《晶體管放大器》課件

晶體管放大器電子工程核心組件，實現(xiàn)信號放大。基于半導(dǎo)體物理原理，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備。目錄基礎(chǔ)知識晶體管概述，工作原理及類型電路分析基本放大電路，參數(shù)與性能分析實踐應(yīng)用應(yīng)用實例，實驗測試，總結(jié)與思考晶體管發(fā)展簡史11947年貝爾實驗室肖克利、巴丁、布拉頓發(fā)明第一個晶體管21950年代開始商業(yè)化生產(chǎn)，逐步取代電子管31960年代硅晶體管技術(shù)成熟，成本下降，性能提升晶體管在現(xiàn)代電子中的地位電子設(shè)備核心從智能手機到航天器，幾乎所有電子設(shè)備都依賴晶體管技術(shù)集成電路基礎(chǔ)現(xiàn)代芯片內(nèi)含數(shù)十億個晶體管，支撐信息時代發(fā)展信號處理關(guān)鍵實現(xiàn)微弱信號放大，是信息捕獲與傳輸?shù)幕A(chǔ)晶體管基本分類雙極型晶體管(BJT)電流控制型，依靠少數(shù)載流子注入NPN型PNP型場效應(yīng)管(FET)電壓控制型，依靠電場效應(yīng)結(jié)型(JFET)絕緣柵型(MOSFET)雙極型晶體管結(jié)構(gòu)介紹發(fā)射區(qū)(E)高摻雜，提供載流子基區(qū)(B)極薄，控制電流集電區(qū)(C)中等摻雜，收集載流子晶體管的三端定義發(fā)射極(E)主要電流提供端基極(B)控制端，電流很小集電極(C)輸出端，接負載晶體管晶片制造工藝簡述硅片準備單晶硅切片，拋光清洗摻雜區(qū)形成擴散或離子注入工藝切割分離晶粒切分封裝測試引線連接，塑封或金屬殼晶體管符號與電路標識元件電路符號特征NPN型箭頭向外最常用PNP型箭頭向內(nèi)極性相反JFET垂直結(jié)構(gòu)高輸入阻抗MOSFET帶絕緣層功耗低晶體管的主要參數(shù)β值電流放大倍數(shù)，通常為50-300BVCEO集電極-發(fā)射極擊穿電壓Ptot最大功耗，熱設(shè)計關(guān)鍵ft轉(zhuǎn)折頻率，高頻性能指標晶體管簡單物理模型電子空穴運動載流子運動是信號放大基礎(chǔ)兩個PN結(jié)BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏耗盡區(qū)形成反偏結(jié)形成勢壘PN結(jié)的電流傳輸機制基極電流與集電極電流關(guān)系β放大倍數(shù)電流放大β=Ic/Ib0.7VBE結(jié)壓降硅管BE結(jié)導(dǎo)通電壓50-300典型β范圍隨工藝和型號變化晶體管的輸入、輸出特性曲線Vce(V)Ib=10μAIb=20μAIb=30μABJT的三種工作狀態(tài)截止狀態(tài)BE結(jié)反偏，基本無電流，相當(dāng)于開關(guān)斷開放大狀態(tài)BE結(jié)正偏、BC結(jié)反偏，Ic=βIb，線性區(qū)飽和狀態(tài)BE結(jié)和BC結(jié)都正偏，相當(dāng)于開關(guān)閉合截止與飽和狀態(tài)下的典型電流分布截止狀態(tài)Ib≈0Ic≈0僅有微小漏電流Vce≈Vcc飽和狀態(tài)Ib較大Ic接近最大Ic不再隨Ib變化Vce≈0.2V靜態(tài)工作點的選擇與穩(wěn)定Q點意義確定放大器靜態(tài)工作狀態(tài)溫度影響升溫導(dǎo)致β增大，Q點上移負載線連接飽和點與截止點的直線直流偏置電路的基本作用確立Q點建立合適的靜態(tài)工作點提供溫度穩(wěn)定減少參數(shù)漂移影響適應(yīng)電源變化維持穩(wěn)定工作狀態(tài)阻容耦合放大電路原理圖偏置網(wǎng)絡(luò)建立Q點，提供直流通路耦合電容傳輸交流信號，阻斷直流旁路電容發(fā)射極電阻旁路，提高增益負載電阻輸出信號形成處共射極放大電路分析高增益電壓增益通常達10-200倍信號反相輸出信號相位反轉(zhuǎn)180°中等阻抗輸入阻抗1-10kΩ，輸出約10kΩ共基極放大電路特性無電流增益電流增益α<1，約為0.98低輸入阻抗輸入阻抗僅幾十歐姆高輸出阻抗輸出阻抗高達數(shù)十千歐良好高頻特性Miller效應(yīng)小，適合高頻應(yīng)用共集電極放大電路（射極跟隨器）電壓增益接近1輸出電壓跟隨輸入變化高輸入阻抗典型值可達數(shù)百千歐低輸出阻抗通常幾十歐姆各種電路的優(yōu)缺點對比電路類型電壓增益輸入阻抗輸出阻抗相位共射極高中中反相共基極中高低高同相共集電極約1高低同相放大電路的交流等效模型混合π模型最常用小信號模型輸入端：rπ輸出端：ro控制源：gmVπT模型另一種常用模型基于三個電阻無需跨導(dǎo)參數(shù)直觀理解物理結(jié)構(gòu)交流小信號參數(shù)推導(dǎo)放大倍數(shù)的測算方法1確定gm值gm=IC/VT，VT約26mV2計算rπ值rπ=β/gm3分析負載影響計入所有并聯(lián)電阻4計算電壓增益Av=-gm·(rc||RL)輸入電阻與輸出電阻計算輸入電阻(kΩ)輸出電阻(kΩ)放大帶寬的影響因素晶體管特性ft值限制高頻響應(yīng)耦合電容影響低頻截止點分布電容決定高頻截止點負反饋可擴展帶寬頻率響應(yīng)的截止頻率低頻截止點耦合電容形成高通濾波中頻區(qū)域增益平坦，相位穩(wěn)定高頻截止點分布電容形成低通濾波放大電路中的相移低頻相移耦合電容引起，接近90°1中頻相移共射極：180°共基極/共集電極：0°2高頻相移分布電容引起，接近90°3總相移各階段相移疊加4多級放大電路結(jié)構(gòu)第一級低噪聲，匹配信號源中間級提供主要增益輸出級功率放大，匹配負載直接耦合與阻容耦合比較阻容耦合優(yōu)點：簡單、成本低缺點：低頻響應(yīng)差應(yīng)用：一般音頻放大直接耦合優(yōu)點：良好低頻響應(yīng)缺點：直流漂移問題應(yīng)用：直流放大器變壓器耦合優(yōu)點：阻抗匹配好缺點：體積大、頻帶窄應(yīng)用：功率放大器放大電路中的負反饋應(yīng)用穩(wěn)定增益減少器件參數(shù)變化影響擴展帶寬提高高頻截止點降低失真減少非線性導(dǎo)致的諧波改善阻抗提高輸入阻抗，降低輸出阻抗直流偏置的五種常見方式固定偏置結(jié)構(gòu)簡單，溫度穩(wěn)定性差分壓偏置最常用，溫度穩(wěn)定性好集電極反饋偏置負反饋提高穩(wěn)定性發(fā)射極偏置良好溫度穩(wěn)定性溫度漂移與補償技術(shù)熱問題源頭β值隨溫度變化，每10℃約增加6%穩(wěn)定電路設(shè)計大發(fā)射極電阻提供負反饋熱敏元件補償NTC熱敏電阻補償溫度變化配對元件應(yīng)用差分對結(jié)構(gòu)消除共模變化晶體管的失真分析失真類型截止失真飽和失真非線性失真失真原因β值非線性工作點不當(dāng)信號幅度過大改善措施合理選擇Q點適當(dāng)負反饋控制信號幅度大信號與小信號模型對比小信號模型適用于線性放大信號振幅小于熱電壓參數(shù)可線性化常用：混合π模型大信號模型適用于開關(guān)電路考慮非線性特性包含飽和和截止效應(yīng)常用：Ebers-Moll模型實用放大器參數(shù)說明最關(guān)鍵指標增益穩(wěn)定性和帶寬信號質(zhì)量指標S/N比、THD、IMD能量相關(guān)指標效率、功耗、最大功率4環(huán)境敏感度溫度系數(shù)、長期穩(wěn)定性放大器參數(shù)測試方法增益測試輸入已知信號，測量輸出與輸入比值2頻率響應(yīng)掃頻測試，繪制波特圖阻抗測量輸入端開路/短路測試法失真分析頻譜分析儀測量諧波分量集成晶體管放大器的發(fā)展分立元件時代各元件獨立封裝，體積大混合集成多元件整合，尺寸縮小單片集成所有元件同一芯片，性能優(yōu)化高度集成專用功能模塊，易于使用晶體管在音頻放大中的應(yīng)用晶體管在無線通信中的應(yīng)用射頻放大提升微弱信號強度混頻器實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換振蕩器產(chǎn)生載波信號天線放大改善接收靈敏度晶體管放大器在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域應(yīng)用傳感器前置放大放大微弱傳感器輸出信號熱電偶信號應(yīng)變片輸出光電探測器信號調(diào)理電路提供濾波和電平轉(zhuǎn)換共模抑制線性化處理偏置補償檢測與控制信號處理中的放大需求信號檢測將微弱信號放大到可測量水平信號調(diào)理濾波整形，增強信噪比信號轉(zhuǎn)換電平匹配與阻抗變換驅(qū)動控制驅(qū)動執(zhí)行器所需功率放大晶體管選型與實際電路設(shè)計注意事項1性能參數(shù)匹配選擇符合要求的頻率、功率參數(shù)2熱設(shè)計考慮散熱器，避免熱失控3電源抑制比減小電源紋波影響4布局布線減小寄生電容，防止自激晶體管放大器實驗裝置介紹信號發(fā)生部分函數(shù)信號發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)旋鈕幅度調(diào)節(jié)旋鈕放大電路部分各類放大電路模塊可更換元件插座測試點引出端測量分析部分示波器連接端頻譜分析儀數(shù)字萬用表實驗：共射極放大電路的測量連接電路按照實驗指導(dǎo)書連接各元件測量靜態(tài)參數(shù)用萬用表測量各點直流電壓動態(tài)信號測試輸入小信號，示波器觀察波形計算分析計算增益并與理論值對比常見故障分析與排查方法故障現(xiàn)象可能原因排查方法無輸出信號元件損壞更換晶體管輸出失真偏置不當(dāng)調(diào)整偏置電阻自激振