Q,Q,Q,Q,IBQ VCC/RB Q 截止区,RB,34,电路参数对Q点的影响,RC,Q 远离饱和区,Q,Q,Q,Q 接近饱和区,RC,35,非线性失真:Q点位置设置不当，或者输入信号太大使放大电路的工作范围超出了晶体管特性曲线的线性工作范围，则放大电路输出波形产生明显的非线性失真。非线性失真分为 截止失真和饱和失真
14、。,2.2 单管电压放大电路,36,2.2 单管电压放大电路,截止失真的分析原因：Q过低 现象：NPN管，输出电压波形顶部失真。,解决方法：,Q,ICQ,IBQ,IBQVCC/RB,VCC，RB,37,2.2 单管电压放大电路,饱和失真的分析原因：Q过高现象：NPN管，输出电压波形底部失真。,解决方法：,Q,ICQ,IBQ,IBQ VCC/RB,VCC，RB,Q点合适，为什么同时出现截止和饱和失真？,RC,38,2.1.6 晶体三极管的微变等效电路,三极管的微变等效电路：用一个线性电路来代替三极管的非线性电路，而保持原有的电流电压关系不变。这样的线性电路称为三极管的微变等效电路。,三极管的微变
15、等效电路的条件：vi为交流小信号，信号在微小范围内变化时（微变），三极管电压、电流变化量的关系基本上是线性的。因此，可以用一个等效的线性电路来代替这个三极管。,39,2.1.6 晶体三极管的小信号等效电路,小信号等效电路的条件,(1)vi小，为交流小信号,(2)Q点附近，呈线性,小,iB,首先研究共射的输入、输出特性输入,40,2.1.6 晶体三极管的小信号等效电路,输出ic=ib ic受ib控制，rCE较大。,(1)输出端相当于等效为一个受控电流源ib,(2)iC略微上翘,相当于与受控电压源并联的一个输出电阻rCE。,41,2.1.6 晶体三极管的小信号等效电路,三极管微变等效电路,画交流微
16、变等效电路的步骤：（1）画交流通路。（2）将交流通路中的三极管用微变等效电路代替。,42,2.2.4 微变等效电路法分析放大电路,分析遵循的原则：先静态、后动态静态分析：画直流通路，用于求解静态工作点。动态分析：画交流通路，用于研究放大电路的动态性能指标（1）放大倍数 Av;源电压放大倍数Avs（2）输入电阻 ri（3）输出电阻 rO,43,2.2.5 放大电路的动态性能指标,（1）电压放大倍数 源电压放大倍数,动态性能指标：,（2）放大器的输入电阻ri从放大电路输入端看进去的等效电阻。,输入电阻ri是衡量放大电路承接信号源电压能力的一个重要指标。,ri越大，放大电路承接信号源电压能力越强。,
17、44,2.2.5 放大电路的动态性能指标,（3）放大器的输出电阻ro从放大电路输出端（不包括外接负载）看进去的等效电阻。,ro是表明放大电路带负载能力的一个重要指标,ro越小，放大电路带负载能力越强,45,2.2.4 微变等效电路法分析放大电路,微变等效电路法步骤：1、画直流通路，估算Q点。2、画交流通路，并用晶体管微变等效电路代替晶体管，得出放大电路的微变等效电路。3、据微变等效电路计算放大电路的各项动态性能指标。,46,IBQ=（VCCVBEQ）/RB VCC/RB,ICQ=IBQ,VCEQ=VCCRCICQ,=VCCIBQ RC,静态分析：（1）画直流通路（2）根据输入/输出回路电压方程
18、求 IBQ、VBEQ、ICQ、VCEQ,直流通路,1、输入回路电压方程：VCC=VBE+IBRB,2、输出回路电压方程：VCC=VCE+ICRC,IEQ=IBQ+ICQ=（1+）IBQ,VBEQ=0.7V（Si),2.2.4 微变等效电路法分析放大电路,47,2.2.5 放大电路的动态性能指标,动态分析：,步骤：（1）画交流通路。（2）画交流微变等效电路。（3）求动态性能指标。,48,2.2.4 微变等效电路法分析放大电路,基本放大电路的交流微变等效电路,交流通路,微变等效电路,49,2.2.4 微变等效电路法分析放大电路,画交流微变等效电路的步骤：（1）画交流通路。（2）将交流通路中的三极管
19、用微变等效电路代替。,50,2.2.5 放大电路的动态性能指标,（1）电压放大倍数影响Av的因素,RL,rBE,动态性能指标：,当RL-，,51,2.2.5 放大电路的动态性能指标,（2）输入电阻 ri：,52,2.2.5 放大电路的动态性能指标,（3）输出电阻ro：独立电压源短路（如信号源），保留其内阻；将独立电流源开路，而受控源保留，断掉外接负载,53,分压式偏置电路,RB1和RB2分别称为上偏置和下偏置电阻,RE：发射极偏置电阻,作用：稳定静态工作点例：T IBQ ICQ IEQ，VEQ VBEQ=（VCQ-VEQ）IBQ,2.2.6 静态工作点的稳定,T、VBEQ、ICBO,IBQ=(
20、VCC VBEQ)/RB ICQ=IBQ+ICEO=IBQ+(1+)ICBO VCEQ=VCCICQRC,54,2.2.7 分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,分析遵循的原则：先静态、后动态,静态分析:求静态工作点,VEQ=VBQVBEQ,IBQ=ICQ/,ICQ IEQ=,直流通路,I1IBQ,VCEQ=VCCICQ(RC+RE),55,2.2.7 分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,（2）动态分析:计算电路的，,ri,ro,画出微变等效电路,56,2.2.7 分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,若将RE的旁路电容CE去掉。,微变等效电路,直流通路,57,2.2
21、.7 分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,若将旁路电容CE去掉,58,2.2.7 分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,若将RE的旁路电容CE去掉,59,2.2.7 分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,没有旁路电容CE：,有旁路电容CE,Av的影响因素：RL，当RL，Av最大。rBE,当ri较低，信号源内阻较大时，源电压放大倍数将降低。,与有旁路电容CE相比，Av，ri,讨论：,60,2.3 射极输出器,共 C电路,分析静态 Q（IBQ、ICQ、VCEQ）动态Av、ri、ro静态VCCIBQRBVBEQ（1）IBQREIBQ(VCC VBEQ)/(RB(1)RE)I
22、CQ=IBQIEQ=IBQ ICQ（1）IBQVCEQ VCC IEQRE,直流通路,61,2.3 射极输出器,动态,微变等效电路,Av1 Av0,输入输出同相位Av近似为1,称为射极跟随器。虽无电压放大，但输出电流输入电流，有功放作用。,62,2.3 射极输出器,动态,微变等效电路,ri=RBrBE+(1+)(RE RL),ri很大，电路承接信号源电压能力很强,ie 折合成ib，电流缩小（1）倍，因此电阻要扩大（1）倍。,63,2.3 射极输出器,动态,64,2.3 射极输出器,动态,ib折合成ie，电流扩大（1）倍，因此电阻要缩小（1）倍。,ro很小，电路带负载能力强RL改变，但Vo大小不
23、变Av不变，约为1,65,2.3 射极输出器,射极输出器的特点Av小于1，接近1射极跟随器ri很大电路承接信号源电压能力很强ro很小电路带负载能力强在多级放大器中的应用输入级 ri很大输出级 ro很小缓冲级,66,放大电路的频率特性,放大电路的频率特性放大信号由多个频率组合的复杂信号放大电路的放大倍数是频率的函数幅频特性和相频特性,幅频特性,相频特性,67,2.2.5 放大电路的动态性能指标,下限频率、上限频率和通频带,中频电压放大倍数Av0,通频带BW：BW=fH fL,通频带的宽度表明了放大电路对输入信号频率变化的适应能力,68,2.2.5 放大电路的动态性能指标,频率失真线性失真幅度失真
24、：对各频率分量的放大倍数的幅值不同相位失真：对各频率分量放大后相位移不同避免产生频率失真的方法：输入信号的频带在放大电路的带宽之内。,69,2.4 多级放大电路,微弱信号需进行多级放大耦合：放大器级与级的连接。方式：阻容耦合直接耦合变压器耦合,70,2.4.1 阻容耦合,阻容耦合：两极之间通过耦合电容和下级输入电阻连接电容：通交隔直交流：(C短路)信号畅通无阻地传递直流：(C开路)两级Q点互不影响。,缺点：耦合电容容量有限，若信号f太低，耦合电容呈现的容抗大，信号传递过程衰减较大。对大容容的电容，不易集成。,71,2.4.2 直接耦合,直接耦合：前后级直接连接优点低频性能好没有大电容，易于集成
25、需解决级间电平配置前后级Q点相互牵制解决方法：提高后一级基极电位接RE接一级PNP管降低VCQ工作点漂移（零漂）差分放大器,趋于饱和,Vcc,72,2.4.3 变压器耦合,变压器耦合电路：前后级靠磁路耦合通交流。隔直流。Q点独立，便于分析、设计。可实现输出级与负载的阻抗匹配。低频特性差，笨重，不易集成,微变等效电路：,73,2.4.3 变压器耦合,阻抗变换P1P2电压放大倍数：,74,多级放大电路的性能指标放大倍数：AvAv1Av2Avn多级放大器：后一级的输入电阻相当于前一级的负载前一级的输出电阻相当于后一级的信号源内阻多级放大电路的输入电阻是第一级的输入电阻。多级放大电路的输出电阻是最后一
26、级的输出电阻。,2.4 多级放大电路,75,第2章晶体三极管及电压放大电路小结,晶体三极管分类：NPN型和PNP型结构：三极伏安特性输入特性曲线：是组曲线族，曲线形状与二极管伏安特性曲线相似输出特性曲线：四个区：特点及外电压条件放大：iCiB电流控制开关特性,76,第2章晶体三极管及电压放大电路小结,晶体三极管的小信号等效电路等效条件：Q点设置合适、交流小信号输入,77,第2章晶体三极管及电压放大电路小结,单管电压放大电路共发射极电路：偏置电路、反相放大电压放大原理分析：先静态、后动态 静态：IBQ、ICQ、VCEQ 动态：微变等效电流分析法：画直流通路和交流通路 直流通路：电容开路；电感线圈
27、短路；信号源短路 交流通路：大容量电容短路；Vcc短路,Av、ri、ro（指标）,78,第2章晶体三极管及电压放大电路小结,IBQ（VCCVBE）/RB VCC/RB,ICQIBQ,VCEQVCCICQRC,VCEQ0：ICQVCC/RCICQ0:VCEQVCC,波形非线性失真的分析Q过低：截止失真，解决方法Q过高：饱和失真，解决方法,79,分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,分析遵循的原则：先静态、后动态,静态分析:求静态工作点,VEQ=VBQVBEQ,IBQ=ICQ/,ICQ IEQ=,直流通路,I1IBQ,VCEQ=VCCICQ(RC+RE),80,分压式偏置电路的静态工作点和动态性能指标计算,有旁路电容CE,当RL-，,81,第2章晶体三极管及电压放大电路小结,射极输出器：共集电极电路分析 静态 Q（IBQ、ICQ、VCEQ）动态Av、ri、ro特点Av接近1射极跟随器ri很大ro很小,82,第2章晶体三极管及电压放大电路小结,多级放大电路放大倍数：AvAv1Av2多级放大器：后一级的输入电阻相当于前一级的负载前一级的输出电阻相当于后一级的信号源内阻方式（优点、缺点、解决问题方法）阻容耦合直接耦合变压器耦合：调谐放大电路,
