三極管放大電路基礎(chǔ).ppt

3三極管放大電路基礎(chǔ) 晶體二極管 Diode半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ) 主要特性是單向?qū)ㄐ?二端器件 應(yīng)用時(shí)不易控制 晶體三極管 BipolarJunctionTransistors BJT 三端器件 應(yīng)用時(shí)易于控制 用來(lái)實(shí)現(xiàn)受控源 它是放大器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 3三極管放大電路基礎(chǔ) 晶體三極管是由兩個(gè)靠得很近并且背對(duì)背排列的PN結(jié) 它是由自由電子與空穴作為載流子共同參與導(dǎo)電的 因此晶體三極管也稱(chēng)為雙極型晶體管 BipolarJunctionTransistors 簡(jiǎn)稱(chēng)BJT 3三極管放大電路基礎(chǔ) 3 1晶體三極管的物理結(jié)構(gòu)與工作模式3 2晶體管放大模式的工作原理3 3晶體管的實(shí)際結(jié)構(gòu)與等效電路模型3 4晶體管的飽和與截止模式3 5晶體管特性的圖形表示3 6晶體管電路的直流分析3 7晶體管放大器3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型3 9放大器電路的圖解分析3 10晶體管放大器的直流偏置3 11單級(jí)晶體管放大器電路 3 1 1物理結(jié)構(gòu)與電路符號(hào) 3 1三極管的物理結(jié)構(gòu)與工作模式 根據(jù)PN結(jié)的排列方式不同 晶體三極管NPN型和PNP型兩種 NPN型三極管的物理結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖3 1 1所示 圖3 1 1NPN型 a 物理結(jié)構(gòu) b 電路符號(hào) 3 1 1物理結(jié)構(gòu)與電路符號(hào) 3 1三極管的物理結(jié)構(gòu)與工作模式 PNP型三極管的物理結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖3 1 2所示 圖3 1 2PNP型 a 物理結(jié)構(gòu) b 電路符號(hào) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 基區(qū)的寬度很薄 m級(jí) 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū) 集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)面積 3 1 2三極管的工作模式 3 1三極管的物理結(jié)構(gòu)與工作模式 依據(jù)晶體管的發(fā)射結(jié) EBJ 和集電結(jié) CBJ 的偏置情況 晶體管的工作模式如表3 1 1所示 表3 1 1 晶體管的工作模式 3 2晶體管放大模式的工作原理 3 2 1晶體管內(nèi)部載流子的傳遞 以NPN為例 偏置電壓VBE保證發(fā)射結(jié)正向偏置 偏置電壓VCB保證集電結(jié)反向偏置 放大模式時(shí)晶體管內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)如圖3 2 1所示 圖3 2 1 3 2晶體管放大模式的工作原理 在發(fā)射結(jié)處 正偏 由兩邊的多子通過(guò)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電流 包括 發(fā)射區(qū)中的多子 自由電子 通過(guò)發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)而形成的電子電流基區(qū)的多子 空穴 通過(guò)發(fā)射結(jié)注入到發(fā)射區(qū)而形成的空穴電流 圖3 2 1 注意 注入到基區(qū)的自由電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合 同時(shí)向集電結(jié)邊界行進(jìn) 因基區(qū)很薄 絕大部分都到達(dá)了集電結(jié)邊界 僅有很小部分被基區(qū)中的空穴復(fù)合掉 形成電流 在集電結(jié)處 反偏 兩邊的少子通過(guò)集電結(jié)漂移而形成的 包括 集電區(qū)中少子 空穴 漂移而形成的漂移電流基區(qū)中少子 自由電子 漂移而形成的漂移電流發(fā)射區(qū)注入的大量自由電子經(jīng)集電結(jié)被集電區(qū)收集而形成的電流 3 2晶體管放大模式的工作原理 說(shuō)明 發(fā)射區(qū)為高摻雜濃度 基區(qū)為低摻雜的濃度 因此有集電區(qū)中因由少數(shù)載流子形成的 因此有 圖3 2 1 正向受控的電流 發(fā)射區(qū)中的自由電子通過(guò)發(fā)射結(jié)注入 基區(qū)擴(kuò)散 復(fù)合 和集電區(qū)收集三個(gè)環(huán)節(jié)將發(fā)射區(qū)的注入電子轉(zhuǎn)化為集電結(jié)電流 成為正向受控的電流 且其大小僅受發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓VBE控制 而幾乎與集電結(jié)反向偏置電壓VCB無(wú)關(guān) 寄生電流 其它載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流對(duì)正向受控作用都是無(wú)用的 稱(chēng)為寄生電流 一般情況下 由少子形成的電流可忽略不計(jì) 但隨著溫度升高 本征激發(fā)的增強(qiáng) 基區(qū)和集電區(qū)的少子劇增 則該電流顯著增大 3 2晶體管放大模式的工作原理 3 2 2晶體管的各極電流 集電極電流 其中 為反向飽和電流 常溫下很小 可忽略不計(jì) 但與溫度密切相關(guān) 溫度每升高10度 約增大一倍 因此 集電極的電流主要是 它主要受發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓VBE影響 集電極的電流可表示為 其中IS為飽和電流 與基區(qū)的寬度成反比 與發(fā)射結(jié)的面積成正比 也稱(chēng)為比例 刻度 電流 典型范圍為 10 12 10 18A 它也與溫度有關(guān) 溫度每升高5度 約增大一倍 3 2晶體管放大模式的工作原理 3 2 2晶體管的各極電流 基極電流 其中 稱(chēng)為共發(fā)射極的電流放大系數(shù) 反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 對(duì)于給定的晶體管 其 值為常數(shù) 一般在50到200之間 但會(huì)受溫度影響 其中 IB1是由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴產(chǎn)生的電流 IB2是基區(qū)中的空穴與發(fā)射區(qū)注入的自由電子復(fù)合引起的電流 兩者均與成比例關(guān)系 基極電流也與集電極電流成比例關(guān)系 它可表示為 3 2晶體管放大模式的工作原理 3 2 2晶體管的各極電流 發(fā)射極電流 其中為共基極電流放大倍數(shù) 它反映了發(fā)射極電流轉(zhuǎn)化為集電極電流的能力 其值一般小于約等于1 與的關(guān)系滿足 或者注意 PNP型晶體管的工作原理與NPN型晶體管對(duì)應(yīng) 外部各極電流的大小與NPN型一樣 但其實(shí)際電流的流向則與NPN型晶體管相反 內(nèi)部看 外部看 例3 1對(duì)于一個(gè)NPN型晶體管 當(dāng)時(shí) 求當(dāng)和時(shí) 對(duì)應(yīng)的VBE分別為多少 解 當(dāng)時(shí) 則當(dāng)時(shí) 則 例3 2對(duì)某電路中NPN晶體管測(cè)量 其基極電流為14 46 A 發(fā)射極電流為1 46mA 發(fā)射結(jié)電壓為0 7V 求該條件下的 和 解 因?yàn)閯t有所以因?yàn)橛袆t 3 3晶體管的實(shí)際結(jié)構(gòu)與等效電路模型 3 3 1晶體管的實(shí)際結(jié)構(gòu) 以NPN為例 NPN型晶體管的橫截面如圖3 3 1所示 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 集電區(qū)是包圍著發(fā)射區(qū)的 所以集電結(jié)比發(fā)射結(jié)有更大的結(jié)面積 這樣使得被注入到薄基區(qū)的自由電子很難逃脫被收集的命運(yùn) 因此 就非常接近于1 非常大 圖3 3 1 3 3晶體管的實(shí)際結(jié)構(gòu)與等效電路模型 3 3 2晶體管的等效電路模型 在正偏電壓VBE及反偏電壓VCB作用下 集電極電流為 并且與集電結(jié)反偏電壓VCB大小無(wú)關(guān) 相當(dāng)于一個(gè)受VBE控制的壓控電流源 等效電路模型如圖3 3 2所示 該模型實(shí)際上是一個(gè)非線性的電壓控制電流源 圖3 3 1 3 4晶體管的飽和與截止模式 3 4 1晶體管的飽和模式 飽和模式 發(fā)射結(jié)與集電結(jié)電壓均為正偏 內(nèi)部多數(shù)載流子 自由電子 的傳遞如圖3 4 1所示 圖3 4 1 載流子運(yùn)動(dòng)在發(fā)射結(jié)VBE正偏作用下 多子正向傳遞 將發(fā)射結(jié)的IEN1傳遞到集電結(jié)的ICN1 在集電結(jié)VBC正偏作用下 多子逆向傳遞 將集電結(jié)的ICN2傳遞到發(fā)射結(jié)的IEN2 3 4晶體管的飽和與截止模式 3 4 1晶體管的飽和模式 圖3 4 1 發(fā)射極與集電極電流 各電流同時(shí)受VBE VBC正偏作用控制 不具有正向受控作用 隨VBC的增大 ICN2增大 使得IE IC迅速減小 基區(qū)復(fù)合增加 基極電流IB比放大模式時(shí)增大 則有各電流不再滿足放大模式下的各電流關(guān)系 3 4晶體管的飽和與截止模式 3 4 1晶體管的飽和模式 圖3 4 2 飽和模式等效電路模型 如圖3 4 2 在飽和模式下 兩個(gè)結(jié)均為正偏 近似用兩個(gè)飽和導(dǎo)通電壓 表示 工程上取值 硅晶體管 則有 大小與摻雜濃度有關(guān) 3 4晶體管的飽和與截止模式 3 4 2晶體管的截止模式 圖3 4 3 截止模式等效電路模型 如圖3 4 3 若忽略反向飽和電流 則各極電流均為零 可用開(kāi)路表示 截止模式 發(fā)射結(jié)與集電結(jié)電壓均為反偏 3 5晶體管特性的圖形表示 圖3 5 1 伏安特性曲線 用曲線來(lái)描述晶體三極管各端的電流與電壓關(guān)系 以共發(fā)射極為例 如圖3 5 1 輸入特性曲線 是以輸出電壓為參變量 描述輸入端口的輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線 即 輸出特性曲線 以輸入電流 有時(shí)也用輸入電壓 為參變量 描述輸出端口的輸出電流與輸出電壓之間的關(guān)系曲線 即 3 5晶體管特性的圖形表示 圖3 5 2 當(dāng)參變量VCE增大時(shí) 曲線向右移動(dòng) 或者當(dāng)vBE一定時(shí) iB隨VCE的增大而減小 3 5 1輸入特性曲線 當(dāng)VCE為常數(shù)時(shí) 輸入特性曲線是描述輸入端口電流iB隨端口電壓vBE變化的曲線 改變參變量VCE的值 得到一組曲線 如圖3 5 2所示 VCE在0 0 3V內(nèi)變化時(shí) 集電結(jié)正偏 BJT工作在飽和模式 在vBE一定時(shí) 隨VCE減小 飽和程度加深 導(dǎo)致iB迅速增大 即曲線向左移動(dòng)較大 VCE大于0 3V時(shí) 集電結(jié)反偏 BJT工作在放大模式 iB幾乎不隨VCE而變化 實(shí)際上 iB隨VCE增大而略有減小 即曲線向右略有移動(dòng) 3 5晶體管特性的圖形表示 圖3 5 3 它分為四個(gè)區(qū)域 放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū) 3 5 2輸出特性曲線 當(dāng)iB為常數(shù)時(shí) 輸出特性曲線是描述輸出端口電流iC隨端口電壓vCE變化的曲線 改變參變量iB的值 得到一組曲線 如圖3 5 3所示 3 5晶體管特性的圖形表示 理想情況 放大區(qū)內(nèi)iC的不隨vCE變化而變化的 實(shí)際器件 外加電壓vCE的變化導(dǎo)致基區(qū)的寬度發(fā)生變化 該效應(yīng)稱(chēng)為基區(qū)的寬度調(diào)制效應(yīng) 當(dāng)vCE的增大時(shí) 基區(qū)中復(fù)合減少 和略有增大 曲線略有上翹 放大區(qū) 區(qū)域 且特點(diǎn) 滿足 當(dāng)iB等量增加時(shí) 輸出特性曲線也將等間隔地平行上移 3 5晶體管特性的圖形表示 集電極電流公式修正為 放大區(qū) 參變量由iB變?yōu)関BE 并反向延長(zhǎng)相交于公共點(diǎn)A上 如圖3 5 4所示 對(duì)應(yīng)的電壓用表示 VA 稱(chēng)為厄爾利電壓 一般情況 圖3 5 4 輸出電導(dǎo)為 輸出電阻為 其中為靜態(tài)工作電流 3 5晶體管特性的圖形表示 當(dāng)時(shí) 晶體管的兩個(gè)結(jié)均為正偏 晶體管工作在飽和模式 隨著的減小而迅速減小 截止區(qū) 工程上規(guī)定以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū) 晶體管工作在截止模式時(shí)各極電流均為零 即 工程上規(guī)定 作為飽和區(qū)與放大區(qū)的分界線 飽和區(qū) 3 5晶體管特性的圖形表示 擊穿區(qū) 當(dāng)增大到一定值時(shí) 集電結(jié)發(fā)生反向擊穿 導(dǎo)致集電極電流劇增 此現(xiàn)象稱(chēng)為擊穿 擊穿類(lèi)型為雪崩擊穿 稱(chēng)為擊穿電壓 3 5晶體管特性的圖形表示 圖3 5 5 晶體管安全工作區(qū)域 極限參數(shù) 最大允許集電極電流 最大允許集電極耗散功率 集電極反向擊穿電壓 3 5晶體管特性的圖形表示 圖3 5 6 轉(zhuǎn)移特性曲線 是指將輸入端口的控制變量轉(zhuǎn)移到輸出端口的輸出變量上 對(duì)于BJT晶體管 即關(guān)系 如圖3 5 6 當(dāng)小于0 5V時(shí) 電流很小 可以忽略 通常在0 6V 0 8V之間 3 5 3轉(zhuǎn)移特性曲線 工程估算時(shí) 一般取 3 6晶體管電路的直流分析 3 6 1分析方法 若 則晶體管工作在截止模式 依據(jù)電路情況進(jìn)一步確定晶體管各極的電壓 若 假設(shè)晶體管工作在放大模式 則取 計(jì)算晶體管的各極電壓和電流 依據(jù) 中各極的電壓判斷晶體管的工作狀態(tài) 若 則晶體管工作在放大模式 假設(shè)正確 分析結(jié)束 若 則晶體管工作在飽和模式 假設(shè)不正確 轉(zhuǎn)入步驟 利用晶體管的飽和模型代入直流電路中晶體管 重新分析晶體管的各極電壓和電流 分析方法 NPN型 導(dǎo)通電壓 飽和電壓 分析目的 分析晶體管的各極電壓 確定晶體管的各個(gè)結(jié)的偏置 進(jìn)而確定晶體管的工作模式 PNP型 僅將 用分別代替 即可 例3 3在圖3 6 1所示的電路中 試分析該電路 確定晶體管各極的電壓和電流 假定晶體管的 圖3 6 1 解 因?yàn)?發(fā)射極通過(guò)電阻接地 因此 發(fā)射結(jié)正偏 取 則有 判斷 晶體管確實(shí)工作在放大模式 假設(shè)正確 則上述求得的各極電壓 電流即為電路的解 例3 4在圖3 6 2所示的電路中 試分析該電路 確定晶體管各極的電壓和電流 假定晶體管的 圖3 6 2 解 因?yàn)?發(fā)射極通過(guò)電阻接地 因此發(fā)射結(jié)反偏 晶體管工作在截止模式 則有 例3 5在圖3 6 3 a 所示的電路中 試分析該電路 確定晶體管各極的電壓和電流 假定晶體管的 圖3 6 3 解 因?yàn)?假設(shè)放大模式 取 則有 判斷 因此晶體管工作在飽和模式 采用飽和模型如圖 b 所示 注意 以上三個(gè)例子的電路一樣 但工作模式不一樣 例3 6在圖3 6 4所示的電路中 試分析該電路 確定晶體管各極的電壓和電流 假定晶體管的 圖3 6 4 解 假設(shè)晶體管工作在放大模式 取 則有 假設(shè)正確 判斷忽略 例3 7在圖3 6 5所示的電路中 試分析該電路 確定晶體管各極的電壓和電流 假定晶體管的 圖3 6 5 解 因?yàn)?發(fā)射極通過(guò)電阻接正電源 因此 發(fā)射結(jié)正偏 取 則有 例3 7在圖3 6 6 a 所示的電路中 試分析該電路 確定晶體管各極的電壓和電流 假定晶體管的 圖3 6 6 解 將左邊部分等效為戴維南形式 如 b 圖所示 其中 可求得 或者 例3 7說(shuō)明 發(fā)射極與基極的電阻可以互相折算 計(jì)算基極的電流 將發(fā)射極的電阻折算到基極中 其折算方法為乘上系數(shù) 即為 計(jì)算發(fā)射極電流 將基極的電阻折算到發(fā)射極中 其折算方法為乘上系數(shù) 即為 若足夠大 則有 工程估算時(shí)方便 放大對(duì)象 交流信號(hào)的幅度 晶體管工作模式 放大模式 需要直流偏置 處理方式 線性放大 工作點(diǎn)應(yīng)處在特性曲線的線性區(qū)域 實(shí)現(xiàn)方法將晶體管偏置在關(guān)系曲線上相對(duì)比較直線的工作點(diǎn)Q的位置上 對(duì)應(yīng)的電壓電流分別為VBEQ ICQ 將要放大的交流信號(hào)vbe疊加在直流電壓VBEQ上 要求交流信號(hào)vbe的幅度足夠小 可認(rèn)為晶體管被約束在特性曲線的一小段幾乎是線性的線段上 可以實(shí)現(xiàn)線性放大 注意變量符號(hào)區(qū)別交流量 小寫(xiě)符號(hào)小寫(xiě)下標(biāo) 如直流量 大寫(xiě)符號(hào)大寫(xiě)下標(biāo) 如總瞬時(shí)量 小寫(xiě)符號(hào)大寫(xiě)下標(biāo) 如 3 7晶體管放大器 其中 為待放大的交流小信號(hào)為晶體管提供直流偏置電壓 保證晶體管工作在放大模式 3 7晶體管放大器 3 7 1晶體管放大器的電路 圖3 7 1 基本電路 如圖3 7 1 直流分析 令得直流通路 如下圖所示 則有 直流通路 3 7晶體管放大器 3 7 2集電極電流與跨導(dǎo) 當(dāng)滿足時(shí) 則有 集電極的總瞬時(shí)電流 基極與發(fā)射極之間總瞬時(shí)電壓 直流與交流疊加 其中 稱(chēng)為跨導(dǎo) 將轉(zhuǎn)化為的能力 它與成正比關(guān)系 其單位為西門(mén)子 S 交流信號(hào)電流 直流偏置電流 3 7晶體管放大器 跨導(dǎo)的圖形求解 跨導(dǎo)是在特性曲線上對(duì)應(yīng)的直流工作點(diǎn)Q處的斜率 如圖3 7 2 即 則有 如圖3 7 2 與直流工作點(diǎn)Q有關(guān) 即與直流偏置電流ICQ有關(guān) 3 7晶體管放大器 3 7 3基極電流與基極輸入阻抗 基極交流信號(hào)電流 基極總瞬時(shí)電流 基極電流 基極輸入阻抗 定義 從基極看進(jìn)去的基極與發(fā)射極之間的交流電阻 記作 其中 基極直流偏置電流 3 7晶體管放大器 3 7 4發(fā)射極電流與發(fā)射極輸入阻抗 發(fā)射極直流偏置電流 發(fā)射極總瞬時(shí)電流 發(fā)射極電流 發(fā)射極輸入阻抗 定義 從發(fā)射極看進(jìn)去的發(fā)射極與基極之間的交流電阻 記作 發(fā)射極交流信號(hào)電流 其中 3 7晶體管放大器 基極輸入電阻與發(fā)射極輸入電阻的關(guān)系 基極輸入阻抗 發(fā)射極輸入阻抗 因?yàn)榛蛘?兩者關(guān)系 說(shuō)明 滿足基極電阻與發(fā)射極電阻之間的折算關(guān)系 3 7晶體管放大器 3 7 5電壓放大倍數(shù) 集電極的總瞬時(shí)電壓 定義電壓放大倍數(shù)定義為輸出交流電壓與輸入交流電壓的比值 也稱(chēng)為電壓增益 其中 交流信號(hào)電壓 電壓放大倍數(shù) 負(fù)號(hào)表示反相 3 7晶體管放大器 常用公式小結(jié) 3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 信號(hào)組成 總瞬時(shí)量 直流分量 交流分量 直流分量 決定晶體管的工作模式交流分量 信號(hào)放大的對(duì)象電路組成 直流通路 交流通路 直流通路 分析晶體管電路的直流分量交流通路 分析晶體管放大器的相關(guān)性能 要求必須在直流通路基礎(chǔ)上進(jìn)行分 直流通路與交流通路的畫(huà)法 直流通路 令所有交流分量為零所得電路 即將交流獨(dú)立電流源開(kāi)路 交流獨(dú)立電壓源短路 交流通路 令所有直流分量為零所得電路 即將直流獨(dú)立電流源開(kāi)路 直流獨(dú)立電壓源短路 3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 直流通路 交流通路畫(huà)法實(shí)例 a 圖為晶體管放大器基本電路 b 圖為晶體管放大器的直流通路 在 a 圖中將短路即可 c 圖為晶體管放大器的交流通路 在 a 圖中將 短路即可 對(duì)交流通路的分析通常采用交流小信號(hào)等效模型來(lái)分析 3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 基極輸入的交流電阻為 集電極的交流電流為 是電流控制電流源 交流小信號(hào)等效模型如圖3 8 2 a 所示 3 8 1混合型模型 適合NPN PNP 圖3 8 2 圖 b 是電壓控制電流源 圖 c 考慮基極引線接觸電阻和厄爾利效應(yīng)的輸出電阻的電流控制電流源形式 一般取則有 圖 d 考慮基極引線接觸電阻和厄爾利效應(yīng)的輸出電阻的電壓控制電流源形式 3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 發(fā)射極輸入的交流電阻為 集電極的交流電流為 是電壓控制電流源 交流小信號(hào)等效模型如圖3 8 3 b 所示 3 8 2T型模型 適合NPN PNP 共基極放大器 圖3 8 3 因此集電極的交流電流也可以看成是一個(gè)電流控制的受控源 如圖3 8 3 c 所示 又因?yàn)?3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 分析方法在實(shí)際放大器電路中 得到晶體管放大器的直流通路 并在此電路上確定晶體管的直流工作點(diǎn)的電壓與電流 如或由直流工作點(diǎn)狀態(tài)確定晶體管的交流小信號(hào)模型的有關(guān)參數(shù) 如 在實(shí)際放大器電路中 得到晶體管放大器的交流通路 將隔直電容和旁路電容短路 選用一種盡可能簡(jiǎn)單的交流小信號(hào)模型代替交流通路中的晶體管分析電路 求解所需的量 如電壓增益 電流增益 輸入阻抗 輸出阻抗及各部分的交流量等 如有必要求解總瞬時(shí)量 則將相應(yīng)的直流量與交流量進(jìn)行線性疊加 3 8 3交流小信號(hào)等效模型應(yīng)用 3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 實(shí)例分析 試分析圖3 8 4所示的晶體管放大器電路的電壓增益 假設(shè) 若輸入信號(hào) mV 請(qǐng)寫(xiě)出集電極的輸出電壓的表達(dá)式 圖3 8 4 解 直流通路如圖 直流通路 交流小信號(hào)參數(shù)為 3 8晶體管的交流小信號(hào)等效模型 交流通路如圖 a 總瞬時(shí)值為 代入模型如圖 b 當(dāng)輸入信號(hào) mV 則有 3 9放大器電路的圖解分析 第一步 確定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q 利用晶體管的輸入特性曲線來(lái)確定晶體管的基極電流 如圖3 9 2所示 其中輸入負(fù)載線 放大器電路分析也可以利用圖形的方式進(jìn)行求解 前提是必須知道晶體管的輸入輸出特性曲線 求解步驟 放大電路 圖3 9 2輸入工作點(diǎn)圖解 3 9放大器電路的圖解分析 第二步 確定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q 利用晶體管的輸出特性曲線 依據(jù)來(lái)確定晶體管的集電極電流 如圖3 9 3所示 其中輸入負(fù)載線 要求 工作點(diǎn)Q應(yīng)位于放大區(qū)內(nèi) 并且它所處的位置應(yīng)保證輸入信號(hào)幅度有合適的動(dòng)態(tài)范圍 圖3 9 3輸出工作點(diǎn)圖解 3 9放大器電路的圖解分析 第三步 基極加交流信號(hào) 如圖3 9 4所示 此時(shí)基極的總瞬時(shí)電壓為對(duì)應(yīng)于每個(gè)瞬時(shí)值 都可以畫(huà)出對(duì)應(yīng)的輸入負(fù)載線 這些輸入負(fù)載線與輸入特性曲線相交 交點(diǎn)坐標(biāo)給出了相應(yīng)的 放大電路 圖3 9 4輸入瞬時(shí)值圖解 3 9放大器電路的圖解分析 第四步 在輸出特性曲線中 如圖3 9 5所示 當(dāng)瞬時(shí)變化時(shí) 工作點(diǎn)將沿著輸出負(fù)載線移動(dòng) 如A B 從而確定晶體管的集電極電流和電壓的波形 并進(jìn)一步確定輸出交流信號(hào)的分量和 圖3 9 5輸出圖解 3 9放大器電路的圖解分析 電阻的大小也會(huì)影響輸出信號(hào)的幅度范圍 如圖3 9 6較低的值 其工作點(diǎn) 正向幅度會(huì)被嚴(yán)重限幅較大的值 其工作點(diǎn) 負(fù)向幅度會(huì)被嚴(yán)重限幅 工作點(diǎn)的選擇 工作點(diǎn)的位置選擇將影響信號(hào)的擺幅范圍 工作點(diǎn)Q的位置應(yīng)盡可能選擇在信號(hào)正負(fù)擺幅相等的位置 折中選擇 圖3 9 6 3 10晶體管放大器的直流偏置 分壓式偏置電路 常用偏置電路 3 10 1單電源供電的偏置電路 在工程上 一般取 或者 為 兩端的壓降通過(guò)電阻和的電流為發(fā)射極電流的十分之一 為減小受溫度和的影響 電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足 圖3 10 1 例3 11設(shè)計(jì)圖3 10 1 a 所示放大器的偏置電路 要求 電源電壓 假設(shè)晶體管的 解 依據(jù)工程估算方法 因?yàn)?取 則有取 則所以因此發(fā)射極的電阻為選擇通過(guò)電阻和電流為發(fā)射極電流的十分之一 即因此又因?yàn)閯t可以得到 圖3 10 1 3 10晶體管放大器的直流偏置 正負(fù)電源供電 圖3 10 2 3 10 2雙電源供電的偏置電路 與分壓式偏置類(lèi)似 只是將電壓換成即可 為減小受溫度和的影響 電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足 圖3 10 2 發(fā)射極電流 3 10晶體管放大器的直流偏置 3 10 3集電極與基極接電阻的偏置電路 圖3 10 3 偏置電路如圖3 10 3所示 發(fā)射極電流 與分壓式偏置類(lèi)似 只是將電壓換成 換成即可 為減小受溫度和的影響 電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足 3 10晶體管放大器的直流偏置 3 10 4恒流源偏置電路 圖3 10 4 恒流源偏置電路如圖3 10 4所示 發(fā)射極電流 發(fā)射極電流與晶體管的及電阻的取值無(wú)關(guān) 因此電阻的值可以很大 采用恒流源偏置方式簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì) 特點(diǎn) 說(shuō)明 恒流源電路的實(shí)現(xiàn)將在后面的章節(jié)中介紹 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 小信號(hào)放大器電路結(jié)構(gòu) 如圖3 11 1所示 3 11 1放大器的性能指標(biāo) 輸入阻抗 對(duì)信號(hào)源而言 放大器可以看作是它的負(fù)載 用等效電阻表示 稱(chēng)為放大器的輸入阻抗 即 性能指標(biāo) 圖3 11 1 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 輸出阻抗 對(duì)負(fù)載而言 放大器可以看作是它的等效信號(hào)源 輸出阻抗是該等效信號(hào)源的內(nèi)阻 稱(chēng)為輸出阻抗 用表示 定義為輸出端的開(kāi)路電壓與負(fù)載短路電流的比值 3 11 1放大器的性能指標(biāo) 圖3 11 2 外加的電壓電流法求取輸出阻抗 移去放大器電路中的獨(dú)立源 獨(dú)立電壓源短路 獨(dú)立電流源開(kāi)路 并將負(fù)載用外加的電壓取代 求取電流 如圖3 11 2所示 則輸出阻抗定義為 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 相互轉(zhuǎn)換關(guān)系 3 11 1放大器的性能指標(biāo) 增益 也稱(chēng)為放大倍數(shù) 常用A表示 定義為放大器的輸出量與輸入量的比值 衡量放大器放大電信號(hào)的能力 四種增益形式電壓增益 電流增益 互阻增益 互導(dǎo)增益 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 基極 發(fā)射極 可作信號(hào)的輸入端發(fā)射極 集電極 可作信號(hào)的輸出端 3 11 2晶體管放大器的基本組態(tài) 三種基本組態(tài)電路 NPN型 PNP型 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 交流通路如圖3 11 4 a 所示 交流小信號(hào)模型電路如圖3 11 4 b 所示 3 11 3共發(fā)射極放大器 令獨(dú)立電壓源 相應(yīng)的 則 因此放大器的輸出阻抗為 輸入阻抗 圖3 11 4 輸出阻抗 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 當(dāng)集電極開(kāi)路時(shí) 即 此時(shí)放大器的增益達(dá)到最大值 增益 電壓增益 負(fù)號(hào)表示反相 或者 源電壓增益 輸出信號(hào)與信號(hào)源的比值 因 電流增益 例3 12共發(fā)射極放大器電路如圖3 11 5所示 試求輸入阻抗 輸出阻抗及電壓增益 晶體管小信號(hào)參數(shù) 解 直流分析 直流通路如右下圖 圖3 11 5 交流通路如圖及交流小信號(hào)模型電路如下所示 輸入阻抗 輸出阻抗 電壓增益 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 發(fā)射極接電阻的共發(fā)射極放大器如圖3 11 8 也稱(chēng)為改進(jìn)型的共發(fā)放大器電路 對(duì)應(yīng)的交流通路及交流小信號(hào)等效電路如下圖所示 3 11 4發(fā)射極接電阻的共發(fā)射極放大器 圖3 11 8 交流通路交流小信號(hào)等效電路 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 工程估算時(shí)忽略電阻 輸入阻抗輸出阻抗 輸入輸出阻抗 或采用電阻折算法 若計(jì)入電阻 則有 推算略 輸入阻抗輸出阻抗 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 電壓增益 不計(jì) 優(yōu)點(diǎn) 克服溫度變化對(duì)晶體管影響 提高放大器電路的工作穩(wěn)定性 3 11單級(jí)晶體管放大器電路 交流通路如圖3 11 9 a 不計(jì)的交流小信號(hào)模型電路圖3 11 9 b 3 11 5共基極放大器