電工電子技術基本放大電路詳解.ppt

第9章 基本放大電路,9.1 雙極型晶體管,9.2 放大電路的工作原理,9.3 放大電路的靜態(tài)分析,9.4 放大電路的動態(tài)分析,9.5 雙極型晶體管基本放大電路,9.6 場效應型晶體管,9.7 場效應型晶體管基本放大電路,9.8 多級放大電路,9.9 差分放大電路,9.10 功率放大電路,9.1 雙極型晶體管,晶體管又稱半導體三極管,晶體管是最重要的一種半導體器件之一，它的放大作用和開關作用，促使了電子技術的飛躍。,晶體管圖片,一、基本結(jié)構(gòu),晶體管的主要類型,(1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)分為: NPN型和PNP型,(2) 根據(jù)使用的半導體材料分為: 硅管和鍺管,一、 基本結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,符號：,NPN型晶體管,PNP型晶體管,基區(qū)：最薄， 摻雜濃度最低,發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度最高,發(fā)射結(jié),集電結(jié),結(jié)構(gòu)特點：,集電區(qū)： 面積最大,二、工作狀態(tài),1. 放大狀態(tài),發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,PNP管：發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,從電位的角度看： NPN管：發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,即:VCVBVE,即:VC VB VE,二、工作狀態(tài),1. 放大狀態(tài),發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,PNP管：發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,從電位的角度看： NPN管：發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,即:VCVBVE,即:VC VB VE,晶體管電流放大的實驗電路,設 EC = 6 V，改變可變電阻 RB, 則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測量結(jié)果如下表：,1). 各電極電流關系及電流放大作用,晶體管電流測量數(shù)據(jù),結(jié)論:,(1) IE = IB + IC 符合基爾霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大 變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。,實質(zhì): 用一個微小電流的變化去控制一個較大電流 的變化，是CCCS器件。,2)晶體管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,基區(qū)接電源正極，基區(qū)激發(fā)的價電子不斷被電源拉走，補充空穴形成電流IBE 。 進入P 區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，多數(shù)擴散到集電結(jié)。,集電結(jié)反偏，阻擋集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，但是它將從基區(qū)擴散來的電子拉入集電區(qū)，形成電流ICE。,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。,2)晶體管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 與 IBE 之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù),集射極穿透電流, 溫度ICEO,(常用公式),若IB =0, 則 IC ICE0,IB 微小的變化，會產(chǎn)生 IC 很大的變化。 IC =IB 。 0UCEUCC ， UCE = UCCRC IC 。 晶體管相當于通路。,3) 特點,特點： IB,IC 基本不變。 ICUCC / RC 。 UCE0 。 晶體管相當于短路。,條件: 發(fā)射結(jié)正偏, 集電結(jié)正偏。,IB,IC UCE = (UCCRC IC) ICM = UCC / RC,2. 飽和狀態(tài),電路圖,飽和狀態(tài)時的晶體管,特點： IB= 0 IC= 0 UCE= UCC 晶體管相當于開路。,3. 截止狀態(tài),條件: 發(fā)射結(jié)反偏, 集電結(jié)反偏。,電路圖,截止狀態(tài)時的晶體管,晶體管處于放大狀態(tài)。,例9.1.1 圖示電路，晶體管的 = 100，求開關 S 合向 a、b、c 時的 IB、IC 和 UCE，并指出晶體管的工作 狀態(tài)（忽略 UBE ）。,解 (1) 開關 S 合向 a 時,= 0.01 mA,UCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 V RB1 = 500 k RB2 = 50 k RC = 5 k,IC = IB = 1000.01 mA = 1 mA UCE = UCCRCIC = (1551031103) V = 10 V,(3) 開關 S 合向 c 時,(2) 開關 S 合向 b 時,IBSIB 晶體管處于飽和狀態(tài)。,UCE = 0 V,晶體管處于截止狀態(tài)。,IB = 0，IC = 0，UCE = UCC = 15 V,三、特性曲線,即晶體管各電極電壓與電流的關系曲線，是晶體管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。,為什么要研究特性曲線： 1）直觀地分析晶體管的工作狀態(tài) 2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設計性能良好的電路,重點討論應用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線,發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端,共發(fā)射極電路,輸入回路,輸出回路,測量晶體管特性的實驗線路,1. 輸入特性,特點:非線性,正常工作時發(fā)射結(jié)電壓： NPN型硅管 UBE 0.7V PNP型鍺管 UBE 0.3V,3DG100晶體管的 輸入特性曲線,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。,2. 輸出特性,共發(fā)射極電路,3DG100晶體管的輸出特性曲線,在不同的 IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管 的輸出特性曲線是一組曲線。,2. 輸出特性,IB=0,20A,放大區(qū),晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分 為三個工作區(qū)。,(1) 放大區(qū),IC= IB,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏,（2）截止區(qū),IB 0 以下區(qū)域為截止區(qū)，有 IC 0 。,發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏,截止區(qū),IB = 0 時, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA),對NPN型硅管，當 UBE0.5V時, 即已 開始截止, 為使晶體 管可靠截止 , 常使 UBE 0。截止時, 集 電結(jié)也處于反向偏 置(UBC 0),此時, IC 0, UCE UCC 。,飽和區(qū),（3）飽和區(qū),在飽和區(qū)，IB IC， 發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 硅管UCES 0.3V， 鍺管UCES 0.1V。 UCES0 ，ICS UCC/RC 。,飽和時：IBIBS,當晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很小；當晶體管截止時，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。,四、主要參數(shù),1. 電流放大系數(shù) ，,靜態(tài)（直流）電流放大系數(shù),動態(tài)（交流）電流放大系數(shù),當晶體管接成共發(fā)射極電路時，,表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設計電路、選用晶體管的依據(jù)。,注意：,和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0 較小的情況下，兩者數(shù)值接近。,常用晶體管的 值在20 200之間。,2.集-基極反向截止電流 ICBO,ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBO,3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO,ICEO受溫度的影響大。 溫度ICEO，所以IC也相應增加。晶體管的溫度特性較差。,4. 集電極最大允許電流 ICM,5. 集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO,集電極電流 IC上升會導致晶體管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為 ICM。,當集射極之間的電壓UCE 超過一定的數(shù)值時，晶體管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR) CEO。,6. 集電極最大允許耗散功耗PCM,PCM取決于晶體管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞晶體管。 PC PCM =IC UCE,硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。,ICUCE=PCM,安全工作區(qū),由三個極限參數(shù)可畫出晶體管的安全工作區(qū),晶體管參數(shù)與溫度的關系,1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu) 于鍺管。,2、溫度每升高 1C，UBE將減小 (22.5)mV， 即晶體管具有負溫度系數(shù)。,3、溫度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,本節(jié)題型,1、判斷管子類型：NPN，PNP；硅管，鍺管。,2、判斷管子工作狀態(tài)：放大，截止，飽和,飽和：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏， UBE0，UBC0, IBIBS， 放大：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏， UBE0，UBC0, IBIBS 截至：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏， UBE0，UBC0, IB=0,例：用直流電壓表測某電路中三只晶體管的三個電極對地的電壓，其數(shù)值如圖所示。指出晶體管的E、B、C三個極，并說明該管是硅管還是鍺管。,解：,放大的概念:,放大的目的是將微弱的變化信號放大成較大的信號。,放大的實質(zhì): 用小能量的信號通過晶體管的電流控制作用，將放大電路中直流電源的能量轉(zhuǎn)化成交流能量輸出。,對放大電路的基本要求 ： 1. 要有足夠的放大倍數(shù)(電壓、電流、功率)。 2. 盡可能小的波形失真。 另外還有輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等其它技術指標。,9.2 放大電路的工作原理,放大電路的目的是將微弱的變化信號不失真的放大成較大的信號。這里所講的主要是電壓放大電路。,電壓放大電路可以用有輸入口和輸出口的四端網(wǎng)絡表示，如圖：,Au,三種晶體管放大電路,共射極放大電路,共基極放大電路,共集電極放大電路,以共射極放大電路為例講解工作原理,一、放大電路的組成,一、放大電路的組成,共發(fā)射極基本交流放大電路,1、共發(fā)射極基本放大電路組成,2、基本交流放大電路各元件作用,晶體管T-放大元件, iC= iB。要保證集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏,使晶體管工作在放大區(qū) 。,基極電源EB與基極電阻RB-使發(fā)射結(jié) 處于正偏，并提供大小適當?shù)幕鶚O電流。,共發(fā)射極基本電路,集電極電源EC -為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。,集電極電阻RC-將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?耦合電容C1 、C2 -隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時使信號順利輸入、輸出。,信號源,負載,共發(fā)射極基本電路,2、基本交流放大電路各元件作用,基本放大電路的簡化畫法：,單電源供電時常用的畫法,共發(fā)射極基本電路,上堂課回顧,1、晶體管,符號：,NPN型三極管,PNP型三極管,上堂課回顧,1、晶體管,(1) IE = IB + IC 符合基爾霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大 變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。,晶體管放大的外部條件：,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,+ UBE ,IC,IE,IB,C T E,B,+ UCE ,特點:非線性,正常工作時發(fā)射結(jié)電壓： NPN型硅管 UBE 0.7V PNP型鍺管 UBE 0.3V,3DG100晶體管的 輸入特性曲線,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。,上堂課回顧,2. 輸入特性,IB=0,20A,放大區(qū),晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分 為三個工作區(qū)。,(1) 放大區(qū),發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏;有電流放大作用, IC=IB，輸出曲線具有恒流特性。,上堂課回顧,3. 輸出特性,（2）截止區(qū),IB 0 以下區(qū)域為截止區(qū)，有 IC 0 。,截止區(qū),IB = 0 時, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA),發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏；失去電流放大作用，IC0，晶體管C、E之間相當于開路。（開關斷開）,上堂課回顧,飽和區(qū),（3）飽和區(qū),在飽和區(qū)，IB IC 深度飽和時， UCE0 , ICS UCC/RC,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；失去放大作用，晶體管C、E之間相當于短路。（開關接通）,上堂課回顧,上堂課回顧,共發(fā)射極基本交流放大電路,1、共發(fā)射極基本放大電路組成,一、放大電路的組成,上堂課回顧,單電源供電時常用的畫法,共發(fā)射極基本電路,基本放大電路的簡化畫法：,UBE、 IB 大寫字母，大寫下標，表示直流量(靜態(tài)值)。,ube、ib小寫字母，小寫下標，表示交流瞬時值。,uBE 、iB小寫字母，大寫下標，表示交、直混合量(總量)。,Ube 、Ib大寫字母，小寫下標，表示交流分量有效值。,符號規(guī)定,3、共射極放大電路的電壓放大作用,無輸入信號(ui = 0)時:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,結(jié)論：,(1) 無輸入信號電壓時，晶體管各電極都是恒定的 電壓和電流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和(IC、UCE)分別對應于輸入、輸出特性曲線上的一個點，稱為靜態(tài)工作點。,UBE,無輸入信號(ui = 0)時:,uo = 0 uBE = UBE uCE = UCE,？,有輸入信號(ui 0)時,uCE = UCC iC RC,uo 0 uBE = UBE+ ui uCE = UCE+ uo,3、共射放大電路的電壓放大作用,結(jié)論：,(2) 加上輸入信號電壓后，各電極電流和電壓的大 小均發(fā)生了變化，都在直流量的基礎上疊加了 一個交流量，但方向始終不變。,+,集電極電流,直流分量,交流分量,動態(tài)分析,靜態(tài)分析,結(jié)論：,(3) 若參數(shù)選取得當，輸出電壓可比輸入電壓大， 即電路具有電壓放大作用。,(4) 輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180， 即共發(fā)射極電路具有反相作用。,結(jié) 論,（1）交流信號的傳輸情況,（2）電壓和電流都含有直流分量和交流分量,uBE = UBE+ ube,uCE = UCE+ uce,iB = IBE+ ib,iC = IC+ ic,（3）輸入信號電壓ui和輸出電壓u0相位相反,返回,(4) ui的幅度過大或靜態(tài)工作點不合適 ，將使工作點進入非線性區(qū)而產(chǎn)生非線性失真（飽和失真、截 止失真）。,(5) 非線性失真的特點： 飽和失真 輸出電壓波形的下半部被削平 截止失真 輸出電壓波形的上半部被削平,放大電路實現(xiàn)放大的條件,1. 晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2. 正確設置靜態(tài)工作點，使整個波形處于放大區(qū)。,3. 輸入回路將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電流。,4. 輸出回路將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的集電極電壓，經(jīng)電容濾波只輸出交流信號。,如何判斷一個電路是否能實現(xiàn)放大？,1. 晶體管必須偏置在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。,2. 正確設置靜態(tài)工作點，使整個波形處于放大區(qū)。 如果已給定電路的參數(shù)，則計算靜態(tài)工作點來判斷；如果未給定電路的參數(shù)，則假定參數(shù)設置正確。,3. 信號能否輸入到放大電路中。,4. 信號能否輸出。,與實現(xiàn)放大的條件相對應，判斷的過程如下：,討論,從靜態(tài)工作點的設置和微變等效電路上，判斷各電路對輸入的正弦交流信號ui有無放大作用，并說明原因。假設各電容對交流信號均可視為短路。 ui 幅度很小，在10mV以內(nèi)。,無放大作用 靜態(tài)IB、IC=0,題1,無放大作用。 輸入信號通過直流電源對地短路,題2,題3,無放大作用。 輸入信號通過電容C3及直流電源對地短路,題4,無放大作用。 無RC，輸出電壓=0,題5,無放大作用。 PNP三極管，無靜態(tài)電流,題6,PNP三極管，接負電源- EC,電解電容極性倒過來,-EC,有兩種工作狀態(tài)：,靜態(tài) 當輸入信號為零時電路的工作狀態(tài) 靜態(tài)時放大電路中只有直流分量。 動態(tài) 有輸入信號時電路的工作狀態(tài) 動態(tài)時電路中的信號為交、直流混合信號。,放大電路的工作狀態(tài),放大電路分析,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,估算法,圖解法,微變等效電路法,圖解法,放大電路的分析方法,1. 直流通路和交流通路,放大電路中各點的電壓或電流都是在靜態(tài)直流上附加了小的交流信號。,直流通路：只考慮直流信號的分電路。,交流通路：只考慮交流信號的分電路。,9.3 放大電路的靜態(tài)分析,但是，電容對交、直流的作用不同。如果電容容量足夠大，可以認為它對交流不起作用，即對交流短路。而對直流可以看成開路，這樣，交直流所走的通道是不同的。,一、靜態(tài)工作點的確定,例：畫出下圖放大電路的直流通路,直流通路,直流通路用來計算靜態(tài)工作點Q ( IB 、 IC 、 UCE ),對直流信號電容 C 可看作開路（即將電容斷開）,斷開,斷開,對交流信號(有輸入信號ui時的交流分量),C 可看作短路。忽略電源的內(nèi)阻，電源的端電壓恒定，直流電源對交流可看作短路。,短路,短路,對地短路,交流通路,用來計算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動態(tài)參數(shù)。,放大電路的靜態(tài)分析,分析方法：估算法、圖解法。,IB、IC、UCE,靜態(tài)分析：確定放大電路的靜態(tài)值:,所用電路：放大電路的直流通路。,2、用放大電路的直流通路確定靜態(tài)值,根據(jù)電流放大作用,當UBE UCC時，,由KVL: UCC = IB RB+ UBE,由KVL: UCC = IC RC+ UCE,所以 UCE = UCC IC RC,例1：計算靜態(tài)工作點。,已知：UCC=12V，RC=4k，RB=300k， =37.5。,解：,注意：電路中IB 和 IC 的數(shù)量級不同,例2：計算圖示電路的靜態(tài)工作點。,由例1、例2可知，當電路不同時，計算靜態(tài)值的公式也不同。,由KVL可得：,由KVL可得：,3、用圖解法確定靜態(tài)值,用作圖的方法確定靜態(tài)值,步驟： 1. 用估算法確定IB,優(yōu)點： 能直觀地分析和了解靜 態(tài)值的變化對放大電路 的影響。,2. 由輸出特性確定IC 和UCC,直流負載線方程,3、用圖解法確定靜態(tài)值,直流負載線斜率,直流負載線,由IB確定的那條輸出特性與直流負載線的交點就是Q點,O,Q點稱為靜態(tài)工作點,二、靜態(tài)工作點的影響,1. 當 IB 太小，Q 點很低，引起后半周截止失真。 2. 當 IB 太大，Q 點很高，引起前半周飽和失真。, 截止失真和飽和失真統(tǒng)稱為非線形失真。,截止失真,飽和失真,9.4 放大電路的動態(tài)分析,動態(tài)：放大電路有信號輸入（ui 0）時的工作狀態(tài)。,分析方法：微變等效電路法，圖解法。,動態(tài)分析對象: 各極電壓和電流的交流分量。,所用電路：放大電路的交流通路。,計算電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。,一、 微變等效電路法,微變等效電路： 把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效為一個線性電路。即把非線性的晶體管線性化，等效為一個線性元件。,線性化的條件： 晶體管在小信號（微變量）情況下工作。,微變等效電路法： 利用放大電路的微變等效電路分析計算放大電路電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri、輸出電阻ro等。,晶體管的微變等效電路可從晶體管特性曲線求出。,當信號很小時，在靜態(tài)工作點附近的輸入特性在小范圍內(nèi)可近似線性化。,1. 晶體管的微變等效電路,UBE,對于小功率晶體管：,rbe一般為幾百歐到幾千歐。,一、微變等效電路法,(1) 輸入回路,Q,輸入特性,晶體管的 輸入電阻,晶體管的輸入回路(B、E之間)可用rbe等效代替，即由rbe來確定ube和 ib之間的關系。,(2) 輸出回路,rce愈大，恒流特性愈好 因rce阻值很高，一般忽略不計。,晶體管的輸出電阻,輸出特性,輸出特性在線性工作區(qū)是 一組近似等距的平行直線。,晶體管的電流放大系數(shù),晶體管的輸出回路(C、E之 間)可用一受控電流源 ic= ib 等效代替，即由來確定ic和 ib之間的關系。,一般在20200之間，在手冊中常用hfe表示。,O,ib,晶體管,微變等效電路,1. 晶體管的微變等效電路,晶體管的B、E之間可用rbe等效代替。,晶體管的C、E之間可用一受控電流源ic=ib等效代替。,2. 放大電路的微變等效電路,將交流通路中的晶 體管用晶體管微變等 效電路代替即可得放 大電路的微變等效電 路。,交流通路,微變等效電路,分析時假設輸入為正弦交流，所以等效電路中的電壓與電流可用相量表示。,微變等效電路,2. 放大電路的微變等效電路,9.4 放大電路的動態(tài)分析,二、放大電路的主要性能指標 1. 電壓放大倍數(shù) Au,其分貝值: | Au | (dB) = 20lg | Au |,定義：,當輸入信號為正弦交流信號時,1.電壓放大倍數(shù)的計算,當放大電路輸出端開路(未接RL)時，,因rbe與IE有關，故放大倍數(shù)與靜態(tài) IE有關。,負載電阻愈小，放大倍數(shù)愈小。,式中的負號表示輸出電壓的相位與輸入相反。,例1：,1.電壓放大倍數(shù)的計算,例2：,由例1、例2可知，當電路不同時，計算電壓放大倍數(shù) Au 的公式也不同。要根據(jù)微變等效電路找出 ui與ib的關系、 uo與ic 的關系。,2.放大電路輸入電阻的計算,放大電路對信號源(或?qū)η凹壏糯箅娐?來說，是一個負載，可用一個電阻來等效代替。這個電阻是信號源的負載電阻,也就是放大電路的輸入電阻。,定義：,輸入電阻是對交流信號而言的，是動態(tài)電阻。,輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數(shù)。因此一般總是希望得到較大的輸入電阻。,例1：,例2：,例1：,輸入端斷開，看進去的等值電阻。,記ri簡單方法：,記ri方法：輸入端斷開，看進去的等值電阻。,3. 放大電路輸出電阻的計算,放大電路對負載(或?qū)蠹壏糯箅娐?來說，是一個信號源，可以將它進行戴維寧等效，等效電源的內(nèi)阻即為放大電路的輸出電阻。,定義：,輸出電阻是動態(tài)電阻，與負載無關。,輸出電阻是表明放大電路帶負載能力的參數(shù)。電路的輸出電阻愈小，負載變化時輸出電壓的變化愈小，因此一般總是希望得到較小的輸出電阻。,例3：,求ro的方法1(外加電壓法): 1) 斷開負載RL,3) 外加電壓,4) 求,外加,2) 令 或,例3：,背記ro的方法： 1) 斷開負載RL,3）從輸出端看進去,2）除去信號源，電壓源短接，電流源斷開,外加,例4：,外加電壓法求ro,例4：,斷開負載看進去方法求ro,背記ro的方法：,四、放大電路的頻率特性,阻容耦合放大電路由于存在級間耦合電容、發(fā)射極旁路電容及三極管的結(jié)電容等，它們的容抗隨頻率變化，故當信號頻率不同時，放大電路的輸出電壓相對于輸入電壓的幅值和相位都將發(fā)生變化,這就產(chǎn)生了幅度失真和相位失真，統(tǒng)稱頻率失真。因此我們要研究放大電路頻率特性。,頻率特性,幅頻特性：電壓放大倍數(shù)的模|Au|與頻率 f 的關系,相頻特性：輸出電壓相對于輸入電壓的 相位移 與頻率 f 的關系,通頻帶,f,|Au |,fL,fH,| Auo |,幅頻特性,下限截止頻率,上限截止頻率,耦合、旁路電容造成。,晶體管結(jié)電容、 造成,O,低頻段：,中頻段:,高頻段：,放大電路分低、中、高三個頻段研究,在中頻段可認為電容不影響交流信號的傳送，放大電路的放大倍數(shù)與信號頻率無關。 (前面所討論的放大倍數(shù)及輸出電壓相對于輸入電壓的相位移均是指中頻段的),由于信號的頻率較低，耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗較大，其分壓作用不能忽略。在低頻段放大倍數(shù)降低和相位移越前的主要原因是耦合電容和發(fā)射極旁路電容的影響。,由于信號的頻率較高，耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗比中頻段還小，仍可視作短路。在高頻段放大倍數(shù)降低和相位移滯后的主要原因是晶體管電流放大系數(shù) 、極間電容和導線的分布電容的影響。,9.5 雙極型晶體管基本放大電路,合理設置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的先決條件。但是放大電路的靜態(tài)工作點常因外界條件的變化而發(fā)生變動。,固定偏置放大電路,當RB一經(jīng)選定，IB就固定不變，因此稱為固定偏置放大電路,固定偏置放大電路，簡單、容易調(diào)整，但在溫度變化、晶體管老化、電源電壓波動等外部因素的影響下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。,溫度變化對靜態(tài)工作點的影響,在固定偏置放大電路中，當溫度升高時， UBE、 、 ICBO 。,上式表明，當UCC和 RB一定時， IC與 UBE、 以及 ICEO 有關，而這三個參數(shù)隨溫度而變化。,溫度升高時， IC將增加，使Q點沿負載線上移。,iC,uCE,Q,溫度升高時，輸出特性曲線上移,固定偏置電路的工作點 Q點是不穩(wěn)定的，為此需要改進偏置電路。當溫度升高使 IC 增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點的變化，保持Q點基本穩(wěn)定。,結(jié)論： 當溫度升高時， IC將增加，使Q點沿負載線上移，容易使晶體管 T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞晶體管。,O,一、共射放大電路（分壓式偏置電路）,RE射極直流負反饋電阻,CE 交流旁路電容,一、 分壓式偏置電路,1. 穩(wěn)定Q點的原理,基極電位基本恒定，不隨溫度變化。,VB,I1 I2 IB,一、分壓式偏置電路,1. 穩(wěn)定Q點的原理,集電極電流基本恒定，不隨溫度變化。,VB,從Q點穩(wěn)定的角度來看似乎I2、VB越大越好。 但 I2 越大，RB1、RB2必須取得較小，將增加損耗，降低輸入電阻。 而VB過高必使VE也增高，在UCC一定時，勢必使UCE減小，從而減小放大電路輸出電壓的動態(tài)范圍。,在估算時一般選?。?I2= (5 10) IB，VB= (5 10) UBE， RB1、RB2的阻值一般為幾十千歐。,參數(shù)的選擇,Q點穩(wěn)定的過程,VE,VB,VB 固定,RE：溫度補償電阻 對直流：RE越大,穩(wěn)定Q點效果越好； 對交流：RE越大,交流損失越大,為避免交流損失加旁路電容CE。,輸入特性曲線,2. 靜態(tài)工作點的計算,估算法:,3. 動態(tài)分析,對交流：旁路電容 CE 將RE 短路， RE不起作用,旁路電容,和前面的固定偏置放大電路微變等效電路相同,例1:,在圖示放大電路中，已知UCC=12V, RC= 6k, RE1= 300， RE2= 2.7k， RB1= 60k， RB2= 20k RL= 6k ，晶體管=50， UBE=0.6V, 試求: (1) 靜態(tài)工作點 IB、IC 及 UCE； (2) 畫出微變等效電路； (3) 輸入電阻ri、ro及 Au。,解:,(1)由直流通路求靜態(tài)工作點。,直流通路,(2) 由微變等效電路求Au、 ri 、 ro。,微變等效電路,二、共集放大電路,因從發(fā)射極輸出，所以稱射極輸出器。 因?qū)涣餍盘柖?，集電極是輸入與輸出回路的公共端，所以是共集電極放大電路。,1、靜態(tài)分析,直流通路,共集電極,2、動態(tài)分析,2、動態(tài)分析,(1)電壓放大倍數(shù),電壓放大倍數(shù)Au1且輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。,微變等效電路,(2)輸入電阻,射極輸出器的輸入電阻高，對前級有利。 ri 與負載有關,(3) 輸出電阻,射極輸出器的輸出電阻很小，帶負載能力強。,所謂帶負載能力強，是指當負載變化時，放大倍數(shù)基本不變。,共集電極放大電路(射極輸出器)的特點：,1. 電壓放大倍數(shù)小于1，約等于1; 2. 輸入電阻高； 3. 輸出電阻低； 4. 輸出與輸入同相。,射極輸出器的應用,主要利用它具有輸入電阻高和輸出電阻低的特點。,1. 因輸入電阻高，它常被用在多級放大電路的第一級，可以提高輸入電阻，減輕信號源負擔。,2. 因輸出電阻低，它常被用在多級放大電路的末級，可以降低輸出電阻，提高帶負載能力。,3. 利用 ri 大、 ro小以及 Au 1 的特點，也可將射極輸出器放在放大電路的兩級之間，起到阻抗匹配作用，這一級射極輸出器稱為緩沖級或中間隔離級。,三、共基放大電路 1. 電路結(jié)構(gòu),2. 靜態(tài)分析,IC =IB,UCE = UCCRC ICRE IE UCC(RCRE) IC,共基放大電路,共基放大電路的直流通路,3. 動態(tài)分析,共基放大電路的交流通路,共基放大電路,共基放大電路的微變等效電路,= RC,共基放大電路的微變等效電路,多級放大電路及其級間耦合方式,耦合方式：信號源與放大電路之間、兩級放大電路之間、放大器與負載之間的連接方式。,常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合。,動態(tài): 傳送信號,減少壓降損失,靜態(tài)：保證各級有合適的Q點,波形不失真,輸出,多級放大電路的框圖,對耦合電路的要求,9.8 多級放大電路,阻容耦合,第一級,第二級,負載,信號源,兩級之間通過耦合電容 C2 與下級輸入電阻連接,由于電容有隔直作用，所以每級放大電路的直流通路互不相通，每級的靜態(tài)工作點互相獨立，互不影響，可以各級單獨計算。,1、靜態(tài)分析,2. 動態(tài)分析,微變等效電路,阻容耦合, Au = Au1Au2 其中：RL1 = ri2, ri = ri1 ro = ro2,阻容耦合放大電路，只能放大交流信號， 無法傳遞直流信號。,微變等效電路,1. 靜態(tài)分析 前后級靜態(tài)工作點相互影響，相互制約；不能 獨立設置。 2. 動態(tài)分析 分析方法同直接耦合放大電路。 可以放大直流信號。 3. 零點漂移,二、直接耦合,直接耦合,例 9.6.1 如圖所示放大電路, 已知 RB1 = 33 k， RB2 = RB3 = 10 k, RC = 2 k, RE1 = RE2 = 1.5 k, 兩晶體 管的 1 = 2 = 60, rbe1 = rbe2 = 0.6 k。求總電壓放大倍數(shù)。,RL1 = ri2,解,第一級為共射放大電路, 它的負載電阻即第二級的輸入電阻。,= RB3rbe2(12)RE2,= 8.46 k,= 1.62 k,=162,第二級為共集放大電路, 可取 Au = 1，,Au = Au1Au2 =1621,=162,RL1 = RB3rbe2(12)RE2,解,直接耦合：將前級的輸出端直接接后級的輸入端。 可用來放大緩慢變化的信號或直流量變化的信號。,9.9 差分放大電路,2. 零點漂移,零點漂移：指輸入信號電壓為零時，輸出電壓發(fā)生 緩慢地、無規(guī)則地變化的現(xiàn)象。,產(chǎn)生的原因：晶體管參數(shù)隨溫度變化、電源電壓 波動、電路元件參數(shù)的變化。,直接耦合存在的兩個問題：,1. 前后級靜態(tài)工作點相互影響,零點漂移的危害： 直接影響對輸入信號測量的準確程度和分辨能力。 嚴重時，可能淹沒有效信號電壓，無法分辨是有效信號電壓還是漂移電壓。,抑制零點漂移是制作高質(zhì)量直接耦合放大電路的一個重要的問題。,差分放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。,一、工作原理,電路結(jié)構(gòu)對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應電阻元件的參數(shù)值都相等。,差分放大原理電路,兩管基極輸入，輸出取自兩管集電極之間。,兩管靜態(tài)工作點相同,1. 零點漂移的抑制,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,靜態(tài)時，ui1 = ui2 = 0,當溫度升高時ICVC （兩管變化量相等）,對稱差分放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。,IC1=IC2 ；VC1 =VC2,2. 有信號輸入時的工作情況,兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力（理想狀態(tài)）。,(1) 共模信號 ui1 = ui2 大小相等、極性相同,共模信號 需要抑制,但因兩側(cè)不完全對稱， uo 0,共模電壓放大倍數(shù)：,（很小，1),2. 有信號輸入時的工作情況,兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，,(2) 差模信號 ui1 = ui2 大小相等、極性相反,uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1,即對差模信號有放大能力。,差模信號 是有用信號,差模電壓放大倍數(shù)：,(很大，1),任意輸入的信號 ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。,(3) 比較輸入,ui1 、ui2 大小和極性是任意的。,差模分量:,共模分量:,ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud,例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV,則：ud = 5mV , uc = 15mV,ui1 = 15mV + 5mV ；ui2 = 15mV - 5mV,差放電路的幾種接法,二、輸入輸出方式,單端輸入,雙端輸出,雙端輸入,單端輸出,單端輸入信號為：,二、輸入輸出方式,1、反相輸入,2、同相輸入,9.10 功率放大電路,一、對功率放大電路的基本要求,功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級，去推動負載工作。例如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動機旋轉(zhuǎn)等。,(1) 在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。,(2) 由于功率較大，就要求提高效率。,功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,15.8.1 對功率放大電路的基本要求,(1) 在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。,電源提供的能量盡可能地轉(zhuǎn)換給負載，以減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。,Pomax : 負載上得到的交流信號功率。 PE ： 電源提供的直流功率。,(2) 由于功率較大，就要求提高效率。,甲類工作狀態(tài),放大電路的工作狀態(tài),甲類工作狀態(tài) 晶體管在輸入信號 的整個周期都導通 靜態(tài)IC較大，波形好, 管耗大效率低。,乙類工作狀態(tài) 晶體管只在輸入信號 的半個周期內(nèi)導通， 靜態(tài)IC=0，波形嚴重失真, 管耗小效率高。,甲乙類工作狀態(tài) 晶體管導通的時間大于半個周期，靜態(tài)IC 0，一般功放常采用。,如何提高效率？,辦法：降低Q點。,缺點：但又會引起截止失真。,二、乙類互補對稱放大電路,互補對稱：電路中采用兩個晶體管，NPN、 PNP各一個；兩管特性一致。,1. 電路,(1) 特點,T1、T2的特性一致； 一個NPN型、一個PNP型 兩管均接成射極輸出器； 輸出端有大電容； 單電源供電。,(2) 靜態(tài)時(ui= 0), IC1 0， IC2 0,OTL原理電路,電容兩端的電壓,B,(3) 動態(tài)時,設輸入端在UCC/2 直流基礎上加入正弦信號。,T1導通、T2截止； 同時給電容充電,T2導通、T1截止； 電容放電。,若輸出電容足夠大，其上電壓基本保持不變，則負載上得到的交流信號正負半周對稱。,ic1,ic2,交流通路,uo,輸入交流信號ui的正半周,輸入交流信號ui的負半周,(4) 交越失真,當輸入信號ui為正弦波時， 輸出信號在過零前后出現(xiàn)的 失真稱為交越失真。,交越失真產(chǎn)生的原因 由于晶體管特性存在非線性， ui 死區(qū)電壓晶體管導通不好。,采用各種電路以產(chǎn)生有不大的偏流，使靜態(tài)工作點稍高于截止點，即工作于甲乙類狀態(tài)。,克服交越失真的措施,動態(tài)時，設ui 加入正弦信號。正半周T2 截止，T1基極電位進一步提高，進入良好的導通狀態(tài)。負半周T1截止，T2基極電位進一步降低，進入良好的導通狀態(tài)。,靜態(tài)時T1、T2 兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱導通狀態(tài)。,三、甲乙類互補對稱放大電路,相位補償，使喇叭相當于純電阻負載,去耦，防止低頻自激,消振，防止高頻自激,集成功放LM386接線圖,特點: 工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當連線，即可向負載提供一定的功率。,四、集成功率放大電路,本章要求：,理解共發(fā)射極放大電路的組成及其性能特點。 掌握靜態(tài)工作點的估算方法和放大電路的微變等效電路分析法。 3. 了解放大電路輸入、輸出電阻概念，了解放大電路的頻率特性、互補功率放大電路的工作原理。 4. 了解差分放大電路的工作原理和性能特點。 5. 了解場效應管。,第9章 基本放大電路,本章結(jié)束！,上堂課回顧,1、晶體管,符號：,NPN型三極管,PNP型三極管,上堂課回顧,1、晶體管,(1) IE = IB + IC 符合基爾霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大 變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。,晶體管放大的外部條件：,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,+ UBE ,IC,IE,IB,C T E,B,+ UCE ,特點:非線性,正常工作時發(fā)射結(jié)電壓： NPN型硅管 UBE 0.6 0.7V PNP型鍺管 UBE 0.2 0.3V,3DG100晶體管的 輸入特性曲線,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。,上堂課回顧,2. 輸入特性,IB=0,20A,放大區(qū),晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分 為三個工作區(qū)。,(1) 放大區(qū),發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏;有電流放大作用, IC=IB，輸出曲線具有恒流特性。,上堂課回顧,3. 輸出特性,（2）截止區(qū),IB 0 以下區(qū)域為截止區(qū)，有 IC 0 。,截止區(qū),IB = 0 時, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA),發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏；失去電流放大作用，IC0，晶體管C、E之間相當于開路。（開關斷開）,上堂課回顧,飽和區(qū),（3）飽和區(qū),在飽和區(qū)，IB IC 深度飽和時， UCE0 , ICS UCC/RC,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；失去放大作用，晶體管C、E之間相當于短路。（開關接通）,上堂課回顧,上堂課回顧,共發(fā)射極基本交流放大電路,1、共發(fā)射極基本放大電路組成,一、放大電路的組成,上堂課回顧,單電源供電時常用的畫法,共發(fā)射極基本電路,基本放大電路的簡化畫法：,9.6 場效晶體管及其放大電路,場效晶體管是利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。,場效應管的類型,按結(jié)構(gòu)不同場效應管有兩種:,結(jié)型場效應管,絕緣柵型場效應管,本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應管,按工作狀態(tài)可分為：增強型和耗盡型兩類 每類又有N溝道和P溝道之分,9.6.1 絕緣柵場效應管,漏極D,柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應管。,(1) N溝道增強型管的結(jié)構(gòu),柵極G,源極S,1. 增強型絕緣柵場效應管,符號：,由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達1014 。,由于金屬柵極和半導體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。,(2) N溝道增強型管的工作原理,由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。,當柵源電壓UGS = 0 時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。,當UGS 0 時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層；當UGS UGS（th）時，還在表面形成一個N型層，稱反型層，即勾通源區(qū)和漏區(qū)的N型導電溝道，將D-S連接起來。 UGS愈高， 導電溝道 愈寬。,(2) N溝道增強型管的工作原理,當UGS UGS(th）后，場效應管才形成導電溝道，開始導通，若漏源之