三极管及放大电路解析ppt课件

*,*,第,2,章 三极管及放大电路,单击此处编辑母版标题样式,第,2,章 三极管及放大电路,内容提要,本章首先介绍半导体三极管的结构、特性及主要参数，然后介绍各种放大电路。重点讨论三极管共射放大电路的静态和动态分析，然后讨论三极管共集和共基放大电路、,MOS,场效应管放大电路、多级放大电路、差动放大电路和功率放大电路。,2024-11-03,第2章 三极管及放大电路2023-10-,1,2.1,三极管,2.2,共射放大电路,2.3,放大电路的图解分析法,2.4,放大电路的微变等效电路分析法,2.5,静态工作点稳定电路,2.6,共集放大电路和共基放大电路,2.7 MOS,场效应管及放大电路,2.8,多级放大电路,2.9,差动放大电路,2.10,功率放大电路,2024-11-03,2.1 三极管2023-10-06,2,2.1,三极管,2.1.1,三极管,的结构,半导体三极管的种类很多，根据制作的基片材料分为硅管和锗管，硅管性能优于锗管，故当前生产和使用的三极管以硅管为多；按频率分为高频管、低频管；按功率分为小、中、大功率管；按结构分为,NPN,和,PNP,两种类型。,三极管是通过一定的工艺，将两个,PN,结结合在一起的器件。图,2.1,所示为三极管的外形、内部结构示意图及符号（用,VT,表示）。,2024-11-03,2.1 三极管 2023-10-06,3,图,2.1,三极管,的外形、内部结构示意图及符号,2024-11-03,图2.1 三极管的外形、内部结构示意图及符号 2023-1,4,三极管是由三层半导体制成的两个,PN,结（发射结和集电结），其特点是中间一层,P,（或,N,）型半导体特别薄，两边各为一层,N,（或,P,）型半导体。从三层半导体上分别引出,3,个电极，称为集电极,C,、基极,B,和发射极,E,，对应的每块半导体称为集电区、基区和发射区。虽然发射区和集电区都是,N,（或,P,）型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质重，因此它们并不对称，使用时这两个极不能混淆。,2024-11-03,三极管是由三层半导体制成的两个PN结（发射结,5,三极管接在电路中要有输入端和输出端，而其只有三个电极，因此必然有一个电极作为输入回路和输出回路的公共端，如图,2.2,所示，晶体管有三种基本组态。,图,2.2,三极管的三种组态,2024-11-03,三极管接在电路中要有输入端和输出端，而其只有,6,1.,共射接法,以基极为输入端，集电极为输出端，发射极为输入、输出两回路的公共端，如图,2.2,（,a,）所示。,2.,共集接法,以基极为输入端，发射极为输出端，集电极为输入、输出两回路的公共端，如图,2.2,（,b,）所示。,3.,共基接法,以发射极为输入端，集电极为输出端，基极为输入、输出两回路的公共端，如图,2.2,（,c,）所示。,2024-11-03,1. 共射接法2023-10-06,7,以,NPN,型三极管为例，通过实验来了解半导体三极管的放大原理和其中的电流分配情况，实验电路如图,2.3,所示。,图,2.3,电流放大实验电路,2.1.2,三极管的放大作用,2024-11-03,以NPN型三极管为例，通过实验来了解半导体,8,将三极管接成两条电路，一条是由电源电压,U,CC,的正极经过电阻,R,B,（通常为几百千欧的可调电阻）、基极、发射极到电源电压,U,CC,的负极，称为基极回路。另一条是由电源电压,U,CC,的正极经过电阻,R,C,、集电极、发射极再回到电源电压,U,CC,的负极，称为集电极回路。可见，发射极是两个回路所共用的，所以这种接法称为共发射极电路。,改变可变电阻,R,B,，则基极电流,I,B,、集电极电流,I,C,和发射极电流,I,E,都发生变化，电流方向如图,1.18,所示，测试结果列于表,2.1,中。,2024-11-03,将三极管接成两条电路，一条是由电源电压UCC,9,表,2.1,实验测试数据,电 流,实 验 次 数,1,2,3,4,5,6,I,B,（,mA,）,0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,I,C,（,mA,）,0.001,0.70,1.50,2.30,3.10,3.95,I,E,（,mA,）,0.001,0.72,1.54,2.36,3.18,4.05,2024-11-03,表2.1 实验测试数据 电 流实 验 次 数1234,10,由实验及测试结果可得出如下结论。,（,1,）三个电流符合基尔霍夫定律，即,I,E,=,I,B,+,I,C,（,2-1,）,且基极电流,I,B,很小，忽略,I,B,不计，则有,I,E,I,C,（,2,）三极管有电流放大作用，从实验数据可以看出，,I,C,与,I,B,的的比值近似为一个常数，即,（,2-2,）,基极电流,I,B,的微小变化能引起集电极电流,I,C,较大的变化，即,（,2-3,）,以上两式中的 和 分别称为晶体管的直流和交流电流放大,系数。从表,1.1,中可以看出， ，且在一定范围内几乎不,变，故工程上不必严格区分，估算时可以通用。,2024-11-03,由实验及测试结果可得出如下结论。2023-1,11,2.1.3,三极管的特性曲线及工作状态,三极管采用共发射极接法时，信号从基极,-,发射极回路输入，从集电极,-,发射极回路输出，所以有两条伏安特性曲线。这些特性曲线可用晶体管特性图示仪直观地显示出来，也可通过如图,2.4,所示的实验电路进行测绘。图中，,U,CC,U,BB,，以使发射结正向偏置，集电结反向偏置，保证三极管放大的外部条件。,2024-11-03,2.1.3 三极管的特性曲线及工作状态20,12,图,2.4,三极管特性曲线实验电路,2024-11-03,图2.4 三极管特性曲线实验电路 2023-10-06,13,1.,输入特性曲线,输入特性是指当集,-,射电压,U,CE,为常数时，基极电流,I,B,与基,-,射电压,U,BE,之间的关系曲线，如图,2.5,所示。可以看到，它类似二极管的正向伏安特性曲线，三极管的输入特性曲线也有一段死区，硅管的死区电压约为,0.5V,，锗管的死区电压约为,0.1V,。在正常导通时，硅管的,U,BE,约为,0.7V,，而锗管,U,BE,约为,0.3V,。且对三极管而言，当,U,CE,1V,后，即使加大,U,CE,，这条输入特性曲线基本上也是与,U,CE,无关的。,2024-11-03,1. 输入特性曲线2023-10-06,14,图,2.5,输入特性曲线,2024-11-03,图2.5 输入特性曲线 2023-10-06,15,2.,输出特性曲线,输出特性是指当基极电流,I,B,为常数时，集电极电流,I,C,与集,-,射电压,U,CE,之间的关系曲线。在不同的,I,B,下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性曲线是一组曲线，如图,2.6,（,a,）所示。,2024-11-03,2. 输出特性曲线2023,16,图,2.6,输出特性曲线,2024-11-03,图2.6 输出特性曲线 2023-10-06,17,通常把三极管的输出特性曲线分为,3,个工作区。,（,1,）放大区。输出特性曲线近于水平的区域是放大区，也称线性区。此时发射结正偏，集电结反偏。对,NPN,型管，就是,U,BE,0.5V,（或,U,BE,0.1V,），且,U,CE,1V,时，三极管工作于放大状态。在此区域，三极管具有恒流特性：,，可见,I,B,不变时，,I,C,基本不变，,I,C,受,I,B,的控制，与,U,CE,基本无关。,2024-11-03,通常把三极管的输出特性曲线分为3个工作区,18,（,2,）截止区。,I,B,=0,曲线与横轴之间的区域是截止区。此时发射结反偏（或正偏电压小于死区电压），集电结反偏。对,NPN,型硅管，当,U,BE,小于死区电压时，即已开始截止，但是为了截止可靠，常使,U,BE,0,。当减小,I,B,使工作点下移到图,2.6,（,a,）中,Q,2,点时，晶体管即进入截止区，此时,I,B,=0,，,I,C=,I,CEO,0,（,I,CEO,称为穿透电流），,U,CE,U,CC,。,C,，,B,，,E 3,个电极间相当于开路，其等效电路如图,2.6,（,b,）所示。,2024-11-03,（2）截止区。IB=0曲线与横轴之间的区域是,19,（,3,）饱和区。,I,C,随,U,CE,的增大而增大的区域是饱和区。此时发射结正偏，集电结正偏。对,NPN,型管，当,U,CE,U,BE,时，三极管工作于饱和状态。当增加,I,B,使工作点上移到,Q,1,点时，三极管即进入饱和区，此时,I,B,的变化对,I,C,的影响较小，,I,C,I,B,，其管压降,U,CE,称为饱和压降,U,CES,，一般硅管约为,0.3V,，锗管约为,0.1V,，都可近似为,0V,。因,U,CES,0,，,C,，,E,极近似于短路，,U,BE,0.7V,，,B,，,E,极也近似于短路，等效电路如图,2.6,（,c,）所示。,可见，三极管具有开关作用，它相当于一个由基极电流控制的无触点开关，截止时相当于开关断开，饱和时相当于开关闭合。,在模拟电路中，三极管常用做放大元件，工作在放大区；在数字电路中，三极管常用做开关元件，工作在截止区和饱和区。,三极管工作区的判别分析非常重要，当放大电路中的三极管不工作在放大区时，放大信号就会出现严重失真。,2024-11-03,（3）饱和区。IC随UCE的增大而增大的区域是,20,例,2.1,已知图,2.7,中各晶体管均为硅管，测得各管脚的电压值分别如图中所示值，试判别各晶体管的工作状态。,图,2.7,例,2.1,的图,2024-11-03,例2.1 已知图2.7中各晶体管均为硅管，,21,解：,（,1,）在图,2.7,（,a,），发射结零偏；,U,CB,=-2V,0,，集电结反偏，故中，因为,U,BE,=0.7V,0,，发射结正偏；,U,BC,=0.5V,0,，集电结正偏，故可判断它工作在饱和区。,（,2,）在图,2.7,（,b,）中，因为,U,BE,=0.7V,0,，发射结正偏；,U,BC,= -5.3V,0,，集电结反偏，故可判断它工作在放大区。,（,3,）在图,2.7,（,c,）中，因为,U,EB,=0V,可判断它工作在截止区。,2024-11-03,解：2023-10-06,22,2.1.4,晶体管的主要参数及温度影响,1.,三极管的主要参数,（,1,）电流放大系数,是指输出电流与输入电流的比值，用于衡量晶体管电流放大能力的参数。由于制造工艺的分散性，即使是同一型号的晶体管，,值也有很大差别。但对一个给定的管子，,值是一定的。一般,值为,20,200,之间。选用晶体管时，,值太大稳定性差，,值太小则电流放大能力弱。,（,2,）集,-,基反向饱和电流,I,CBO,I,CBO,是指发射极开路时集,-,基极之间的电流。通常要求,I,CBO,值越小越好。,2024-11-03,2.1.4 晶体管的主要参数及温度影响2,23,（,3,）穿透电流,I,CEO,I,CEO,是基极开路时集,-,射极之间的电流。由于这个电流似乎是从集电区穿过基区流至发 射区，所以称为穿透电流。这个电流越小，表明晶体管的质量越好。一般硅管的,I,CEO,远小于锗管，所以多数情况下选用硅管。,I,CEO,与,I,CBO,有下列关系：,I,CEO,=(1+,),I,CBO,（,2-4,）,2024-11-03,（3）穿透电流ICEO2023-10-06,24,（,4,）极限参数,集电极最大允许电流,I,CM,集电极电流过大时，,值明显下降，当,值下降到正常值的,2/3,时的集电极电流,I,C,，称为集电极最大允许电流,I,CM,。作为放大管使用时，,I,C,不宜超过,I,CM,，超过时会引起,值下降、输出信号失真，过大时还会烧坏管子。,集,-,射极反向击穿电压,U,（,BR,）,CEO,U,（,BR,）,CEO,是基极开路时加在集,-,射极之间的最大允许电压。当三极管的集,-,射极电压大于此值时，,I,CEO,大幅度上升，说明三极管已被击穿。电子器件手册上给出的一般是常温（,25,）时的值。在高温下，其反向击穿电压将会降低，使用时应特别注意。,2024-11-03,（4）极限参数 202,25,集电极最大允许耗散功率,P,CM,由于集电极电流在流经集电结时要产生功率损耗，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的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耗散功率,P,CM,。,P,CM,=,I,C,U,CE,（,2-5,）,工作时，应使,P,C,P,CM,，晶体管的工作点不可进入图,2.6,（,a,）所示的过耗区。应使,P,C,P,CM,。,2024-11-03, 集电极最大允许耗散功率PCM2023-1,26,2.,温度对晶体管参数的影响,严格来说，温度对三极管特性和所有参数都有影响，但受影响最大的是以下三个参数。,（,1,）温度对,的影响。三极管的,值会随温度的变化而变化，温度每升高,1,，,值增大,0.5%,1%,。,（,2,）温度对,I,CBO,的影响。实验证明，,I,CBO,随温度按指数规律变化。温度每升高,10,，,I,CBO,约增加一倍。,（,3,）温度对,U,BE,的影响。,U,BE,具有负的温度系数。一般来说，温度每升高,1,，,|,U,BE,|,下降约,2,2.5mV,。,2024-11-03,2. 温度对晶体管参数的影响2023-10-0,27,2.1.5,三极管的简易测试,1.,三极管的引脚判别,（,1,）基极的判别,三极管引脚判别示意图如图,2.8,（,a,）、（,b,）所示。将万用表欧姆挡拨到,R100,或,R1k,挡，用黑表笔接三极管的某一极，再用红表笔分别去接触另外两个电极，若测得一个阻值大，一个阻值小，就将黑表笔换接一个电极再测，直到出现测得的两个阻值都很小（或都很大）；然后将红、黑表笔调换，重复上述测试，若阻值恰好相反，这时红表笔所接就是三极管的基极，而且是,NPN,型管（或,PNP,型管）。这是因为黑表笔与表内电池正极相接，测得两个,PN,结的正向电阻值很小。,2024-11-03,2.1.5 三极管的简易测试2023-10-,28,图,2.8,用万用表测三极管,2024-11-03,图2.8 用万用表测三极管2023-10-06,29,（,2,）集电极、发射极的判别,三极管集电极、发射极判别示意图如图,2.8,（,c,）所示。如果被测管子为,NPN,型，可在基极与黑表笔之间接一个,100k,的电阻，用万用表,R100,或,R1k,挡测量除基极以外的另两个电极，得到一个阻值，再将红、黑表笔对调测一次，又得到一个阻值；在阻值较小的那一次测量中，黑表笔接的就是集电极。这是因为三极管各电极电压极性正确时才能导通放大，,值较大，表现出,C-E,间电阻值较小。若为,PNP,型管，测试方法与上相同，此时红表笔所接为集电极。,2024-11-03,（2）集电极、发射极的判别2023-10-06,30,2.,三极管电流放大系数的测量,（,1,）精测三极管的,值,有些万用表带有,值挡，可直接测出三极管的,值。如,U-101,型万用表，首先在,R10,挡调零点，然后换到,h,FE,（即,值）挡，把三极管插入相应管型的,C,、,B,、,E,三个引脚孔，即可直接读出三极管的,值。,2024-11-03,2. 三极管电流放大系数的测量2023-1,31,（,2,）估测三极管的,值,当万用表没有上述功能时，可利用万用表欧姆挡,R100,或,R1k,挡估测三极管的,值。,对于,NPN,型管，电流放大系数,值估测方法如图,2.8,（,c,）所示，红表笔接发射极，黑表笔接集电极，分别测出基极与集电极之间不接和接入一个,100k,电阻时，两极之间的电阻。两次测得的电阻值相差越大，则说明,值越大，放大能力越好。这是因为前者管子截止，,C-E,极间电阻大，后者管子发射结正偏，集电结反偏，处于放大状态，根据,I,C,=,I,B,，如果,越大，,I,C,也大，,C-E,间电阻就小，所以两次读数相差大就表示,大。对于,PNP,型晶体管，测量时只要将红、黑表笔对调即可，测试方法完全一样。,2024-11-03,（2）估测三极管的 值2023-10-06,32,（,3,）在线晶体管工作是否正常的判别,电路中晶体管的工作是否正常，可用多种方法检测。这里介绍一种既简单又方便的判别方法，电压表与电路的连接如图,2.9,所示。先记下电压表测得的,U,C,值，然后用一根导线将基极和发射极短接（如图中虚线所示），此时电压表指针应立即上升到,+,U,CC,值，因为晶体管在发射结短路瞬间处于截止状态。当移去短路线时，电压表指针又回到原来的数值，这表明晶体管工作正常。若电压表的读数始终不变化，这表明晶体管已不再处于放大状态了。,2024-11-03,（3）在线晶体管工作是否正常的判别2023,33,图,2.9,在线三极管工作是否正常的判别,2024-11-03,图2.9 在线三极管工作是否正常的判别2023-10-06,34,2.2,共射放大电路,放大电路是电子设备中最重要、最基本的单元电路。放大电路的任务是放大电信号，即把微弱的电信号，通过电子器件的控制作用，将直流电源功率转换成一定强度的，随输入信号变化而变化的输出功率，以推动元器件（如扬声器、继电器等）正常工作。因此放大电路实质上是一个能量转换器。,2024-11-03,2.2 共射放大电路2023-10-06,35,2.1.1,电路结构,如图,2.10,所示是基本的共发射极单管电压放大电路，,u,i,是放大电路的输入电压，,u,o,是输出电压。为分析方便，通常规定：电压的正方向是以公共端为负端，其他各点为正端。,图,2.10,基本共射放大电路,2024-11-03,2.1.1 电路结构 如图2.10所示是,36,电路中各元件的作用如下：,VT,是,NPN,型三极管，是放大电路的核心元件，起电流放大作用。,U,CC,是放大电路的直流电源，一方面与,R,B,，R,C,相配合，使三极管的发射结正偏、集电结反偏，以满足三极管放大的外部条件（图5.1中，若三极管采用,PNP,型，则电源,U,CC,的极性就要反过来）；另一方面为输出信号提供能量。,U,CC,的数值一般为几十几伏。,R,B,是基极偏置电阻，电源,U,CC,通过,R,B,为三极管发射结提供正向偏压，改变,R,B,的阻值，即可改变基极电流,I,B,的大小，从而改变三极管的工作状态。,R,B,值一般为几十几百千欧。,R,C,是集电极负载电阻，电源,U,CC,通过,R,C,为三极管提供集电结反向偏压，并将三极管放大后的电流,I,C,的变化转变为,R,C,上电压的变化，反映到输出端，从而实现电压放大。,R,C,值一般为几十几千欧。,2024-11-03,电路中各元件的作用如下：2023-10,37,C,1,C,2,是耦合电容，起“隔直通交”作用，一方面隔离放大电路与信号源和负载之间的直流通路，另一方面使交流信号畅通。,C,1,C,2,的数值一般为几几十微法。,R,L,是外接负载，它可以是扬声器、耳机或其他负载，也可以是后级放大电路的输入电阻。,信号源、基极、发射极形成输入回路；负载,R,L,、,集电极、发射极形成输出回路。输入回路和输出回路的公共端是发射极，可见这是一个共发射极放大电路，简称共射放大电路。,2024-11-03,C1, C2是耦合电容，起“隔直通交”作用，,38,2.2.2,电路的工作原理,为便于分析，对电路工作过程中各量的符号规定如下：直流量用大写字母、大写下角标表示，如,I,B,I,C,U,CE,等；交流量用小写字母、小写下角标表示，如,i,b,i,c,u,ce,等；总变化量是交直流叠加量，用小写字母、大写下角标表示，如,i,B,i,C,u,CE,等。如,i,B,i,C,u,CE,等。如,i,B,=,I,B,+,i,b,，即,i,B,表示基极电流的总量。,如果交流分量是正弦波，其表达式为：,可见正弦波有效值是用大写字母和小写下标表示，而正弦波的峰值是有效值下标再添加小写,m,，如,I,b,、,I,bm,分别表示基极正弦电流的有效值和峰值。,2024-11-03,2.2.2 电路的工作原理2023-10-0,39,1. 静态工作情况,放大电路输入端未加输入信号即,u,i,= 0,时的工作状态称为静态。静态时，由于直流电源,U,CC,的存在，电路中没有变化量，电路中的电压、电流都是直流量。三极管的,I,B,I,C,U,CE,称为该放大电路的静态工作点，简称,Q,点。按直流信号在电路中流通的路径可画出直流通路。由于电容具有隔断直流的作用，因此画直流通路时电容相当于开路。,2024-11-03,1. 静态工作情况2023-10-06,40,图,2.11,是图,2.10,所示放大电路的直流通路。静态工作点的,I,B,I,C,U,CE,可以用直流电表测得；也可用估算法确定。所谓估算法是突出电路工作的主要因素，而忽略一些次要因素。按照直流通路的结构，可得出以下估算公式：,通常 ，则,（,2-6,）,（,2-7,）,（,2-8,）,图,2.11,放大电路的直流通路,2024-11-03,图2.11是图2.10所示放大电路的直流,41,例,2.2,在图,2.10,中，已知,U,CC,= 20V，,R,B,= 400k,，,R,C,= 6k,，,= 50，,试求放大电路的静态工作点的,I,B,I,C,U,CE,。,解：,根据式（,2-6,），式（,2-7,），式（,2-8,）可得,(500.05),mA=2.5mA,(20,-,62.5）=5V,2024-11-03,例2.2 在图2.10中，已知UC,42,2. 动态工作情况,放大电路输入端加输入信号即,u,i,0,时的工作状态称为动态。这时电路中各电量将在静态直流分量的基础上叠加一个交流分量。,输入信号,u,i,经过耦合电容,C,1,加在晶体管基极和发射极之间，只要输入信号频率不是很低，,C,1,对交流信号可视为短路。这时输入信号,u,i,叠加在直流的,U,BE,上，即,u,BE,=,U,BE,+,u,i,注意：,u,BE,是在一个较大的直流电压,U,BE,（,约0.7,V）,上叠加一个较小的交流信号,u,i,，,以使,u,BE,不产生负值，避免产生失真。,u,BE,电压的变化引起基极电流的变化，即,i,B,=,I,B,+,i,b,式中，,i,b,是,u,i,引起的电流。,2024-11-03,2. 动态工作情况 2023-10-,43,只要三极管处于放大状态，即有,i,C,=,I,C,+,i,C,而,u,CE,=,U,CC,R,C,i,C,=,U,CC,R,C,（,I,C,+,i,C,）=,U,CC,R,C,I,C,R,C,i,C,=,U,CE,R,C,i,C,可见，,u,CE,也是由直流分量,U,CE,和交流分量-,R,C,i,C,叠加而成的，经过,C,2,的隔直通交作用，输出电压只有交流分量，即,u,o,=,u,ce,=,-,R,C,i,C,。,上式表明，只要,R,C,取值恰当，就可使,u,o,的幅值远大于,u,i,的幅值，从而实现电压放大，这就是通常所说的放大电路的放大作用；另可看见，,u,o,与,R,C,i,C,在数值上相等，而在相位上却相反，由于,u,i,i,b,i,C,相位相同，故,u,o,和,u,i,的相位相反，这在共射放大电路中称之为“反相”。电路中各电流、电压的波形如图,2.12,所示。,2024-11-03,只要三极管处于放大状态，即有 iC,44,图,2.12,放大电路的动态工作情况,2024-11-03,图2.12 放大电路的动态工作情况 2023-10-06,45,为分析放大电路的动态工作情况，计算放大电路的放大倍数，按交流信号在电路中流通的路径可画出交流通路。对频率较高的交流信号，放大电路中的耦合电容、旁路电容画交流通路时都视为短路；直流电源由于内阻很小，对交流信号也视为短路。图,2.13,所示为图,2.12,放大电路的交流通路。,综上所述，放大电路中各点的电位、各支路的电流，都是直流量和交流量的叠加。直流量所确定的静态工作点，是放大电路的基础；交流量是由输入信号产生的，是放大电路工作的目的。交流量是驮载在直流量上进行放大的。因此静态工作点设置是否合理，将直接影响到放大电路能否正常工作。,2024-11-03,为分析放大电路的动态工作情况，计算放大电,46,图,2.13,放大电路的交流通路,2024-11-03,图2.13 放大电路的交流通路 2023-10-06,47,2.2.3,静态工作点的选择与波形失真,波形失真是指输出波形相对于输入波形产生了畸变。对放大电路来说，输出波形的失真应尽可能小。静态工作点的选择对放大电路有很大的影响，选择不当，容易引起失真。,1. 饱和失真,当静态工作点设置太高时，在交流信号的正半周，随输入信号增大，集电极电流,i,C,因受最大值,I,Cm,的限制而不能相应地增大，这时尽管,i,B,的波形完好，但,i,C,正半周和,u,CE,负半周的顶部被削去，这种由于动态工作点进入饱和区所引起的失真，称为“饱和”失真，如图,2.14,所示。调节,R,B,使之增大，可消除饱和失真。,2024-11-03,2.2.3 静态工作点的选择与波形失真2,48,2. 截止失真,当静态工作点设置太低时，在交流信号的负半周，晶体管因发射结反偏而进入截止状态，使,i,C,负半周和,u,CE,正半周的顶部被削去。这种由于动态工作点进入截止区所引起的失真，称为“截止”失真，如图,2.15,所示。调节,R,B,使之减小，可消除截止失真。,饱和失真和截止失真都是由于晶体管工作在特性曲线的非线性区域所引起的，因而称为非线性失真。,放大电路的最佳静态工作点是指输入信号变化时，输出信号正、负半周都能达到最大值而不出现失真的工作点。任何状态下，不失真的最大输出称为放大电路的动态范围。显然，最佳工作点下，电路的动态范围最大。还需指出，在保证输出信号不失真的前提下，降低电路的静态工作点，有利于减少放大电路的损耗。,2024-11-03,2. 截止失真2023-10-06,49,图,2.14,放大电路的饱和失真 图,2.15,放大电路的截止失真,2024-11-03,图2.14 放大电路的饱和失真,50,*,2.3,放大电路的图解分析法,图解分析法是利用三极管的输入特性和输出特性曲线，用作图的方法，分析放大器的工作情况。其优点是能直观地反映放大电路的工作原理。,2.3.1,静态工作情况分析,静态分析的目的是为了求放大电路的静态工作点，现以图,2.10,所示的共射极放大电路为例，设电路中,U,CC,=20V,，,R,B,=500k,，,R,C,=6.8k,。,图,2.16,（,a,）中画出了静态集电极回路，虚线左边是非线性元件三极管，,I,C,与,U,CE,的关系是一条输出特性曲线；虚线右边是,U,CC,和,R,C,串联的线性电路，,I,C,与,U,CE,的关系是直线方程：,2024-11-03,*2.3 放大电路的图解分析法2023-10-06,51,在图,2.16,（,b,）,i,C,和,u,CE,确定的输出特性曲线上画出这条直线,MN,（横截距为,U,CC,，纵截距为,U,CC,/,R,C,），,其斜率为 ，因其斜率由集电极负载电阻所,确定，所以称为直流负载线。显然直流负载线与静态,I,B,对应的输出特性曲线的交点,Q,就是所要求的静态工作点。,从输入回路估算：,由图可读出,I,C,=1.8mA,，,U,CE,=7.8V,。,2024-11-03,在图2.16（b） iC和uCE确定的输出特性曲,52,图,2.16,图解法分析静态工作点,2024-11-03,图2.16 图解法分析静态工作点2023-10-06,53,2.3.2,动态工作情况分析,动态分析的目的，是为了了解放大电路各极电流、电压的波形，并可求出输出电压幅值，从而确定放大电路的电压放大倍数。,当接入输入信号,u,i,时，电路就处于动态工作情况，动态图解分析过程如下。,1.,在输入特性曲线上由,u,i,画出,i,B,波形,设放大电路的输入信号,u,i,=0.02sin,t,（,V,），三极管的输入电压,u,BE,是在原来直流电压,U,BE,的基础上叠加一个交流量,u,i,，根据,u,BE,的变化规律可从输入特性上画出对应的,i,B,波形图，如图,2.17,（,b,）所示，基极电流,i,B,将在,20,60,A,之间变动。,2024-11-03,2.3.2 动态工作情况分析2023-10-0,54,图,2.17,动态工作情况,2024-11-03,图2.17 动态工作情况2023-10-06,55,2.,在输出特性曲线上画出交流负载线,在图,2.10,所示电路中，对交流信号来说，输出耦合电容,C,2,可视为短路，,R,C,与,R,L,是并联的，所以等效的交流负,载电阻 ，故交流负载线的斜率为,因 ，故交流负载线比直流负载线要陡一些。当输入信号为零时，放大电路工作在,Q,点，即交流负载线也经过,Q,点，所以，交流负载线是一条经过,Q,点，斜率为 的直线。,画交流负载线方法是：先画一条斜率为 的辅助线,MH,，与横轴相交于,M,（,u,CE,=,U,CC,，,i,C,=0,）与纵轴相交于,H,（,u,CE,=0,，,i,C,=,）。然后平移辅助线使其通过,Q,点，,即得交流负载线，如图,2.17,（,a,）所示。,2024-11-03,2. 在输出特性曲线上画出交流负载线2023-,56,3.,在输出特性曲线上，由,i,B,和交流负载线画出,i,C,和,u,CE,波形,在输出特性曲线上，由,i,B,和交流负载线画出,i,C,和,u,CE,波形，如图,2.17,（,a,）所示。由于,C,2,的隔直作用，输出电压,u,o,等于,u,CE,的交流分量，输出电压,u,o,与输入信号电压,u,i,相位相反。,根据,u,CE,波形可读出输出电压幅值,u,cem,=3V,，则电压放大倍数等于输出电压幅值与输入电压幅值之比,可见，在,u,i,幅值一定的情况下，,R,L,阻值愈小，交流负载线越陡，电压放大倍数下降得也越多。,2024-11-03,3. 在输出特性曲线上，由iB和交流负载线画出iC和u,57,2.4,放大电路的微变等效电路分析法,对于交流放大器，要对其定量分析并了解其性能指标，必定要涉及到一些参数来描述这些指标。由于三极管是非线性元件，只有将其线性化后，才能使用线性定理来分析、计算它。实际上当输入、输出都是小信号时，信号只是在静态工作点附近的小范围内变动，三极管的特性曲线可以近似地视做线性的，此时，可将三极管等效成一个线性电路模型。,2024-11-03,2.4 放大电路的微变等效电路分析法,58,2.4.1,三极管微变等效电路模型,三极管的输入特性是非线性的，当输入信号较小时，可以把静态工作点附近的一段曲线视做直线。这样三极管,B，E,间就相当于一个线性电阻,r,be,，,即三极管的输入电阻,r,be,=,u,be,/,i,b,。,工程上常用下式来估算：,（,） （,2-9,）,注意,r,be,它不是三极管输入端直流电阻（万用表测量的欧姆值）。通常小功率三极管，当,I,C,=12mA,时，,r,be,为1,k,左右。,2024-11-03,2.4.1 三极管微变等效电路模型20,59,三极管输出特性曲线在工作点附近是一组与横轴平行的直线，当,u,ce,在较大范围内变化时，,i,c,几乎不变，具有恒流特性。这样三极管,C，E,间可等效为一个受控电流源，其输出电流为,i,c,=,i,b,，,由于三极管的输出电阻,r,ce,极大（输出恒流特性），所以可看做理想电流源。,2024-11-03,三极管输出特性曲线在工作点附近是一组与,60,图,2.18,三极管,的微变等效电路模型,为此，可画出三极管的微变等效电路模型如图,2.18,所示。,2024-11-03,图2.18 三极管的微变等效电路模型 为此，可画出三极,61,2.4.2,微变等效电路分析法,为了定量计算放大电路的某些交流性能指标，应先画出放大电路的微变等效电路，再根据定义，求得电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。将图,2.10,基本共射放大电路重画于图,2.19,（,a）,中，其微变等效电路如图,2.19,（,b）,所示。,图,2.19,共射放大电路及其微变等效电路,2024-11-03,2.4.2 微变等效电路分析法图2.19,62,1. 电压放大倍数,A,u,A,u,反映了放大电路对电压的放大能力，定义为放大电路的输出电压,U,o,与输入电压,U,i,之比，即,（,2-10,）,由图,2.19,（,b）,可知， ， ，放大电路的交流负载 ，按图中所标注的电流和电压正方向有 ，所以,（,2-11,）,A,u,为负值，表示输出电压与输入电压反相。,2024-11-03,1. 电压放大倍数Au2023-10-0,63,如果放大电路不带负载，则电压放大倍数为,（,2-12,）,由于 ，显然放大电路接入负载后电压放大倍数下降。,此外，通常用,A,i,表示电流放大倍数：,（,2-13,）,用,A,p,表示功率放大倍数：,（,2-14,）,它们三者之间的关系是：,（,2-15,）,2024-11-03,如果放大电路不带负载,64,例,2.3,某交流放大器的输入电压是,100mV,，输入电流为,0.5mA,；输出电压为,1V,，输出电流为,50mA,，求该放大器的电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数。,解：,（,1,）求电压放大倍数。,（,2,）求电流放大倍数。,（,3,）求功率放大倍数。,2024-11-03,例2.3 某交流放大器的输入电压是100mV，,65,放大倍数用对数表示叫作增益,G,，功率放大倍数取常用对数来表示，称为功率增益,G,P,，单位为贝尔（,Bel,），实际应用时嫌“贝尔”单位太大，人们又取它的十分之一，即分贝（,dB,）。,在电信工程中，对放大器的三种增益作如下规定：,功率增益： （,2-16,）,电压增益： （,2-17,）,电流增益： （,2-18,）,2024-11-03,放大倍数用对数表示叫作增益G，功率放大倍数取常用,66,例,2.4,求例,2.3,中放大器的电压增益、电流增益和功率增益。,解：（,1,）求电压增益。,（,2,）求电流增益。,（,3,）求功率增益。,2024-11-03,例2.4 求例2.3中放大器的电压增益、电流增益和功率增益。,67,运用放大器增益的概念，可以简化电路的运算数字，例如，功率放大倍数,A,P=1000000,倍，用功率增益表示时,=10lg1000000 = 60dB,。,在计算电路的增益时，若增益出现负值则该电路不是放大器而是衰减器。为了方便，通常编有分贝换算表供查用。表,2.2,为电压放大倍数和分贝数的对应值。,例如，一个放大器的放大倍数,A,u,=100,，则由表,2.2,可查出它的电压增益为,40,分贝。,表,2.2,电压放大倍数和增益分贝数的换算表,A,u,（倍）,0.001,0.01,0.1,0.2,0.707,1,2,3,10,100,1000,10000,G,u,（,dB,）,60,40,20,14,3,0,6.0,9.5,20,40,60,80,2024-11-03,运用放大器增益的概念，可以简化电路的运算数字，例,68,2. 输入电阻,R,i,R,i,是从放大电路的输入端看进去的交流等效电阻，它等于放大电路输入电压与输入电流的比值，即,R,i,=,U,i,/,I,i,。,R,i,反映放大电路对所接信号源（或前一级放大电路）的影响程度。如图,2.20,所示，如果把一个内阻为,R,s,的信号源,u,s,加到放大电路的输入端时，放大电路的输入电阻就是前级信号源的负载。,由图,2.20,可见,若,R,i,R,s,，,则,U,i,U,s,。,通常希望,R,i,尽可能大一些，以使放大电路向信号源取用的电流尽可能小，以减轻前级的负担。,2024-11-03,2. 输入电阻Ri 2023-10-06,69,图,2.20,放大器的输入电阻和输出电阻,输入电阻可用微变等效电路法估算，由图,2.19,（,b）,放大电路的微变等效电路可得,R,i,=,R,B,r,be,r,be,（2-19）,2024-11-03,图2.20 放大器的输入电阻和输出电阻,70,3. 输出电阻,R,o,R,o,是从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻，它等于放大电路输出电压与输出电流的比值，即,R,o,=,U,o,/,I,o,。,R,o,是衡量放大电路带负载能力的一个性能指标。如图,2.20,所示，放大电路接上负载后，要向负载（后级）提供能量，所以，可将放大电路看做一个具有一定内阻的信号源，这个信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。,由图,2.20,可见,若,R,o,I,B,，,则,I,1,I,2,。,这样基极电位,U,B,为,（,2-22,）,由于,U,B,是由,U,CC,经,R,B1,和,R,B2,分压决定的，故不随温度变化，且与晶体管参数无关。,2024-11-03,该电路有以下两个特点。2023-10-0,75,2. 由发射极电阻,R,E,实现静态工作点的稳定,温度上升使,I,C,增大时，,I,E,随之增大，,U,E,也增大；因基极电位,U,B,=,U,BE,+,U,E,保持恒定，故,U,E,增大使,U,BE,减小，引起,I,B,减小，使,I,C,相应减小，从而抑制了温升引起的,I,C,的增量，即稳定了静态工作点。其稳定过程如下：,T,() ,I,C, ,I,E, ,U,E,I,C, ,I,B,U,BE,通常,U,B,U,BE,，,所以集电极电流,（,2-23,）,根据,I,1,I,B,和,U,B,U,BE,两个条件得到的式（,2-23,）说明了,U,B,和,I,C,是稳定的，基本上不随温度而变，而且也基本上与管子的参数,值无关。,2024-11-03,2. 由发射极电阻RE实现静态工作点,76,例,2.5,电路如图,2.22,所示，已知晶体管,= 40，,U,CC,=12V，,R,B1,=20k,，,R,B2,=10 k,，,R,L,= 4k,，,R,C,=2k,，,R,E,=2 k,，,C,E,足够大。试求：,（1）静态值,I,C,和,U,CE,。,（2）,电压放大倍数,A,u,。,（3）,输入电阻,R,i,，,输出电阻,R,o,。,2024-11-03,例2.5 电路如图2.22所示，已知晶体,77,图,2.22,例,2.5,图（,a,）放大电路；（,b,）微变等效电路,2024-11-03,图2.22 例2.5图（a）放大电路；（b）微变等效电,78,解：,（1）估算静态值,I,C,和,U,CE,2024-11-03,解：（1）估算静态值IC和UCE 2023-,79,（2）估算电压放大倍数,A,u,由图,2.22,（,a）,可知其微变等效电路如图,2.22,（,b）,所示。,由于,（3）估算输入电阻,R,i,，,输出电阻,R,o,。,R,i,=,R,B1,/,R,B2,r,be,r,be,= 0.83k,R,o,=,R,C,= 2k,故,2024-11-03,（2）估算电压放大倍数Au 由于 （3）估算输入,80,在图,2.22,（,a）,中，电容,C,E,称射极旁路电容（一般取10100,F），,它对直流相当于开路，静态时使直流信号通过,R,E,实现静态工作点的稳定；对交流相当于短路，动态时交流信号被,C,E,旁路掉，使输出信号不会减少，即,A,u,计算与式（,2-12,）完全相同。这样既稳定了静态工作点，又没有降低电压放大倍数。,2024-11-03,在图2.22（a）中，电容CE称射极旁路,81,2.6,共集放大电路和共基放大电路,2.6.1,共集放大电路,1. 电路构成,如图,2.23,（,a）,所示的电路，它是由基极输入信号、发射极输出信号的，所以称为射极输出器。由图,2.23,（,b）,所示的交流通路可见，集电极是输入回路与输出回路的公共端，所以又称为共集电路。,2024-11-03,2.6 共集放大电路和共基放大电路2023,82,图,2.23,共集放大电路,2024-11-03,图2.23 共集放大电路2023-10-06,83,2. 射极输出器的特点,（1）静态工作点稳定。, 射极输出器的直流通路如图,2.24,所示，由图可知,， （,2-24,）,于是有,（,2-25,）,（,2-26,）,射极输出器中的电阻,R,E,具有稳定静态工作点的作用，过程如下：,T,() ,I,C,U,E, ,U,BE,I,B, ,I,C,2024-11-03,2. 射极输出器的特点,84,图,2.24,共集电路的直流通路 图,2.25,共集电路的微变等效电路,2024-11-03,图2.24 共集电路的直流通路,85,（2）电压放大倍数略小于1（近似为1）。,射极输出器的微变等效电路如图,2.25,所示，由图可知,（,2-27,）,式中， 。,通常 ，所以,（,2-28,）,电压放大倍数约为1并为正值，可见输出电压,u,o,随着输入电压,u,i,的变化而变化，大小近似相等，相位相同。所以，射极输出器又称为射极跟随器。,2024-11-03,（2）电压放大倍数略小于1（近似为1）。202,86,在图,2.25,中，若忽略,R,B,的分流影响，则 ，,，可得电流放大倍数,（,2-29,）,所以，射极输出器虽然没有电压放大，但仍具有电流放大和功率放大的作用。,（3）输入电阻高。,由图,2.25,可知,（,2-30,）,由于,R,B,和 值都较大，因此，射极输出器的输入电阻,R,i,很高，可达几十几百千欧。,2024-11-03,在图2.25中，若忽略RB的分流影响，则,87,（4）输出电阻低。,由于射极输出器的,u,o,u,i,，,当,u,i,保持不变时，,u,o,就保持不变。可见，输出电阻对输出电压的影响很小，说明射极输出器具有恒压输出特性，因而射极输出器带负载能力很强。输出电阻的估算式为,R,o,r,be,/,（,2-31,）,通常,R,o,很低，一般只有几十欧。,2024-11-03,（4）输出电阻低。2023-10-06,88,3. 射极输出器的应用,（1）用做输入级。在要求输入电阻较高的放大电路中，常用射极输出器做输入级。利用其输入电阻很高的特点，可减少对信号源的衰减，有利于信号的传输。,（2）用做输出级。由于射极输出器的输出电阻很低，常用做输出级。可使输出级在接入负载或负载变化时，对放大电路的影响小，使输出电压更加稳定。,（3）用做中间隔离级。将射极输出器接在两级共射电路之间，利用其输入电阻高的特点，可提高前级的电压放大倍数；利用其输出电阻低的特点，可减小后级信号源内阻，提高后级的电压放大倍数。由于其隔离了前后两级之间的相互影响，因而也称为缓冲级。,2024-11-03,3. 射极输出器的应用2023-1,89,2.6.2,共基放大电路,如图,2.26,所示的电路，它由发射极输入信号，集电极输出信号，基极交流接地，是输入回路与输出回路的公共端，故称共基电路。,图,2.26,共基放大电路,2024-11-03,2.6.2