电工电子技术第11章三极管及其放大电路课件.ppt

1、11.1双极型半导体三极管11.1.1晶体管的的基本结构 三极管的种类很多,按工作频率分可以分为低频管和高频管，按功率大小可以分为小功率管、中功率管和大功率管，按所用半导体材料分为硅管和锗管，按导电类型分为PNP型和NPN型，按结构和工艺分为合金型和平面型等。第1章 直流电路1RbRCmAuARPIBICEBEC6V3DG6bcemAIE 三极管包含两个PN结，但不能简单的看成由个PN结的组合，因为其结构具有如下特点：1. 发射区杂质浓度远大于基区的杂质浓度。2. 基区很薄，杂质浓度很低。3. 集电结的面积比发射结的面积要大。因此发射区和集电区不能对调，这种结构也使得晶体管具备了放大的能力。1

2、1.1.2三极管对电流的分配关系及放大能力（1）发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，即:IE=IB+IC（2）集电极电流IC是基极电流IB的倍, 称为直流放大系数。（3）我们把IC与IB的比值称为晶体管的交流放大系数。即： BCIIBCII11.1.1晶体管的的基本结构第1章 直流电路2mAuAmAIBICIEecbICIEVBBVCCNPN复合 下面NPN型为例，用晶体管的内部载流子的运动来解释晶体管对电流的放大作用。 有助于扩散运动的进行，发射区（N区）的自由电子更容易的向基区（P区）扩散与基区（P区）的空穴复合，三极管的发射区掺杂浓度比较高，其多数载流子自由电子浓度比较高，因此形成较

3、大的扩散电流IE。由于基区做得很薄，能与空穴复合的自由电子数量很少，因此形成很小的IB，而大量扩散过来的自由电子堆积在基区与集电区的边缘，使基区的少数载流子（自由电子）浓度升高。又由于集电结上加了反向电压，使集电结的内电压加强，有助于少数载流子的漂移运动，因此堆积在集电结边缘的自由电子大量漂移过集电结而为集电结所收集，而形成集电结电流IC。 11.1.2三极管对电流的分配关系及放大能力第1章 直流电路311.1.3特性曲线测试电路输入特性1输入特性曲线)(BEBufi UCE=常数 uCE曲线右移uCE1曲线重合第1章 直流电路42输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流iB为常数时，集电极电

4、流iC与集电极-发射极电压uCE之间的关系曲线，即：024121086(V)mA1234iB=20uA40uA60uA80uA100uA0放大区击穿区饱和区截止区ICEOU（BR）CEO（1）放大区 晶体管进入放大工作状态的条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。 （2）截止区 晶体管进入截止区的条件是：发射结反偏，集电结反偏。截止区是iB=0曲线以下的区域。由于集电结和发射结均反偏，此时三极管各极电流均很小（接近或等于零），三个电极e、c、b相当开路。（3）饱和区晶体管进入饱和工作状态的条件是：发射结正偏，集电结也正偏。 11.1.3特性曲线第1章 直流电路511.1.4主要参数1共射极

5、电流放大系数 （1）直流放大系数在静态时IC与IB的比值称为直流电流放大系数，也称为静态电流放大系数。（2）交流放大系数 在动态时，基极电流的变化增量为IB，它引集电极电流的变化境量为IC。IC与的IB比值。一般与在数值相近，基本上可以认为相等，以后只要用表示。一般为20-150之间，目前工艺已能制造为300-400的低噪声管。2极间反向电流 表征三极管工作稳定性的参数。极间反向电流受温度影响很大，使用中希望这类电流越小越好。（1）集电极反向饱和电流ICBO ICBO是指三极管发射极开路，集电极和基极之间加反向电压时流过集电结的反向电流。小功率的硅管一般在0.1uA以下，锗管在几微安到十几微安

6、。第1章 直流电路6（2）穿透电流ICEOICEO是指基极开路，集电极与发射极之间加反向电压时的集电结电流，由于它穿过基极到发射区，所以称为穿透电流。ICBO与ICEO之间的关系是ICEO=（1+）ICBO它是衡量晶体管质量好坏的重要参数之一，其值越小越好。11.1.4主要参数ICEO测试电路ICBO测试电路第1章 直流电路70103020uCE/Vic/mA10203040U（BR）CEOICMPCM线过 损 耗 区安 全 工 作 区3极限参数 这是表征三极管能安全工作的参数。即三极管所允许的电流、电压和功率的极限值。（1）集电极最大允许电流ICM（2）反向击穿电压 发射极-基极反向击穿电压

7、U（BR）EBO当集电极开路时，发射极-基极让允许加的最高反向电压，一般在5V左右。（3）集电极最大允许耗散功率PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。称为集电极最大允许损耗功率PCM。11.1.4主要参数第1章 直流电路811.2 电压放大电路ui+VCCC1C2RbRCRLuo-Rsus+-V+iBuBEuCE+1基本放大电路的组成及各元件的作用 三极管V是基本放大电路的核心元件，直流电源VCC给集电结加反向电压，直流电源VBB给发射结加正向电压，三极管V处于放大状态而具备放大

8、的能力，同时也是信号放大的能源，一般为几伏至几十伏。RB是基极偏置电阻，和电源VCC一起为基极提供一个合适的基极电流IB（常称为偏流），RC是集电极负载电阻，它将集电极电流iC转化成输出电压，即把电压放大作用转化成电流放大作用。RC一般为几百欧到几千欧。C1、C2分别是输入、输出信号耦合电容，其作用是隔直通交，传递交流信号。C1、C2常选用容量较大的电解电容，一般是几微法至几十微法。 第1章 直流电路92共射基本放大电路的基本分析方法（1）直流通路和静态分析静态及静态工作点 放大电路没有信号输入时的工作状态称为静态。静态时，在直流电源的作用下，放大电路的电流、电压值（IBQ、ICQ和UCEQ）

9、称为静态工作点，它们在三极管输出特性曲线上对应一个点，称为Q点。 直流通路的画法 直流通路是指放大电路中直流成分通过的途经，由于放大电路静态时，没有交流信号通过电路，所以可以在直流通路中进行静态分析，使得分析更加简洁。 画直流通路的原则是：交流信号源短路，电容开路，电感短路。+VCCRBRCIBICIE共射放大电路的直流通路第1章 直流电路10静态工作点的分析例10.1如图所示，RB=250K，RC=3K，=50，ICEO=0，VCC=10V，试求电路的静态工作点。解：根据直流通路进行静态分析，可以得到：RBRCibicRLRS+_+_usuouAmAKRVRVVIBBBBBEQBBQB400

10、4. 025010mAIIBQCQ204.050VRIVUCCQCCCEQ6321011.2 电压放大电路第1章 直流电路11uBE=UBE+uiiB=IB+ibiB的变化引起集电极电流相应变化，即iC=IC+iCiC的变化引集电极电压的变化，即uCE=VCC-iCRRBRCibicRLRS+_+_usuo（2）交流通路及动态分析放大电路有输入信号时的工作状态称为动态。画交流通路的画法画交流通路的原则是：将直流信号源短路，电容短路，电感开路。我们可以画共射放大电路的交流通路如图所示。放大电路动态工作情况及各动态参数的含义11.2 电压放大电路第1章 直流电路12微变等效电路法动态分析EbeIm

11、Vr261300bebeBoirrRUUri/rORCiOUUUALbLCORIRIULCLRRR/bebirIUbeLiOUrRUUA（2）交流通路及动态分析11.2 电压放大电路第1章 直流电路13例11.2在共射放大电路中，VCC=12V，RC=4K，RB=300K，=37.5，RL=4K，试求电压放大倍数AU，输入电阻ri，输出电阻ro。mARVRUVIBCCBBECCB30012mAmAIIIBCE5 . 104. 05 .37967. 0)5 . 1265 .38300()(261300EImArbeKKRRRLCL24444/6 .77967. 025 .37beLiOUrRUU

12、AKrrbei967. 0KRrCO4解：故11.2 电压放大电路第1章 直流电路14CCCCCERIVU（1）静态图解法例11.3共射放大电路VCC=12V，RB=300K，RC=4K。用图解法分析，首先用计算的方法算得IB=40uF，然后过点（12V， 3mA）作直线，直线与输出特性曲线交于Q点。Q点即为所求的静态工作点。Q点的坐标为（6V，1.5mA），所以静态分析所得静态参数为。3基本放大电路的图解分析法11.2 电压放大电路第1章 直流电路15（2）图解法分析放大电路的动态工作情况。截止失真截止失真 当工作点Q点设置偏低，接近截止区域时，那么在输入特性曲线上，信号电压的负半周期就有可

13、能有一部分进入截止区域被削去ib的负半部分，ib已成为失真波形，结果使ic的负半周期，uce的正半周期相应的部分也被削去，产生截止失真。饱和失真饱和失真 当工作点Q设置偏高，接近饱和区域时，尽管ib波形完好，但在输出特性上，信号ib的摆动范围有一部分进入饱和区，使ic的正半周期和uce的负半周期被削去一部分，产生饱和失真。截顶失真截顶失真 如果输入信号过大，可能同时产生截止失真和饱和失真，这种失真称为截顶失真。为了减少或避免非线性失真，必须合理选择静态工作点，并适当限制输入信号的幅度，一般静态工作点大致在交流负载线的中点附近。uCE (V)QiB1ABQQoic(mA)uCE (V)wtuce

14、iB0iB2iB3iB4iB5uceicicuceic11.2 电压放大电路第1章 直流电路1611.2.2分压式稳定静态工作点放大电路RB1为上偏电阻Ce它的作用是提供交流通路，减小信号放大过程中的损耗，使放大电路对交流信号的放大能力不因Re的存在而降低。Ce为射极旁路电容，RB2为下偏电阻1、电路组成第1章 直流电路172、工作原理 3、静态工作点估算CCBBBBVRRRU212eBeBEBECRURUUII)(ecCCCeECCCERRIVRIVUCBII +VCCRB2-RB1ReRCIBI2UBBCEICIE+_UBEI1共射放大电路的直流通路11.2.2分压式稳定静态工作点放大电路

15、第1章 直流电路184、动态分析beLbebLcciurRriRRiuuA)/(0bebebbioirrRRuuR/21coRR （1）电压放大倍数（2）输入电阻（3）输出电阻 输出电阻是指断开负载，从输出端看过去的等效电阻。共射放大电路的交流通路11.2.2分压式稳定静态工作点放大电路第1章 直流电路1911.2.3射极输出器射极输出器具有三大特殊性能射极输出器具有三大特殊性能（1）放大倍数AU小于1，但接近于1。即uo与ui幅度近似相等，相位相同，可以认为，输出电压uo跟随电压输入电压ui的变化而变化。所以射极输出器又称为射极跟随器。（2）射极输出器与共发射极电路相比，具有很高的输入电阻。

16、（3）射极输出器与共发射极电路相比，具有很低的输出电阻。 第1章 直流电路2011.2.4多级放大电路 在多级放大电路中，相邻两级之间的连接称为级间耦合，实现耦合的电路称为级间耦合电路，常用的级间耦合方式有：阻容耦合、变压器耦合、直接耦合方式。 2变压器耦合方式 各级之间通过变压器实现级间耦合的放大器。 1阻容耦合方式 阻容耦合放大电路，每一级都是我们熟悉的共射级放大电路，两级之间通过电容C耦合起来的 3直接耦合方式 直接耦合方式是把前级的输出端和后级的输入端直接（或通过电阻）连接起来的多级放大电器。 第1章 直流电路2111.3集成运放基础及放大电路中的反馈集成运算放大电路的基本组成外型及符

17、号11.3.1集成运放第1章 直流电路221.理想运放的性质（1）理想运放的条件理想集成运算放大器的主要条件是：开环差模电压放大倍数Aod；开环差模输入电阻rid；共模抑制比KCMR；开环共模输入电阻ric0；开环输出电阻ro0；（2）理想运放的性质工作在线性区域的理想集成运放有两个重要结论：集成运放同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。ui=u+-u-=0，即u+=u-集成运放同相输入端和反相输入端的输入电流等于零(虚断）。当u+u-，uo=UO+；当u+u-，uo=UO+。11.3.1集成运放第1章 直流电路2311.3.2反馈的基本概念1、反馈的电路方框图 FAAXFAXXAXXXX

18、XAidididfidif10fiidXXX开环放大倍数为 0XXFfdioXXAiofXXAFFAAFAAAf11净输入信号 反馈系数 闭环放大倍数为 fAA闭环增益及反馈系数的关系 称为反馈深度 11FA 称为深度负反馈 FA1第1章 直流电路2411.3.2反馈的分类及判别方法1负反馈的基本类型（a）电压串联负反馈（b）电压并联负反馈（c）电流串联负反馈（d）电流并联负反馈第1章 直流电路252负反馈类型的判别（1）正负反馈的判别方法 正负反馈（反馈极性）的判别可以采用瞬时极性法。瞬时极性是指交流信号某一瞬间的极性。首先假设放大电路的输入信号对地的瞬间极性为正，表明该点的瞬时电位升高，在

19、图中用（+）表示，然后按照放大、反馈信号的传递途径，逐级标出有关点的瞬时电位是升高还降低，升高用（+）表示，降低用（-）表示，最后推出反馈信号的瞬时极性，从而判断反馈信号是增强还是减弱，输入信号减弱的是负反馈，增加的是正反馈。（2）反馈类型的判别方法 若反馈支路的一端直接接在输出端，则可判断是电压反馈；若接在非输出端，就可判断是电流反馈。 若反馈支路的另一端直接接在输入端，则可判断是并联反馈；若接在非输入端，就可判断是串联反馈。11.3.2反馈的分类及判别方法第1章 直流电路26（c）判断实例例11.4 判断图11-29所示电路的反馈类型11.3.2反馈的分类及判别方法第1章 直流电路2711

20、.3.3负反馈对放大器性能的影响1提高放大倍数的稳定性2减少非线性失真3扩展通频带4改变输入输出电阻（1）对输入电阻的影响串联反馈使输入电阻增大；并联反馈使输入电阻减少。（2）对输出电阻的影响电压反馈使输出电阻减小；电流反馈使输出电阻增大。第1章 直流电路2811.4自激振荡11.4.1产生振荡的条件1FA) 12(nFAAF平衡条件 振幅平衡条件 11.4.2正弦波振荡电路第1章 直流电路2911.5低频功率放大电路11.5.1功率放大电路概述1功率放大电路的特点 从能量控制的角度来说，功率放大电路和电压放大电路都属于能量转换电路，都是将电源的功率转换成被放大信号的交流功率。但它们的任务是不

21、一样的，电压放大电路主要是要让负载得到不失真的电压信号，表征电路性质的主要参数是电压增益、输入电阻和输出电阻等。输出功率并不不一定大，通常是在小信号下工作。而功率放大电路主要是要获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，通常工作在大信号条件。2功率放大电路的要求（1）应有足够大的输出功率（2）效率要尽可能高（3）非线性失真要小（4）良好的散热性第1章 直流电路303功率放大电路的分类（a）甲类放大 （b）乙类放大 （c）甲乙类放大11.5.1功率放大电路概述第1章 直流电路3111.5.2互补对称的功率放大电路 当输入信号ui=0时，电路处于静态，两个管子都不导通，没有静态电流，功率损耗为零。

22、 当ui正半周期时，V1管导通，V2管截止，V1管子上有静态电流，输入信号通过V1管子进行放大，从发射极输出，负载RL得到输出电压uo（正弦波的正半周期）。 当ui负半周期时，V2管导通，V1截止V1管子上有静态电流，输入信号通过V2管子进行放大，从发射极输出，负载RL得到输出电压uo（正弦波的负半周期）。第1章 直流电路32（2）主要性能指标最大输出功率是指电路的最大不失真输出功率。LCCLCESCComomomomomRVRUVUIuIp22)(212222直流电源供给功率根据付氏级数分解，周期性半波电流的平均值cmIIav1LcemCCcmCCCCavEEavCCavVRUVIVVIVI

23、VIP222管耗)4(1)(2121cemcemCCLOVCUUVRPPP（3）最大效率CCcemVOVUPP411.5.2互补对称的功率放大电路第1章 直流电路33（5）功放管的选择omcmCMPPP2 . 01CCCEOBRVU2)(LCCCMRVI功率放大管集电极的最大允许功耗功放管的最大耐压U（BR）CEO在功放电路中，当一只管子饱和导通时，另一只管子将承受最大反向电压为2VCC，所以要求功放管最大耐压为功放管的最大集电极电流11.5.2互补对称的功率放大电路第1章 直流电路34WWRVPLCCom25820212122WWPPomCM5252 . 02 . 0VVUCCCEOBR20

24、22)(VARVILCCCM5 . 2820解：（1）最大输出功率（2）（3）VVVCCCC20 8LR例：OCL电路的，负载，功放管如何选择？11.5.2互补对称的功率放大电路第1章 直流电路352甲乙类双电源互补对称功率放大器（OCL电路）交越失真 3甲乙类单电源互补对称功率放大器（OTL电路）+VCCuo+-V1V2R4VD2VD1RLR3+-uiR1R2+C2CV3CeA11.5.2互补对称的功率放大电路第1章 直流电路3611.5.3集成功率放大电路LA4102引脚分布 LA4102应用电路 LA4102内部框图 第1章 直流电路3711.6集成运算放大器的应用8+_+_+_uiuO

25、RfR1Rpifi1u_u+11.6.1集成运算放大器的线性应用1111RRuuA：RuRuuiRuuiuuiifiouffofofif故闭环电压放大倍数为所以1反相比例运算放大电路第1章 直流电路388+_+_+_uiuORfR1R2ifi1u_u+ifofoiiif）uRR（uRuuRuuuuiiRuiuu111111由上述关系式得2同相比例运算放大电路8+_+_+_uiuORfR2ifu_u+8+_+_uiuOu_u+_电压跟随器 11.6.1集成运算放大器的线性应用第1章 直流电路393.差动输入比例放大电路3223RRuRi11RuuifoRuu u-=u+= i1=iF= i1=i

26、F8+_+_ui1uORfR1R3iFi1u_u+i2R2ui2+11.6.2集成运算放大器的非线性应用第1章 直流电路405.积分电路8+_+_+_uiuOCfR1RiFi1u_u+6.微分电路8+_+_+_uiuOC1RfRiFi1u_u+10Rui1RuitdtciCcu01tdtiuRCucou01i1=ic=if=i1dtiduCci RuioRdtduRCRiiRiC=iR uo =11.6.1集成运算放大器的线性应用第1章 直流电路4111.6.2集成运算放大器的非线性应用1、电压比较器第1章 直流电路422.迟滞比较器3.窗口比较器11.6.2集成运算放大器的非线性应用第1章 直流电路43