電工電子技術(shù)基礎 課件 第6章晶體管放大電路分析

第6章晶體管放大電路分析6.1變晶體管的特性與識別6.1.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)及類型6.1.2晶體管的放大原理6.1.3晶體管的特性曲線6.1.4晶體管的主要參數(shù)6.2放大電路分析6.2.1共發(fā)射極放大電路6.2.2基本共集放大電路6.3集成運算放大電路6.3.1差動放大電路6.3.2互補對稱電路6.3.3集成運放基本簡介6.3.4集成運放在模擬信號運算方面的應用6.1晶體管的特性與識別6.1.1晶體管基本結(jié)構(gòu)及類型基區(qū)集電區(qū)發(fā)射區(qū)基極集電極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)NPN型結(jié)構(gòu)及符號VTNPN型結(jié)構(gòu)PNP型結(jié)構(gòu)和符號特點：發(fā)射區(qū)參雜濃度很大，基區(qū)薄且濃度低，集電結(jié)面積大。VTPNP型結(jié)構(gòu)6.1晶體管的特性與識別6.1.2晶體管放大原理１．放大條件（１）內(nèi)部特點決定 發(fā)射區(qū)產(chǎn)生大量載流子基區(qū)傳送載流子集電區(qū)收集載流子（２）外部條件

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏IEICIBRBRCEBECNNP發(fā)射區(qū)電子發(fā)射結(jié)正偏利于發(fā)射區(qū)發(fā)射電子基區(qū)集電結(jié)反偏利于集電區(qū)收集電子

集電區(qū)2.電流分配IBRBEBICRCECIE基極電流很小的變化，將引起集電極電流一個很大的變化。直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)6.1晶體管的特性與識別6.1.3晶體管特性曲線1.輸入特性曲線IB＝f(UBE)︳UCE=常數(shù)

發(fā)射結(jié)、集電結(jié)正偏，兩個二極管正向并聯(lián)。

集電結(jié)反偏，IB減小UCE>1IB變化很小，與UCE=1曲線重合。IB(μA)UBE(V)UCE=0UCE≥12．輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)

截止區(qū)IB≈0，IC≈0，UBE≤0發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。

放大區(qū)

IC＝βIB

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

飽和區(qū)

UCE≤UBE

，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏。

IC(mA)UCE(V)IB＝0IB＝20IB＝40IB＝60IB＝806.1晶體管的特性與識別6.1.4晶體管主要參數(shù)2．極間反向電流

ICBO：發(fā)射極開路，基極與集電極間的反向飽和電流，受溫度影響大。

ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間的穿透電流。1．放大倍數(shù)

集電極最大電流ICMIC<ICM

集電極—發(fā)射極反向擊穿電壓UCEO

基極開路，加在集電極和發(fā)射極間的最大允許工作電壓。

UCE<UCEO

集電極最大允許功耗PCMICUCE<PCM3．極限參數(shù)6.2放大電路分析6.2.1共發(fā)射極放大電路一放大的概念

放大的實質(zhì):

用小能量的信號通過三極管的電流控制作用，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(shù)指標。二電路組成

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)?；鶚O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ECRSesRBEBRCC1C2T++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE共發(fā)射極基本電路ECRSesRBEBRCC1C2T++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE信號源負載集電極電源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?。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。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE共發(fā)射極基本電路常用的畫法1、基本思想

非線性電路經(jīng)適當近似后可按線性電路對待，利用疊加定理，分別分析電路中的交、直流成分。分析三極管電路的基本思想和方法直流通路(ui=0)分析靜態(tài)。畫交流通路原則：1.固定不變的電壓源都視為短路；2.固定不變的電流源都視為開路；3.視電容對交流信號短路交流通路(ui

0)分析動態(tài)，只考慮變化的電壓和電流。2、基本方法圖解法：在輸入、輸出特性圖上畫交、直流負載線，求靜態(tài)工作點“Q”，分析動態(tài)波形及失真等。解析法：根據(jù)發(fā)射結(jié)導通壓降估算“Q”。用小信號等效電路法分析計算電路動態(tài)參數(shù)。三靜態(tài)分析

符號說明iB=IB+ib

iC=IC+ic直流分量：IB、IC、IE、UCE交流分量：ib、ic、ie、uce總電流量：iB、iC、iE、uCEiE=IE+ie

uCE=UCE+ucetuoUbeUBEubeuBE直流通道在Δui=0時所形成的直流通路稱為直流通道。直流通道里只有直流量，此時稱放大電路為靜態(tài)。畫法：視電容為開路，畫出電路其余部分。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE直流通路+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE1.估算法靜態(tài)時三極管各極電流和電壓值稱為靜態(tài)工作點Q。靜態(tài)分析的目的：確定放大電路的靜態(tài)工作點(直流值)IBQ，ICQ

，UCEQ分析方法：利用直流通路計算放大電路的靜態(tài)工作點。直流通路靜態(tài)工作點+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE直流通路2.圖解法輸入直流偏置線方程：UBE=UCC

IBRB輸出直流負載線方程：uCE/ViC/mAUCCUCC/RCOQUCEQICQIB=20

A輸出回路圖解輸入回路圖解QuBE/ViB/

A靜態(tài)工作點UCCUCC/RBUBEQIBQOUCE=UCC

RCIC+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE

四動態(tài)分析交流通道 只考慮交流信號形成的電路通道稱為交流通道。 此時視直流量短路，電路為動態(tài)。

畫法：視直流源、電容均短路?！稹餜SRBRCuSuO

+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE在靜態(tài)的基礎上加入輸入信號時的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQ

uBE

Ot

1、微變等效電路法動態(tài)分析的目的：確定放大電路的電壓放大倍數(shù)

，輸入電阻和輸入電阻。分析方法：微變（小信號）等效電路分析法。+uce–+ube–

ibicCBE從輸入端口看進去，相當于電阻rbe幾百-幾千歐姆OIB

UBE

IB

Q

IB

UBE輸入電阻從輸出端口看進去為一個受ib

控制的電流源+uce–+ube–

ibicCBEQiC

ICUCEuCE

IB

ICICic

=

ibrbe

Eibic

ib+ube

+uce

BC

IC

UCE阻值很高，約幾十千歐~幾百千歐，可忽略。rce輸出電阻

微變等效電路是對交流分量而言，先畫放大電路的交流通路，將交流通路中的晶體管用其微變等效電路來代替，即得到放大電路的微變等效電路。晶體三極管交流分析步驟：①

分析直流電路，求出“Q”，計算rbe。②

畫電路的交流通路。③

在交流通路上把三極管畫成H參數(shù)模型。④

分析計算疊加在“Q”點上的各極交流量。根據(jù)畫交流通路原則：ECRBRC+ui

+

RSus+uo

C2RL+C1++ui

+

RSusRBRC+uo

RL交流通路+uo

+–

ibicRBRCRLuSRS+ui

+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

ibBCusRC+ui

微變等效電路交流通路化簡放大電路的動態(tài)參數(shù)計算（1）電壓放大倍數(shù)的計算+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

ibBCusRC+ui

當輸入的是正弦信號時，各電壓和電流都可用相量表示。電壓放大倍數(shù)開路時有負載時

=（2）輸入電阻的計算Ri（3）輸出電阻的計算ro

RCRoRC一般為幾千歐，因此，這種基本放大電路的輸出電阻較高。晶體管的輸入電阻rbe比較小，所以基本放大電路的輸入電阻不高。+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

ibBCusRC+ui

圖解步驟：（1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負載線。（4）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE。2、圖解法放大電路非線性失真五靜態(tài)工作點的穩(wěn)定固定偏置放大電路

分壓偏置放大電路直流通路6.2放大電路分析6.2.2基本共集放大電路一共集電極放大電路的分析○RBRE++uO＋UCCRSuSuiRL～1、靜態(tài)分析2、動態(tài)分析RBRE

RL?b?crbeβibRSUS·～?eUo·Ui·放大倍數(shù)Au輸入電阻ri輸出電阻r06.3集成運算放大電路6.3.1差動放大電路一多級放大電路耦合2、耦合方式：阻容耦合——交流

直接耦合——直流

變壓器耦合——交流1、多級電壓放大電路組成輸入一級中間級末級輸出阻容耦合變壓器耦合直接耦合多級放大電路二差動放大電路的引入零點漂移現(xiàn)象：當輸入信號為0時，其輸出電壓保持不變（不一定是0），即輸出端電壓偏離原來值上下波動。產(chǎn)生的原因：溫度、電源電壓波動、元件參數(shù)變化等。當溫度變化而引起的半導體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點漂移的主要原因。抑制方法：零點漂移就是

點的漂移，目前抑制零漂比較有效的實用方法是采用差動放大電路，三差動放大電路差分放大電路原理零點漂移的抑制靜態(tài)時溫度升高升高對稱差分放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移都具有抑制作用

差分放大電路共模輸入：兩個輸入信號電壓大小相等，極性相同放大倍數(shù)為0差模輸入：兩個輸入信號電壓大小相等，極性相反差模輸入下，差分放大電路兩管集電極之間的輸出電壓為兩管各自輸出電壓變化量的兩倍。比較輸入：大小和相對極性是任意的（差分放大)輸出電壓只與偏差值有關(guān)，而不需要反應兩個信號本身大小。零點漂移的抑制反應了對共模信號的抑制能力。共模抑制電阻RE對稱作用RE對差模信號不起作用，差分放大就是要放大差模信號抑制共模信號。共模抑制比：差模信號放大倍數(shù)與共模信號放大倍數(shù)比值6.3集成運算放大電路6.3.2互補對稱電路集成運放的輸出級通常采用互補對稱電路；互補對稱電路結(jié)構(gòu)對稱，采用正、負對稱電源，靜態(tài)時無直流電壓輸出，故負載可直接接到發(fā)射極，實現(xiàn)了直接耦合，在集成電路中得到了廣泛的應任意兩個同頻率正弦量的和或差可用平行四邊形法則求?；パa對稱電路6.3集成運算放大電路6.3.3集成電路簡介

集成電路:

把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導體芯片上，組成一個不可分的整體。

集成電路特點：體積小、外部接線少、功耗低、可靠性高、靈活性高、價格低。

集成電路分類：按其功能的不同，集成電路可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩種。一集成電路簡介二集成運放電路簡介輸出端偏置電路輸入級中間級輸出級輸入端集成運算放大電路基本組成輸入級：差動放大電路，減少零點漂移、提高輸入阻抗、高抗干擾能力。輸出級：射極輸出器或互補對稱功率放大器，提高帶載能力，輸出電阻要小，電壓穩(wěn)定。偏置電路：為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點。中間級：電壓放大級，高電壓放大倍數(shù)，發(fā)射極放大電路或多級電壓放大電路。三集成運放圖形符號及信號輸入方式

集成運放符號反相輸入同相輸入輸出端三種基本輸入方式反相輸入方式同相輸入方式差分輸入方式四主要參數(shù)2.

輸入失調(diào)電壓UIO使UO=0，輸入端施加的補償電壓幾毫伏3.

輸入失調(diào)電流IIOUO=0時，輸入級兩輸入端的靜態(tài)電流之差。1nA

0.1

A1.

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)A0104

1074.差模輸入電阻ri輸出電阻

ro幾百千歐

幾兆歐幾十歐

幾百歐5.共模抑制比KCMR70～130dB6.

最大差模輸入電壓Uidmax共模輸入Uic過大，K

CMR下降。當Uid過大時，反偏的PN結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。LM741為

36V7.最大共模輸入電壓UicmaxLM741為

16V兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。五集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性：集成運放的輸出電壓uO與輸入電壓ui(u+－u－)之間的關(guān)系uO＝f(ui)稱為集成運放的電壓傳輸特性。uOui+UOM－UOM線性區(qū)1）在線性區(qū)工作時，輸出電壓

與兩輸入端之間的電壓

呈線性關(guān)系，即：2）在飽和工作區(qū)時這時+UOM

和-UOM分別為輸出正飽和電壓和負飽和電壓，其絕對值分別略低于正、負電源電壓。飽和區(qū)

∞－＋uo＋ud反饋電路開環(huán)系統(tǒng)：不加反饋網(wǎng)絡時的電路系統(tǒng)，此時的放大倍數(shù)叫開環(huán)放大倍數(shù)。閉環(huán)系統(tǒng)：加上反饋網(wǎng)絡時的電路系統(tǒng)，此時的放大倍數(shù)叫閉環(huán)放大倍數(shù)。

∞－＋uo＋ud六集成運放的理想特性1、理想化條件開環(huán)電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻開環(huán)輸出電阻共模抑制比

A0∞r(nóng)i∞r(nóng)0∞KCMR∞2、理想運放的電壓傳輸特性ui≠0，|uO|＝±UOM即u+≠

u－時，運放處于非線性區(qū)。uOui+UOM－UOM3、集成運放線性工作區(qū)的特點：+–++–+u+u–uo虛短：集成運放兩個輸入端之間的電壓通常非常接近于零，但不是短路，故簡稱為“虛短”。

uO＝AO（u＋－u－）

AO≈∞u＋－u－≈uo／AO≈0u＋≈u－

當u＋＝0（接地）u

－≈

u

＋≈

0

稱此時的反相輸入端為“虛地點”。反之，也成立。uOui+UOM－UOM+–++–+u+u–uo虛斷：流入集成運放兩個輸入端的電流通常為零，但又不是斷路故簡稱為“虛斷”?！遰i≈∞ I－≈I+≈04、集成運放非線性工作區(qū)的特點：+–++–+u+u–uou+

＜

u-時，u0=-UOM

uOui+UOM－UOMu+

＞

u-時，u0=UOM

虛斷的條件原則上仍成立，即ii

≈

0虛短的條件原則不成立，即u+≠u-

6.3集成運算放大電路6.3.4集成運放在模擬信號運算方面的應用一比例運算電路1、反相比例運算電路

∞－＋uo＋uiifi1R1R2Rfi1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f即ui/R1=－uo/Rf

uo、ui符合比例關(guān)系，負號表示輸出輸入電壓變化方向相反。電路中引入深度負反饋，閉環(huán)放大倍數(shù)Auf與運放的Au無關(guān)，僅與R1、Rf有關(guān)。R2是平衡電阻