[學習]分立元件放大電路(講課版)

1、分立元件放大電路南京工業(yè)大學信息科學與工程學院電子系,第四章,1、半導體器件2、基本放大電路3、放大電路中靜態(tài)工作點的穩(wěn)定4、共集電極放大電路5、多級放大電路,第四章 分立元件放大電路,基本要求 理解半導體二極管、穩(wěn)壓二極管、晶體三極管的工作原理和主要參數；理解放大電路的基本性能指標；掌握共射極、共集電極單管放大電路靜態(tài)工作點的作用和微變等效電路的分析方法；了解多級放大的概念。,重點 理解半導體二

2、極管、穩(wěn)壓二極管、晶體三極管 的工作原理和主要參數；理解放大電路的基本性能指標；掌握共射極的微變等效電路分析方法 。 難點 PN結的單向導電性，微變等效電路分析 方法。,第一節(jié) 半導體器件,PN結 半導體二極管 晶體三極管,一、PN結,本征半導體 雜質半導體 PN結的形成 PN結的單向導電性,半導體:,導電能力介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。最常用的半導體為硅和鍺。,1、本征半導體,半導

3、體導電性能的特點:,熱敏性:溫度升高導電能力增強；光敏性:光照增強導電能力增強；摻雜后導電能力劇增。,本征半導體:,完全純凈、具有晶體結構的半導體。,本征半導體的導電性能:,(1)在絕對0度和沒有外界影響時, 共價鍵中的價電子被束縛很緊,本征半導體中無載流子的存在,具有絕緣體的性能。 (2)在常溫下（溫度升高）使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴---本征激發(fā).,本征

4、半導體的導電能力取決于載流子的濃度。,,自由電子,空穴,束縛電子,2、雜質半導體,本征半導體由于載流子數量極少，因此導電能力很低。摻入有用雜質的半導體叫雜質半導體。 N型半導體 P型半導體,N 型半導體,摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。 自由電子稱為多數載流子（多子）， 空穴稱為少數載流子（少子）。,多余電子,磷原子,摻入五價元素,,

5、,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?返回,失去一個電子變?yōu)檎x子,P 型半導體,,硼原子,空穴,摻入三價元素,,,,,摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠大于自由電子濃度。 空穴稱為多數載流子（多子）， 自由電子稱為少數載流子（少子）。,3、PN結的形成,多子的擴散運動,少子的漂移運動,濃度差,,空間電荷區(qū),,,內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。,擴散和漂移這一對相

6、反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變.,空間電荷區(qū)也稱 PN 結,PN結的形成:,當Ｐ型半導體和Ｎ型半導體結合在一起的時侯，由于交界面處存在載流子濃度的差異→多子擴散→產生空間電荷區(qū)和內電場→內電場阻礙多子擴散，有利少子漂移.　　當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即ＰＮ結。,4、PN結的單向導電性,PN 結加正向電壓（正向偏置，P 接正、N接負 ）時， PN 結處于正向導通狀態(tài)，PN 結正向

7、電阻較小，正向電流較大。---抵消內電場的阻礙作用PN 結加反向電壓（反向偏置，P接負、N接正 ）時， PN 結處于反向截止狀態(tài)，PN 結反向電阻較大，反向電流很小。---少數載流子漂移,二、半導體二極管,二極管的結構和類型 二極管的伏安特性 二極管的主要參數 二極管的應用 穩(wěn)壓二極管,1、二極管的結構和類型,將PN結加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。 從P區(qū)引出的電極稱為陽極（正極），從N區(qū)引出的電極稱為陰極（負

8、極）。按結構分二極管有點接觸型和面接觸型兩類。,圖 (c)是二極管的表示符號。箭頭方向表示加正向電壓時的正向電流的方向，逆箭頭方向表示不導通，體現了二極管的單向導電性能，其文字符號為D,2、二極管的伏安特性,二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓和流過管子的電流之間的關系。二極管本質上是一個PN結，它具有單向導電性，分正向特性和反向特性兩部分。,,硅管0.5V鍺管0.2V,,,反向擊穿電壓U(BR),導通壓降,死區(qū)電壓,外加電壓大于死

9、區(qū)電壓二極管才能導通。,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。,正向特性,反向特性,非線性,反向電流在一定電壓范圍內保持常數。,硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3V,3、二極管的主要參數,（1）最大整流電流 IFM,二極管長期使用時所允許通過的最大正向平均電流。,（2）最高反向工作電壓 URM,是保證二極管不被擊穿而允許施加的最高反向電壓，一般是反向擊穿電壓1/2。,（3）最大反向電流 IRM,指二極管加最高反向工

10、作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差， IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。,4、二極管的應用,二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向導電性實現整流、檢波、限幅、箝位、開關、元件保護、溫度補償等。,分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。,若 V陽 >V陰或 UD為正，二極管導通（正向偏置）若 V陽 <V陰或 UD為負，二極管截止（反向偏置）,ui > 8V

11、 二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui < 8V 二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。,參考點,8V,,例1,,D,,,,,8V,R,uo,,ui,+,+,–,–,,符號,,,UZ,IZ,,IZM,? UZ,,? IZ,伏安特性,,穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓,+ –,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路

12、中可起穩(wěn)壓作用。,返回,,,5、穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓二極管的工作電路,R,Uo,,Ui,+,–,–,I,IZ,UZ,主要參數,(1)穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。,三、晶體三極管,三極管的結構與類型三極管的放大原理三極管的特性曲線三極管的主要參數,1、 結構與類型,基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,PNP型,后一頁,前一頁,返回,符號：,NPN型三極管,PNP型三極管,型號：,3A、3C

13、是PNP,3B、3D是NPN,3A、3B是鍺管,3C、3D是硅管,后一頁,前一頁,,返回,2、電流分配關系和放大原理,三極管放大的外部條件,發(fā)射結正偏、集電結反偏,對NPN, 從電位的角度看：發(fā)射結正偏 VB>VE,集電結反偏 VC>VB,通過實驗及測量結果，得,IC(或IE)比IB大得多，(如表中第三、四列數據),晶體管的電流放大作用：IB的微小變化可以引起IC的較大變化(第三列與第四列的電流增量比)。,實質:用一個

14、微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是電流控制電流的放大器件。,電流放大倍數,,小結：,在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當IB有微小變化時還會引起IC的較大變化晶體管放大的外部條件－發(fā)射結必須正向偏置，集電結必須反向偏置晶體管是電流控制電流的放大器件,3、 特性曲線,三極管的伏安特性反映了三極管電極之間電壓和電流的關系。要正確使用三極管必須了解其伏安特性。,后一頁,前一頁,返回,輸入特性輸出特性,實驗線路,,,輸入回路,輸

15、出回路,EB,IC,,,,,,,,,,,,mA,,,?A,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,UCE,,,,UBE,RB,IB,EC,,,共發(fā)射極電路,?,（1） 輸入特性,,特點:非線性,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。,工作壓降： 硅UBE ? 0.6~0.7V鍺UBE ? 0.2~0.3V,（2） 輸出特性,,,,,,,IB=0,20?A,40?A,60?A,80?A,100?A,,當UCE 大于一定的數值時，

16、IC只與IB有關，即IC=?IB。,,,此區(qū)域滿足IC=?IB 稱為線性區(qū)（放大區(qū)），具有恒流特性。,,UCE?UBE,集電結正偏，?IB?IC，稱為飽和區(qū)。,此區(qū)域中IC受UCE的影響較大,返回,,此區(qū)域中: IB= 0,UBE < 死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。,為可靠截止，常取發(fā)射結零偏壓或反偏壓。,輸出特性可劃分為三個區(qū)，分別代表晶體管的三種工作狀態(tài)。,1）放大區(qū)(線性區(qū)，具有恒流特性)放大狀態(tài) IC =?IB ，發(fā)射結正

17、偏、集電結反偏。,2）截止區(qū)（晶體管處于截止狀態(tài)）開關斷開 IB=0，IC?0，UBE< 死區(qū)電壓 發(fā)射結反偏或零偏、集電結反偏。,3）飽和區(qū)(管子處于飽和導通狀態(tài))開關閉合 ?IB?IC， UCE?UBE, 發(fā)射結正偏，集電結正偏。,4、主要參數,電流放大系數β，集-基極反向截止電流 ICBO集-射極反向截止電流 ICEO集電極最大允許電流 ICM集-射極反向擊穿電壓 U(BR)EOC

18、集電極最大允許耗散功率PCM,直流電流放大系數：,電流放大系數? 和,交流電流放大系數：,放大電路的功能：將微弱的電信號加以放大，在輸出端輸出一個與輸入信號波形相同而幅值增大的信號。放大電路的性能指標：電壓放大倍數、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶、非線性失真等。,Au,第二節(jié) 基本放大電路,1.電路組成,參考點,,一、放大電路的組成及工作原理,2.元件作用,,放大元件, iC=?iB。要保證集電結反偏,發(fā)射結正偏,使T工作在放大區(qū) 。,

19、使發(fā)射結正偏，并提供適當的基極電流。,基極電源與基極電阻,,后一頁,前一頁,返回,,集電極電源，為電路提供能量。并保證集電結反偏。,,集電極電阻，將變化的電流轉變?yōu)樽兓碾妷骸?耦合電容,隔直傳交,信號源,負載,,可以省去,,,,參考點,,輸入,輸出,3. 工作原理,靜態(tài):無輸入信號(ui = 0)時,,uo = 0uC1 = UBEuC2 = UCE,？,無輸入信號時,動態(tài):加有輸入信號時,uCE= VCC－ iC RC,uo

20、 = 0uC1 = UBEuC2 = UCE,結論：,1）靜態(tài)時，三極管各電極都是恒定的電壓和電流:IB、UBE和 IC、UCE 。,(IB、UBE) 和( IC、UCE )分別對應于輸入、輸出特性曲線上的一個點稱為靜態(tài)工作點。,后一頁,前一頁,返回,2）動態(tài)時，各電極電流和電壓的大小均發(fā)生了 變化，都在直流量的基礎上疊加了一個交流量。,iC,,,t,,+,集電極電流,直流分量,交流分量,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,3）若參數選取

21、得當，輸出電壓可比輸入電壓大， 即電路具有電壓放大作用。,4）輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180°,即 共發(fā)射極電路具有反相作用。,二、放大電路的分析,靜態(tài)分析（確定靜態(tài)工作點）： 估算法、圖解法 動態(tài)分析（計算放大電路的性能指標）： 微變等效電路法、圖解法,1、靜態(tài)分析,（1）估算法求IB、IC、UCE 步驟： 1）畫出直流通路 2）

22、根據直流通路估算 IB 3）估算IC 4）根據直流通路估算UCE,C看作開路,直流通路,VT,+,后一頁,前一頁,1）畫出直流通路,直流通路：無信號時直流電流的通路,2）根據直流通路估算 IB,RB,,,,,,,,,,,,,,,RC,,,RB稱為 偏置電阻，IB 稱為 偏置電流。,+UCC,RB,,,,,,,,,,,,,,,RC,,,+UCC,4）根據直流通道估算UCE,,IC,根據電流放大作用,后一頁,前一頁,返

23、回,3）估算 IC,例1：用估算法計算靜態(tài)工作點。,已知：UCC=12V，RC=4K?，RB=300K?，?=37.5。,解：,?,請注意電路中IB和 IC的數量級,,IC,RB,,,,,,,,,,,,+UCC,,,RE,,,例2：用估算法計算圖示電路的靜態(tài)工作點。,后一頁,前一頁,（2） 圖解法：,直流偏置線與輸入特性曲線交點Q的坐標(IB、UBE) 即為所求靜態(tài)工作點。,,,IB,UBE,,由電路特性和晶體管的輸入特性確定IB 和

24、UBE,后一頁,前一頁,返回,,UCC,UCC/RB,,由電路特性和輸出特性確定IC 和VCC。,直流負載線,后一頁,前一頁,,,直流負載線方程,由IB確定的那條輸出特性與直流負載線的交點就是Q點,返回,2、動態(tài)分析,動態(tài)： 放大電路有交流信號輸入（ui ?0）時的工作狀態(tài)。動態(tài)分析: (性能指標) 計算電壓放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等。,對輸入的小交流信號而言，三極管相當于電阻。rbe稱為晶體管輸入電阻。,（1）

25、 微變等效電路法,1）輸入回路,當信號很小時，將輸入特性在小范圍內近似線性。,三極管的微變等效電路,?UBE,rbe的量級從幾百歐到幾千歐。,2）輸出回路,iC,uCE,,所以：,輸出端相當于一個受 ib控制的電流源。,后一頁,前一頁,輸出端還要并聯一個大電阻rce。,rce愈大，恒流特性愈好,rce稱為晶體管輸出電阻,返回,,,B,C,E,,晶體三極管,微變等效電路,,,后一頁,前一頁,rce很大，一般忽略。,返回,用微變等效電路法

26、分析電路：,畫出交流通路畫出微變等效電路求電壓放大倍數求輸入電阻求輸出電阻,電工電子學B,1)畫交流通路:交流信號傳輸的路徑,信號源單獨作用的電路.,C短路,直流電源可看作對地短路。,后一頁,前一頁,+UCC,返回,交流通路,后一頁,前一頁,返回,2)畫出微變等效電路,將交流通路中的三極管用微變等效電路代替,后一頁,前一頁,,分析時假設輸入為正弦交流，所以等效電路中的電壓與電流可用相量表示。,+,+,-,,返回,3)求電壓放大倍

27、數：,負載電阻越小，放大倍數越小。,4)求輸入電阻：,放大電路對信號源來說，是一個負載，其大小可以用一個輸入電阻(等效電阻)來表示。,定義：,后一頁,前一頁,返回,輸入電阻是表明放大電路從信號源吸取電流大小的參數。輸入電阻越大， 放大電路得到的信號電壓Ui也越大，因此一般希望輸入電阻大些。,,,后一頁,前一頁,返回,5)求輸出電阻：,對于負載而言，放大電路相當于一個信號源，而信號源的內阻就是放大電路的輸出電阻。,后一頁,前一頁,返回,,

28、RL,,,,,,,,,,,,rbe,,,,,,,RB,,,RC,,外加,,1）斷開負載RL,2）ES=0,內阻保留,3）外加電壓,4）求,共發(fā)射極放大電路輸出電阻,共射極放大電路特點： 1. 放大倍數高;2. 輸入電阻低;3. 輸出電阻高.,+,+,-,-,后一頁,前一頁,返回,加壓求流法步驟:,,RS,(2)圖解法,步驟: 1）根據ui在輸入特性曲線上求iB 　　 2）畫出交流負載線　　 3）由輸出

29、特性曲線和交流負載線求iC和uCE,iB,ib,t,1）根據ui在輸入特性曲線上求iB,,,RB,,,,,,,,,,,,RC,,,,,,,,,RL,,,ui,,uo,,,,,,,,,交流通路,這條直線通過Q點，稱為交流負載線。,2）畫出交流負載線,交流負載線的作法,,,IB,過Q點作一條直線，斜率為：,,交流負載線,,,C,C,R,E,,,uce與ui反相！,iC,uCE,,,,ic,t,3）由輸出特性曲線和交流負載線求iC和uCE,可

30、輸出的最大不失真信號,討論:靜態(tài)工作點的選擇與非線性失真,,,Q點過低，信號進入截止區(qū),放大電路產生截止失真,,,,,,,,,Q點過高，信號進入飽和區(qū),放大電路產生飽和失真,uo,輸出波形,第三節(jié) 放大電路中靜態(tài)工作點的穩(wěn)定,合理設置靜態(tài)工作點是保證放大電路正常工作的先決條件。但是放大電路的靜態(tài)工作點常因外界條件的變化而發(fā)生變動。,前述的固定偏置放大電路，簡單、容易調整，但在溫度變化、三極管老化、電源電壓波動等外部因素的影響

31、下，將引起靜態(tài)工作點的變動，嚴重時將使放大電路不能正常工作，其中影響最大的是溫度的變化。,1. 溫度變化對靜態(tài)工作點的影響,在固定偏置放大電路中(不掌握),當UCC和 RB一定時， IC與 UBE、? 以及 ICEO 有關，這三個參數隨溫度而變化。,,,,,,,后一頁,前一頁,返回,溫度升高時，輸出特性曲線上移,結論： 當溫度升高時， IC將增加，使Q點沿負載線上移，容易使T進入飽和區(qū)造成飽和失真，甚至引起過熱燒壞三極管。,

32、固定偏置電路的Q點是不穩(wěn)定的，為此需要改進偏置電路。當溫度升高使 IC 增加時，能夠自動減少IB，從而抑制Q點的變化，保持Q點基本穩(wěn)定。,后一頁,前一頁,返回,2. 分壓式偏置電路,穩(wěn)定Q點的原理,基極電位基本恒定， 不隨溫度變化。,后一頁,前一頁,跳轉,返回,集電極電流基本恒定，不隨溫度變化。,后一頁,前一頁,返回,Q點穩(wěn)定的過程,,,,,VB固定,RE:溫度補償電阻 對直流：RE越大穩(wěn)Q效果越好； 對交流：

33、 RE越大交流損失越大,為避免交流損失加旁路電容CE。,后一頁,前一頁,返回,3.分壓式偏置電路的分析,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,,I1,,I2,,IB,VB,+,+,+,,RB1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RC,C1,C2,,,,RB2,,,,,,,,,,,CE,RE,RL,+UCC,旁路電容,返回,去掉CE后的微變等效電路,+UCC,,返回,Au減小,(1) 電壓放大倍數,后一頁,前一頁,返回,(2) 輸入電阻ri 和輸

34、出電阻r0,無旁路電容CE,有旁路電容CE,Au減小,ri 提高,ro不變,,分壓式偏置電路,返回,例1:,.,在圖示放大電路中，已知UCC=12V, RC= 6kΩ, RE1= 300Ω， RE2= 2.7KΩ， RB1= 60kΩ， RB2= 20kΩ RL= 6kΩ ，晶體管β=50， UBE=0.6V, 試求:(1) 靜態(tài)工作點IB、IC及UCE；(2) 畫出微變等效電路；(3) 輸入電阻ri、r0及Ａu。,返回,后

35、一頁,前一頁,【解】,直流通路如圖所示。,返回,后一頁,前一頁,微變等效電路如圖,第四節(jié) 共集電極放大電路,后一頁,前一頁,RB,,,,,,,,,,,,,+UCC,,,,,,RC,C1,C2,,,,,,RE,RL,,,,,,ui,uo,+,+,–,–,+,+,返回,又稱為射極輸出器,一、 靜態(tài)分析,后一頁,前一頁,二、 動態(tài)分析,1. 電壓放大倍數,電壓放大倍數 且輸入 輸出同相，輸出 電壓跟隨輸入電 壓，

36、故稱電壓跟 隨器。,后一頁,前一頁,返回,2. 輸入電阻,,后一頁,前一頁,,返回,3. 輸出電阻,斷開負載電阻，用加壓求流法求輸出電阻。,置0,后一頁,前一頁,,返回,一般,所以,后一頁,前一頁,射極輸出器的輸出電阻很小，帶負載能力強。,返回,共集電極放大電路的特點：,1. 電壓放大倍數小于1，約等于12. 輸入電阻高3. 輸出電阻低4..輸出與輸入同相,后一頁,前一頁,返回,討論,1. 將射極輸出器放在放大電路的第一級，可

37、以提高輸入電阻，減輕信號源負擔。,2. 將射極輸出器放在放大電路的末級，可以降低輸出電阻，提高帶負載能力。,3. 將射極輸出器放在放大電路的兩級之間，可以起到阻抗匹配作用。,后一頁,前一頁,返回,第五節(jié) 多級放大電路,耦合方式：信號源與放大電路之間、兩級放大電路之間、放大器與負載之間的連接方式。,常用的耦合方式：直接耦合；阻容耦合。,后一頁,前一頁,,2024/3/26,一、 阻容耦合放大電路,,第一級,第二級,,負載,,,,兩級

38、之間通過耦合電容C2與下級輸入電阻連接,后一頁,前一頁,返回,,1. 靜態(tài)分析：,由于電容有隔直作用，所以每級放大電路的直流通路互不相通，每級的靜態(tài)工作點互相獨立，互不影響，可以各級單獨計算。,兩級放大電路均為共發(fā)射極分壓式偏置電路。,,,后一頁,前一頁,返回,,2. 動態(tài)分析：,微變等效電路,第一級,第二級,后一頁,前一頁,,返回,2024/3/26,電工電子學B,后一頁,前一頁,,返回,,,,二、直接耦合放大電路,,+12V,,

39、uo,,RC2,T2,,,,,ui,RC1,R1,T1,,,,,,,,,,R2,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,+,–,–,后一頁,前一頁,返回,,1、前后級靜態(tài)工作點互相影響2、 零點漂移,零點漂移：指輸入信號電壓為零時，輸出電 壓發(fā)生緩慢變化的現象。,,產生的原因：晶體管參數隨溫度變化、電源電壓 波動、電路元件參數的變化。,前一頁,后一頁