飞电3三极管与放大器.ppt

飞机电子基础 南航新员工培训 目录 第一章半导体的基础知识第二章二极管与整流电路第三章三极管与放大器第四章集成运算放大器及其应用电路第五章数制及其转换第六章模拟信号与数字信号的转换第七章数字电路第八章计算机基础知识第九章计算机网络的基本概念第十章ARINC429数字数据总线 第三章三极管与放大器 3 1三极管的结构3 2三极管的特性曲线3 3基本放大电路的组成及放大作用3 4多级阻容耦合放大电路3 5功率放大器 3 1三极管的结构 晶体管是由两个PN结和三个电极构成的 它由两种基本类型 即NPN型和PNP型 图3 1是晶体管的结构示意图和符号 图3 1晶体管的结构示意图和符号 a 结构示意图 b 符号 无论是NPN型还是PNP型的三极管 它们均包含三个区 发射区 基区和集电区 并相应地引出三个电极 发射极e 基极b和集电极c 基区与发射区间的PN结称为发射结 基区与集电区间的PN结称为集电结 晶体管符号中的箭头表示管内正向电流的方向 箭头指向管外的为NPN管 箭头指向管内的为PNP管 必须指出 NPN型或是PNP型管在工作原理上没有什么区别 只是工作时外加电压极性和各极电流方向彼此相反 因此 我们只分析NPN管的特性曲线和参数 3 2三极管的特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线 它是三极管内部载流子运动的外部表现 由于三极管和二极管一样也是非线性元件 不能用一个固定的数值或一个简单的方程式来表示各电极电压与电流之间的关系 所以要用伏安特性曲线对它描述 最常用到的是三极管的输入特性和输出特性曲线 下面 我们只讨论应用最广的共射极接法的输入和输出特性曲线 一 输入特性曲线 输入特性是指当集电极与发射极之间的电压为某一常数时 输入回路中加在三极管基极与发射极之间的电压与基极电流之间的关系曲线 图3 2是3DG6硅三极管的输入特性 图3 3是锗低频三极管3AX22的输入特性 和硅管输入特性相比 在较小的的值下 就可达到较大的值 图3 23DG6硅三极管的输入特性图3 3锗低频三极管3AX22的输入特性 输入特性可以分以下两种情况来加以讨论 1 VCE 0V时 当VCE 0V时 相当于集电极与发射极短路 此时由于两个PN结均处于正向偏置 因此IB与VBE之间的关系曲线 实际上是发射结与集电结两个PN结并联的正向伏安特性 2 VCE 1V时 由于当VCE 1V时集电结加了反向电压 集电结吸引电子的能力加强 使得从发射区进入基区的电子更多地流向集电区 对应于相同的VBE 流向基极的电流IB比原来VCE 0V时的减小了 特性曲线也就相应地向右移动了 VCE lV以后的输入特性可按上面方法求得 严格说来 VCE不同 所得的输入特性应有所不同 但实际上VCE lV以后的输入特性与VCE lV的特性曲线非常接近 因为当VCE lV以后 只要VBE保持不变 则从发射区发射到基区的电子一定 而集电结所加的反向电压大到lV以后已能把这些电子中的绝大部分拉到集电结来 以至VCE再增加 IB也不再明显减小 故VCE 1V后的输入特性基本重合 所以通常只要画出 lV以后的任何一条输入特性就可代表VCE lV以后的各种情况了 由于实际使用时总是大于l 所以有用的还是VCE lV的那条特性 二 输出特性曲线 输出特性是在基极电流iB一定的情况下 三极管的输出回路中 此处指集电极回路 集电极与发射极之间的电压VCE与集极电流iC之间的关系曲线 如图3 4 a 所示 图3 4三极管的输出特性 a 3DG6 b 3AX32 由图3 4 a 可见 各条特性曲线的形状基本上是一样的 现取其中一条 例如iB 40 A 加以说明 输出特性的起始部分很陡 VCE略有增加时 iC增加很快 这是由于在很小时 约l伏以下 集电结的反向电很小 对到达基区的电子吸引力不够 这时受的影响很大 稍有增加 从基区到集电区的电子也增加 故随的增加而增加 当VCE超过某一数值 约l伏 后 特性曲线变得比较平坦 这是由于VCE大于1伏以后 集电结的电场已足够强 能使发射区扩散到基区的电子绝大部分都到达集电区 故VCE再增加 iC就增加不多了 改变iB的值 即可得到一组输出特性曲线 在VCE大干零点几伏以后 输出特性是一组间隔基本均匀 比较平坦的平行直线 图3 4 b 是锗管低频三极管3AX22在共射极接法时的输出特性曲线 与硅管的输出性相比 它的初始上升部分较陡 IB 0的一条曲线上移了 当IB 0时 IC ICEO 集电极 发射极间反向饱和电流 此外 由于电源的极性不同 横轴为 VCE 3 3基本放大电路的组成及放大作用 在图3 5示的单管放大电路中 采用NPN型半导体三极管3DG6 Ec是集电极回路的直流电源 一般在几伏到几十伏的范围 它的负载端接发射极 正端通过电阻Rc接集电极 以保证为反向偏置 Rc是集电极电阻 一般在几千欧至几十千欧的范围 它的作用是将三极管集电极电流的变化转变为集电极电压的变化 EB是基极回路的直流电源 它的负端接发射极 正端通过基极电阻Rb接基极 以保证发射结为正向偏置 并通过集极电阻Rb 一般在几十千欧至几百千欧的范围 由EB供给基极一个合适的基极电流IB 常称为偏流 这个电流的大小为 图3 5共射极基本放大电路 对于硅管VBE约为0 7V左右 对于锗管VBE约为0 2V左右 而EB一般在几伏至几十伏的范围内 常取EB EC 即EB VBE 所以近似有 由上式可见 这个电路的偏流IB决定于EB和Rb的大小 EB和Rb一经确定后 偏流IB就是固定的 所以这种电路称为固定偏流电路 Rb又称为基极偏置电阻 电容Cb1和Cb2称为隔直电容或耦合电容 一般在几微法到几十微法的范围 它们在电路中的作用是 传送交流 隔离直流 适当选择电容量的数值使交流信号尽量畅通地通过放大器 对交流信号来说 容抗很小 另一方面 利用电容在充放电结束后 相当于 开路 的作用来隔离直流 使放大器的基极输入端与信号源之间 以及放大器集电极输出端与负载之间的直流通路隔开 以免相互影响而改变各自的工作状态 输入端的交流电压vi通过电容Cb1加到三极管的基极 从而起基极电流iB相应的变化 iB的变化使集电极电流iC随之变化 iC的变化量在集电极电阻RC上产生压降 集电极电压 当iC的瞬时值增加时 vCE就要减小 所以vCE的变化恰与iC相反 vCE中的变化量经过电容Cb2传送到输出端成为输出电压vo 如果电路参数选择适当 vo的幅度将比vi大得多 从而达到放大的目的 对应的电流电压波形示于图3 5中 值得指出的是 放大作用是利用三极管的基极对集电极的控制作用来实现的 即输入端加一个能量较小的信号通过三极管的基极电流去控制流过集电极电路的电流 从而将直流电源Ec的能量转化为我们所需要的形式供给负载 因此放大作用实质上是放大器件的控制作用 放大器是一种能量控制部件 同时还要注意放大作用是针对变化量而言的 图3 5是共发射极放大电路 它是工程实际中用得较广泛的一种电路组态 但是它需要两个独立的电源EC和EB 使用起来不太方便 由于EC和EB的负端在电路上是连接在一起的 如果选定压EC EB 那么就完全可以将原来的两个独立电源用一个公共电源来代替 以达到简化电路的目的 如图3 6 a 所示 此外 为了简明起见 在画电路图时 习惯上不画出电源符号 因为EC的一端总与共同端相连 所以我们只标出另一端对共同端的电压数值和极性即可 对于输入 输出端 同样只要画出一端 这样就得到了图3 6 b 所示的习惯画法 图3 6共射极基本放大电路的简化 a 简化电路 b 习惯画法 3 4多级阻容耦合放大电路 实际应用中 要把微弱的信号放大到足够的幅度 往往单级放大是很难实现的 为此常常把若干个基本放大电路连接起来 组成多级放大电路 前面我们介绍的基本放大单元电路 都是组成多级放大器的基本电路 图3 7多级放大器方框图 一 多级放大器的组成框图 一个多级放大器的组成如图3 7所示 信号源电压经过具有高输入阻抗的输入级放大后 再经中间级的电压放大 以得到较大的电压信号 然后经过末前级和输出级以得到一定的信号功率去推动负载 一般说来 多级放大器的输入级可采用共发射极放大电路或射极输出器 电压放大中间级一般采用共射极电路或共射极与共基 共集电极组合电路 末前级和输出级采用功率放大器 有特殊要求时多级放大器的各级亦可由其它形式的电路组成 二 级间耦合方式 在多级放大器中 前一级的输出电压 电流 通过一定的方式加到后一级的输入端 称为耦合 耦合电路使两个放大级联系起来 这就要解决前后级相互影响的问题 因为前级的输出就是后级的信号源 而后级的输入阻抗就是前级的负载 因此要合理解决级与级之间的耦合 按照不同的需要 选择合适的级间耦合电路 常用的级间耦合电路有RC耦合 变压器耦合和直接耦合三种 如图3 8所示 图3 8三种耦合方式 a 阻容耦合 b 直接耦合 c 变压器耦合 1 RC耦合 级与级之间通过电阻和电容连接 如图3 8 a 中的Cb2 Rb12及Rb22等 其优点是耦合电容起隔直作用 使各级的静态工作点相互独立 互不影响 这给分析 设计和调试带来很大的方便 由于Cb2值一般选的比较大 可以使前级信号在一定频率范围内几乎无衰减地传输到下一级 但对低频信号 容抗较大而使信号很难通过 在集成电路中由于制造大电容比较困难 也不采用这种耦合方式 但由于这种方式应用方便 因此仍广泛用于分立元件电路中 2 直接耦合 级与级之间用导线或电阻连接 如图3 8 b 所示 电路元件少 频率特性好 但各级静态工作点相互影响 电路的设计和调试都比较复杂 多用于直流信号或缓慢变化信号的放大及集成电路放大器中 3 变压器耦合 级与级之间利用变压器来传递交流信号 如图3 8 c 所示 这时各级静态工作点也是相互独立的 这种耦合方式的特点是可以进行阻抗变换 以得到较大的功率输出 由于体积大 笨重 频率特性不好 目前应用较少 3 5功率放大器 一 功率放大器的特点二 功率放大器提高效率的主要途径三 工作在乙类的基本互补对称功率放大电路四 工作在甲乙类的互补对称电路 一 功率放大器的特点 在科学实验和生产实践中 常常要求电子设备或放大器的最后一级能带一定的负载 例如 使扬声器的音圈振动发出声音 使继电器或记录仪表动作 在雷达显示器或电视机中使光点随信号偏转等 这就要求放大器能输出一定的信号功率 因此 通常将这最后一级称为功率放大器 如前所述 放大电路实质上都是能量转换电路 从能量控制的观点来看 功率放大器和电压放大器没有本质的区别 所有放大器都可称为功率放大器 功率放大器和电压放大器所要完成的任务是不同的 对电压放大器的主要要求是使负载得到不失真的电压信号 讨论的主要指标是电压放大倍数 输入和输出阻抗等 输出的功率并不一定大 功率放大器主要要求获得一定的不失真 或失真较小 的输出功率 通常是在大信号状态下工作 二 功率放大器提高效率的主要途径 在电压放大器中 输入信号在整个周期内都有电流流过三极管 这种工作方式我们通常称为甲类放大 甲类放大的典型工作状态如图3 9 a 所示 此时0 在甲类放大电路中 电源始终不断地输送功率 在没有信号输入时 这些功率全部消耗在管子 和电阻 上 并转化为热量的形式耗散出去 当有信号输入时 其中一部分转化为有用的输出功率 信号愈大 输送给负载的功率愈多 可以证明 即使在理想情况下 甲类放大器的效率最高也只能达到50 怎样才能使电源供给的功率大部分转化为有用的信号输出功率呢 从甲类放大电路中我们知道 静态电流是造成管耗的主要因素 如果把静态工作点Q向下移动 使信号等于零时电源输出的功率也等于零 或很小 信号增大时电源供给的功率也随之增大 这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变 也就改变了甲类放大时效率低的状况 利用图3 9 b c 所示工作情况 就可实现上述设想 在图3 9 b 中 有半个周期以上 0 图3 9 c 中 一周期内只有半个周期 0 它们分别称为甲乙类和乙类放大 甲乙类和乙类放大主要用于功率放大器中 图3 9静态态工作点下移对放大器工作状态的影响 a 甲类放大在一周期内iC 0 b 甲乙类放大在一周期内有半个周期以上iC 0 c 乙类放大在一周期只有半个周期iC 0甲乙类和乙类放大 虽然减小了静态功耗 提高了效率 但都出现了严重的波形失真 因此 既要保持静态时管耗小 又要使失真不太严重 这就需要设计新的电路来解决 三 工作在乙类的基本互补对称功率放大电路 工作在乙类的放大器 虽然管耗小 有利于提高效率 但存在严重失真 使得输入信号的半个波形被削掉了 这是一个很大的矛盾 如果我们用两个管子 使之都工作在乙类放大状态 但一个在正半周工作 而另一个在负半周工作 同时使这两个输出波形都能加到负载上 从而在负载上得到一个完整的波形 这样就能解决效率与失真的矛盾 怎样实现上述设想呢 我们来研究一下图3 10 a 所示的基本互补对称电路 T1和T2分别为NPN型管和PNP型管 两管的基极和发射极相互连接在一起 信号从基极输入 从射极输出 RL为负载 这个电路可以看成是由图3 10 b c 两个射极输出器组合而成 考虑到半导体三极管发射结处于正向偏置时才导电 因此图3 10 b c 所示的射极输出器 在每个周期内 均各导电约半个周期 而图3 10 a 所示基本互补对称电路 在负载RL上则可得到完整的信号波形 当信号处于正半周时 T2截止 T1承担放大任务 有电流通过负载RL 而当信号处于负半周时 T1截止 由T2管承担放大任务 仍有电流通过负载RL 这样 图3 10 a 所示基本互补对称电路实现了在静态时管子不取电流 而在有信号时 T1和T2轮流导电 组成推挽式电路 由于两个管子互补对方的不足 工作性能对称 所以这种电路通常称为互补对称电路 图3 10两射极输出器组成的基本互补对称电路 a 基本互补对称电路 b 由NPN管组成的射极输出器 c 由PNP管组成的射极输出器 四 工作在甲乙类的互补对称电路 前面讨论了由两个射极输出器组成的乙类基本互补对称电路 图3 11 a 实际上这种电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化 由于没有直流偏置 管子的必须在阳大于一个数值 即门坎电压 NPN硅管约为0 6V PNP锗管约为0 2V 时才有显著变化 当输入信号低于这个数值时 T1和T2管都截止 和基本为零 负载RL上无电流电压 出现一段死区 如图3 11 a 所示 这种现象称为交越失真 为减小和克服交越失真 如图3 11 b 所示 通常在两基极间加uh二极管 或电阻 或二极管和电阻相结合 以供给T1和T2两管一定的正偏压 使两管在静态时都处于微导通状态 由于电路对称 两管静态时电流相等 因而负载RL上无静态电流流过 两管发射极电压VK 0 当有信号时 就可使放大器输出在零点附近仍能基本上得到线性放大 也就是和基本上成线性关系 如图3 11 c 所示 此时 电路就工作在甲乙类 但是 为了提高工作效率 在设置偏压时 应尽可能接近乙类状态 图3 11互补对称电路的工作情况 a 工作在乙类的互补对称电路 b 工作在甲乙类的互补对称电路 c vi Vo的关系曲线 练习题 晶体三极管三个电极分别称为极 极和极 它们分别用字母 和 表示 为了使晶体三极管在放大器中正常工作 发射结须加 电压 集电结须加 电压 3 由晶体三极管的输出特性可知 它有 和三个区域 4 晶体三极管是由两个 结构成的一种半导体器件 其中一个 结叫做 另一个叫做 5 晶体三极管有型和型两种 硅管以型居多 锗管以型居多 6 晶体三极管的输入特性曲线和晶体二极管的相似 晶体三极管输入特性的最重要参数是交流输入电阻 它是 和的比值 晶体三极管发射极电流Ie 基极电流Ib和集电极电流Ic之间的关系是 其中Ic Ib叫做 用字母表示 Ic Ib叫做 用字母表示 8 晶体三极管的电流放大作用 是通过改变电流来控制电流的 其实质是以电流控制电流 9 硅晶体三极管的饱和电压降为 锗晶体三极管的饱和电压降为 10 硅晶体三极管发射结的导通电压约为 锗晶体三极管发射结的导通电压约为 11 当晶体三极管截止时 它的发射结必须是偏置 集电结必须是或偏置 12 当晶体三极管处于饱和状态时 它的发射结必定加电压 集电结必定加或电压 13 当晶体三极管的队 ce一定时 基极与发射极间的电压 be与基极电流 b间的关系曲线称为 当基极电流Ib一定时 集电极与发射极间的电压Uce与集电极电流Ic关系曲线称为 14 型晶体三极管的发射区是型半导体 集电区是型半导体 基区是型半导体 15 有一个晶体管继电器电路 其晶体管与继电器的吸引线圈相串联 继电器的动作电流为 若晶体三极管的直流电流放大系数 便使继电器开始动作 晶体三极管的基极电流至少为 6 晶体三极管低频小信号电压放大电路通常采用 耦合电路 18 晶体三极管放大器按放大信号和输出信号的强弱可分为 放大和 放大两类 19 为了使放大器输出波形不失真 除需设置 外 还需要采用 的方法 且输入信号幅度要适中 20 从放大器输入端看过去的等效电阻称为放大器的 近似等于 21 从放大器输出端看进去的等效电阻称为放大器的 近似等于 22 在放大电路中 为达到阻抗匹配的目的 常采用 进行阻抗变换 23 功率放大器按工作状态可分为 放大和 放大两类 24 对功率放大器的要求是 和 25 常用的耦合方式有 和 三种形式 它们各主要用于 和 26 阻容耦合放大器的缺点是 因此它常被用在 作为电压放大器 27 为了能使功率放大器输出足够大的功率 一般晶体三极管应工作在 28 功率放大器主要用作 以供给负载 功率放大器的形式主要有和两类 29 按晶体三极管在电路中不同的连接方式 可组成 和三种基本电路 30 共发射极电路的输入端由和组成 输出端由和组成 它不但具有放大 放大作用 而且其功率增益也是三种基本线路中最大的 31 晶体三极管是依靠基极电流控制集电极电流的 而场效应晶体管则是以控制的 所以它的输入阻抗 32 场效应晶体管的静态工作点由 和确定 33 共发射极单管放大电路 输出电压与输入电压相位差为 这是放大器的重要特征 称为 34 场效应晶体管主要有和两类 35 场效应晶体管一般采用和两种偏置电路 36 由于场效应晶体管几乎不存在 所以其输入直流电阻 37 晶体三极管交流放大器级间耦合方式有 和 38 在多级放大器中 的输入电阻是的负载 的输出电阻是 的信号源内阻 放大器输出信号是放大器输入信号电压 39 场效应晶体管只依靠 的运动而工作 因此又称场效应晶体管为晶体管 晶体三极管的工作则与和的运动都有关 因此又称晶体三极管为晶体管