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1、第6章 晶体三极管及其放大电路,第6章 晶体三极管及其放大电路,6.1 晶体三极管 6.2 放大电路的组成和工作原理 6.3 放大电路的分析 6.4 放大电路的三种接法 6.5 电流源电路 6.6 功率放大电路,6.1 晶体三极管,几种常见晶体管的外形,1.晶体管的结构,中功率管,大功率管,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,发射区：发射载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子,6.1 晶体三极管,2.晶体管的类型与符号,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,外部条件,发射区比基区重掺杂；基区很薄；集电区面积大,内部条件,6.1.2 晶体管
2、的电流分配与放大作用,6.1.2 晶体管的电流分配与放大作用,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使扩散到基区的电子（非平衡少子）中的极少数与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,7,电流分配：IEIBIC,3个电极的电流关系IEICIB,交流电流放大系数,直流电流放大系数,大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。,6.1.2 晶体管的电流分配与放大作用,放大的条件
3、：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,NPN型：VCVBVEPNP型：VEVBVC,PNP管IE流进,PNP管IC流出,PNP管IB流出,6.1.2 晶体管的电流分配与放大作用,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.输入特性,发射结电压UBE硅管:0.6V0.7V,锗管:0.2v0.3V,相当于两个并联PN结,更多的电子被集电极收集，iB减小，同样uBE下，曲线右移,大部分电子都被拉过去,6.1.3 晶体管的共射特性曲线,对应于一个IB
4、就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,大部分电子都被拉过去，iC不再增加,2.输出特性,截止区：iB=0的曲线下方。iC=ICEO uBE小于死区电压,为了可靠截止，常使得发射结和集电结均反偏。,饱和区,放大区,截止区,放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,饱和区：iC明显受uCE控制的区域，该区域内，uCEUCES(饱和压降)。此时，发射结正偏，集电结正偏。,UCES,硅管UCES0.3V,锗管UCES0.1V,输出特性曲线的三个区域:,晶体管
5、工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。,晶体管的三个工作区域,NPN型,PNP型,中间电位为B,B,B,与B脚相差0.6V0.7V为E脚，是硅管；相差0.2V0.3V为E脚，是锗管,E,E,剩下的为C脚,C,C,硅管,锗管,NPN,PNP,【例6.1.3】已知工作在放大区，今测得它们的管脚对地电位如下图所示，试判别三极管的三个管脚，说明是硅管还是锗管？是NPN还是PNP型三极管？,6.1.3 晶体管的共射特性曲线,6.1.4 晶体管的主要参数,A点对应的iC=6mA，iB=40A,1.电流放大系数,估算时，可
6、认为,，故可以混用。,A,3DG6的输出特性,值的求法：,在A点附近找两个uCE相同的点C和D,所以,对应于C点，iC=8.8mA，B=60A；,对应于D点，iC=3.3mA，iB=20A，,iC=8.8-3.3=5.5mA，,iB=60-20=40A，,共射交流电流放大系数,A,3DG6的输出特性,C,D,6.1.4 晶体管的主要参数,2.极间反向电流ICBO、ICEO,ICEO=（1+）ICBO,由图可见，ICEO不单纯是一个PN结的反向电流,所以，大的三极管的温度稳定性较差,ICBO是少数载流子电流，受温度影响很大，ICBO越小越好。,6.1.4 晶体管的主要参数,c-e间击穿电压,最大
7、集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,3.极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,6.1.4 晶体管的主要参数,安全工作区,例如，3DG4的PCM=300mW根据iCuCE=300mW，可以计算出功率损耗线上的点：uCE=5V时iC=60mA；uCE=l0V时iC=30mA；uCE=15V时，iC=20mA；uCE=20V时，iC=l5mA；uCE=30V时，iC=l0mA；uCE=40V时，iCE=7.5mA等等。在输出特性坐标上找出这些点，并将它们连成一条曲线即为最大功率损耗线，如图所示。,3DG4的安全工作区,曲线的左下方均满足此之此PCPCM条件。,6.1.4 晶体管的
8、主要参数,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,6.1.4 晶体管的主要参数,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。,VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。,Rc：将iC转换成uCE(uO)。,动态信号作用时：,输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。,共射,1.电路的组成及各元件的作用,一、基本共射放大电路的工作原理,6.2 放大电路的组成和工作原理,输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几
9、乎影响着所有的动态参数！,为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？,2.设置静态工作点的必要性,饱和失真,底部失真,截止失真,顶部失真,动态信号驮载在静态之上,与iC变化方向相反,要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！,输出和输入反相！,3、基本共射放大电路的波形分析,二、如何组成放大电路,静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,1.组成原则,问题：1.两个电源2.信号源与放大电路不“共
10、地”,共地，且要使信号驮载在静态之上,静态时，,动态时，b-e间电压是uI与VCC的共同作用的结果。,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失,（1）直接耦合放大电路,2.两种实用放大电路,（2）阻容耦合放大电路,耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。,静态时，C1、C2上电压？,C1、C2为耦合电容！,2.两种实用放大电路,（2）阻容耦合放大电路,动态时，,uBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。,讨论：试用PNP型管分别组成直接耦合和阻容耦合共射放大电路。,二、如何组成放大电路,放大电路分析,静态分析,动态分析,确定静态工作
11、点Q(IBQ、ICQ、UCEQ),确定电压放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro等,静态值是直流，故用直流通路来分析计算,静态值确定后分析信号的传输情况，只考虑电流和电压的交流分量(信号分量),放大电路的分析方法,静态分析的方法,1.估算法2.图解法,动态分析的方法,1.微变等效电路2.图解法,6.3 放大电路的分析,6.3.1 放大电路的直流通路和交流通路,1.直流通路：Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路：大容量电容相当于短路；直流电压源相当于短路（内阻为0）。,直流流过的路径,交流流过的路径,画法：,列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已
12、知条件，令ICQIBQ，可估算出静态工作点Q。,直流通路,1.直流通路,1.直流通路：Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）,（一）基本共射放大电路的直流通路和交流通路,交流通路,2.交流通路,2.交流通路：大容量电容相当于短路；直流电压源相当于短路（内阻为0）,（一）基本共射放大电路的直流通路和交流通路,1.直流通路,1.直流通路：Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）,（二）阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,交流通路,2.交流通路,2.交流通路：大容量电容相当于短路；直流电压源相当于短路（内阻为0）,（二）阻容耦合单管共射放大
13、电路的直流通路和交流通路,1.用直流通路计算静态值（估算Q点）,直流通路,6.3.2 静态分析,当VCCUBEQ时，,UBEQ硅管:0.6V0.7V,锗管:0.2v0.3V,已知：VCC12V，Rc3k Rb600k，100。Q？,列输入回路方程,首先，画出直流通路,在输入回路确定 IBQ，UBEQ,输入回路负载线,2.用图解法确定静态值,IBQ,直流负载线,列输出回路方程（直流负载线）,在输出回路确定 ICQ，UCEQ,斜率-1/Rc,2.用图解法确定静态值,减小Rc阻值,Rc1/Rc VCC/Rc 负载线与曲线的交点右移。,电路参数对输出特性上Q点的影响,Rb1/Rb VBB/Rb 静态工
14、作点上移（饱和区）。,uBE(V),iB(A),0,Q,VBB,M,Q2,VBB/Rb,Rb对Q点的影响,Q3,N,Rb 静态工作点下移（截止区）。,电路参数对输出特性上Q点的影响,1.微变等效电路法,放大电路的微变等效电路，就是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，即把晶体管线性化，等效为一个线性元件。,a.晶体管的微变等效电路,动态分析（Au、Ri、Ro）,当输入信号比较小时，二极管可以进一步用它的小信号电路模型代替，其微变电阻rbe,在共发射极连接时，其一般电路模型可由图(b)描述。输入端是一个二极管，输出端则是受控电流源iB,1.微变等效电路法,晶体管的微变等效电路,a
15、.晶体管的微变等效电路,当 0.1mA IEQ 5mA时,与Q点有关,IEQ为静态时的发射极电流mA,UT称为热电压，常温下取值26(mV),rbb称为晶体管的基区体电阻，可查手册得到，近似取值300,交流通路,微变等效电路,（b）放大电路的微变等效电路,根据,则电压增益为,（可作为公式）,输出电压与输入电压相位相反。,求电压放大倍数（电压增益）,Ri是放大电路的输入电阻，也是信号源的负载电阻，也就是从放大电路输入端看进去的交流等效电阻。,如果Ri小，则：1.放大电路将从信号源取用较大电流，增加信号源的负担；2.经过信号源内阻Rs 和Ri分压，实际加到Ri上的电压ui减小,从而减小了uo,对上
16、述电路通常希望Ri高一些,求输入电阻,求等效输出电阻时，用外加电源法：独立电源置0，负载断开,放大电路对负载（或后级放大电路）来说，相当于一信号源，其内阻即为放大电路的输出电阻Ro。,求输出电阻,当RoRL时，输出信号电压。当RL在较大范围内变化时，就可基本维持输出信号电压的恒定。,如果输出电阻Ro很大，满足RoRL的条件，则输出信号电流。当RL在较大范围内变化时，就可维持输出信号电流 的恒定。,放大器在不同负载条件下维持输出信号电压（或电流）恒定的能力称为带负载能力。,输出电阻Ro,Ri为放大电路的输入电阻,放大电路对信号源(或前级放大电路)来说是一负载，可用一电阻Ri等效代替,源电压放大倍
17、数,定义,输入电阻中不应含有Rs!,输出电阻中不应含有RL!,1.微变等效电路法,解（1）求Q点，作直流通路,（1）试求该电路的静态工作点；（2）画出简化的小信号等效电路；（3）求该电路的电压增益Au，输出电阻Ro、输入电阻Ri。,例如图，已知BJT的=100，UBE=-0.7V。,1.微变等效电路法,200+（1+100）26/4=865欧,（2）画出微变等效电路,（3）求电压增益,（5）求输出电阻,Ro=Rc=2k,（4）求输入电阻,1.微变等效电路法,小结,等效电路法的步骤(归纳)1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点 Q。2.求出静态工作点处的微变等效电路，参数rbe，
18、已知。3.画出放大电路的微变等效电路。可先画出放大电路的交流通路，然后将三极管换成其微变等效电路即可。4.列出电路方程并求解。,斜率不变,斜率-1/Rc,2.图解法,6.3.4.动态分析之失真分析动态范围,截止失真(NPN输出波形削顶),消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。,截止失真是在输入回路首先产生失真！,减小Rb能消除截止失真吗？,1非线性失真,饱和失真(NPN输出波形削底),Rb或或VBB,Rc或VCC,饱和失真是输出回路产生失真。,Uom=?Q点在什么位置Uom最大？,交流负载线应过Q点，且斜率决定于（RcRL）,直流负载线和交流负载线,UR=UCEQ-UCES,对于小功
19、率硅管，UCES一般取0.51V。,2.最大输出电压幅值,受饱和失真限制 求UR,受截止失真限制 求UF,1、输出波形顶部失真时：对NPN管，是截止失真；对PNP管，是饱和失真2、输出波形底部失真时：对NPN管，是饱和失真；对PNP管，是截止失真,与是什么放大电路也有关，比如共射电路或共集电极电路。,NPN，比如同是消底，共射电路是饱和失真，共集电极电路就是截止失真。,iC、uCE(uo)波形失真总结,1.能够形象地显示静态工作点的位置与非线性失真的关系；2.方便估算最大输出幅值的数值；3.可直观表示电路参数对静态工作点的影响；4.有利于对静态工作点 Q 的检测等。缺点：不够精确，过程较慢，人
20、为因素很大。,图解法小结,所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。,若温度升高时要Q回到Q，则只有减小IBQ。,1.温度对静态工作点的影响,、静态工作点稳定的共射放大电路,6.4 晶体管放大电路的三种接法,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,（1）电路组成,加了Rb1和Re，构成基极分压式射极偏置电路,2、静态工作点稳定的典型电路,为了稳定Q点，通常I1 IBQ，即I1 I2；因此,基本不随温度变化,若使VBQ UBEQ，则IEQ稳定,一般对硅管，取I1=(510)IBQ，VBQ=(510)UBEQ,T()ICQ IEQ UEQ(IEQRe)UBE
21、Q(UB基本不变)IBQ ICQ,这种电路稳定工作点的过程：,（2）稳定原理,T()ICUE UBE（UB基本不变）IB IC,Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。,关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。,Re有上、下限值吗？,Re 的作用,63,（3）Q 点分析,分压式电流负反馈工作点稳定电路,Rb上静态电压是否可忽略不计？,判断方法：,如何提高电压放大能力？,（4）动态分析,有旁路电容Ce时：,利?弊?,虽Re使Au减小，但Au仅取决于电阻值，
22、不受温度影响，温度稳定性好,比较,无旁路电容Ce时：,（4）动态分析,3.稳定静态工作点的方法,引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数？,讨论一,图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？,若采用了措施，则是什么措施？,1.静态分析,b极输入，e极输出，c为公共端,6.4.2 共集电极放大电路,故称之为射极跟随器,2.动态分析：电压放大倍数,Ri与负载有关！,2.动态分析：输入电阻的分析,令Us为零，保留Rs，在输出端加U，产生I,。,2.动态分析：输出电阻的分析（“加压求流法”）,Ro与信号源内阻有关！
23、,电压增益小于1但接近于1，uo与ui同相,输入电阻大，对电压信号源衰减小,输出电阻小，带负载能力强,共集电极电路特点：,1.静态分析,直流通路与射极偏置电路相同,6.4.3 共基极放大电路,电压增益,输出回路：,输入回路：,电压增益：,交流通路,微变等效电路,2.动态指标,输入电阻,输出电阻,微变等效电路,2.动态指标,、输入电阻小、输出电阻大，与共射电路的相同、有电压放大能力，且输入输出同相、无电流放大作用：信号源为晶体管提供的电流为Ie，而输出回路电流为Ic，Ic Ie、频带宽！电流放大系数为，的截至频率远大于的，故共基电路的通频带在三种接法中最宽，适于作宽频带放大电路,输入电阻小，输出
24、电阻大；只放大电压，不放大电流！频带宽！,3.基本共基放大电路的特点,三种接法的比较：空载情况下,图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。,讨论二：,电流源的作用：有源负载 恒流偏置,6.5.1 镜像电流源电路,6.5 电流源电路,6.5.1 镜像电流源电路,电阻比较多 用二极管代替Rb2用三极管代替二极管,6.5.1 镜像电流源电路,VT1 和 VT2 特性完全相同。,在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。,基准电流,VT1 和 VT2 特性完全相同。,成特定比例关系,6.5.2 比例式电流源电路
25、,只要b足够大，,设计过程很简单，首先确定IR和IO，然后选定R和R2。,超越方程,要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,6.5.3 微电流源电路,根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,根据所需静态电流，来确定集电结面积。,多路电流源,哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？静态时UIQ为多少？,为什么要考虑 rce?,6.5.4 电流源作有源负载,（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态,（1）输出功率尽可能大:即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大
26、。（2）效率尽可能高:即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。（3）减小失真,3.晶体管的工作方式,2.对功率放大电路的要求,降低静态功耗，即减小静态电流。,四种工作状态,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,(a)甲类(b)乙类(c)甲乙类(d)丙类,6.6 功率放大电路,1.功率放大电路研究的问题,（1）性能指标：输出功率和效率。若已知Uom，则可得Pom。,最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。（2）分析方法：因大信号作用，故应采用图解法。（3）晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管。在功放中，晶体管
27、集电极或发射极电流的最大值接近最大集电极电流ICM，管压降的最大值接近c-e反向击穿电压U(BR)CEO，集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗散功率PCM。称为工作在极限状态。,6.6 功率放大电路,6.6.1 功率放大电路概述,6.6.2 互补对称功率放大电路（OCL）,互补输出级是直接耦合的功率放大电路。对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。,符合要求吗？,1.输出级的要求,静态时T1、T2均截止，UB=UE=0,(1)特征：T1、T2特性理想对称。,(2)静态分析,T1的输入特性,2.基本电路,ui正半周，电流通路为+VCCT1RL地，
28、uo=ui,两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。,ui负半周，电流通路为 地 RL T2-VCC，uo=ui,（3）动态分析,消除失真的方法：设置合适的静态工作点。,信号在零附近两只管子均截止,开启电压,静态时T1、T2处于临界导通状态，有信号时至少有一只导通；偏置电路对动态性能影响要小。,3.交越失真,交流相当于短路,VT3为前级放大管，设有合适的静态工作点,实用电路,4.消除交越失真的互补输出级,然后求出电源的平均功率，,效率,在已知RL的情况下，先求出Uom，则,求解输出功率和效率的方法：,5.OCL电路输出功率和效率的分析计算,大功率管的UCES常为23V。,若忽略Uces,
29、(1)输出功率,若忽略Uces,(2)效率,(3)晶体管的极限参数,PT对UOM求导，并令其为0，可得,在输出功率最大时，因管压降最小，故管子损耗不大；输出功率最小时，因集电极电流最小，故管子损耗也不大。,管子功耗与输出电压峰值的关系为,管压降,发射极电流,因此，选择晶体管时，其极限参数,将UOM代入PT的表达式，可得,(3)晶体管的极限参数,单电源供电、零输入时零输出，最大不失真输出电压峰-峰值接近电源电压。,输入电压的正半周：VCCT1CRL地 C 充电。,输入电压的负半周：C 的“”T2地RL C“”C 放电。,C 足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。,6.单电
30、源互补对称功率放大电路（OTL）,静态时,计算Po、PT、PV和PTm的公式必须加以修正，以VCC/2代替原来公式中的VCC。,甲乙类单电源互补对称电路,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,1.复合管,采用复合管的互补对称功率放大电路,为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。,2.准互补输出级,OTL电路：单电源供电，低频特性差。OCL电路：双电源供电，效率高，低频特性好。,应当注意：以上最大输出功率和效率的分析仅从功率放大电路自身角度考虑，而在实用电路中功放总是多级放大电路的末级电路，因而最大输出功率还与前级电路是否能够提供足够大信号有关。,变压器耦合乙类推挽：单电源供电，能够输出特大功率，笨重，效率低，低频特性差。,功率放大电路的种类,集成功率放大电路,LM386的引脚和典型接法,
