由三极管特性曲线非线性引起的失真课件

电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础第七章第七章 晶体管基本放大电路晶体管基本放大电路 第一节第一节 放大电路的组成放大电路的组成 7.1.1 放大电路的组成原则放大电路的组成原则 7.1.2 直流通路和交流通路直流通路和交流通路 第二节第二节 放大电路的静态分析放大电路的静态分析 7.2.1 图解法确定静态工作点图解法确定静态工作点 7.2.2 解析法确定静态工作点解析法确定静态工作点 7.2.3 电路参数对静态工作点的影响电路参数对静态工作点的影响 第三节第三节 放大电路的动态分析放大电路的动态分析 7.3.1 图解法分析动态特性图解法分析动态特性 7.3.2 放大电路的非线性失真放大电路的非线性失真 7.3.3 晶体管微变等效电路晶体管微变等效电路 7.3.4 三种基本组态放大电路的分析三种基本组态放大电路的分析 第四节第四节 静态工作点的稳定及其偏置电路静态工作点的稳定及其偏置电路第七章 晶体管基本放大电路电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础第一节第一节 放大电路的组成放大电路的组成1.放大电路的组成原理放大电路的组成原理为保证三极管工作在放大区，发射结必须正偏，集电结反偏。被放大信号加在发射结，以控制三极管基极电流，从而控制集电极电流，将受控制的集电极电流转换为电压输出。直流偏置仅设置静态工作点，为了保证三极管工作在放大区，放大是对交流信号放大，所以应将直流和交流隔离。电容对频率较高的信号容抗很小（可认为短路），对直流信号具有隔离作用（相当于开路）。研究对象：放大电路的各种参数计算；关注焦点：放大电路的组成、直流通道和交流通道画法。第一节 放大电路的组成研究对象：放大电路的各种参数计算电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础根据放大电路的组成原理可以得到如下电路，三极管的外部电路应满足T处于放大状态的外部条件的要求。UBB保证发射结正向偏置，UCC保证了集电结的反向偏置。C1和C2是隔直电容。+C2-+-C1+Rc T RL U0 Rs Rb Ui UCC +Us UBB -由图可知放大电路需要两个电源UBB和UCC，这会给使用带来极大不方便，为了减少电源，可将电路改为下图。在电子电路中常用的画法是下右图。+UCC Rb Rc +C2-C1+Rs RL Ui Uo+Us -+C2-+-C1+Rc RL U0Rs Rb Ui +Us UCC -根据放大电路的组成原理可以得到如下电路，三极管的外部电路应满电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础2.直流通道和交流通道直流通道和交流通道由于在直流电路中，电容可以看作为开路，所以将电容断开就得到直流通道。直流通道用于静态分析交流通道。由于电容C1和C2的值较大，对于交流信号而言，容抗较小，可以视为短路。关键是如何理解电源的交流通道，由于理想的直流电源的内阻为零，对于交流变化信号在直流电源上产生的压降是为零。交流通道用于动态分析。+UCC Rb Rc 直流通路 +Rc RL UO Rs +Rb Us -交流通路 +UCC Rb Rc +C2-C1+Rs RL Ui Uo+Us -2.直流通道和交流通道 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础第二节第二节 放大电路的静态分析放大电路的静态分析对放大电路的静态分析，就是对放大电路的直流通道进行分析。这就是求放大电路的直流的直流工作点或称为静态工作点，放大电路的静态工作点对放大电路的性能有很大影响。放大电路的分析可以用解析法，也可以用图解法。1.解析法确定静态工作点解析法确定静态工作点在解析法分析静态工作点时，三极管的结压降硅管：UBE=0.60.8V，通常取0.7V锗管：UBE=0.10.3V，通常取0.3V静态工作点通常需要确定IBQ、ICQ、UCEQ。下面以右图为例计算。+12V 280k 3k =50 直流通路第二节 放大电路的静态分析对放大电路的静态分析，就是对电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础2.图解法确定静态工作点图解法确定静态工作点图解法就是在特性曲线上直接用作图的方法确定静态工作点的方法。iC UCC/Rc N 直流负载线 M 0 UCC uCE iC iB5 iB4 iB3 iB2 iB1 iB0 0 uCE a Rc UCC b iC iB5 iB4 iB3 iB2 iB1 iB0 0 uCEUcc/Rc NMUcc三极管特性曲线与直流负载线交点就是静态工作点，交点有很多，到底是哪一条？只要知道IB就可以唯一确定。ICQUCQIBQ2.图解法确定静态工作点 iC iC 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础例：例：已知电路中Rb=280k，Rc=3k，Ucc=12V，试用图解法确定静态工作点？解：直流负载线方程：+UCCRb Rcui RL Uo由输入回路计算基极静态电流IBQ iC(mA)4 3 2 1 0 6 12 uCE(V)iB4=80AiB3=60AiB2=40AiB2=20ANMQ直流负载线与特性曲线上iB=40A相交的曲线就是静态工作点。从图上可以直接读出ICQ和UCEQ。由图可知，ICQ为2mA，UCEQ位于UCC中点，大约是6V。例：已知电路中Rb=280k，Rc=3k，Ucc=12V电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础 Ucc对Q点的影响 iC(mA)4 3 2 1 0 uCE(V)iB4=80AiB3=60AiB2=40AiB2=20ANMQ Rc对Q点的影响 iC(mA)4 3 2 1 0 uCE(V)iB4=80AiB3=60AiB2=40AiB2=20ANMQ3.电路参数对静态工作点的影响电路参数对静态工作点的影响 Rb对Q点的影响 iC(mA)4 3 2 1 0 uCE(V)iB4=80AiB3=60AiB2=40AiB2=20ANMQQ2Q1Q1Q2Q1Q2 Ucc对Q点的影响 iC(mA)iB4=80电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础第三节第三节 放大电路的动态分析放大电路的动态分析在放大电路的输入端加入交流信号后，三极管的基极电流就会在静态电流IBQ附近变化，分析三极管后加入交流信号的过程称为动态分析。+Rc RL UO Rs +Rb Us -交流通路1.图解法分析动态特性图解法分析动态特性就是利用三极管的特性曲线和负载线来确定信号的变化规律。交流负载线的作法交流负载线的作法a.交流负载线通过静态工作点。为什么？b.交流负载线斜率由RL=RL/Rc决定（由交流通道决定uce与ic的关系）具体作法：过静态工作点斜率为RL=U/I的直线就是交流负载线。交流负载线辅助线 iC(mA)4 3 2 1 0 uCE(V)iB4=80AiB3=60AiB2=40AiB2=20ANMQ直流负载线第三节 放大电路的动态分析 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础取U=6V，则得I=4mA，在特性曲线作交流负载线辅助线，然后平行移动交流辅助线使其通过静态工作点即可。例：例：已知电路中Rb=280k，Rc=3k，RL=3k，Ucc=12V，试作出交流负载线。解：首先作直流负载线。由于 +UCCRb Rcui RL Uo iC 4 N 80A 3 60A 2 Q 40A 1 20A 0 M uCE 2 4 6 8 10 12 UCEQ UCC UCC 交流负载线辅助线取U=6V，则得I=4mA，在特性曲线作交流负载线辅助线电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础交流波形的画法。交流波形的画法。设输入信号为：tui/mV 0tuBE/mVUBEQ 0iB/At604020 0iC/mAt3210uCE/Vt7.56.04.5 0交流波形的画法。tui/mV 0tuBE/mVUBE电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础2.放大电路的非线性失真放大电路的非线性失真作为放大电路，应使输出电压尽可能大，但受到三极管的非线性特性的限制，当信号过大或静态工作点不合适，输出波形将会发生失真。输入信号经过放大后产生失真是我们不希望的，因此我们讨论导致非线性失真产生的原因。图解法可以形象的说明非线性失真的产生。由三极管特性曲线非线性引起的失真由三极管特性曲线非线性引起的失真a.输入特性非线性引起的失真b.输出特性的间距不均匀引起的失真 iB ibIB Q ube ui iC ibic Q IBQ 0 uCE ucc2.放大电路的非线性失真 iB 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础静态工作点不合适引起的失真静态工作点不合适引起的失真静态工作点过高会引起饱和失真，静态工作点过低会导致截止失真。iC 交流负载线ic ib0 t 0 uCE 0 uCE t iC 交流负载线ic ib 0 t 0 uCE 0 uCE t iC/mA 交流负载线 Q 直流负载线Uces uCE/V UCEQ ICQRL 最大不失真输出波形 失真输出波形静态工作点不合适引起的失真 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础3.三极管微变等效电路三极管微变等效电路图解法尽管直观，但作图麻烦，精确度较低，所以，对信号变化不大的放大电路分析，常采用微变等效电路的解析分析方法。三极管三极管h参数微变等效电路参数微变等效电路3.三极管微变等效电路电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础iB=IBQ+ib，而diB代表其变化量，故diB=ib。同理duBE=ube，diC=ic，duCE=uceb c+ib ic h11 +1/h22 h12uce h21ib-eubeuceiB=IBQ+ib，而diB代表其变化量，故diB=ib。同电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础四个参数的几何意义：iB uCE=常数 Q iB 0 uBE uBE iB uCEIB=常数 Q 0 uBE uBE iC IB=常数iC 0 uCE UCE iCiC iB 0 uCE UCE=常数h12、h22是由于uCE变化通过基区宽度变化对iC和uBE产生影响，这种影响一般很小，可忽略不计，h参数方程可简化为：b c+ib ic rbe ib-eubeuce四个参数的几何意义：iB 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础【注意事项】“等效”指的是只对微变量（交流）的等效。三极管外部的直流分量应视为零直流电压源短路、直流电流源开路；外电路与微变量（交流）有关部分应全部保留。但这并不意味着h参数的数值与直流分量无关，恰恰相反，h参数的数值与特性曲线上Q点位置有着密切的关系。不过只要把动态运用范围限制在特性曲线的线性范围内，h参数近似保持常数。等效电路中的电流源h21ib为一受控电流源，它的数值和方向都取决于基极电流ib，不能随意改动。微变等效电路只适合工作频率在低频、小信号状态下的三极管等效。低频通常是指频率低于几百千赫。在大信号工作时，不能用上述h参数等效电路来等效。简化电路中rbe的计算：Ib Ibb b c rbb Ie re Ube e c rcb rbb b re e因发射区重掺杂；re很小；结电阻是符合二极管特性对于小功率管，rbb约为300，因此【注意事项】简化电路中rbe的计算：Ib 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础4.三种基本组态放大电路的分析三种基本组态放大电路的分析用微变等效电路对三种基本放大电路进行分析放大电路的性能指标放大电路的性能指标a.电压放大倍数b.电流放大倍数c.输入电阻d.输出电阻放大电路Au Ii +Ui riIo +Uo I2 +U2 ro放大电路Au中频段(通频段)低频段高频段 fL fH f|A|Am|0.707|Am|0e.通频带概念4.三种基本组态放大电路的分析b.电流放大倍数c.输入电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础共发射极放大电路共发射极放大电路电路与微变等效电路如图所示 C2Rs C1 ui RL UoUs +UCC Rb Rc Ii Ib Ic Io b c +Rs Ui Rb rbe Ib Rc RL Uo +Us -e -ri ri ro讨论：a.负号表示输出电压与输入电压相位相反。b.电压放大倍数与和静态工作点关系静态工作点较低时，rbb较小。静态工作点较高时，rberbb。共发射极放大电路 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础共集电极放大电路共集电极放大电路(射极跟随器）射极跟随器）信号从基极输入，射极输出，集电极是输入、输出的公共端。C1 +C2 Rs +Ui Us Re RL Uo -+UCC Rb +Ib rbe Ib Rs Io +Ui Rb +Us Re RL Uo -ri ri ro b rbe e I”I2 I +Rs Rb I”I”Re U2 -c该电路特点该电路特点：电压放大倍数近似为1、输入电阻大、输出电阻小共集电极放大电路(射极跟随器）电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础 Ii Io e c Rs Ie Ib +Ui Re rbe Rc RL UoUs Ib -b ri ri ro C1 C2 Rs Rb1 Rc +Ui Re RL UoUs Rb2 Cb Ucc -共基极放大电路共基极放大电路发射极作为输入端，集电极作为输出端，基极是输入、输出的公共端。+Uoc_ Isc Ii 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础 接法参数共射极共集极共基极Ai表达式-（1+）-数值50-51-0.98Au表达式数值-1360.993136ri表达式rberbe+（1+）Rerbe/（1+）数值1.1k154k21.6ro表达式RcRc数值3 k80.4 3 k用途及特点Ai和|Au|均较大；输出电压与输入电压反相；ri和ro适中，应用广泛。|Ai|较大，但Au1，输出电压与输入电压同相；ri高；ro低。可用作输入级、输出级以及起隔离作用的中间级。Ai1，但Au较大，输出电压与输入电压同相；ri低；ro高。用于宽带放大或作为恒流源。设=50，rbe=1.1k，rce=，Rc=3 k，Re=3 k，Rs=3 k，RL=接法共射极共集极共基极A电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础半导体器件是一种对温度十分敏感的器件，温度上升时反映在如下几个主要方面：反 向 饱 和 电 流 ICBO增 加，穿 透 电 流ICEO=(1+)ICBO也增加。反映在特性曲线上就是使特性曲线上移。射基电压UBE下降，在外加电压和电阻不变的情况下，使基极电流Ib上升。使三极管的电流放大倍数增大，使特性曲线间距增大。综合起来，温度上升，将引起集电极电流IC增加，使静态工作点随之变化（提高）。静态工作点提高会导致饱和失真。如何能做到温度升高IC保持不变呢？采用电流负反馈稳定电流。iC IB2 IB2 Q IBQ Q IBQ IB1 IB1 0 uCE饱和失真第四节第四节 静态工作点的稳定及偏置电路静态工作点的稳定及偏置电路半导体器件是一种对温度十分敏感的器件，温度上升时反映在如下几电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础 +UCC Rc I Rb2 C2 +C1 UB +IB UE RL Uo Rs +Ui IR Rb1 ReUs -IE Ce -为了保证静态点稳定，应满足如下两个条件：（1）保持UB不变（2）保持UE恒定TIEIEReUBEIE 电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础估算公式：精确计算，用戴维南等效电路计算输入回路：Rc Rb UCCUBB Re +Rs Ib rbe Ib +Ui Rb2 Rb1 Rc RL UoUs -估算公式：精确计算，用戴维南等效电路计算输入回路：电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础例：UCC=24V,Rb1=20k,Rb1=60k,Re=1.8k，Rc=3.3k,=50。估算工作点。+UCC Rc I Rb2 C2 +C1 UB +IB UE RL Uo Rs +Ui IR Rb1 ReUs -IE Ce -例：两个放大电路，已知=50，rbb=200，UBEQ=0.7V，电路的其他参数见图。（1）分别求两放大电路的放大倍数和输入、输出电阻；（2）若三极管值都增大一倍，分析静态工作点发生怎样变化？（3）若三极管值都增大一倍，两电路放大倍数如何变化？例：UCC=24V,Rb1=20k,Rb1=60k,电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础 +UCC=12V 560k 5k Rb Rc C2 +C1ui RL Uo 5k-5k +UCC=12V 50k Rc I Rb2 C2 +C1 UB 5k+IB UE RL Uo 20kUi IR Rb1 2.7k-IE Re Ce -静态工作点计算：电路与电子技术基础电路与电子技术基础第七章第七章 放大电路基础放大电路基础动态分析计算。两个放大电路的静态工作点ICQ的值相同，所以+Ib rbe Ib Ui Rb Rc RL Uo-+Ib rbe Ib Ui Rb1 Rb2 Rc RL Uo-当值由50增大100时。静态工作点变化情况当值由50增大100时。放大倍数的变化情况动态分析计算。两个放大电路的静态工作点ICQ的值相同，所以+