晶體管及其放大電路

1、第5章 晶體管及其放大電路一 基本要求1 理解晶體三極管、場(chǎng)效應(yīng)管的電流分配及放大原理；2 掌握基本放大電路如，固定偏置放大電路、分壓式偏置放大電路、射極輸出器的基本原理和電路特點(diǎn)，了解電路中各元件的作用和意義；3 掌握放大電路的靜態(tài)分析和微變等效電路的動(dòng)態(tài)分析方法；4 了解設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的意義及穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理和方法：5 了解多級(jí)放大電路的幾種耦合方式，會(huì)計(jì)算阻容耦合多極放大電路的放大倍數(shù)；6 理解差動(dòng)放大電路的意義及作用；7 了解功率放大電路的工作原理；8 了解場(chǎng)效管放大電路的分析方法及特點(diǎn)。二 閱讀指導(dǎo)1 半導(dǎo)體三極管（1）晶體管的電流分配和放大原理。半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的

2、雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱晶體管。共有NPN和PNP兩種管型。要注意和的含義不同，兩者數(shù)值基本相同。晶體管有截止、放大和飽和三種工作狀態(tài)，如表5-1所示：表5-1工作狀態(tài)截止放大飽和偏置條件發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏工作特征 （2）輸入、輸出特性根據(jù)晶體管工作狀態(tài)不同，輸出特性曲線可分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 深刻理解輸入、輸出特性曲線，可幫助理解晶體管放大電路的工作原理及各個(gè)參數(shù)間的關(guān)系。2 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種單極型半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。轉(zhuǎn)移特性，漏極輸出特性。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱MOS管）的四種管型及特性如教材表5-2所示。3 晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管比較

3、晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管都可構(gòu)成放大電路，其實(shí)質(zhì)是用小信號(hào)和小能量控制大信號(hào)和大能量。兩者比較如表5-2所示。表5-2晶體管場(chǎng)效應(yīng)管載流子兩種不同極性的載流子（電子與空穴）同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱為雙極型晶體管只有一種極性的載流子（電子或空穴）參與導(dǎo)電，故又 稱為單級(jí)型晶體管控制方式電流控制電壓控制類型NPN型和PNP型兩種N溝道和P溝道兩種放大參數(shù)輸入電阻1021041071014輸出電阻很高很高熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復(fù)雜簡(jiǎn)單，成本低對(duì)應(yīng)極基極-柵極，發(fā)射極-源極，集電極-漏極4 晶體管放大電路從基本放大電路入門(mén)，要求理解放大電路的組成，各元件的作用，及三極管在電路中的意義，要會(huì)求幾個(gè)典型電路的靜態(tài)值及動(dòng)

4、態(tài)參數(shù)。（1） 靜態(tài)分析是指在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，確定放大電路的靜態(tài)值IB、，IC、，UCE，（既靜態(tài)工作點(diǎn)Q）?？赏ㄟ^(guò)直流通路，采用估算法和圖解法。（2） 動(dòng)態(tài)分析是指在有輸入信號(hào)時(shí)，通過(guò)交流通路確定放大電路的輸入、輸出電阻和電壓放大倍數(shù)。通常采用微變等效電路法。（3） 幾種常見(jiàn)的基本放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，如表5-3所示。表5-31.基本放大電路（固定偏置放大電路）Tuo+UCCuiusC1 +RB RC + C2 RS RL直流通路： IC UCE UBE IB +UCC +VCC RB RC 微變等效電路：RL RC RS RB rbe 2.分壓式偏置放大電路iEi2iCRB1 + CE

5、 i1+ C2 +UCCiBC1 +uCE RC RS1 RB2 RE1 RL1 uS1 uo 直流通路UCE IC+UCCUBE BIEIBRE 1 RB2 RB1 RC1 微變等效電路RL1 RC1 RB RS1 rbe 1 3.射級(jí)輸出器uo+ C2uSC1 +RLvBE iBRBRERSuCE +UCC 直流通路IEUBE IBRBREUCE +UCC 微變等效電路RLRERBrbeRS1靜態(tài)工作點(diǎn)：輸入電阻：輸出電阻：ro = RC電壓放大倍數(shù)：2靜態(tài)工作點(diǎn)輸入電阻輸出電阻ro = RC電壓放大倍數(shù)3靜態(tài)工作點(diǎn) 輸入電阻輸出電阻（）電壓放大倍數(shù) 注意：1），IE 是直流靜態(tài)值。 2）

6、微變等效電路是利用電阻、恒流源構(gòu)成的一個(gè)線性電路，以表明晶體管的PN結(jié)結(jié)構(gòu)及其輸入與輸出特性。它是在交流小信號(hào)的前提下，晶體管線性化的等效電路。放大電路的微變等效電路是直接在交流通路的基礎(chǔ)上得出的，微變等效電路是對(duì)交流信號(hào)而言的，輸入和輸出電阻都是動(dòng)態(tài)電阻。 3）靜態(tài)工作點(diǎn)選擇的好壞，直接影響放大電路的工作性能，Q點(diǎn)應(yīng)選在放大區(qū)的中間部分，可通過(guò)調(diào)節(jié)RB或RC選擇合適的Q點(diǎn)。4) 非線形失真的問(wèn)題。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)高而信號(hào)幅度過(guò)大時(shí)會(huì)引起飽和失真、當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低而信號(hào)幅度過(guò)大時(shí)會(huì)引起截止失真。5靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定主要是由于受溫度變化的影響。溫度變化要影響晶體管的參數(shù)ICBO、IC

7、EO、和UBE。這三者隨溫度升高的變化，都使集電極電流的靜態(tài)值IC增大。當(dāng)溫度升高使IC增大時(shí)，IB應(yīng)自動(dòng)減小以牽制IC的增大，常用的是分壓式偏置放大電路。穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的物理過(guò)程、靜態(tài)值的計(jì)算，必須掌握。6射級(jí)輸出器的特點(diǎn)及用途射級(jí)輸出器具有輸入阻抗高、輸出電阻低、，且同相跟隨的特點(diǎn)； 射級(jí)跟隨器一般用于放大電路的輸入級(jí)、輸出級(jí)和中間緩沖級(jí)。7多級(jí)放大電路（1） 阻容耦合多級(jí)放大電路中，靜態(tài)工作點(diǎn)彼此獨(dú)立、互不影響，電壓放大倍數(shù) Au=Au1 Au2.Aun ； （2） 直接耦合多級(jí)放大電路中，靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，零點(diǎn)漂移的問(wèn)題比較突出。8差分放大電路（1） 差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移的最有

8、效的電路。抑制零點(diǎn)漂移的水平用電路抑制共模信號(hào)的能力來(lái)衡量。差分電路可抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)，任何信號(hào)均可分解為共模和差模信號(hào)，其中：（2） 差分放大電路不完全對(duì)稱和單端輸出（即使電路對(duì)稱）時(shí)，輸出就有零點(diǎn)漂移。因此，常采用在發(fā)射極引入RP、RE和負(fù)電源EE。（3） 差分放大電路的輸入、輸出方式共有四種。重點(diǎn)是雙端輸入雙端輸出電路，單端輸入單端輸出電路。9功率放大電路對(duì)功率放大電路的要求：（1） 輸出功率大，且不失真；（2） 效率高；盡量減少電源供應(yīng)，增大輸出功率。所以，常用的功率放大器有OTL和OCL互補(bǔ)對(duì)稱電路。功率放大器一般采用乙類或甲乙類工作狀態(tài)；在同樣的輸出功率條件下，OTL互補(bǔ)

9、對(duì)稱電路的電源電壓UCC應(yīng)為OCL的兩倍。功率的計(jì)算如教材P151所述。 （3）復(fù)合管：復(fù)合管的目的是增大電流放大倍數(shù)，提高電路對(duì)稱性。，管子的類型取決于第一個(gè)管子的類型，如圖5-1（a），（b）所示。(a)(b)圖5-1 復(fù)合管（a），（b）三、例題解析例5.1 在圖5-2 (a) 所示放大電路中，已知 圖5-2電位器總電阻，三極管。試求：(1)當(dāng)調(diào)到0時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)()，并判定三極管工作在什么區(qū)；(2)當(dāng)調(diào)到最大時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)()，并判定三極管工作在什么區(qū)；(3)若使，問(wèn)應(yīng)調(diào)節(jié)到多大？(4)若在的條件下，輸入和輸出信號(hào)波形如圖5-2 (b) 所示，判定它產(chǎn)生了什么失真，說(shuō)明應(yīng)如何調(diào)節(jié)以減小失真

10、，為什么？解 (1) 當(dāng)=0時(shí)， 可見(jiàn) ，三極管已進(jìn)入飽和區(qū)。(2) 當(dāng)最大時(shí)，可見(jiàn)三極管已進(jìn)入截止區(qū)附近。(3) 若，則(4) 波形產(chǎn)生了截止失真。這是由于靜態(tài)工作點(diǎn)偏低造成的。應(yīng)適當(dāng)減小，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，使在最大時(shí)不產(chǎn)生失真。注： 由此例題分析可見(jiàn)，調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的位置及減小非線性失真的方法，主要是改變基極偏置電阻大小，從而調(diào)節(jié)基極電流的大小。由波形可知，截止失真是在正半周(即的負(fù)半周)，飽和失真則在的負(fù)半周(的正半周)，這是由于集電極與基極相位相反的結(jié)果。例5.2在圖5-3 (a) 所示放大電路中，已知，三極管，。(1) 若使，則為多少？(2) 若輸入、輸出信號(hào)波形如圖5-3(b)

11、所示，問(wèn)電路產(chǎn)生了什么失真？如何調(diào)節(jié)才能消除失真？ 圖5-3(a),(b)解 (1) 根據(jù) 可得 又 得 (2) 由于發(fā)射極與基極相位相同，可知失真產(chǎn)生在正半周，故為飽和失真，為此應(yīng)增大以減小才能消除失真。例5.3在圖5-4 所示放大電路中，已知，場(chǎng)效應(yīng)管，三極管，。(1)試求各級(jí)靜態(tài)值； (2)畫(huà)出微變等效電路；(3) 試求各級(jí)電壓放大倍數(shù)及總電壓放大倍數(shù)；(4) 試求輸入電阻及輸出電阻；(5) 試問(wèn)第一級(jí)用的是什么類型的場(chǎng)效應(yīng)管？還可用什么形式的偏置電路？ 圖5-4解 (1) 第一級(jí)： 聯(lián)立求解方程組，可得 第一組數(shù)中，不合理，所以靜態(tài)值為 第二級(jí)： 注意 第一級(jí)是絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，柵極無(wú)電

12、流，所以上無(wú)壓降。(2) 微變等效電路如圖5-4（a）所示， 圖5-4（a）圖中， (3) 第一級(jí) =6.6 5.5)第二級(jí)： 總電壓放大倍數(shù)為 (4) 可見(jiàn)的作用是增大輸入電阻。(5) 第一級(jí)是溝道絕緣柵耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的具有分壓式偏置電路的前置放大器，也可釆用自給偏置式電路。例5.4 試分析圖5-5所示放大電路，回答以下問(wèn)題：(1) 它是一個(gè)什么放大電路？和工作在哪類狀態(tài)？(2) 和的作用是什么？靜態(tài)時(shí)點(diǎn)的電位為多少？(3) 和組成什么類型復(fù)合三極管？若各管電流放大系數(shù)為，則該放大電路的電流放大倍數(shù)為多少？(4) 若，試求輸出電壓和輸出功率。(6) 若忽略三極管的飽和壓降，則該電路的最大

13、輸出功率為多少？（已知±=±15V） ；(6) 和的作用是什么？ 圖5-5解 (1)它是一個(gè)OCL功率放大電路，和工作在甲乙類狀態(tài)。(2) 和相當(dāng)于兩只二極管，與一起為和提供一定的偏置電壓，以消除交越失真，靜態(tài)時(shí)和對(duì)稱，=0。(3) 和組成PNP型復(fù)合三極管，和組成NPN型復(fù)合三極管，兩只復(fù)合管的總電流放大系數(shù)為 或 故電路的總電流放大系數(shù)為 (4) 根據(jù)射極輸出器原理，可得 (5) 若忽略三極管飽和壓降，則輸出電壓最大幅值為 故 (6) 并聯(lián)在的B，E兩端，并聯(lián)在的B，E兩端，起了分流作用，使的靜態(tài)電流不全部流入，而的靜態(tài)電流不全部流入。從而減小了和的靜態(tài)電流(主要是穿透

14、電流)，提高了效率。它們還減小了和的動(dòng)態(tài)輸入電阻，使更接近于，即更接近于1。例5.5 圖5-6所示電路中，已知，。，管的最大功率，試求負(fù)載上獲得的最大功率和效率。圖5-6解析 ： 功率放大電路的主要目的是提高其信號(hào)功率和電路的效率。主要性能指標(biāo)是輸出信號(hào)功率的極大值和電路的效率等。 (1) 在所示的OTL電路中，忽略，管飽和壓降以及，上的壓降的條件，輸出最大電壓幅度， 最大輸出功率約為 最大輸出電流為 (2) 實(shí)際上，由于，存在飽和壓降(取)，以及受，上壓降的影響()，輸出電壓最大值大約減少2V，即 。最大輸出功率 最大輸出電流 電源輸出最大功率 最大效率 注 ： 電路中電阻，組成分壓偏置電路

15、，調(diào)節(jié)可調(diào)整的數(shù)值。和既是的集電極電阻，又是和的靜態(tài)工作點(diǎn)，上并聯(lián)的目的，是在動(dòng)態(tài)時(shí)和的基極交流電位相等，不致于造成輸出波形正、負(fù)半周不對(duì)稱現(xiàn)象。電路工作在乙類和極限狀態(tài)輸出電壓的最大值為，則在理想情況下，最大輸出功率為，電源供給的功率為。四習(xí)題選解5-1 (3) 溫度升高，ICEO（4） 第一個(gè)管子好一些。ICEO小，受溫度影響小。（5） ，所以（1）、（2）兩種情況屬正常工作，（3）不正常，超出極限參數(shù)。5-2 （1）NPN硅管； （2）NPN鍺管； （3）PNP硅管； （4）PNP鍺管5-3 （1）IE = 4.1mA（流出），NPN管； （2）IC = 6mA（流出），PNP管。5-4

16、 （a）飽和； （b）截止； （c）放大。（均為硅管）5-5 ICEO=0.2mA， U（BR）CEO=40V， PCM=0.2W， =50。5-6 （1）截止； （2）進(jìn)入飽和狀態(tài)； （3）深度飽和。5-8 從曲線上看，Ui = 4V時(shí)，ID = 0； Ui = 8V時(shí)，ID1.5mA； Ui = 12V時(shí)，ID4mA（IDS = 4mA），進(jìn)入飽和區(qū)。5-11 截止失真。Q點(diǎn)低（IB ?。{(diào)點(diǎn)提高。5-12 全部不正確（交流參數(shù)應(yīng)在微變等效電路中求）。5-21 （1）45，2.25mA， 7.8V； （2）-111，889，3.2K。5-22 （1）565K； （2） RB = 0時(shí)，電路進(jìn)入飽和區(qū)，可串聯(lián)一個(gè)固定電阻。5-23 （