半导体项目二-OTL功率放大器的分析与制作课件.ppt

1、 主编项目二OTL功率放大器的分析与制作知识链接一晶体管一、晶体管的结构及类型 半导体晶体管有两大类型，一是双极型晶体管，二是单极型场效应晶体管。本知识链接讨论双极型晶体管，通常用BJT 表示，以下简称晶体管。按PN结的组合方式，晶体管有PNP型和NPN型，它们的结构示意图和电气符号分别如图2-2a、b所示。不管是什么样的晶体管，它们均包含三个区：发射区、基区、集电区，同时相应地引出三个电极：发射极、基极、集电极。同时又在两两交界区形成PN 结，分别是发射结和集电结。图2-2晶体管结构示意图和电气符号a)NPN型b)PNP型二、晶体管的电流分配关系与放大作用1.晶体管的结构特点1)发射区重掺杂

2、(掺杂浓度高)。2)基区必须很薄。3)集电结的面积应很大。4)工作时，发射结应正向偏置，集电结应反向偏置。晶体管结构上的特点使其具备了电流放大作用的内部条件，但为实现它的电流放大作用，还必须具备一定的外部条件，必须提供放大的能量。使晶体管具有电流放大作用的外部条件是：晶体管发射结加正向偏置电压，集电结加反向偏置电压。一、晶体管的结构及类型图2-3晶体管内部载流子传输示意图2.载流子的传输过程 晶体管内部载流子传输示意图如图2 3所示。因为发射结正向偏置，且发射区进行重掺杂，所以发射区的多数载流子扩散注入基区，又由于集电结反向偏置，故注入基区的载流子在基区形成浓度差，因此这些载流子从基区扩散至集

3、电结，被电场拉至集电区形成集电极电流。因为基区很薄，所以留在基区的载流子很少。二、晶体管的电流分配关系与放大作用3.电流的分配关系 载流子的运动产生相应电流，它们的关系如下：式中，IE为发射极电流；IB为基极电流，IC为集电极电流。为共发射极电流的放大系数。可定义为三、晶体管的特性曲线1.输入特性 输入特性反映的是在集-射极电压UCE为常数的情况下，基极电流IB与发射结电压UBE的关图2-4晶体管的输入特性曲线系，即图2-4晶体管的输入特性曲线 IB=f(UBE)UCE=常数它与PN结的正向特性相似，晶体管的两个PN结相互影响，因此，输出电压UCE对输入特性有影响，且UCE1时，这两个PN结的

4、输入特性基本重合。我们用UCE=0和UCE1两条曲线表示，如图2-4所示。三、晶体管的特性曲线图2-5晶体管的输出特性曲线三、晶体管的特性曲线2.输出特性输出特性反映的是在基极电流IB为常数的情况下，集电极电流与集-射极电压UCE的关系，即(1)截止区IB0时，此时的集电极电流近似为零，集电极电压等于电源电压，两个结均处于反向偏置。(2)饱和区在饱和区，两个结均处于正向偏置，此时UCE称为饱和管压降用UCES表示硅管的UCES=0.3V。(3)放大区在放大区，IC=IB，IC基本不随UCE的变化而变化，此时发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。四、晶体管的主要参数1.电流放大系数 它主要用来

5、表征晶体管的放大能力，有共基极的电流放大系数和共发射极的电流放大系数两种。二者的关系是：2.极间反向电流(它们是由少数载流子形成的)1)ICBO：集电结的反向饱和电流。2)ICEO：穿透电流，它与ICBO的关系为ICEO=(1+)ICBO。四、晶体管的主要参数3.极间反向击穿电压 指晶体管某一个极开路时，另两个极间的最大允许反向电压。超过这个电压，管子会击穿。1)集电极开路时，发射极与基极间的反向击穿电压U(BR)EBO。2)基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压U(BR)CEO。3)发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压为U(BR)CBO。4.集电极最大允许功率损耗PCM=iCuCE

6、 表示集电结上允许损耗功率的最大值，超过此值就会使管子性能变坏甚至烧毁。五、晶体管的参数与温度的关系 由于半导体的载流子受温度影响，因此晶体管的参数也受温度影响。温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低，输出特性曲线上移。温度升高，电流放大系数也增加。知识链接二基本放大电路一、放大电路的基本概念 放大电路广泛应用于各种电子设备中，如音响设备、视听设备、精密测量仪器、自动控制系统等。放大电路的功能是将微弱的电信号(电流、电压)进行放大得到所需要的信号。放大器必须接直流电源才能工作，因为放大器的输出功率比输入功率大得多，输出功率是从直流电源转化而来的。所以放大电路实

7、质上是一种能量转换器。二、放大电路的三种基本组态 晶体管有三个电极，其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。因此，构成放大器时可以有三种连接方式，也称三种组态，如图2-6所示。图2-6放大电路的三种组态a)共基极b)共发射极c)共集电极三、共射极基本放大电路1.电路构成共射极基本放大电路如图2 7所示。由前面的讨论我们得出，晶体管具有电流放大作用，其内因是晶体管生产制造时，从结构上、生产工艺上就保证了1；其外因是必须提供能量，保证有正确的外加偏置电压图2-7共射极基本放大电路，即发射结正偏、集电结反偏。图2-7共射极基本放大电路三、共射极基本放大电路2.电路中各元

8、器件的作用(1)晶体管VTVT起电流放大作用，通过基极电流iB控制集电极电流iC。(2)电源UCC它使晶体管处在放大状态，发射结正偏，集电结反偏。(3)基极偏置电阻Rb电源UCC通过Rb为晶体管提供发射结正向偏置电压，Rb用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几兆欧。(4)集电极负载电阻Rc通过它为晶体管提供集电结反向偏置电压，并将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，从而实现电压放大作用，Rc一般为几千欧。(5)耦合电容C1、C2它们用来传递交流信号，起到耦合的作用。三、共射极基本放大电路3.放大原理1)输入信号ui通过输入耦合电容C1加到VT基极、发射极间，

9、引起基极电流iB作相应变化。2)通过VT的电流放大作用，VT的集电极电流iC也将变化。3)iC的变化引起VT的集电极电阻Rc上的压降变化。4)输出信号UCE通过输出耦合电容C2隔离直流，交流分量畅通地传送给负载RL，成为输出交流电压uo，从而实现了电压放大作用。综上分析可知，在共射极放大电路中，输入电压ui与输出电压uo频率相同，相位相反，幅度得到了放大，因此这种单级的共射极放大电路通常也称为反相放大器。四、放大电路的主要性能指标 为了描述和鉴别放大电路性能的优劣，人们根据放大电路的用途制定了若干性能指标。下面介绍放大电路的几个主要性能指标。1.电压放大倍数定义为：Au=2.输入电阻ri ri

10、就是在放大电路输入端看进去的等效电阻。当输入端接信号源时，放大器对信号源来说，相当于是信号源的负载，从信号源索取电流。索取电流的大小，表明了放大电路对信号源的影响程度。输入电阻定义为输入电压与输入电流之比，即ri=。四、放大电路的主要性能指标3.输出电阻ro 输出电阻相当于从放大电路输出端看进去的交流等效电阻。当放大电路将信号放大后输出给负载时，对负载RL而言，放大器可视为具有内阻的信号源，这个信号源的电压值就是输出端开路时的输出电压，其内阻称为放大电路的输出电阻ro。输出电阻ro值越小，则放大电路带负载的能力越强，或者说，输出电压在放大器内阻上的损失就越小。反之，ro越大，表明放大电路带负载

11、的能力越差。四、放大电路的主要性能指标4.通频带 通频带是用来衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路存在电抗元件或等效电抗元件，信号频率过高或过低，放大倍数都会明显下降，把放大倍数下降到中频段放大倍数的/2(0707)时的频率，称为下限频率fL和上限频率fH。从下限频率到上限频率的频带宽度BW称为通频带。通频带BW=fH-fL。5.不失真输出电压 最大输出幅值是指输出波形的非线性失真在允许范围内，放大电路可能输出的最大电压。若输入信号再增大，就会使输出波形的非线性失真超过允许范围。四、放大电路的主要性能指标6.最大输出功率Pom和效率 当输出电压为最大不失真电压Uom时，负载得到的

12、功率为放大电路的最大输出功率Pom。所谓功率放大作用的实质是功率控制，能量来自电源，电源提供的功率PCC一部分给负载，一部分被电路自身所消耗。电路的效率是负载得到的功率Po与电源提供的功率PCC之比，即=100%。知识链接三放大电路的分析方法一、放大电路的几个重要概念1.直流通路、静态分析和静态工作点Q 放大电路在没有加输入信号即ui=0时，电路所处的工作状态称为静态。此时，电路只有直流电源作用，故也称直流工作状态。把放大电路中直流信号所走的通路称为放大电路的直流通路。静态时电路中的IB、IC、UCE的数值可在晶体管特性曲线上确定一个点，称为放大电路的静态工作点Q。静态分析的目的就是求出静态工

13、作点Q，以确定它是否满足放大要求。一、放大电路的几个重要概念图2-8共射极放大电路a)共射极放大电路b)直流通路c)交流通路一、放大电路的几个重要概念2.交流通路、动态分析 当有输入信号，即ui0时，电路中的电压、电流都将随输入信号作相应变化，这时，电路所处的工作状态称为动态，也称交流工作状态。此时，电路中既有直流，也有交流。交流信号所走的通路称为放大电路的交流通路。绘制交流通路的原则是：1)电路中的耦合电容、旁路电容的容量足够大，对交流信号而言，它的容抗很小，都视为短路。2)直流电源UCC的内阻极小，对于交流信号而言，也可以看做两极短路。根据上述原则可画出图2 8a所示放大电路的交流通路如图

14、2 8c所示。图中所有电压、电流都是交流成分。动态分析的目的就是确定电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等主要性能指标。一、放大电路的几个重要概念3.电路中电压、电流符号的使用规定 放大电路在进行输入信号放大时，在直流通路与交流通路的公共部分，电压、电流都是由直流成分和交流成分叠加而成，也就是说，都可以分解为直流分量和交流分量。为此作如下规定：1)用大写字母带大写下标表示直流分量，如IB表示基极直流电流。2)用小写字母带小写下标表示交流分量，如ib分别表示基极交流电流。3)用小写字母带大写下标表示直流分量与交流分量的叠加，如iB=IB+ib，即基极电流总量。4)用大写字母带小写下标表示交流分量的有

15、效值，如Ui表示输入电压有效值。二、放大电路的静态分析方法图2-9共射放大电路的直流通路 在进行静态分析时，主要是计算基极直流电流IB、集电极直流电流IC、集电极与发射极间的直流电压UCE，即确定放大电路的静态工作点。二、放大电路的静态分析方法1.估算Q点估算静态工作点应以放大电路的直流通路为依据。例2-1估算直流通路为图2-9所示的放大电路的静态工作点。其中Rb=120k，Rc=1k，UCC=24V，=50，晶体管为硅管。解：二、放大电路的静态分析方法2.图解法计算Q点 晶体管的电流、电压关系可用输入特性曲线和输出特性曲线表示，可以在特性曲线上，直接用作图的方法来确定静态工作点。用图解法的关

16、键是正确地作出直流负载线，直流负载线与一iB=IBQ的特性曲线的交点，即为Q点，读出它的坐标即得IC和UCE。图解法求Q点的具体方法在这里不作详细的讲解。二、放大电路的静态分析方法3.电路参数对静态工作点的影响 静态工作点的位置在实际应用中很重要，它与电路参数有关。电路参数Rb、Rc、UCC对静态工作点的影响见表2 1。表2-1电路参数对静态工作点的影响二、放大电路的静态分析方法例2-2如图2-10所示，要使工作点由Q1变到Q2点应使Rc增大，要使工作点由Q1变到Q3点应使Rb增大。图2-10例图三、放大电路的动态分析方法(1)晶体管的微变等效电路电路图如图2-11所示。采用微变等效电路法的思

17、想是：当信号变化的范围很小(微变)时，可以认为晶体管电压、电流变化量之间的关系是线性的。图2-11晶体管的微变等效电路晶体管的输入回路可以等效为输入电阻rbe，输出回路可用等效的受控恒流源来代替。在低频小信号工作条件下，rbe是一个与静态工作点有关的常数，可用下式估算：三、放大电路的动态分析方法(2)放大电路的微变等效电路微变等效电路主要用于放大电路的动态特性分析。下面以图2 12所示的电路为例，总结画放大电路的微变等效电路的方法和步骤。1)画出放大电路的交流通路如图2-13所示。2)用晶体管的微变等效电路代替交流通路中的晶体管，画出放大电路的微变等效电路如图2-14所示。图2-12共射放大电

18、路三、放大电路的动态分析方法图2-13交流通路图2-14不考虑信号源内阻的微变等效电路(=)三、放大电路的动态分析方法3.共射极放大电路基本动态参数的估算(1)电压放大倍数1)求有载电压放大倍数Au。2)求空载电压放大倍数A三、放大电路的动态分析方法(2)输入电阻ri(3)输出电阻ro在图2-14中，根据戴维南定理计算等效电阻，us=0，则ib=0，从而受控源ib=0，因此可直接得出：(4)源电压放大倍数图2-15a所示为考虑信号源内阻时的微变等效电路，可以得出三、放大电路的动态分析方法图2-15微变等效电路a)考虑信号源内阻时的微变等效电路b)不接电容时的微变等效电路三、放大电路的动态分析方

19、法表2-2三种组态的性能比较三、放大电路的动态分析方法表2-2三种组态的性能比较一、静态工作点对输出波形失真的影响 波形失真是指输出波形不能很好地重现输入波形的形状，即输出波形相对于输入波形发生了变形。对一个放大电路来说，要求输出波形的失真尽可能小。如图2-16所示，若Q点在直流负载线上的位置过高，例如QA处，信号正半周的一部分进入饱和区，造成输出电流波形正半周和相应电压波形负半周被部分削除，产生“饱和失真”。反之，若静态工作点在直流负载线上的位置过低图2-16静态工作点对输出波形的影响二、确定静态工作点的基本原则 对于一个放大电路，合理安排静态工作点至关重要，而且在动态运用时，工作点的移动不

20、能超出放大区，这样才能保证放大电路不产生明显的非线性失真。通常情况下，为了使输出幅值较大，同时又不失真，静态工作点应选在直流负载线的中点；对于小信号的放大电路，失真可能性较小，为了减小损耗和噪声，工作点可适当选低一些。三、静态工作点稳定的放大电路1.分压偏置式放大电路组成 图2 17所示的分压偏置式放大电路具有自动稳定静态工作点的作用。与简单偏置放大电路(也称固定偏置放大电路)相比，多用了Rb2、Re和Ce三个元件。Rb1、Rb2分别称为上偏置电阻和下偏置电阻，Re、Ce分别称为发射极电阻和发射极旁路电容。图2-17分压偏置式放大电路a)电路图b)直流通路三、静态工作点稳定的放大电路2.稳定静

21、态工作点原理1)Rb1、Rb2组成分压器，用来向晶体管基极提供固定的静态电压UBQ。2)Re串入发射极电路，目的是产生一个正比于IEQ的静态发射极电压UEQ，并由其调控UBEQ。3)电路中，Re上并联的电容Ce应足够大，对交流信号而言，其容抗很小，几乎接近于短路。稳定静态工作点的过程，可用以下流程表示：知识链接五功率放大电路一、功率放大电路概述1.功率放大电路的定义功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，因此要求它带负载能力要强。2.功率放大电路与电压放大电路的区别(见表2-3)表2 3功率放大电路与电压放大电路的比较表2-3功率放大电路与电压放大电路的比较一、功

22、率放大电路概述3.功率放大电路的特殊问题1)功率要大：为了获得大的输出功率，要求功率放大晶体管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限的状态下工作。2)效率要高：所谓效率就是负载得到的有用功率和电源供给的直流功率的比值。3)失真要小：功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。4)散热要好：在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高。一、功率放大电路概述4.放大电路的工作状态分类 根据放大电路中晶体管在输入正弦信号一个周期内的导通情况，可将放大电路分为下列四种工作状态：(1)甲类放大如

23、图2-18所示，在输入正弦信号的一个周期内，晶体管都导通。(2)乙类放大在输入正弦信号的一个周期内，只有半个周期晶体管导通。图2-18甲类放大一、功率放大电路概述图2-19乙类放大(3)甲乙类放大在输入正弦信号的一个周期内，有半个周期以上晶体管是导通的。图2-20甲乙类放大一、功率放大电路概述图2-21丙类放大(4)丙类放大如图2-21所示,晶体管的导通角小于半个周期，即00，则VT2截止，VT1承担放大任务，有电流通过负载RL；而信号处于ui的负半周时，VT2承担放大任务，VT1截止，也有电流流过负载RL。(3)对称电路为了使负载上得到的波形正、负半周大小相同，还要求两个管子的特性必须完全一

24、致，即工作性能对称。所以图2 23所示的电路通常称为乙类互补对称功率放大电路。三、甲乙类互补对称功率放大电路图2-24乙类互补对称功率放大电路及其交越失真三、甲乙类互补对称功率放大电路1.甲乙类双电源互补对称功率放大电路(1)基本电路为了克服乙类互补对称功率放大电路的交越失真，需要给电路设置偏置，使之工作在甲乙类状态。图中，VT3组成前置放大级(图中未画出VT3的偏置电路)，给功率放大级提供足够的偏置电流。VT1和VT2组成互补对称输出级。(2)UBE扩展电路UBE扩展电路如图2-26所示。图中，流入VT4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出：UCE4=UBE4(R1+R2)/R

25、2，由于UBE4基本为一固定值(硅管约为0607V)，只要适当调节R1、R2的比值，就可改变VT1、VT2的偏置电压UCE4的值。三、甲乙类互补对称功率放大电路图2-26扩展电路三、甲乙类互补对称功率放大电路2.甲乙类单电源互补对称(OTL)功率放大电路(1)电路组成甲乙类单电源互补对称功率放大电路如图2-27所示。图2-27甲乙类单电源互补对称功率放大电路图2-28甲乙类单电源互补对称功率放大电路三、甲乙类互补对称功率放大电路(2)工作原理在ui=0时，调节R1、R2，就可使IC3、UB2和UB1达到所需大小，给VT2和VT1提供一个合适的偏置，从而使K点电位VK=UC=UCC/2。(3)分

26、析计算采用一个电源的互补对称功率放大电路，由于每个管子的工作电压不是原来的UCC，而是UCC/2，即输出电压幅值Uom最大只能达到UCC/2，所以前面导出的计算Po、PT和PU的最大值公式，必须加以修正才能使用。三、甲乙类互补对称功率放大电路3.自举电路(1)甲乙类单电源互补对称电路存在的问题图2-28所示的甲乙类单电源互补对称功率放大电路解决了静态工作点的偏置和稳定问题。1)理想情况：当ui为负半周最大值时，iC3最小，UB1接近于UCC，此时VT1在接近饱和状态工作，即UCE1=UCES(饱和电压降，很小)，故K点电位VK=+UCC2)实际情况：当ui为负半周时，VT1导通，因而iB1增加，由于Rc3上的压降和UBE1的存在，当K点电位向UCC接近时，VT1的基极电流将受限制而不能增加很多，因而限制了VT1输向负载的电流，使RL两端得不到足够的电压变化量，致使Uom明显小于UCC/2。三、甲乙类互补对称功率放大电路(2)解决方法1)电路：解决上述矛盾的方法是把图2-28中的D点电位升高，使VDUCC。2)工作原理：在图2-29中，当ui=0时，VD=UCC-IC3R3，而VK=UCC/2，因此电容C3两端的电压为UC3=UCC/2-IC3R3。图2-29有自举电路的单电源互补对称电路三、甲乙类互补对称功率放大电路图2-30带有前置放大级的甲乙类图2-31没有自举电路的正半周